Fabrikautomatisierungssysteme für Industrie 4.0 umfassen typischerweise drei Ausrüstungsebenen, um Echtzeitkommunikation und -steuerung zu ermöglichen:
Auf der Feldebene verwalten E/A-Module, Aktoren und Antriebe die physischen Vorgänge innerhalb der Fabrik;
Auf der Steuerungsebene sind speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder CNC-Systeme (Computer Numerical Control) dafür verantwortlich, Informationen aus der Feldebene zu sammeln und Befehle an das Feld zu erteilen.
Auf der Bedienerebene kommunizieren Geräte mit Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) mit Bedienern, die gleichzeitig Befehle erteilen können.
Jede Ebene erfordert optimierte Hardware- und Softwarelösungen, um ihre einzigartigen Designherausforderungen zu bewältigen. Dabei sind Herausforderungen auf der Steuerungsebene besonders schwer zu lösen.
Da die Anzahl der von einem einzelnen Controller unterstützten Knoten immer weiter zunimmt, stehen Entwickler von Geräten auf Steuerungsebene vor besonderen Herausforderungen, die über die üblichen Designaspekte der industriellen Automatisierung hinausgehen, wie z. B. Energieverbrauch, längere Lebensdauer der Stromversorgung und Zuverlässigkeitsanforderungen. Die Unterstützung von mehr Knoten bedeutet, dass in der gesamten Anlagenlösung weniger Controller erforderlich sind, wodurch eine kostengünstigere Automatisierungslösung entsteht. Alternativ können diese zusätzlichen Knoten im gesamten Werk eingesetzt werden, um einen höheren Automatisierungsgrad zu erreichen. Wenn jedoch die Anzahl der unterstützten Knoten zunimmt, muss die Prozessorleistung entsprechend skaliert und gleichzeitig ein ausreichend niedriger Stromverbrauch beibehalten werden, um eine Erhöhung der Paketgröße zu vermeiden. Darüber hinaus sind die meisten SPS ohne Lüfter konzipiert, sodass die Verlustleistung ein entscheidender Gesichtspunkt beim Design ist.
Da SPSen und CNCs gleichzeitig zahlreiche Knoten oder Funktionen innerhalb einer Fabrik steuern, ist die Echtzeitcharakteristik ihrer Vorgänge von entscheidender Bedeutung. Für eine Lösung zur Erzielung eines präzisen Timings sind zwei Komponenten unerlässlich: ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) und flexible, zeitbewusste Peripheriegeräte für die industrielle Kommunikation. Das RTOS wird in diesen Geräten verwendet, um die Entscheidungsfindung zu verwalten und die Latenz zu kontrollieren und so die Einhaltung kritischer Timing-Anforderungen sicherzustellen. Kommerzielle RTOS werden seit Jahren in großem Umfang in der industriellen Steuerung eingesetzt, während das Interesse an RT-Linux®-Lösungen weiter zunimmt. Diese Lösungen bieten die für industrielle Automatisierungsanwendungen erforderliche Zeit-Sensibilität und Entscheidungsfindung- und nutzen gleichzeitig alle Vorteile der großen Linux-Open-Source-Community.
Für den kommunikationsperipheren Teil von Echtzeitlösungen besteht die Hauptanforderung darin, industrielle Feldbusprotokolle durch eine Methode zu unterstützen, die eine geringe Latenz und kurze Protokollzykluszeiten erreicht, selbst wenn die Anzahl der Knoten erhöht wird. Dies wird zu einer komplexeren Herausforderung, wenn mehrere Feldbusstandards in einem einzigen Design unterstützt werden müssen. Die Unterstützung mehrerer-Protokolle ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass Endprodukte mit mehreren Standards-wie EtherCAT, PROFINET und Ethernet/IP-kompatibel sind, die möglicherweise bereits in einer Fabrik eingesetzt werden. Die Unterstützung mehrerer Protokolle über Hardware (ASIC) zu erreichen, ist komplex, da jedes Protokoll möglicherweise einen eigenen dedizierten ASIC erfordert, was unterschiedliche Platinendesigns für jeden unterstützten Feldbus erfordert. Ein programmierbarer Ansatz vereinfacht diese Herausforderung. Bei diesen Ansätzen können Änderungen des Feldbusprotokolls allein durch Software- oder Firmware-Updates implementiert werden.
Um diese Echtzeit-Kommunikationslösung effizient zu ermöglichen, benötigen Controller umfangreiche Peripherieschnittstellen. Dies liegt daran, dass sie über mehrere Ebenen hinweg kommunizieren müssen: mit Feldbusnetzwerken innerhalb der Fabrik, Backplanes, die E/A, Aktoren, Antriebe oder andere Steuerungen verbinden, und Servern, die Werksdiagnosen über Datenerfassungsprotokolle wie OPC UA durchführen. All dies erfordert eine Vielzahl von Peripherieschnittstellen, insbesondere Ethernet-Schnittstellen. Darüber hinaus ist eine flexible und programmierbare Kommunikationslösung erforderlich.
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