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May 26, 2023

Siemens

Als VMware eine effiziente virtuelle Maschine (VM) für den Computerbetrieb entwickelte

Als VMware eine effiziente virtuelle Maschine (VM) für Computerbetriebssysteme entwickelte, veränderte es die IT und ebnete schließlich den Weg für Cloud- und moderne IT-Dienste. Jetzt ebnet Siemens den Weg für eine VM für das Gehirn von Industrieanlagen, die als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) bezeichnet wird.

Es ist nicht die erste virtuelle SPS (vPLC), aber sie kommt von Siemens, das das Gehirn für etwa ein Drittel der SPS liefert, die derzeit in Fabriken, Kraftwerken, Wasseraufbereitungsanlagen und anderen Industrien eingesetzt werden. Sie haben gerade das erste Gerät vorgestellt, das in Produktionsanlagen funktioniert, und gezeigt, wie es in das industrielle Cloud-Ökosystem von Siemens integriert werden kann, das es als Xcelerator-Portfolio bezeichnet.

Dies wird den Weg dafür ebnen, Operational Technology (OT) in die Cloud zu bringen und mit IT-Systemen zu verbinden. Darüber hinaus wird es dazu beitragen, die in der Cloud entwickelten agilen Softwareentwicklungsprozesse auf Industrieanlagen zu übertragen.

Allerdings werden Anlagenausrüstungen nicht direkt aus der Cloud betrieben. Sicherheitskritische und teure Geräte können die Art von Verzögerungen, die wir beim Zugriff auf Slack oder Zoom in Kauf nehmen, nicht tolerieren. Vielmehr entwickelt Siemens eine Strategie für den Betrieb von vPLCs in einer privaten Cloud, die in Fabriken und Einrichtungen betrieben wird, die sich neben Industrieanlagen befinden oder über belastbare Netzwerke mit geringer Latenz und direkter Verbindung zu Industrieanlagen stehen.

Ein zweiter Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass er den Nutzen und die Testbarkeit digitaler Zwillinge für Geräte erweitert. Zusätzlich zur Möglichkeit, die physischen Geräte zu entwerfen, können Tester verschiedene Konfigurationen von vPLCs auf dem Gerät ausführen, um Probleme früher im Entwicklungszyklus zu erkennen und zu beheben. Sie könnten auch die Auswirkungen verschiedener Steuerungsalgorithmen virtuell untersuchen, um die Produktqualität oder den Output zu verbessern und die Lebensdauer der zugrunde liegenden Ausrüstung zu verlängern.

CODESYS bietet seit über 20 Jahren hardwareunabhängige VLCs an und verspricht Kosteneinsparungen bei der Hardware-Anschaffung, erhöhte Flexibilität und verbesserte Sicherheitsupdates. Das Unternehmen verspricht, es Unternehmen zu ermöglichen, jedes moderne System in eine industrielle Steuerung mit Unterstützung für Windows-, Linux- und ARM-Computer umzuwandeln.

Letztes Jahr kündigte Software Defined Automation eine Partnerschaft mit VMware an, um virtuelle SPSen auf jedem x86-Server mit einer Zykluszeit von weniger als 10 Millisekunden auszuführen. SDA entwickelte einen DevOps-Workflow für die Betriebstechnologie, der die cloudbasierte Verwaltung bestehender SPS, ein Git-basiertes Versionierungs- und Kollaborationstool und einen Edge-Server für den Betrieb von SPS unterstützte.

Durch die engere Integration in sein eigenes industrielles Ökosystem konnte Siemens die Zykluszeit auf eine Millisekunde reduzieren und so die Anwendungsfälle weiter erweitern. Die neuen vPLCs laufen auf virtuellen Edge-Geräten, die auf virtuellen Maschinen wie EXSI-Server und vSphere laufen können. Zukünftig sollen sie auch auf Kubernetes laufen können.

Bernd Raithel, Director of Product Management & Marketing im Geschäftsbereich Factory Automation von Siemens Digital Industries, sagt:

Zwar gab es schon früher Soft-SPS, also SPS, die auf einem IPC liefen, doch bisher war es aufgrund fehlender Echtzeitfunktionen zur Gewährleistung einer ausreichenden Reaktionszeit nicht möglich, SPS in einer virtuellen Umgebung zu betreiben. In den letzten Jahren haben sich die Echtzeitfunktionen in CPUs und Virtualisierungsumgebungen soweit verbessert, dass der Betrieb einer SPS in virtualisierten Umgebungen mit Reaktionszeiten von 1 ms möglich ist. Angesichts der zunehmenden Arbeitsbelastung in Fertigungsprozessen für Qualitätskontrolle, Track & Trace und vorausschauende Wartung ist die SPS-Steuerung nur eine von vielen Anwendungen, die während der Fertigung ausgeführt werden. Die Ausführung all dieser Prozesse in virtualisierten Umgebungen ermöglicht die zentrale Verwaltung und Bereitstellung dieser Anwendungen und erhöht so die Flexibilität, die Fertigung nach Bedarf zu ändern.

