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Steht die industrielle Automatisierung über 50 Jahre nach Erfindung der SPS vor einem Paradigmenwechsel? Enorme Rechenleistung und hohe Datenübertragungsraten machen 2022 möglich, wovon Ingenieure träumen: eine vollkommen herstellerunabhängige und rein softwarebasierte Automatisierung.

Noch immer wird die Automatisierungswelt von geschlossenen Systemen dominiert. Steuerungen unterschiedlicher Hersteller sind nicht miteinander operabel und die Software des einen Anbieters läuft nicht auf der Hardware eines anderen. Angesichts der Möglichkeiten, die sich auf Basis IIoT-basierter Vernetzung und intelligenter Softwarelösungen, zum Beispiel für die Datenauswertung bieten, wirkt dieser Zustand zunehmend anachronistisch. Denn gerade den Anwendern der proprietären Automatisierungstechnik entgehen damit wertvolle Wettbewerbsvorteile, die in puncto Effizienz, Flexibilität und Engineering schon heute nutzbar wären.

Doch Automatisierung lässt sich auch anders denken: Rasant wachsende Rechenleistung selbst in vermeintlich einfachen Feldgeräten sowie höhere Datenübertragungsraten schaffen heute eine völlig neue Ausgangslage. Für Fachleute wie Michael Gieselmann, Produktmanager bei Schneider Electric, ist deshalb klar: „Um auch in Sachen Automatisierung Industrie 4.0-fähig zu werden, braucht es einen Ansatz, der dem neusten Stand unserer technologischen Entwicklung gerecht wird. Gerade auch wenn es darum geht, nachhaltigere und wettbewerbsfähige Anlagen im Sinne einer verantwortungsvollen, umweltbewussten Industrie zu entwerfen.“

Die mit der Erfindung der Speicherprogrammierbaren Steuerung Ende der 1960er Jahre etablierten Automatisierungslogiken haben gerade die deutsche Wirtschaft weit gebracht. Das Automatisierungsniveau ist immer weiter gestiegen und in vielen Werkshallen verrichten perfekt orchestrierte Förderbänder, Maschinen und Roboter selbst komplexeste Tätigkeiten. Gleichzeitig haben sich auf Basis der zu Beginn der 1990er Jahre erstmals definierten Norm IEC 61131 unzählige, spezifische und nicht miteinander kompatible Systeme entwickelt, mit denen sich bestimmte maschinelle Anwendungen mithilfe einer SPS oder Soft-SPS automatisieren lassen.

IIoT praxisgerecht und ganzheitlich umsetzen

Diese geschlossenen Systeme, in denen sich etwa die Steuerung eines Herstellers nur mit dessen eigener Entwicklungsumgebung programmieren lässt, zeichnen sich unter anderem durch Funktionsbibliotheken aus, in denen herstellerspezifische Bausteine, etwa für spezielle Funktionen in bestimmten Segmenten, hinterlegt sind. Das hat eine doppelte Geschlossenheit zur Folge:

„In Anbetracht der Herausforderungen, mit denen Industrieunternehmen dank globalem Wettbewerb, individuellerer Kundennachfrage, Fachkräftemangel, Lieferengpässen und klimapolitischen Vorgaben konfrontiert sind, werden die negativen Folgen einer geschlossenen Automatisierungslogik immer augenfälliger,“ erklärt Prof. Dr. Ing. Clemens Faller, Professor für Automation, Industrial IT und Smart Production an der Hochschule Bochum.

Gerade wenn es um Themen wie Effizienz und Flexibilität geht, treten die Nachteile eines proprietären Automatisierungsansatzes deutlich hervor: „Da jede Steuerung an ihre Programmierumgebungen inklusive dazugehöriger Funktionsbibliotheken gebunden ist, lässt sich die anbieterübergreifende Zusammenarbeit von verschiedenen SPSen nur mit enormem Aufwand realisieren“, sagt IT- und Automatisierungsexperte Faller. „Da zudem einmal erstellte Softwareapplikationen ebenfalls nicht übertragbar sind, ist jeder Umbau und jede Modernisierung mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.“ Eine neue SPS lässt sich nicht einfach nur per Plug-and-Produce in die bestehende Anlage integrieren, viele Teile der Anwendung müssen neu programmiert werden und ein Test der gesamten Anlage ist nötig.

