Für die Anforderungen des IIoT müssen speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) neu definiert werden

Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die heute eine Hauptstütze der industriellen Automatisierung darstellt, steht mit dem Übergang zum industriellen Internet der Dinge (IIoT) vor erheblichen Veränderungen.

Die ursprüngliche Architektur der SPS war gut für entsprechende Anwendungen geeignet. Diese Konzeption stößt jetzt allerdings an ihre Grenzen und erfordert eine Neuorientierung. Die ursprüngliche SPS-Architektur war für die Unterstützung dreier Hauptfaktoren konzipiert: Programmierbarkeit, Zuverlässigkeit und Echtzeitreaktion. Die Programmierbarkeit der Architektur war vergleichsweise elementar. Die wesentliche Norm für die Definition der SPS-Programmierung, IEC 61131, sollte die Zuverlässigkeit und das Echtzeitverhalten der SPS sicherstellen. Die Software-Flexibilität hatte eine geringere Priorität.

Ein wichtiges Konzeptionselement war der eigenständige Charakter der SPS. Die SPS war für die Reaktion auf lokale Ein- und Ausgaben konzipiert. Dabei wurde mit internen Steueralgorithmen auf Änderungen reagiert und die Steuerung externer Aktoren erfolgte über Logikpegel- und Analogausgänge. In der Norm IEC 61131 wurde die Implementierung einer entsprechenden Software-Konfiguration spezifiziert. Dies bezog sich auf die gesamte Software – Programm und Daten – für die Steuerung des SPS-Echtzeitbetriebs. Die Konfiguration entsprach dabei dem Programm und den Daten für lediglich eine SPS. 

Obwohl SPS zunehmend mit Feldbussen vernetzt wurden, behandelte die Kernarchitektur von IEC 61131 jede SPS innerhalb eines Netzwerks mit ihrer eigenen Konfiguration als logisch unabhängig. Innerhalb der Konfiguration bestanden Programme aus miteinander verbundenen Funktionsblöcken, die jeweils in IEC-zugelassenen Sprachen erstellt werden konnten. Die Auslösung dieser Funktionen erfolgte durch Tasks. Jeder Task wurde für die kontinuierliche Ausführung in einer Schleife oder die Auslösung durch Eingänge oder einen Taktgeber konfiguriert, um zyklisches Verhalten zu ermöglichen.

Derartige Architekturen liefern vorhersagbare Ergebnisse mit einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit, werden aber angesichts der Entwicklungen in der industriellen Automatisierung, die wesentlich mehr Flexibilität erfordern, zunehmend unhandlich. Industrie 4.0 bzw. das industrielle Internet der Dinge (IIoT) erfordern eine wesentlich intensivere Kooperation der Steuersysteme. Einzelne SPS müssen nicht nur miteinander kooperieren, sondern enger mit unternehmensexternen Systemen zusammenarbeiten, bis hin zu Servern in der Cloud, die Kundenbestellungen und -anfragen in Echtzeit bearbeiten.

Ein weiterer Trend beinhaltet die stärkere Nutzung verteilter Steuerungen auf Maschinenebene. Anstatt eine einzige SPS zur Steuerung des Betriebs einer Maschine zu verwenden, die möglicherweise mit mehreren Aktoren und Roboterarmen ausgestattet ist, werden in der Architektur Echtzeitsteuerungen an die einzelnen Subsysteme verteilt. Die Fähigkeit der einzelnen SPS im Netzwerk, aufeinander und auf extern generierte Ereignisse zu reagieren, z. B. auf kurzfristige Änderungen von Kundenbestellungen, verbessert die Reaktionszeiten und die betriebliche Gesamteffizienz.

Die zunehmende Bedeutung der Vernetzung und verteilten Steuerung erfordert den Einsatz leistungsfähigerer Prozessoren in IIoT-fähigen SPS. Wesentliche Voraussetzungen sind Ausführungsleistung, genügend Spielraum für den Umgang mit Protokollen mit erhöhter Sicherheit wie Transaction-Layer Security (TLS) und ausreichende Speicherkapazität zur Verarbeitung von Internet Protocol (IP)-Stacks. 32-Bit-Prozessoren auf der Grundlage von ARM oder einer ähnlichen Architektur können die Kernrechenleistung für die SPS liefern.