Die neue virtuelle Technologie wird bestehende Hardware-SPS eher ergänzen als ersetzen, genauso wie die VMs den Bedarf an Bare-Metal-Servern für die leistungsstärksten Anwendungen nicht ersetzt haben. Hardware-Controller sind äußerst robust, zuverlässig und seit vielen Jahren im Einsatz. Die neuen vPLCs bieten zunächst den größten Nutzen für Unternehmen, die eine flexiblere Produktion anstreben. Sie erleichtern die Skalierung und Feinabstimmung von Automatisierungsanwendungen, ohne auf spezielle Hardware angewiesen zu sein.

Sie machen es außerdem einfacher, die Kontrolle auf ein Backup zu übertragen, wenn ein Problem mit dem primären Controller auftritt. Auch wenn die sicherheitskritischsten Industrieanlagen heutzutage möglicherweise ein paralleles Backup benötigen, ermöglicht es den Teams, Ausfallsicherheit mit dem gleichen Ansatz wie heute bei RAID zu gewährleisten, bei dem ein System Fehlertoleranz für mehrere Primärsysteme anstelle nur eines bereitstellen könnte.

Es könnte künftig auch die Rolle von App Stores bei der Stromversorgung von Industrieanlagen ausbauen. Beispielsweise könnten Experten für verschiedene Arten von Fertigungsprozessen ihr Fachwissen in geprüften Golden Images kodieren, wie es heute in der IT-Branche der Fall ist. Unternehmen könnten diese für einen bestimmten Prozess herunterladen, sie versionieren und sie dann auf einem oder mehreren Computern bereitstellen. Wenn Probleme entdeckt werden, können diese auf die letzte funktionierende Version zurückgesetzt werden. Raithel sagt:

Virtualisierte Anwendungen (vPLC und andere) ermöglichen es Unternehmen, schneller auf sich ändernde Marktbedingungen und Produktionsanforderungen zu reagieren. Wie auf einem Smartphone können Bediener je nach aktuellem Produktionsbedarf Anwendungen hinzufügen und löschen. Die Virtualisierung bringt auch die reale und die digitale Welt näher zusammen. Unternehmen können ihre SPS (vPLC) und digitalen Zwillinge auf derselben Plattform betreiben und digitale Zwillinge während der Produktion als xDT (ausführbare digitale Zwillinge) verwenden und der SPS zusätzliche Eingaben zur Steuerung des Produktionsprozesses bereitstellen.

Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass dadurch die Fähigkeit verbessert wird, Daten von Geräten zu sammeln, um die vorausschauende Wartung und die Betriebsleistung zu verbessern. Raithel erklärt:

Diese neuen Angebote ermöglichen es Kunden, mehr Daten von ihren Automatisierungsgeräten (z. B. neuen SINAMICS-Antrieben) zu sammeln und diese besser mit ERP- und anderen IT-Daten auf einem vPLC/Virtual Edge-Gerät zu ergänzen, um ausgefeiltere Algorithmen für die vorausschauende Wartung zu erstellen, was den Kunden helfen wird um Ausfallzeiten zu reduzieren und die Wartung genau auf den Maschinenbedarf abzustimmen. Mehr Daten werden auch zu mehr Einblicken in die Produktionsprozesse führen, die in digitale Zwillinge der Maschine und des Produktionsprozesses zurückgeführt werden können, was zur Verbesserung des Fabrikbetriebs beitragen wird. Virtuelle Workloads werden zentral verwaltet, was die Reaktionsfähigkeit auf sich ändernde Produktionsanforderungen erhöht und den Bedarf an SPS-Technikern an jedem Standort verringert, was angesichts der demografischen Veränderungen in der Belegschaft hilfreich sein wird.

Innovationen bei der Bereitstellung und Verwaltung virtueller Maschinen waren die Grundlage aller wichtigen Innovationen in der IT der letzten Jahrzehnte. Diese neuen Arbeiten zur Virtualisierung von SPS könnten sich in ähnlicher Weise auf Industrieanlagen auswirken.

Ein Bereich, in dem dies kritisch werden könnte, ist die Sicherheit. Industrielle Steuerungssysteme wurden traditionell durch Unklarheit geschützt, da Hacker, die mit IT-Geräten vertraut sind, möglicherweise nicht mit den Feinheiten von OT-Systemen vertraut sind. Die Auswirkungen von Stuxnet auf die Zerstörung der iranischen Reaktoren im Jahr 2010 waren ein Weckruf für die verheerenden Auswirkungen eines Cyberangriffs auf die physische Infrastruktur. Die Entwicklung robuster vPLCs wird die Identifizierung und Behebung solcher Schwachstellen erleichtern.

Die Entwicklung von vPLCs wird es auch einfacher machen, einen größeren Teil der Infrastruktur zu virtualisieren, um Prozesse schneller und zuverlässiger in einer oder mehreren Einrichtungen zu skalieren. In Kombination mit besseren digitalen Zwillingen zur Darstellung physischer Geräte wird das Konzept der Infrastruktur als Code auch auf die industrielle Automatisierung ausgeweitet.

Bildquelle: Pixabay