Automatisierung : Hardwareunabhängig automatisieren mit IEC 61499

Ob Fertigungsindustrie oder Prozessindustrie, moderne Industriebetriebe sind heute branchenübergreifend auf ein hohes Automatisierungsniveau angewiesen. Nur so ist es etwa in der Lebensmittelwirtschaft möglich, die strengen Kriterien an Sicherheit, Hygiene und Nachhaltigkeit mit den gestiegenen Anforderungen an die Produktionsleistung zu verbinden, die im heutigen Wettbewerbsumfeld maßgebend sind. Hinzu kommt, dass ständig wechselnde Sortimente an kundenspezifisch designten Spezialobjekten und Nischenprodukten nach einem hohen Grad an Flexibilität in puncto Automatisierung verlangen. Angesichts individueller Nachfrage, kleinen Losgrößen sowie einer rasch voranschreitenden technologischen Entwicklung sind automatisierte Anlagen und Maschinen gefordert, die schnell und agil an neue Produkte und Herstellungsprozesse angepasst werden können. Für das Engineering solcher Maschinen bedeutet das: Aufwand und Komplexität nehmen rapide zu. Vor allem deshalb, da aufgrund proprietärer Steuerungssysteme die hierfür notwendige Integration von immer mehr heterogenen Hard- und Softwarekomponenten eine zeit- und kostenintensive Aufgabe darstellt.

Alois Zoitl, Professor für Cyber-Physical Systems for Engineering and Production an der Johannes Kepler Universität in Linz, hat sich über viele Jahre wissenschaftlich mit dem Thema verteilte Automatisierungssysteme beschäftigt. In seinem 2016 gemeinsam mit Thomas Strasser veröffentlichten Buch „Distributed Control Applications“ werden angesichts der Branchenentwicklung die Voraussetzungen für eine zukunftsfähige Automatisierungs-Architektur im Sinne von Industrie 4.0 skizziert. Kernpunkte sind dabei verteilte Intelligenz, Nutzerfreundlichkeit sowie die unkomplizierte Konfiguration von Kommunikationsschnittstellen. Während mithilfe von verteilter Intelligenz die Funktionalität und Robustheit hochkomplexer Prozesse und Maschinen gestärkt werden sollen, zielen Nutzerfreundlichkeit und eine vereinfachte Schnittstellenkonfiguration auf einen reduzierten Engineering-Aufwand sowie schnellere Markteinführungs- und Umrüstzeiten ab. Zur praktischen Umsetzung dieser Anforderungen benennen Zoitl und Strasser auch gleich den passenden Standard: „IEC 61499 as a reference model for highly distributed, networked industrial automation and control systems provides the basis for the realization of a future distributed architecture. It has the potential of fulfilling most of the […] needs [related to Industry 4.0].” (Zoitl & Strasser, S. 8)

Ob Fertigungsindustrie oder Prozessindustrie, moderne Industriebetriebe sind heute branchenübergreifend auf ein hohes Automatisierungsniveau angewiesen. Nur so ist es etwa in der Lebensmittelwirtschaft möglich, die strengen Kriterien an Sicherheit, Hygiene und Nachhaltigkeit mit den gestiegenen Anforderungen an die Produktionsleistung zu verbinden, die im heutigen Wettbewerbsumfeld maßgebend sind. Hinzu kommt, dass ständig wechselnde Sortimente an kundenspezifisch designten Spezialobjekten und Nischenprodukten nach einem hohen Grad an Flexibilität in puncto Automatisierung verlangen. Angesichts individueller Nachfrage, kleinen Losgrößen sowie einer rasch voranschreitenden technologischen Entwicklung sind automatisierte Anlagen und Maschinen gefordert, die schnell und agil an neue Produkte und Herstellungsprozesse angepasst werden können. Für das Engineering solcher Maschinen bedeutet das: Aufwand und Komplexität nehmen rapide zu. Vor allem deshalb, da aufgrund proprietärer Steuerungssysteme die hierfür notwendige Integration von immer mehr heterogenen Hard- und Softwarekomponenten eine zeit- und kostenintensive Aufgabe darstellt.

IEC 61499: Standard für hardwareunabhängige, softwarebasierte Automatisierung

Mitte der 2000er Jahre entworfen, definiert Norm IEC 61499 ein generisches Modell für verteilte Steuerungssysteme, das die bisher übliche Norm IEC 61131-3 wesentlich erweitert. Grundgedanke dabei ist ein rein softwarebasiertes – von der zugrundeliegenden Hardware abstrahiertes – Modellieren von automatisierten Anwendungen mithilfe von vorgefertigten Funktionsbausteinen. Dazu sieht IEC 61499 vor, dass die Funktionsbibliotheken von Programmierumgebungen grundsätzlich offen und ohne Herstellerbindung vorliegen müssen. Auf diese Weise spielt es für die Modellierung fortan keine Rolle mehr, welche CPU-Ressourcen als Basis zur Verfügung stehen. Anwender sind nicht mehr an die Wahl eines bestimmten Anbieters gebunden und Änderungen des Setups lassen sich per Plug and Play realisieren. Zudem verfügen die von IEC 61499 definierten Funktionsblöcke über Ein- und Ausgänge für Events. Damit ermöglichen sie, im Unterschied zu einer zyklischen Programmbearbeitung, die aus der IT-Welt längst bekannte, ereignisgesteuerte Automatisierung.

