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Industrielle Apps zur cloud-basierten Steuerung von Robotern und Anlagen
Steuerungstechnikaus der Cloud
Derzeitig vorangetriebene Forschungs- und Entwicklungsprojekte zum Thema Industrie 4.0 kombinieren moderne Technologien für die Vernetzung von Produktionsmitteln. Sie unterstützen und verbessern die Verwaltung von Produkt- und Prozessdaten sowie die Kommunikation und Interaktion der Maschinen untereinander und mit dem Menschen. Die Grundlage dieser Entwicklungen stellen - neben robusten und schnellen Netzwerken und Protokollen - Konzepte zur Entkopplung von funktionalen Programmbestandteilen und deren Schnittstellen zueinander dar, die sogenannte Modularisierung. Je feiner dabei die Aufteilung der Systeme in modulare Funktionsbestandteile ist, desto dynamischer lässt sich ein System für seine Ausführungsumgebung und Aufgabe konfigurieren.

In heutigen Produktionsanlagen herrscht bezüglich der Steuerungsarchitektur eine hierarchische Trennung zwischen einzelnen Steuerungsebenen und Systemen. Zusätzlich verfügen die einzelnen Steuerungen über einen fest vorgegebenen und nicht modularen Funktionsumfang. Das führt bei Unternehmen zu deutlichen Einschränkungen in der Produktion. Dynamische Rekonfiguration, Funktionserweiterung oder sogar die einfache Verteilung sicherheitskritischer Updates sind in der bestehenden Struktur nicht vorgesehen, da die Systeme selbst stets unter der Annahme der Abgeschlossenheit und statischen Aufgabenabarbeitung entwickelt wurden.

Modularisierung in der Informatik

Die Modularisierung ist in der Informatik bereits seit den 1970er-Jahren Stand der Technik und fester Bestandteil unterschiedlicher Hochsprachen der Programmierung (z.B. C++ oder Java). Ein anschauliches Beispiel stellen die heute gebräuchlichen Web-Services dar. Diese kleinen Programmelemente laufen verteilt im Internet auf Servern unterschiedlicher Unternehmen und ermöglichen bestimmten Websiten-Betreibern eine komplette Urlaubsreise innerhalb von Sekunden zusammenzustellen und alle verfügbaren Airlines, Hotels und Mietwagenfirmen abzufragen, um so das vermeintlich günstigste Angebot zu finden. Jedes einzelne Programmelement hat dabei nur eine einfache und gut abgegrenzte Aufgabe. Software-Module, auch Apps genannt, haben in der jüngeren Vergangenheit im Bereich des Mobile Computing auf Smartphones größere Aufmerksamkeit erfahren. Dabei sind insbesondere die Erschließung von Verwertungskonzepten für die Hersteller über ihre App-Stores, sowie die Eröffnung von neuen Märkten für Drittanbieter von Interesse. Dies gilt nun analog für Dienste-Entwicklungen in der Produktion. Ein Ansatz für industrielle Apps wurde im Kooperationsforschungsprojekt Picasso entwickelt.

Dienste und Schnittstellen cloud-basierter

Maschinensteuerung

Zur Steuerung der Roboter und Anlagen über Cloud-Plattformen wird eine sogenannte Virtualisierung der klassischen Maschinensteuerung durchgeführt. Dazu werden an der TU Berlin und dem Fraunhofer IPK alle Komponenten der Bewegungssteuerung in voneinander unabhängige Einzelteile zerlegt und in eigenständigen Betriebssystemumgebungen, den virtuellen Maschinen (VM), in der Cloud lauffähig gemacht. Anschließend werden alle Komponenten durch geeignete Kommunikationsschnittstellen wieder miteinander verbunden und können so in einem (öffentlichen) Netzwerk der Steuerungsdienste ihre Funktionalität anbieten. Darüber hinaus werden zusätzliche Datendienste (z.B. Mehrwertdienste oder Apps) angeboten, die über dieselben Schnittstellen ansprechbar sind. Zur Konfigurationszeit ist dann eine beliebige Kombination dieser Dienste wählbar, um größtmögliche Flexibilität bei der Erstellung der Steuerungsprogramme zu ermöglichen. Das wiederum ermöglicht die größtmögliche Individualisierung der Produktion.

Betriebssysteme für virtuelle Maschinen

Die klassische Bewegungssteuerung für Roboter und Anlagen ist hierarchisch aufgebaut und beinhaltet auf höchster Ebene die Programmerstellung und -interpretation gefolgt von Bahnplanung und Koordinatentransformation bis hin zur Feininterpolation und Servoregelung. Werden die nicht echtzeitkritischen Komponenten (oberhalb der Regelkreise) ausgelagert, können sie beliebig oft instanziiert werden. Die Dienste und Schnittstellen zu den ausgelagerten Modulen müssen dabei folgende Kriterien erfüllen:

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ISW Institut für Steuerungstechnik der
http://www.isw.uni-stuttgart.de
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