IoT – das „Internet of Things“ und „Industrie 4.0“: Diese zwei Gespenster geistern derzeit überall durch Veranstaltungen und Messen. Das Gesagte klingt dann oft verheißungsvoll; das Ziel der Träume, der große Erfolg werden angekündigt. Meistens bleibt es jedoch bei diversen Schlagworten, deren tieferer Sinn sich aber nicht so recht erschließen will. Dieser Artikel klärt auf, was sich dahinter verbirgt, und zeigt am Beispiel einer Maschine, wie man diese Technologien wirklich sinnvoll umsetzen kann.
Prozessdaten
Ein globaler Speicher – das Prozessdatenmodell – dient als Ort für die Ablage von sämtlichen Prozessgrößen (Prozessvariablen oder Merker). Über diverse I/O-Funktionen werden elektrische Signale zyklisch eingespielt bzw. ausgegeben.
Ein Steuerprogramm greift diese Prozessvariablen auf, verarbeitet die Daten, und schreibt Prozessgrößen wieder in das Prozessdatenmodell zurück. Da mit diesem Verfahren in jeder Aktualisierungsphase der „alte“ Wert überschrieben wird, liegen immer nur die aktuellsten Prozessgrößen vor. Echtzeitregelung, aber auch -steuerung, lässt sich so universell und einfach realisieren.
Dieser simple und elegante Weg wird aber zum Nachteil, wenn mehrere Werte oder Statusmeldungen (z.B. Kommandos oder Fehlermeldungen) schneller auf eine Prozessvariable geschrieben als von der Gegenstelle ausgelesen werden. Wichtige Informationen gehen verloren, weil sie zu schnell überschrieben werden. In solchen Situationen versagt das Modell.
Messagebasierte Kommunikation
Diese Art von Kommunikation steckt eigentlich immer dahinter, wenn vom „IoT“ die Rede ist. Auf den ersten Blick klingen beide Kommunikationsarten erstmal sehr ähnlich. Bei genauerer Prüfung merkt man jedoch, dass sie sich beide Arten in ihrer Auswirkung fundamental unterscheiden. Im messagebasierten Kommunikationsmodell werden Botschaften serialisiert und wie im obigen Beispiel über einen zentralen Vermittler, den sogenannten Broker, an andere Clients verteilt.
Im Unterschied zum Prozessdatenmodell liegt hier der Schwerpunkt in der zuverlässigen Zustellung aller Informationen – ein Überschreiben von noch nicht abgeholten Werten ist nicht mehr möglich. Das System bietet Vor- und Nachteile; so ist z.B. die Umsetzung von Reglern äußerst schwierig. Neben der üblichen Adressierung, bei der der Sender jeweils den Empfänger benennt (Request/Response), gibt es den Publish/Subscribe-Mechanismus, der in der embedded-Welt etwas völlig neues darstellt.
Der Sender (Publisher) adressiert seine Nachricht nicht mehr an einen spezifischen Empfänger, sondern stellt sie einfach unter einem eindeutigen Topic zur Verfügung. Jeder Empfänger (Subscriber) kann nun bei Bedarf dieses Topic abonnieren und erhält ab dann vom Broker die jeweils anfallenden Informationen, bis er das Abonnement wieder abbestellt. Somit sind Sender und Empfänger nicht mehr direkt miteinander verbunden; dies ermöglicht die beliebige Verteilung von Information.
Um wieder in die IoT-Begriffswelt zurückzukommen, ist hierdurch sozusagen eine „Cloud“ entstanden – ein universeller Ablageort für Daten, die beliebig vielen Teilnehmern zur Verfügung gestellt werden können. Diese muss jedoch entgegen landläufiger Meinung nicht im Internet liegen, sondern kann ihre Arbeit auch als sogenannte „Private Cloud“ innerhalb einer Maschinensteuerung verrichten. Die Sicherheit der Daten bleibt damit gewahrt.
Anwendung in der Maschinensteuerung
Mit diesem Wissen wollen wir nun Strategien für eine moderne Maschinensteuerung erarbeiten. Begleitend dazu kann man auch das vom VDI und ZVEI vorgeschlagene Referenzarchitekturmodell RAMI4.0 in seine eigenen Betrachtungen hinzuziehen. Mit dem bereits beschriebenen Prozessdatenmodell greifen wir wieder auf die Methodik zurück, mit der derzeit die Steuerung in fast jeder Maschine realisiert wird.
Ob dabei als Programmiermethode eine Hochsprache, Structured Text, Funktionsplan oder ein modellbasierter Ansatz verwendet wird, ist vom Kommunikationsmodell unabhängig und hängt im Schwerpunkt von den Fähigkeiten des Programmierers ab. Beim Einsatz der SPS-Technik muss nur darauf geachtet werden, dass die Hardware in ein offenes Betriebssystem eingebunden wurde. Bei Middlewareplattformen wie Gamma V kann das integrierte Prozessdatenmodell mit nahezu jeder embedded-Hardware auf einem Linux- oder Windowsbetriebssystem eingesetzt werden. Es bietet sich auch an, bereits bestehende I/O-Konzepte wiederzuverwenden.
Mehr zu diesem Thema und die Quelle des Artikels ist hier zu finden:
https://www.embedded-software-engineering.de/entwurf-einer-sps-steuerung-mit-integrierter-iot-funktionalitaet-a-833204/
