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Das Konzept der digitalen Transformation umfasst die Kombination von Technologien des industriellen Internet der Dinge (IIoT) mit Arbeitsabläufen, Prozessen und kulturellen Veränderungen, um eine Leistungsoptimierung zu erreichen. Zu den Technologien, die an der Spitze dieser aufregenden neuen Ära stehen, gehören intelligente digitale Geräte wie industrielle Edge-Controller.
Edge-Controller können in vielen Anwendungen, in denen bisher herkömmliche industrielle Steuerungen der Betriebstechnik wie speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Process Automation Controller (PAC) verwendet wurden, erhebliche Vorteile bieten. Mit ihrer Fähigkeit, große Mengen an Prozessdaten zu sammeln und zu analysieren sowie verwertbare Erkenntnisse zu liefern, können Edge-Controller eine bessere Entscheidungsfindung und eine verbesserte Betriebsleistung ermöglichen.
Evolution der industriellen Automatisierungsgeräte
Bereits in den 1960er Jahren wurde damit begonnen, elektromechanische Relaisschalter durch digitale Steuerungen (SPS) zu ersetzen, da sie dem Endanwender eine Reihe von Vorteilen boten. Sie wiesen eine größere Vielseitigkeit auf, waren nicht fest verkabelt und benötigten deutlich weniger Platz im Schaltschrank. Sechs Jahrzehnte später sind SPS nach wie vor eine ausgezeichnete Wahl für Anwender, die einfache, wiederholbare Prozesse benötigen, die durch die Verwaltung von Ein- und Ausgängen (E/A) über eine geschriebene Logik gesteuert werden können.
Zu Beginn des neuen Jahrtausends begannen Anbieter industrieller Automatisierung, SPS mit erweiterten Funktionen zu produzieren, die als PAC bezeichnet wurden, um sie von den einfacheren Steuerungstypen zu unterscheiden.
Eine Steuerung kann als PAC definiert werden, wenn sie bestimmte Kriterien erfüllt. Dazu gehören eine erhöhte Flexibilität bei der Programmierung, zum Beispiel in C/C++, eine verbesserte Interoperabilität unter Verwendung von Standardprotokollen, eine modulare, offene Architektur sowie Merkmale und Funktionen, die den Betrieb in mehreren Bereichen ermöglichen, zum Beispiel diskrete, Prozess- und Bewegungssteuerung.
Die Vertrautheit und die Art der Anwendung bestimmen in der Regel, ob eine SPS oder ein PAC für eine bestimmte Anwendung eingesetzt wird, aber unabhängig von der Wahl erweitert die Edge-Technologie die Funktionalität, indem sie Zugang zu isolierten oder versteckten Daten bietet, Informationen aus anderen Geschäfts-/Internetkonstrukten sammelt und alle Daten konsolidiert, um verwertbare Erkenntnisse zu gewinnen.
Durch das Angebot von IIoT-Funktionen mit nicht-deterministischen Edge-Anwendungen, Analysen und Cloud-Konnektivität erweitern Edge-Controller die Palette der von einer herkömmlichen Steuerung angebotenen Dienste erheblich.
Definition eines modernen Edge-Controllers
Da die Kategorie der Edge-Controller relativ neu ist, lohnt es sich zu überlegen, welche Eigenschaften ein Gerät haben sollte, um als Edge-Controller bezeichnet zu werden. Muss ein Gerät als Edge-Controller gelten, weil es Ethernet-Kommunikation bietet, einen einfachen Webserver auf einer SPS oder OPC UA-Fähigkeit auf einem PAC?
Könnte man einen Laptop oder ein Mobiltelefon als Edge-Controller bezeichnen, wenn man es mit der richtigen Software ausstattet? Welche Prioritäten setzen Sie bei der deterministischen SPS-Steuerung im Vergleich zu den Aspekten der allgemeinen Datenverarbeitung?
Ein Edge-Controller ist in erster Linie eine industrielle Automatisierungssteuerung, die Echtzeit-Determinismus zur Steuerung der Maschine oder des Prozesses bieten muss. Ein echter Edge-Controller muss so konzipiert sein, dass er diese deterministische Steuerungsfunktionalität sicher mit nicht-deterministischen Edge-Funktionen in einer einzigen Plattform integriert, so dass keine der beiden Funktionen die Leistung der anderen beeinträchtigen kann.
Dies wird idealerweise mit zwei unabhängigen Betriebssystemen (OS) erreicht – einem Echtzeit-Betriebssystem (RTOS) für die deterministische Steuerung und einem Allzweck-Betriebssystem (GPOS) wie Linux für Edge-Anwendungen.
Darüber hinaus sollte ein echter Edge-Controller über leistungsstarke Open-Source-Programmierfunktionen wie Python und C/C++ verfügen, damit bessere Edge- und Analyseanwendungen erstellt werden können. Außerdem sollte er über eine offene, erweiterbare Plattform verfügen, die es den Anwendern ermöglicht, neue und/oder bewährte industrielle Edge-Anwendungen einzusetzen, um verwertbare Erkenntnisse zu gewinnen.
Durch die Implementierung von Edge-Controllern mit diesen Merkmalen können Anwender IIoT-Fähigkeiten in ihrem eigenen Tempo einführen. Sie können klein anfangen, wenn sie wollen und aufstocken, wenn sie dafür bereit sind.
