Sensoren und Aktoren kommen nicht nur in der Automation, sondern auch in Service-Robotern zum Einsatz. Für jedes Elemente dieser komplexen, mechatronischen Systeme wird Elektronik benötigt, um Sensoren auszulesen oder Motoren anzusteuern. Die Service-Robotik beabsichtigt, selbststeuernde, autonome Systeme zu entwickeln. Zwar dienen die Roboter definitionsgemäß nicht der Produktion, dennoch gibt es aus Entwicklersicht interessante Parallelen zwischen beiden Welten. So gehen die unter dem Stichwort Industrie 4.0 gesammelten Ideen von Automatisierungstechniken aus, die sich flexibel auf Ereignisse einstellen: Statt Anlagen über zentrale Planungssysteme zu steuern, sollen Produkte ihre eigene Fertigung steuern – z.B. indem sie über RFID oder Matrixcodes Anweisungen für die Fertigungsanlagen tragen. Das Produkt liefert sein Produktionsprogramm quasi mit. Solche Konzepte aber verlangen nach modularen Einheiten, deren elektronische und mechatronische Komponenten miteinander zu Cyber Physical Systems (CPS) vernetzt werden.
Vernetzte Rechenressourcen
Denn um die verteilten Funktionen einer automatisierten Anlage zu integrieren, benötigen Entwickler heutzutage eine Vielzahl verschiedener Computer und Controller. Die Komplexität dieser Integration steigt schnell: Vielfach kommen über die Anlagen verteilt mehrere Betriebs- und Programmiersysteme zum Einsatz und lassen sich darüber eine Vielzahl von SPSen oder individuellen Mikrocontrollern programmieren. Dazu kommen unterschiedliche Kommunikationstechnologien und eine aufwendige Verkabelung. Klassisch steuern Anwender das Gesamtsystem von einem zentralen Rechner. Dies birgt jedoch Herausforderungen wie Echtzeitverhalten und Zuverlässigkeit. Dieses klassische Aufbauprinzip funktioniert jedoch lediglich bei Anlagen, die relativ schnelle Prozessschritte automatisieren. Soll künftig aber mehr Flexibilität in die Fertigung kommen, führt die damit steigende Komplexität rasch in eine technische oder wirtschaftliche Sackgasse. Hier setzen die aus der Service-Robotik weiterentwickelten Prinzipien der CPS an, die modulare Funktionseinheiten und verteilte Embedded Systems über das Internet vernetzen und die benötigten Rechenressourcen direkt auf der Sensor-Aktor-Ebene integrieren. Dabei lassen sich Änderungen an Funktionen und Prozessen über Austausch und Ergänzung von Modulen und kleineren Einheiten realisieren. Die Synapticon GmbH bieten Entwicklerteams modulare Baukästen aus Hardwarekomponenten und speziellen Entwicklungsumgebungen für die Entwicklung verteilter Embedded Systems an. Das Unternehmen stellt zusätzlich eine modellbasierte Entwicklungsumgebung bereit, um alle Sensoren oder Aktoren direkt an eine hochkompakte, lokale Rechnereinheit anzuschließen. Über eine Plattform lassen sich Schnittstellen-, Prozessor- und Kommunikationsmodule zu einem leicht zu programmierenden Elektronikknoten aus mehreren steckbaren Platinen kombinieren. Gilt es beispielsweise, ein Modul mit bereits realisierter Motorsteuerung und seine Funktionalität in einer neuen Lösung einzusetzen – und die Anlage arbeitet nicht mit CAN sondern Ethernet – wird lediglich das Kommunikationsmodul getauschtt.
Dezentrale Intelligenz
Die Hardwareentwicklung zu vereinfachen genügt aber nicht: Moderne Automatisierung benötigt Systeme mit verteilter Intelligenz. Denn es ist einfacher und effizienter, einem Greifarm die Zielkoordinaten xyz zu senden, statt über eine zentrale Rechnereinheit die erforderlichen Aktionen wie Drehzahl, Dauer etc. der einzelnen Motoren errechnen zu lassen und die Motoren dann zentral anzusteuern. Damit ein Greifarm die Interpretation von Koordinaten und Trajektorien in Motorsteuerimpulse übernehmen kann, ist lokale Prozessorkapazität erforderlich. Besonders, wenn zudem ohne Befehl einer Zentrale aus dem Input eines Umgebungssensors die Bewegung gestoppt oder verändert werden soll, beispielsweise aufgrund eines Hindernisses oder einer Produktvariante. Die Weiterentwicklung der industriellen Automation könnte sich dafür auf systematisch vernetzte Embedded-Systeme stützen. Bei Cyber Physical Systems verschmelzen Embedded-Systeme, Serverdienste, Sensoren, Aktoren und verbindende Elektronik zu einem adaptiven Gesamtsystem.
Verteilte Systeme auf Sensor-Aktor-Ebene
Diesen Trend sieht auch die Automatisierungsindustrie: Die IEC61499 – Nachfolgenorm der IEC61131 als Standard für die Programmierung von Steuerungen – löst die bisher übliche zyklische durch eine ereignisgesteuerte Programmbearbeitung ab. Von der Programmierung einzelner Steuerungen geht es in Richtung einer Programmierung kompletter Systeme. Durch IEC61499 wird die zusammenhängende Programmierung verteilter Steuerungen ermöglicht und versucht, Software von Hardware unabhängiger zu machen. Dies ist ein wichtiger Schritt, aber mit Blick auf Industrie 4.0 nicht ausreichend: Künftige Embedded-Systeme sollten nicht nur vernetzt, sondern zudem dezentral organisiert sein. Die Intelligenz der Anwendung befindet sich dann nicht mehr in einer zentralen Einheit, mit der jeder Steuerungsknoten des Systems aufwendig kommunizieren muss. Stattdessen wird die Intelligenz der Anwendung über diese Knoten verteilt, die Prozesskommunikation findet direkt untereinander statt. Ein verteiltes System meint hier eine bis ins Äußerste gehende Verteilbarkeit von Software: Echtzeit-Intelligenz direkt auf Sensor-Aktor-Ebene. So stellt die Synapticon-Hardwareplattform leistungsfähige Prozessormodule bereit, die mit Kommunikationsmodulen und Leistungselektronik kombiniert werden. Aspekte, die über zentrale Speicher oder Nutzerschnittstellen verfügen müssen, werden in dieser Konstellation auf (Web-) Serverdienste verlagert, die ortsunabhängig mit einem oder vielen Systemen im Feld kommunizieren.
