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Open Source Industriesteuerungen & IPCs

Open Source Steuerungskomponenten, Controllino, BeagleBone BlackBis vor ein paar Jahren konnten die klassischen SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) die gebräuchlichen Steuerungsaufgaben lösen. Mit der zunehmenden Vernetzung der einzelnen Maschinen und der fortschreitenden Entwicklung zur Smart Factory sind die Anforderungen an die Steuerungskomponenten allerdings gestiegen. Neue Standards in der Datenübertragung und Protokolle benötigen spezielle CPUs; Datenverschlüsselung und Gewährleistung von Datenintegrität setzen eine gewisse Rechenleistung voraus, um zuverlässig und schnell arbeiten zu können.

Diese Herausforderungen werden von den meisten Komponenten-Herstellern angenommen und souverän gelöst, indem z.B. die „neuen“ Industrie 4.0 Protokolle, wie z.B. MQTT, OPC-UA mittlerweile flächendeckend unterstützt werden und auch Software-Komponenten wie z.B. ein embedded Webserver eine flexiblere Vernetzung der Steuerungskomponenten mit der Außenwelt erlaubt.

Parallel dazu schreitet man im Open-Source Bereich mit großen Schritten voran und dringt in die Applikationen der industriellen Automatisierung vor. Gerade die Anwendungsbereiche der Industrie 4.0 & IIoT (industrial Internet of Things) erlangen immer größere Bedeutung.

Open-Source Projekte, wie z.B. der Arduino oder der Raspberry Pi, sind mittlerweile so weit entwickelt, dass diese nun – in abgewandelter Form und mit angepasster Hardware – im industriellen Umfeld zuverlässig eingesetzt werden können. Insgesamt haben sich diese Open-Source-Steuerungen zu einer echten Alternative entwickelt, da deren Funktionsumfang mit dem der klassischen Steuerungen kongruent ist und auch die Anbindungen an die üblichen Feldbus-Systeme ohne Hindernisse möglich ist.

Durch die immer stärkere Verschmelzung der Anforderungen von IoT und Industrie 4.0 bieten Open-Source Komponenten mit ihren offenen Implementierungen und frei verfügbaren Software-Bibliotheken hier sogar einen funktionalen Vorteil gegenüber den klassischen Steuerungen, SPS oder IPCs (Industrie PCs).

Programmiert wird meist hardware-nah in C/C++ oder je nach Komplexität der Applikation oder Anforderung in Python. Da es sich dabei um Standard-Sprachen handelt, sind diese Systeme attraktiv für viele Entwickler und erlauben zudem eine einfache Portierung der Software auf eine andere Hardware. Dies birgt den zusätzlichen Vorteil, dass viele offene Bibliotheken eingebunden werden können und somit die Erweiterung des Funktionsumfangs den Entwickler nur vor kleine, allgemeine Herausforderungen stellt. 

Auch die Integration in (proprietäre) heterogene Umgebungen ist weitestgehend gelöst, indem Einschränkungen gegenüber bestimmten Kommunikationsprotokollen aufgehoben worden sind. Gerade bei dezentralen Architekturen und komplexeren Anforderungen an die Anlage, wie z.B. Datenauswertung mittels Machine-Learning oder Computer Vision lohnt sich der Einsatz von offenen Komponenten, da viele Software-Bibliotheken für diese Anforderungen verfügbar sind.

Oft verwenden Open-Source IPCs embedded Linux Distributionen als Betriebssystem, welche in Bezug auf die IT-Sicherheit einen ganz entscheidenden Vorteil haben: Die Vernetzung erfolgt heutzutage nahezu ausschließlich über Ethernet (TCP/IP), sodass in jeder Komponente Sicherheitsmechanismen, welche diese Schnittstelle vor Angriffen und Manipulation schützt, benötigt werden. Bei Linux-basierten Systemen sind entsprechende Software-Komponenten bereits vorhanden, die als Firewall konfiguriert werden können und das lokale System bestmöglich schützen.

Fazit

Open-Source Steuerungen sind auf dem Vormarsch und durch ihre Quelloffenheit in der Software und Hardware besonders interessant, wenn es um Applikationen geht, die mit klassischen SPS-Steuerungen nur schwer realisiert werden können. Die Entwicklung erfolgt mit Standard-Tools und Cross-Compilern, welche durchaus unflexibler wahrgenommen werden, als z.B. die Entwicklungsumgebungen für klassische SPS. Die Entwicklung erfordert oft tiefere Kenntnisse in Microcomputer-Architekturen, da spezielle CPU-Anweisungen oft stark von der darunterliegenden Prozessorarchitektur abhängen. Diese Hürden zu überwinden, ist aber für erfahrene Programmierer und Entwickler meist mit geringer Einarbeitungszeit problemlos möglich. Dementsprechend bieten Open-Source Komponenten in der Industrie 4.0 innovative Lösungen, die gerade bei nicht-standard Applikationen ihr Potential entfalten können.