Das Konzept der Cloud-SPS

Das Konzept einer SPS aus der Cloud geht unter dem Aspekt von Industrie 4.0 und IIoT grundsätzlich davon aus, dass Web-Technologien die technische Basis bilden. Im Internet (Web) als globalem Rechnernetz stehen prinzipiell zwei Arten von Netzwerkrechnern zur Verfügung:

• Server-Rechner, die IT-Einheiten (Objekte, Dienste, Programme, Daten) bereitstellen und auch ausführen können, sowie
• Client-Rechner, die IT-Entitäten lediglich ausführen können.

Das Arbeitsprinzip in diesem Server-Client-Rechnernetz ist das Client-Server-Prinzip. Ein Client muss also erst eine Anfrage stellen, damit eine IT-Einheit im Server ausgeführt werden kann. Das bedeutet, dass anwendungstechnische IT-Einheiten im Server nicht von selbst (automatisch) aktiv werden können. Als Client fungiert in der Regel ein Web-Browser auf dem Client-Rechner. Dies kann aber auch eine andere Client-Komponente sein. Betrachtet man ein beliebiges anwendungsspezifisches Funktionssystem, etwa ein Leitsystem, das mit Web-Technologie realisiert wird, so ergeben sich verschiedene Modelle für die Ausführung (Run) dieses Systems:

• Das funktionale System ist nur auf dem Server gespeichert und wird auch nur dort ausgeführt. Die Ausführung des Systems auf dem Server startet der Client (Server-Modus).
• Das funktionale System ist auf dem Server gespeichert und wird über eine Anfrage in den Client geladen. Das System wird nur im Client-Modus ausgeführt (Client-Mode). 
• Das funktionale System ist auf dem Server gespeichert und Komponenten des funktionalen Systems werden ebenfalls auf dem Server ausgeführt. Weitere Komponenten werden über einen Request in den Client geladen und dort ebenfalls ausgeführt. Die Ausführung der Systemkomponenten im Server wird durch den Client gestartet (Mischbetrieb).

In allen drei Fällen kann das funktionale System auf mehrere Server (Cloud) oder mehrere Clients verteilt sein. 

Unter dem Aspekt der automatischen und einfachen Skalierbarkeit mit dynamischen Ressourcen spielt insbesondere der Server-Modus eine besondere Rolle, da hierfür bereits verschiedene Werkzeuge im Web-Bereich, etwa Container-Technologien, existieren. Das erläuterte Konzept der logiccloud baut daher auf dieser Grundstruktur auf. Daraus ergibt sich folgende grundlegende Komponentenstruktur einer SPS aus der Cloud:

Im Server (Cloud) befinden sich n Software-Instanzen einer SPS, auf denen unterschiedliche IEC-61131-3-Steuerungsprogramme ausgeführt werden können. Jede Steuerungsinstanz ist mit einem realen Automatisierungsgerät (Sensoren, Aktoren) über geeignete Netzwerkprotokolle (MQTT, OPC UA) verbunden. Die Automatisierungsgeräte sind als CPS-Komponenten nach dem eingangs dargestellten Modell aufgebaut und enthalten einen entsprechenden IP-Connector oder ein Gateway zur Kommunikation mit der Steuerungsinstanz. Die Verwaltung und Bedienung der Steuerungsinstanzen erfolgt über den Web-Browser (Client).

Die grundsätzliche Herausforderung für eine praktikable und industrietaugliche Umsetzung der Backend-Architektur für eine SPS aus der Cloud ist nun, eine Möglichkeit zu schaffen, dass tatsächlich n Steuerungsinstanzen mit m Automatisierungsgeräten und p Steuerungsprogrammen im Netzwerk verteilt auf verschiedenen Knoten (Fog- oder Cloud-Knoten) verwaltet und bedient werden können. Dabei müssen Echtzeitbedingungen, Zuverlässigkeit und Sicherheit berücksichtigt werden. Unter der Bezeichnung logiccloud wird die marktreife Variante einer SPS aus der Cloud gerade weiterentwickelt. Die Architektur besteht aus den folgenden fünf Hauptkomponenten:

• Die Systemadministration: Sie beinhaltet das Identity & Access Management, das Device & Location Management sowie alle Funktionen für die servicebasierte Abrechnung. Laufzeiten: Die Komponente Runtimes enthält alle Dienste, die zur Laufzeit in logiccloud Verwendung finden, wie SPS-Laufzeitlogik, IO-Laufzeit und IO-Konnektoren.
• Bibliotheksdienste: Diese Komponente stellt Dienste zur Verfügung, die in den Design- und Laufzeitprozessen genutzt werden, wie den IEC-61131-3-Programm-Compiler oder das Funktionsbibliotheksmanagement.
• Cluster-Infrastruktur: Sie ist das Rückgrat des gesamten Steuerungs-Clusters und stellt Werkzeuge für den Betrieb des gesamten Systems zur Verfügung. Dazu gehören die Datenbank, der Zertifikatsmanager, die Caching- & Kommunikationsinfrastruktur.
• Systemüberwachung: Sie ist für das Sammeln von Metriken und Protokollen aus der Infrastruktur verantwortlich und stellt Mittel zur Visualisierung der Systemleistung oder des Systemzustands bereit.

Die Eigenschaften der SPS-Steuerungsinstanzen bestimmen im Wesentlichen die beiden Komponenten Runtimes und Library Services.