Durch die Nutzung digitaler Signalverarbeitungsanweisungen (DSP) wird die Verwendung fortgeschrittenerer Steueralgorithmen wie die Kalman-Filterung unterstützt, die sich in Systemen mit Motorantrieb immer mehr durchsetzt. Die Umstellung auf eine vollständige DSP-Architektur ist nicht unbedingt erforderlich. Der ARM Cortex-M4 bietet z. B. DSP-zentrierte Anweisungen für die ARM-Universalarchitektur. Die Blackfin-Architektur von Analog Devices, die hohe DSP-Leistung bietet, ergänzt diese Funktionen mit den Universalanweisungen für MCU-Architekturen.

Zur Erzielung einer höheren Leistung wird immer häufiger ein Universalprozessorkern für die Vernetzung mit einem Kern kombiniert, der Elemente der digitalen Signalverarbeitung (DSP) für Echtzeit-Steueraufgaben bereitstellt. Bei dieser Architektur übernimmt ein Prozessor Überwachungs-, Management-, Netzwerk- und High-Level-Verarbeitungsaufgaben, während ein oder mehrere andere Prozessoren hauptsächlich für die industrielle Echtzeit-I/O und die Interrupt-Verarbeitung verantwortlich sind.

Geräte wie der Renesas RX600 bieten dedizierte Hardware für die Netzwerkverarbeitung, um den 32-Bit-Hauptprozessor von Paketverarbeitungsaufgaben zu entlasten. Netzwerktechnologien wie EtherCAT ermöglichen die deterministische Vernetzung mit der Fähigkeit zur Unterstützung verteilter Echtzeitsteueralgorithmen. Die XMC400-MCU-Serie von Infineon Technologies unterstützt EtherCAT.

Mit redundanten Kernen kann mehr Fehlertoleranz implementiert werden als mit herkömmlichen SPS-Architekturen. Die AURIX-Mehrkern-MCU-Familie von Infineon enthält z. B. drei Prozessorkerne, von denen zwei im Gleichschritt betrieben werden können. Zufällige Ausführungsfehler können durch Unstimmigkeiten zwischen den Ergebnissen erkannt werden. Nachdem ein Fehler erkannt worden ist, kann die Operation wiederholt und überprüft werden, oder das System kann sicher angehalten und durch einen Techniker überprüft werden, bevor es zur Beschädigung von Produkten oder zur Beeinträchtigung der Bedienersicherheit kommt. 

Der fehlerfreie Betrieb hängt auch zunehmend von der Sicherheit der SPS-Funktionen ab, da eine Netzwerkverbindung vorhanden ist, die bis in die Cloud reicht. SPS müssen authentifiziert werden, bevor sie Zugang zu einem System mit verteilter Steuerung erhalten, und sie müssen wiederum das Netzwerk selbst authentifizieren. Transaktionen, die Einfluss auf den Betrieb haben können, müssen authentifiziert und verschlüsselt werden, um das Abfangen und Ändern durch Hacker zu verhindern. Eine Grundvoraussetzung ist die Integration vertrauenswürdiger Hardware in die SPS-Kern-Hardware. Das kann in der Kern-MCU oder unter Verwendung spezialisierter Kryptoprozessoren und sicherer Speichergeräte erfolgen, die den Startprozess nur erlauben, wenn sichergestellt ist, dass das Boot-Image nicht beeinträchtigt worden ist und die an die SPS angebundenen Geräte gültig sind.

Der PSoC 6 von Cypress Semiconductor bringt die Konzepte der eingebetteten Dual-Core-Verarbeitung und der integrierten Sicherheit zusammen. Die MCU kombiniert einen ARM Cortex-M4 für die High-Level-Verarbeitung mit einem M0+ für die schnelle Reaktion auf I/O-Ereignisse. Die vertrauenswürdige Ausführungsumgebung sichert den Zugang zu lokalen Datenspeichern, um den Zugang von Hackern zu sensitiver Firmware zu verhindern.

