CrossTEP-VirtualPLC

Offene Plattform für die industrielle Datenanalyse mit virtualisierten Steuerungen

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) und Edge Computing ermöglichen den Aufbau von Datenplattformen für eine flexiblere und energiesparende Fertigung. Es besteht das Potential, heute vorhandene dezentrale und zumeist stets eingeschaltete Steuerungstechnik zu virtualisieren und Steuerungsfunktionen auf ein Edge-Cluster auszulagern.

Nicht nur neue Geschäftsmodelle, wie z. B. »On-Demand« oder »Pay-Per-Use«, werden dadurch möglich, mit einer optimierten Ressourcennutzung können auch Energie und Hardware eingespart werden. Die Kombination von IIoT-Standards, wie z. B. OPC Unified Architecture (OPC UA) / Time Sensitive Networking (TSN), mit semantisch abgestimmten Informationsmodellen, wie z. B. die fachlichen Teilmodelle der Industrie 4.0-Verwaltungsschale, ermöglicht darüber hinaus eine automatische Konfiguration und somit einen schnellen Umbau von Produktionslinien.

Hierbei bestehen drei wissenschaftliche Herausforderungen:

  • Das Engineering einer durchgängig deterministischen Echtzeitdatenübertragung und -verarbeitung
  • Die Integration der genannten Standards
  • Die Sicherstellung der IT-Security 

 

Crosstep - die Edge Computing Plattform in der SmartFactoryOWL#

Um den genannten Herausforderungen zu begegnen, entwickelt das Fraunhofer IOSB eine offene Edge Plattform - die CrossTEP - insbesondere für die Virtualisierung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS, Englisch: PLC) - VirtualPLC. CrossTEP basiert auf Kubernetes (K8S) zur Orchestirerung von Docker-Containern auf den verteilten Knoten eines Clusters. Die Docker-Container beinhalten Applikationen, in diesem Anwendungsfall IEC 61131-Laufzeitumgebungen für die Maschinensteuerung.  

Die Laufzeitumgebungen werden mittels OPC UA uns TSN deterministisch an Maschinen bzw. dort vorhanedene Peripheriegeräte angebunden. Darüber hinause ist die Architektu der CrossTEP darauf ausgelegt, auf einfach Weise maschinelle Lernverfahren anzuwenden und webbaiserte Dashboards anzubinden. Diese Applikationen können direkt aus dem Prozessabbild der virtualisierten Steuerung gespeist werden und somit Mehrwerte generieren, z.B. in Form einer Anomalieerkennung.

Evaluierung anhand des Schüttgutsortiersystems TableSort#

Bei dem in Abbildung 2 dargestellten Produkt "TableSort" des Fraunhofer IOSB handelt es sich um die Miniaturausgabe einer Schüttgutsortier-Anlage in Tischgröße. Der Sortiermechanismus des "TableSort" funktioniert über Bilderfassung und -verarbeitung sowie der echtzeitkritischen Ansteuerung pneumatischer Düsen. In der SmartFactoryOWL wir ein "TableSort" von einer CrossTEP-Applikation auf dem in Abbilung 1 dargestellen Edge-Cluster gesteuert. Darüber hinaus läuft auf der CrossTEP ein Industrie 4.0-konformer Digitaler Zwilling des "TableSort", der in Form der Verwaltungsschale auf Basis der OPC UA Companion Specification "I4AAS1" implementiert wurde. Der Digitale Zwilling ermöglicht die automatische Datenintegration in das in Abbildung 2 dargestellte Webbasierte Dashboard sowie eine ebenfalls auf der CrossTEP ausgeführte Applikation zur Anomalieerkennung. 

Zusammenfassung#

Mit der CrossTEP bietet das Fraunhofer IOSB eine flexible und erweiterbare Edge-Plattform für Echtzeitsteuerung und -optimierung sowie die Entwicklung und den Betrie Industrie 4.0-konfromer digitaler Zwillinge an. CrossTEP kombiniert dabei offene Edge-Cloud-IT mit aktuellsten OT und Industrie 4.0-Standards wie der Verwaltungsschale, OPC UA und TSN. So können Einsparpotentiale realisiert und neue Produktionslinien einfach in "On-Demand" Services eingebunden werden.