Zentrale und Dezentrale Automatisierungskonzepte Teil 2

Zentral vs. dezentral

Eine zunehmende Komplexität in der Wirtschaftswelt erfordert auch immer komplexer werdende Systeme und Verfahren. Dabei spielen Automatisierungskonzepte eine immer bedeutendere Rolle, sei es in der Landwirtschaft, in der Automobilbranche oder nur in kleineren Betrieben.

Dabei ist die Entscheidung für ein zentrales oder ein dezentrales Automatisierungskonzept von verschiedenen Faktoren, wie zum Beispiel der Notwendigkeit einer präzisen und zeitlich optimalen Steuerung, abhängig. Jedes dieser Konzepte birgt deshalb bestimmte Vor- und Nachteile und lässt sich speziell auf bestimmte Arbeitsgebiete anwenden.

Was sind Zentrale und Dezentrale Automatisierungskonzepte?

Um Klarheit zu verschaffen, soll geklärt werden, was man unter den beiden Konzepten überhaupt versteht. Das dezentrale Konzept bedeutet im Detail „verteilte Intelligenz“, denn viele verteilte Steuerungen übernehmen hierbei einen großen Teil der Aufgabenbearbeitung. Dabei lassen solche Konzepte in der Regel höhere Geschwindigkeiten zu und erlauben modulare Maschinenkonzepte. Aus diesem Grund eignen sich dezentrale Automatisierungskonzepte oftmals besser für die Maschinenautomatisierung mit vielen Antriebsfunktionen.

POWERLINK ist, um nur ein Beispiel zu nennen, ein solches System, was sich aber auch für zentrale Lösungen eignen kann. Dieses Konzept bedeutet im Klartext, dass der Hauptteil der Aufgaben an eine oder wenige zentrale Steuerungen geht und dort zentral bearbeitet wird und nur kleinere Arbeitsteile ausgelagert und an Netzteilnehmer vergeben werden. Der große Vorteil von solchen zentralen Konzepten liegt in der Anwendung auf die Prozessindustrie, da Anlagen einen sehr hohen Automatisierungsgrad erfordern und sicher und leicht von nur wenigen erforderlichen Personen bedient werden können.

Dies sind nur einige definitorische Feinheiten, um grob die beiden Konzepte voneinander abzugrenzen. Welches Konzept sich aber konkret für welches Gebiet empfiehlt, hängt von der geforderten Applikationsgeschwindigkeit ab.

Essentielles Kriterium: Die Applikationsgeschwindigkeit

Die zeitliche Steuerung solcher Prozesse und die Determiniertheit dieser Steuerung entscheiden in erster Linie, ob ein zentrales oder ein dezentrales System angewendet werden soll und kann. Dabei kann man von einem sogenannten „Härtegrad“ der Echtzeit sprechen, denn in der Regel kann man sagen, dass sich bei einer Zunahme dieses Grades die Steuerung weg von einer zentralen Struktur und hin zu einer dezentralen Struktur bewegt.
Die Grenze von beiden Konzepten ist aber nicht klar gezogen und vermischt sich, denn ein zentrales Automatisierungskonzept umschließt auch dezentrale Komponenten und umgekehrt hat ein dezentrales Konzept auch einige zentrale Eigenschaften. Der Unterschied der Konzepte liegt im Umfang der zur Steuerung vergebenen Aufgaben.

Die dezentrale Steuerung lagert ganze Aufträge aus, während in der zentralen Struktur nur von kleineren „Arbeitsteilen“ die Rede ist. Ein dezentrales Konzept entlastet somit die zentrale Steuerung durch diese Auslagerung auf intelligente Komponenten. Dabei ist eine höhere und bessere Kommunikationsverbindung dieser Komponenten mit dem zentralen System notwendig.

Die Entscheidung bezüglich der Konzepte hängt auch davon ab, mit welchen Netzwerkstrukturen sich am besten die zeitlichen Forderungen erfüllen lassen - und das mit dem geringsten Aufwand. Es kann bei zentralen Systemen z.B. davon ausgegangen werden, dass bei hohem Datenaufkommen nur eine moderate Anforderung an die Rechenleistung insgesamt und an die Übertragungsgeschwindigkeit besteht. Die Echtzeit stellt hier somit nur eine „weiche“ Komponente dar, das heißt die Zeitspanne zwischen dem Auslösen und dem Eintreten des Ereignisses hat eine Dauer zwischen hundertstel und tausendstel Sekunden.

Die Anforderungen sind deshalb eher für ein zentrales Automatisierungskonzept geeignet und lassen sich gut in der Prozessindustrie anwenden. Im Gegensatz dazu werden in der Prozessindustrie oft auch „harte“ Echtzeiten gefordert. Dabei spielt die Dauer sich im μ-Sekundenbereich ab, weshalb sich für diese Prozesse nur dezentrale Konzepte eignen und Anwendung finden. Der Vorteil der verteilten Intelligenz kommt bei solch komplexen Systemen zum Tragen.

Modulare Maschinenkonzepte – welches Konzept lässt sich besser anwenden?

Da Prozesse eine höhere Flexibilität und eine gleichzeitig höhere Geschwindigkeit erfordern und diese Eigenschaften nur bedingt bei zentralen Systemen vorhanden sind, führte dies zur Entwicklung modularer Maschinenkonzepte. Diese erweitern im Allgemeinen den Funktionsumfang durch das Zuschalten eigenständiger Komponenten ohne die Notwendigkeit, den Maschinenkern dabei zu modifizieren.

Bei diesen hat die Antriebssteuerung eine Vielzahl von Aufgaben zu erledigen, welche z.B. die Regulation der Drehzahl oder die Berechnung der Achsen-Beschleunigung pro Takt umfasst. Diese Berechnungen gehen an genau zwei unterschiedlichen Orten vonstatten: Im Antrieb selbst, was voraussetzt, dass entsprechende Recheneinheiten dort mitvorhanden sind, oder in der zentralen Steuerung an sich. Offensichtlich ist hierbei, dass eine zentrale Berechnung eine große Bandbreite des Busses beansprucht und eine immense Rechenleistung von der zentralen Steuerung verlangt wird. Ebenso ist es offensichtlich, dass die Datenmengen ein extremes Ausmaß annehmen können, was sich negativ auf die Geschwindigkeit auswirkt. Die Berechnungen würden nur von dem Master erledigt werden, um die Ergebnisse danach an den Slave zu schicken, welcher über den Bus fortlaufend Rückmeldung über seinen derzeitigen Zustand geben muss. Dieser Umstand führt zu einer zunehmende Anfälligkeit der Applikationsfunktion.

Die Rechenleistung dennoch extern vonstattengehen zu lassen, ist praktisch kaum umsetzbar, weshalb die Vorteile eines dezentralen Konzeptes in dieser Anwendung offensichtlich sind. Es sind schnellere Rechen- und Reaktionszeiten vorhanden, ebenso wie eine Entlastung des Masters gegeben ist. Dies entlastet wiederum den Datenverkehr auf dem Bus. Auch ist eine einfachere, modulare Erweiterbarkeit der Maschinenanlage durch dezentrale Konzepte gegeben, ebenso wie eine sichere Applikation. Um all diese Vorteile zu generieren, muss eine entsprechend gute Kommunikationsverbindung gegeben sein.