Grau ist alle Theorie – wieso sich die praktische Umsetzung von Norm IEC 61499 jetzt lohnt

Wirklich offene, hardwareunabhängige Automatisierungslösungen sind außerhalb der akademischen Forschung bisher rar gesät. Der Bruch mit herkömmlichen Automatisierungslogiken fällt schwer – zumal diese über viele Jahre maßgeblich zum Erfolg von Industrie und Wirtschaft beigetragen haben. Doch die Zeiten haben sich geändert. Angesichts heutiger technischer Möglichkeiten im Bereich IIoT-Vernetzung, digital Services und Software scheint das Festhalten an proprietären Steuerungssystemen zunehmend überholt. Geschlossene Systeme und Insellösungen stehen sowohl einer innovativeren Maschinenentwicklung als auch der engeren Verzahnung von OT und IT im Weg. Viele Vorteile, die sich bereits heute in Sachen Energieeffizienz, Engineering, Nachrüstung, Flexibilität und Service für die Automatisierung bieten würden, lassen sich so schlichtweg nicht nutzen.

Bei Tech-Konzern Schneider Electric ist man in diesem Punkt schon einen entscheidenden Schritt weiter. Das auf industrielle Automatisierung spezialisierte Unternehmen hat mit seiner Softwarelösung EcoStruxure Automation Expert ein Tool auf den Markt gebracht, das Anwender schon jetzt von den Vorteilen von Norm IEC 61499 profitieren lässt.

In puncto Funktionalität und Anwendernutzen ist der EcoStruxure Automation Expert eng an den von Zoitl und Strasser formulierten Anforderungen an eine zukunftsfähige Automatisierungsarchitektur orientiert. Innerhalb der Softwareumgebung des EcoStruxure Automation Expert wird dazu eine von der Hardware unabhängige Abstraktionsschicht für das Orchestrieren automatisierter Anwendungen geschaffen. Diese macht die Entwicklung und das Testen von Anwendungen möglich, noch bevor überhaupt ein einziges Stück Hardware verbaut wurde. Um in diesem Zusammenhang komplexe Programmiervorgänge zu vermeiden, kann zudem auf vorgefertigte Funktionsblöcke zurückgegriffen werden. Diese Softwarebausteine lassen sich ganz einfach per sogenanntem „single line engineering“ rein grafisch miteinander verbinden. Ein automatischer Plausibilitätscheck sowie vielfältige Simulationsmöglichkeiten geben dann in der virtuellen Softwareumgebung sofort darüber Aufschluss, ob und wie produktiv und effizient die real ausgelegte Anlage funktionieren würde. Die softwareseitig modellierten Programmstrukturen lassen sich im Anschluss frei und herstellerunabhängig auf die jeweiligen realen Anwendungskomponenten verteilen – seien es nun Frequenzumrichter, speicherprogrammierbare Steuerungen, IPC’s oder Windows/Linux-Rechner.

Die komplette Konfiguration der Kommunikationsschnittstellen wird dabei selbstständig durch den EcoStruxure Automation Expert übernommen. Für den Programmierer besteht innerhalb der Softwareumgebung jederzeit Klarheit über die Abhängigkeiten der verschiedenen Module und Komponenten. Auf diese Weise lässt sich das Engineering nicht nur erheblich vereinfachen und beschleunigen, der Spielraum für Fehler wird auch stark reduziert. Laut unternehmenseigenen Studien ist es mithilfe des EcoStruxure Automation Expert möglich, die Markteinführung typischer Anwendungen im Bereich Verpackungsindustrie um bis zu 50 Prozent zu verkürzen.

Auch bei einem Austausch von Komponenten oder im Fall von Erweiterungen und modularen Umbauten kommt die automatische Schnittstellenkonfiguration durch den EcoStruxure Automation Expert zum Tragen. Indem die Kommunikation zwischen neuen und alten Anlagenkomponenten sofort eigenständig konfiguriert wird und sich auch die softwareseitig modellierten Programmstrukturen frei auf das neue Bauteil aufspielen lassen, können Anwender von einem Plug-and-Play-Prinzip profitieren. Die gegenwärtig meist noch sehr zeitaufwändig programmierte Querkommunikation zwischen Steuerungen entfällt und die Anlage ist selbst nach Umbauten und Erweiterungen praktisch unmittelbar wieder betriebsbereit.

Das Beispiel EcoStruxure Automation Expert zeigt: Hardwareunabhängige Automatisierung ist längst mehr als eine Theorie. Zur Realisierung komplexer automatisierter Anwendungen, die hohe Produktivität, Flexibilität und Resilienz mit klimaverträglichen, nachhaltigen Produktionsstandards verbinden, erweisen sich die Vorgaben und Empfehlungen von Norm IEC 61499 als äußerst gewinnbringend. Praktisch umgesetzt in Form eines Softwaretools wie dem EcoStruxure Automation Expert lassen sich Innovationskraft und Entwicklungspotenziale freisetzen, wo proprietäre Systeme bisher Grenzen gesetzt haben. Wenn Anwendungen ohne Rücksicht auf Hardware-Gegebenheiten kreativ und frei erdacht sowie umgesetzt werden können, öffnen sich völlig neue Perspektiven. Perspektiven, die durch die nahtlose Einbindung der OT in die IT noch um ein Vielfaches erweiterbar sind. Denn automatisierte Anwendungen existieren im EcoStruxure Automation Expert von Beginn an auch als virtuelle Einheiten, sie sind mit all ihren mechatronischen Komponenten, cyberphysischen Systemen oder Modulen verfügbar und sichtbar. Auf Basis dieser maximalen Datentransparenz ist der Einsatz zusätzlicher Softwaretools, zum Beispiel für Condition Monitoring, vorausschauende Wartung oder Digital Twin, noch wirksamer und unkomplizierter möglich. Innovative Maschinendesigns, wie sie für eine digitale und grüne Industrie der Zukunft unabdingbar sind, lassen sich damit ausfallsicherer und ressourceneffizienter realisieren.

Autor: Michael Gieselmann, Senior Product Manager EU Automation DACH bei Schneider Electric.