Implementierung von Edge-Controllern
Es gibt bestimmte Schlüsselfaktoren, die bei der Implementierung eines Edge-Controllers berücksichtigt werden sollten. Wie SPS und PAC müssen auch Edge-Controller den verschiedenen Herausforderungen standhalten, die die rauen Umgebungsbedingungen in der Fabrik und im Feld mit sich bringen, darunter Temperatur, Vibration, Feuchtigkeit und Verunreinigungen.
Das Hinzufügen von CPU-Kernen zur Steigerung der Rechenleistung erzeugt zusätzliche Wärme, und die Hardware muss so ausgelegt sein, dass das Gerät über den gesamten Temperaturbereich hinweg eine gleichbleibende Leistung erbringt, ohne dass es zu Ausfällen kommt, zum Beispiel aufgrund rotierender Lüfter.
Die Steuerung kritischer automatisierter Prozesse erfordert ein deterministisches Echtzeit-Betriebssystem anstelle eines Standard-Betriebssystems, dem es an der notwendigen Determiniertheit und Robustheit mangelt. Durch die Implementierung eines Edge-Controllers mit einem RTOS (Real-Time-Operating-System) kann die Reaktionsfähigkeit und der Determinismus der Steuerung jederzeit aufrechterhalten werden.
Aus diesem Grund laufen Edge-Controller mit einem RTOS wie VxWorks, um eine deterministische Steuerung zu ermöglichen, sowie mit einem GPOS (General-Purpose-Operating-System) wie Linux für das Edge-Computing.
Die Edge-Steuerung kann mit einem herkömmlichen SPS-Prozessor in Kombination mit einem Co-Prozessor im selben Gehäuse implementiert werden. Eine alternative Methode besteht darin, einen einzelnen, unabhängigen Edge-Controller mit einem Echtzeit-Hypervisor zu verwenden, um einen Multi-Core-Prozessor in separate virtuelle Maschinen (VM) aufzuteilen und so eine deterministische und universelle Unabhängigkeit bei der Datenverarbeitung auf einer einzigen Hardware-Plattform zu erreichen.
Bei diesem Ansatz trennt der Hypervisor die Hardwareressourcen (Prozessorkerne, Speicher und Netzwerkschnittstellen) und weist sie jeder VM zu, auf der ein eigenes Betriebssystem läuft. Diese Konfiguration ermöglicht es einem RTOS, auf sichere, kooperative Weise mit einem GPOS zu arbeiten, ohne die Leistung zu beeinträchtigen – das GPOS kann neu gestartet werden, ohne dass das RTOS, auf dem ein kritischer Prozess läuft, geschwächt wird.
Diese Fähigkeit ist von entscheidender Bedeutung, da die Anwender darauf angewiesen sind, dass die kritische RTOS-Steuerung immer eingeschaltet bleibt, selbst wenn das GPOS häufiger aktualisiert wird, um bessere Analysen und Erkenntnisse zu erhalten. Darüber hinaus verbessern getrennte VMs die Cybersicherheit, da sie den Zugriff von außen auf das RTOS leichter einschränken können.
Ein entscheidendes Kriterium für Edge-Controller ist für viele Anwender die Anzahl und Art der Allzweck-Edge-Anwendungen über die deterministische Steuerungsfunktion hinaus, die zur Optimierung ihrer Prozess- oder Maschinensteuerung zur Verfügung stehen.
Allzweckanwendungen können eine beliebige Kombination aus Maschinenvisualisierung mit Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), MQTT für Cloud-Konnektivität, Node-RED für die visuelle Verknüpfung von Datenströmen, Grafana für Analysen und interaktives Daten-Dashboarding sowie viele andere umfassen.
Diese Anwendungen können nativ unter dem GPOS ausgeführt werden, jedoch ein besserer Ansatz ist die Containerisierung, also die Bündelung des Anwendungscodes mit zugehörigen Dateien und Abhängigkeiten, für Unabhängigkeit und optimale Kontrolle der Kommunikation zwischen den Anwendungen.
So wie die Hardware-Virtualisierung sicherstellt, dass jedes Betriebssystem unabhängig verwaltet und sogar neu gestartet werden kann, bieten Containerisierungsplattformen wie Docker diese Möglichkeiten für Anwendungen, so dass die Benutzer Konfigurationen testen, bereitstellen und skalieren können.
Letztlich benötigen industrielle Anwender robuste Edge-Controller-Lösungen, die zuverlässig arbeiten und eine deterministische Steuerung in Echtzeit ermöglichen. Diese Fähigkeit sollte durch Edge-Computing ergänzt werden, so dass es möglich ist, auf gebundene Maschinendaten zuzugreifen, Berechnungen durchzuführen, andere Anwendungserfahrungen wie zum Beispiel Visualisierungen zu liefern und mit anderen Unternehmensressourcen zu kommunizieren.
Einfach ausgedrückt: Ein Edge-Controller ermöglicht bessere Ergebnisse, und mit einer durchdachten Implementierung können die Anwender an der Spitze der Technologie stehen, ohne Ausfallzeiten oder Risiken in Kauf nehmen zu müssen. Um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen, sollten Anwender auf Implementierungen bestehen, die in erster Linie industrielle Steuerungen sind, aber auch so konzipiert sind, dass sie Edge-Computing-Funktionen ergänzen, die auf sichere und kooperative Weise laufen.
Emerson wird auf der SPS 2021 in Halle 7, Stand 490, die Möglichkeiten von Edge-Controllern demonstrieren.