Mangelnde Flexibilität sowie weniger innovative und effiziente Anlagen sind die Folge. Denn bei der Auswahl passender Hardware-Komponenten ist nicht nur die Leistungsfähigkeit oder Verfügbarkeit von Bauteilen entscheidend – ausschlaggebend ist vor allem der Hersteller, für den sich ein Unternehmen entschieden hat. Wer sich einmal für die Hard- und Softwarekombination eines bestimmten Anbieters entschieden hat, bleibt von dessen Innovationskraft und Lösungsentwicklung abhängig. Sollte ein anderer Hersteller irgendwann eine bessere Lösung für die eigenen Anforderungen bereitstellen, ließe sich der Umstieg nur mit hohem Investitionsaufwand realisieren.

Aber auch für Maschinen- und Anlagenbauer bedeutet die Herstellerabhängigkeit ihrer Kunden wenig Gutes. Um einen möglichst breiten Markt bedienen zu können, ist es häufig nötig, ein und dieselbe Maschine in verschiedenen SPS-Systemen zu programmieren. Und jedes Mal braucht es dazu eine spezifische Expertise. Damit können wertvolle Ressourcen nicht für das Vorantreiben wichtiger Innovationen genutzt werden, sondern bleiben für aufwendige Parallelentwicklungen gebunden.

Nachhaltiges Wirtschaften braucht herstellerunabhängige Automatisierung

Dass die negativen Auswirkungen proprietärer Steuerungssysteme für die Anwender und Maschinenbauer längst zum handfesten Problem geworden sind, zeigt nicht zuletzt die wachsende Anzahl an Verbänden und Fachausschüssen, die sich für Offenheit und Herstellerunabhängigkeit einsetzen. Mit OPC UA zum Beispiel steht ein für die Automatisierungstechnik nutzbarer, plattform- und herstellerunabhängiger Kommunikationsstandard bereit, mit dem sich auch heterogene Maschinenlandschaften durchgängig vernetzen lassen und Daten unabhängig von der Hardware ausgetauscht werden können. Mit Hinblick auf eine vertiefte IT-OT-Konvergenz ist OPC UA eine hochfunktionale Lösung, die mittlerweile bei immer mehr Anwendern großen Anklang findet.

In einer aktuellen Studie des VDMA geben etwa 56 Prozent der befragten Maschinen- und Anlagenbauer an, dass eine interoperable Schnittstelle für sie von hoher bis sehr hoher Bedeutung sei. Insbesondere geht es dabei um das „Auflösen von proprietären Schnittstellen“ sowie den Wunsch nach einer Verringerung des Integrationsaufwands.

„Auch für uns bei Schneider Electric spielt OPC UA eine immer wichtigere Rolle – gerade, wenn es um die Zusammenführung und durchgängige Kommunikation von Daten geht“, betont Automatisierungsexperte Michael Gieselmann. Für ihn ist der Kommunikationsstandard ein erster entscheidender Schritt in Richtung herstellerunabhängiger Automatisierungslösungen. Doch Gieselmann weiß auch: „Die grundsätzliche Problematik von proprietären Steuerungssystemen und deren Programmierumgebungen können wir mithilfe von OPC UA nicht lösen. Dafür müssen wir auf einer viel grundlegenderen Ebene ansetzen. Positiv ist aber, dass nicht zuletzt das Aufkommen von OPC UA ein Umdenken am Markt angestoßen hat. Nachdem sich die enormen Vorteile eines herstellerunabhängigen Kommunikationssystems gezeigt haben, gibt es nun auch immer mehr Anwender, die einen herstellerunabhängigen Ansatz für die Automatisierung fordern.“ Im Unterschied zu OPC UA muss dieser Ansatz allerdings weniger bei der Kommunikation, als vielmehr am eigentlichen Kern der Automatisierungstechnik ansetzen.

Immer mehr IoT-Anbieter unterstützen die Einführung von OPC UA

Clemens Faller ist Professor für Automation, Industrial IT und Smart Production an der Hochschule Bochum. (Bild: Hochschule Bochum)

Als Vorbild für den im Bereich Automatisierung notwendigen Paradigmenwechsel eignet sich die IT-Welt. Softwareprogramme unterschiedlicher Anbieter können hier auf jeder kompatiblen Hardware jedes beliebigen Herstellers installiert werden und zusätzliche Komponenten, etwa ein Drucker, lassen sich per Plug & Play in bestehende Systeme integrieren. Das grundlegende Prinzip, das diesen Grad an Freiheit ermöglicht, kann als Entkopplung von Hardware und Software beschrieben werden – ein Prinzip also, das der Logik proprietärer SPS-Systeme praktisch diametral entgegensteht.