Der Trend zu verteilten Steuerungen wird von fortschreitender Miniaturisierung begleitet, wobei hier auch Aspekte der Wartungs- und Installationsfreundlichkeit zu beachten sind. Es wird davon ausgegangen, dass I/O-Anschlüsse in vielen Fällen weiterhin mit herkömmlichen Schraubklemmenleisten realisiert werden. Auch die Konfigurierbarkeit der I/O-Anschlüsse ist wichtig. Obwohl möglicherweise eine einzige SPS-Leiterplatte erstellt werden kann, die die gebräuchlichste Konfiguration von analogen und digitalen I/O-Ports unterstützt, ist es sinnvoller, die modulare I/O-Architektur beizubehalten. Das kann durch die Verwendung von I/O-Tochterleiterplatten erreicht werden, die entweder in einen Rückwandbus eingesteckt oder direkt auf dem SPS-Motherboard montiert werden.

Um die Ausfallzeiten zu verringern, wird aller Wahrscheinlichkeit nach die Unterstützung von Warm- oder Hot-Plug-Umstellungen eine wichtige Rolle spielen. Die SPS kann den Normalbetrieb vorübergehend unterbrechen, aber die Steuerung anderer Subsysteme fortsetzen, während eine der I/O-Karten ausgetauscht wird. Diese Voraussetzung erfordert eine Steckverbinderkonstruktion, die ein einfaches Zusammenstecken von Tochterleiterplatten mit hoher Stiftdichte ermöglicht und mit einer Arretierung ausgestattet ist, die sicherstellt, dass die Karten nur von einem Wartungstechniker getrennt werden können.

Um eine Beschädigung der Elektronik während einer Umstellung zu verhindern, müssen Hot-Plug-Schnittstellengeräte verwendet werden. Zum zusätzlichen Schutz gegen Überspannungs- und Überstromsituationen bei laufendem System, was in industriellen Umgebungen eine permanente Gefahr darstellt, muss auf den Tochterleiterplatten eine entsprechende Trennung vorhanden sein. Obwohl zur Trennung in der Vergangenheit oft entsprechende Optokoppler zum Einsatz gekommen sind, ermöglichen Technologien auf der Grundlage von Transformatoren und ähnlichen elektrischen Hochspannungsbarrieren die kompakte Trennung zwischen der externen I/O- und Signalaufbereitungselektronik und den empfindlicheren ADCs und Logikfunktionen innerhalb der Kern-SPS. Die Si8xxx-Serie digitaler Isolatoren von Silicon Labs und die iCoupler-Technologie von Analog Devices sind Beispiele zuverlässiger und kompakter Alternativen zu Optokopplern.

Die Konfiguration der SPS und die Peripherie-Erweiterung können mit Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie USB realisiert werden. Handelsübliche Steckverbinder sind nicht für die Belastungen in industriellen Umgebungen ausgelegt. Spezielle Steckverbinder wie das industrietaugliche USB-C-Design der MUSBR-Serie von Amphenol bieten mit Merkmalen wie IP67-Dichtungen zusätzliche Robustheit. In ähnlicher Weise bietet die ix-Schnittstelle von HARTING ein robustes Miniatur-Industriesteckverbinderdesign für den Anschluss an Ethernet-Infrastrukturen.

Die Stromversorgung ist ein wichtiger Aspekt, da bei vielen modernen SPS aufgrund des Trends zur Verkleinerung die Kühlung mit Konvektion statt mit sperrigen Lüftern realisiert werden muss. Hochintegrierte DC/DC-Wandler bieten inzwischen Wirkungsgrade von mehr als 90 %. Durch den Mehrphasenbetrieb sind hohe Wirkungsgrade über ein breites Spektrum von Lastbedingungen möglich, sodass die SPS gegebenenfalls hohe Ausgangsströme für den Betrieb von Maschinen liefern, aber auch in energiesparende Ruhemodi wechseln kann. 

Mit den beschriebenen verschiedenen Änderungen auf der Grundlage jederzeit verfügbarer Komponenten und Subsysteme kann die SPS-Architektur an die Anforderungen des IIoT angepasst werden und höhere Belastbarkeit, Robustheit und Rentabilität für die industrielle Automatisierung bieten.