Industrie 4.0: Ein offenes Paradigma für die Automatisierung

Auch die Industrie kann sich den aktuellen gesellschaftlichen wie wirtschaftlichen Debatten nicht verschließen. Der Anspruch lautet: Lösungen müssen her, die es einer zukunftsfähigen Industrie ermöglichen, sowohl klimaverträglich als auch wettbewerbsfähig zu wirtschaften. Hier ist der moderne Maschinenbau gefordert. Heute braucht es Maschinen und Anlagen, die nicht nur ressourcenschonend und energieeffizient funktionieren, sondern zugleich auch flexibel und ausfallsicher sind. Eine Herausforderung, die Innovationskraft und Erfindungsreichtum erfordert. Damit proprietäre Steuerungssysteme die Entwicklung und das Engineering zeitgemäßer Maschinendesigns nicht einschränken, setzt Schneider Electric auf einen Paradigmenwechsel in puncto Automatisierung.

Als Pionier einer grünen und digitalen Industrie der Zukunft hat der Automatisierungsspezialist im Sinne von Norm IEC 61499 ein Softwaretool für hardwareunabhängige Automatisierung entwickelt, mit dem die Potenziale von Industrie 4.0 voll freigesetzt werden können: EcoStruxure Automation Expert. Keine Frage, die bisherigen Standards haben der Industrie und dem Wirtschaftsstandort Deutschland über viele Jahre gute Dienste geleistet. Dennoch bleibt der Entwicklungsschritt hin zu einer freien und kreativeren Maschinenentwicklung sowie einer engeren Verzahnung von IT und OT durch geschlossene Automatisierungssysteme gehemmt. 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.

Mit der Norm IEC 61499 setzt das Unternehmen deshalb auf einen offenen und hardwareunabhängigen Standard. Mitte der 2000er-Jahre entworfen, definiert dieser ein generisches Modell für verteilte Steuerungssysteme, das die bisher übliche Norm IEC 61131 wesentlich erweitert. Grundgedanke dabei ist ein rein softwarebasiertes Modellieren von automatisierten Anwendungen mithilfe von vorgefertigten Funktionsbausteinen. Dazu sieht die Norm 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-Ressource 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, eine aus der IT-Welt längst bekannte, ereignisgesteuerte Automatisierung.

Für die Entwicklung und Programmierung von Maschinen bedeutet die Anwendung von Norm IEC 61499 einen veritablen Paradigmenwechsel. So müssen Engineering und Orchestrierung automatisierter Anwendungen zum Beispiel nicht länger von den physischen Hardware-Gegebenheiten gedacht werden. Noch bevor ein einziges Stück Stahl verbaut wurde, lässt sich eine Anwendung rein softwareseitig entwickeln und testen. Genau diesem Zweck dient der von Schneider Electric vorgestellte EcoStruxure Automation Expert. Damit ist es Anwendern schon heute möglich, von den Vorteilen hardwareunabhängiger Automatisierung zu profitieren.

Innerhalb der Softwareumgebung des EcoStruxure Automation Expert können die vorgefertigten Funk­tionsbausteine, zum Beispiel für eine Pumpenanwendung, ganz einfach per sogenanntem Single Line Engineering rein grafisch miteinander verbunden werden. Ein automatischer Plausibilitätscheck sowie elaborierte 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 gemäß IEC 61499 dann im Anschluss flexibel und herstellerunabhängig auf die jeweiligen realen Anwendungskomponenten verteilen – seien es nun Frequenzumrichter, SPS, IPC, Windows/Linux-Rechner, oder wenn man es komplett ab­strahieren möchte, sogar Rechenleistung in einer Cloud.

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 beschleunigen und vereinfachen, der Spielraum für Fehler wird auch stark reduziert.

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. Da 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 zeitaufwendig programmierte Querkommunikation zwischen Steuerungen entfällt und die Anlage ist selbst nach Umbauten und Erweiterungen praktisch unmittelbar wieder betriebsbereit.

Auch wenn vollständig offene Automatisierung nach IEC 61499 für viele noch Neuland ist, die Möglichkeiten, die sich damit für und aus einer durchgängigen IIoT-Vernetzung bieten, sind enorm – und gehen weit über ein reines Plug-and-play hinaus. Zum einen ist da die nahtlose Einbindung der OT in die IT. Indem Module, cyber-physische Systeme und mechatronische Komponenten komplett offen miteinander vernetzbar sind, stehen sie der Softwareebene transparent zur Verfügung. Auch Daten, die bisher nicht genutzt werden konnten, lassen sich nun verwenden. Sämtliche Informationen aller mechatronischen Einheiten liegen im EcoStruxure Automation Expert an einem zentralen Ort vor und können barrierefrei verwertet werden. Damit ist der Einsatz zusätzlicher Softwaretools wie dem EcoStruxure Machine Advisor oder Digital Twin-Applikationen noch wirksamer und unkomplizierter möglich.

Zum anderen begünstigt eine softwarezentrierte Modellierung von Automatisierungsvorhaben auch die Entstehung neuer Geschäfts- und Servicemodelle. Da sich durch die konsequente Umsetzung von IEC 61499 eine immer größere Unabhängigkeit von der Steuerungshardware ergibt, gewinnen mächtige Softwarelösungen zunehmend an Bedeutung. Hier lassen sich etwa Abo-Modelle denken, über die man laufzeitabhängig die Lizenz für bestimmte branchenspezifische Applikationen erwerben kann. Kunden könnten hier von stets aktuellen und entsprechend cybersicheren Programmen mit den für sie relevanten Analysefunktionen profitieren.

Da mit der Norm IEC 61499 die Bedeutung von IT-Logiken für die Automatisierung stark zunimmt, öffnet sich die Branche zunehmend für IT-Fachkräfte. Für Tätigkeiten, die klassischerweise nur von OT-Ingenieuren übernommen werden konnten, lassen sich unter den Vorzeichen von IEC 61499 auch ITler einstellen. Dem Fachkräftemangel in der Automatisierungsbranche lässt sich so sinnvoll entgegengewirken

Für den Maschinenbau ist der EcoStruxure Automation Expert in erster Linie ein Ermöglicher: Er ermöglicht es Ingenieuren, bessere, sicherere und effizientere Maschinen zu designen, die heutigen Ansprüchen an Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit gerecht werden. Da Kunden zudem nicht länger an bestimmte Herstellersysteme gebunden bleiben, öffnen sich mit der neu gewonnenen Hardwareunabhängigkeit auch neue Absatzmärkte für Maschinenhersteller. Zugleich bieten sich vielfältige Möglichkeiten für neue Geschäfts- und Servicemodelle, die über herkömmliche Deliver&Forget-Ansätze weit hinausgehen. Damit macht der EcoStruxure Automation Expert eines deutlich: Die innovativen Lösungen für den nächsten Entwicklungsschritt stehen längst bereit.