Völlig neu ist diese Idee aber auch in der Automatisierungswelt nicht. Die bereits 2005 veröffentlichte Norm IEC 61499 sieht im Unterschied zu allen anderen gängigen Standards explizit eine grundlegende Trennung von Software und Hardware vor. Diese sogenannte Hardware-Abstraktion schafft eine von der Hardware unabhängige Softwareschicht, in der mithilfe von Funktionsblöcken im besten Falle weniger programmiert als vielmehr modelliert werden kann. Basierend auf dieser Grundidee ist es zum Beispiel mithilfe des Engineering-Tools EcoStruxure Automation Expert von Tech-Konzern Schneider Electric möglich, mechatronische Komponenten, cyberphysische Systeme oder ganze Anlagenteile in Form von Softwarebausteinen mit wenigen Klicks zu komplexen Anwendungen zusammenzuschalten. Da keine Hardwarebindung existiert, lassen sich die softwareseitig erstellten Programmstrukturen völlig frei auf die zugrundeliegende Hardware aufspielen. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um eine Speicherprogrammierbare Steuerung, einen IPC oder sonst eine gängige mechatronische Komponente handelt.

„Für das Engineering innovativer Anlagen bieten sich auf Basis dieses Prinzips enorme Freiheiten“, betont Professor Faller. „Und auch die Markteinführungszeiten von Maschinen können um ein Vielfaches gesenkt werden. Liegt ein erstelltes und für gut befundenes Programm einmal vor, kann es per Copy-and-Paste einfach auf weitere Ausführungen derselben Maschine übertragen werden.“ Da es keine Hardware- oder Herstellerbindung mehr gibt, funktioniert das sogar, wenn die neue Ausführung einer bestimmten Maschine mit den Bauteilen eines anderen Anbieters konstruiert wurde.

Mehr Informationen zum Engineering mit IEC 61499 finden Sie hier:

Verteilt, Vereinfacht, Vernetzt: So geht herstellerunabhängige Automatisierung

Eine wichtige Voraussetzung für das Funktionieren eines solchen Hardware und Software entkoppelnden Ansatzes ist – neben ausreichend Rechenleistung in den Feldgeräten und hoher Datenübertragungsraten für eine echtzeitfähige Steuerung – das Vorhandensein einer herstellerunabhängigen Runtime-Umgebung, die die Hardwarekomponenten von ihrer Bindung an die Entwicklungsumgebung eines bestimmten Herstellers löst. Professor Faller erklärt das so: „Im Unterschied zu einem interoperablen Kommunikationsstandard zwischen den Komponenten, setzt diese Runtime-Umgebung direkt am eigentlichen Kern der Komponenten an und schafft einen gemeinsamen Nenner, um beispielsweise die Interoperabilität von Steuerungen auf einer grundlegenden Ebene sicherzustellen. Nur so kann gewährleistet werden, dass sich die softwareseitig erstellten Anwendungen hardwareunabhängig auf die Feldgeräte aufspielen lassen.“

Neue Non-Profit-Organisation für herstellerunabhängige Automatisierung

Die im November 2021 neu gegründete Non-Profit-Organisation UniversalAutomation.Org verwaltet, pflegt und aktualisiert eine solche auf der Norm IEC 61499 gründende Runtime-Umgebung und stellt sie als Referenzimplementierung zur Verfügung. Da es sich bei dieser Referenzimplementierung nicht um eine Open Source, sondern um eine von der Org streng kontrollierte Shared Ressource handelt, werden einer herstellerspezifischen Ausgestaltung der Runtime von Anfang an enge Grenzen gesetzt. Zwar ist es den Mitgliedern möglich, sich aktiv in die Weiterentwicklung der Runtime einzubringen, die Änderungsvorschläge werden allerdings durch die Org konsolidiert und fließen in eine stets gemeinsam geteilte Runtime-Version ein.

Für die Marktakzeptanz eines neuen, herstellerunabhängigen und softwarezentrierten Automatisierungsansatz ist damit ein wichtiger Meilenstein erreicht. Zum ersten Mal seit Veröffentlichung von IEC 61499 steht eine einfach zugängliche, technische Grundlage zur Verfügung, die einen unkomplizierten Einstieg in die neue Automatisierungslogik erlaubt.

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