Umsetzung lokaler KI-Anwendungen mit PLCnext Technology

Eine smarte Auswertung der von vielen Sensoren generierten Rohdaten durch KI entwickelt sich zu einer Kernfunktion professioneller IoT-Anwendungen. (Im Bild: PLCnext Control AXC F 3152 von Phoenix Contact)

Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) bildet die Kernkomponente industrieller Automatisierungssysteme. Sie verarbeitet die Eingaben des Automatisierungssystems und erzeugt entsprechend der Programmierung Ausgänge zur Steuerung von Maschinen und Anlagen – und das oftmals mit hohen Echtzeitansprüchen. Diese Anforderungen an die Echtzeit können durch zusätzliche Aufgaben – beispielsweise komplizierte Berechnungen im Umfeld der Künstlichen Intelligenz oder Machine Learning (ML) im Rahmen neuronaler Netze – negativ beeinflusst werden. Eine Lösung des Problems liegt in der Verlagerung solch rechenintensiver Aufgaben. Das kann über dedizierte externe Recheneinheiten geschehen, in denen die KI die jeweiligen Berechnungen vornimmt. Anschließend werden lediglich die ermittelten Ergebnisse an das SPS-Programm zurückgegeben, um sie dort als normale SPS-Eingangsvariablen zu verarbeiten.

Genauso sind allerdings die aus der SPS benötigten Variablen als Eingangswerte der KI an die externe Recheneinheit zu übergeben. Damit sich dieser Prozess realisieren lässt, muss die auf der SPS laufende Steuerungsapplikation mit der externen Recheneinheit kommunizieren. Häufig ist es so, dass KI-Anwendungen im Maschinenumfeld getrennt von der Maschinensteuerung oder SPS zum Einsatz kommen. In diesem Fall wird als Recheneinheit meist ein PC oder die von einer Cloud bereitgestellte Rechenleistung genutzt, wobei der Datenaustausch mit der SPS mit einem erheblichen Aufwand einhergeht.

Darstellung der Unterschiede zwischen einem Entscheidungsbaum und einem tiefen neuronalen Netz.

Neues KI-Erweiterungsmodul

Bei der Anwendung von Methoden des Maschinellen Lernens ist zwischen dem Lernen und Trainieren eines KI-Modells sowie dem Ausführen eines fertigen Modells zu unterscheiden. Der Aufwand und die notwendige Rechenleistung zur Erstellung eines KI-Modells erweisen sich als deutlich höher als die erforderliche Rechenleistung für seine Verwendung. Zu den Vorarbeiten bei der Generierung komplexer KI-Projekte gehört neben der Programmierung der Algorithmen das Sammeln und Labeln von Daten. Hier werden oftmals sehr viele Daten benötigt, die entsprechend zu klassifizieren sind. In der Vorbereitungsphase erfolgt ihre Aufsplittung in Trainings- und Testdaten. Während des Entwicklungsprozesses dienen die Trainingsdaten der Optimierung des KI-Modells. Anhand der Testdaten wird geprüft, welche Ergebnisse das erstellte Modell mit den unbekannten Daten liefert.

Die Ausführung der getesteten KI-Modelle direkt am Automatisierungsprozess bietet die Möglichkeit, KI-gestützte Lösungen schnell und unabhängig von anderen Systemen umzusetzen. Zu diesem Zweck stellt Phoenix Contact in Kürze das Erweiterungsmodul AXC F XT ML 1000 für die PLCnext Control AXC F 3152 zur Verfügung, das auf einer Edge-TPU (Tensor Processing Unit) von Google Coral, einer Plattform für Machine Learning, basiert. Die Edge-TPU verwendet TensorFlow Lite (ein Framework zur datenstromorientierten Programmierung), sodass sich sämtliche vortrainierten Modelle auf dieser Softwarebasis nutzen lassen. Darüber hinaus können zahlreiche Projektbeispiele von coral.ai eingesetzt werden, um zum Beispiel eine einfache Objekterkennung mit der Coral-Edge-TPU und der PLCnext Technology zu realisieren.

Videostream-Output aus der PLCnext Control mit einem Erweiterungsmodul AXC F ML 1000 zur Klassifizierung und Zählung von Fahrzeugen.

Favorisierte Programmiersprachen in einem Tool vereint

Als beliebteste Programmiersprache zur Entwicklung von KI-Applikationen unterscheidet sich Python erheblich von den in der Automatisierungswelt bekannten IEC61131-Sprachen wie Strukturierter Text, Ablaufsprache, Kontaktplan, Funktionsbaustein-Sprache oder Anweisungsliste. Aus diesem Grund ist es üblich, dass Automatisierer und Data Scientists bei maschinennahen KI-Anwendungen eng zusammenarbeiten. Der Automatisierer verfügt über das Domänenwissen und kann die geforderten Daten aus dem Maschinenprogramm bereitstellen. Der Data Scientist wählt aus den vielen Optionen der KI die passende Methode des Maschinellen Lernens aus, beispielsweise einen Entscheidungsbaum oder ein tiefes neuronales Netz (Deep Learning). Anschließend entwickelt er mit den Daten ein passendes Programm.

PLCnext Technology unterstützt hier beide Anwender, denn der Automatisierer verwendet seine bevorzugte IEC61131-Programmiersprache, während der Data Scientist Python nutzt. Dabei gestaltet sich der Datenaustausch zwischen den beiden Programmierwelten aufgrund von standardisierten Schnittstellen einfach.

Mit PLCnext Technology können verschiedene Ebenen in der KI-Applikation erreicht werden.

Große Datenmengen direkt vor Ort verarbeiten

Als Anwendung von Deep Learning sei die Bilderkennung genannt, die zum Beispiel in Applikationen rund um die Qualitätssicherung im Produktionsprozess zum Einsatz kommt. Zudem bietet sich die Bildverarbeitung auch für Lösungen zur Optimierung des Straßenverkehrs in Innenstädten an. Um dort ein Abbild der Verkehrssituation zu erstellen, müssen Daten – beispielsweise die Bilder von Verkehrskameras – durch geeignete Sensoren aufgezeichnet sowie im nächsten Schritt aufbereitet und ausgewertet werden. Die Analyse auf einem Edge-Computersystem eröffnet den Vorteil, dass große Datenmengen – etwa Videos – nicht erst über eine Internetverbindung in die Cloud weiterzuleiten sind, sondern sich direkt vor Ort verarbeiten lassen. Dies setzt jedoch voraus, dass die verwendete Edge-Hardware über ausreichend Leistung für die KI-basierte Datenverarbeitung verfügt.

Ein weiteres Anwendungsfeld für das Erweiterungsmodul AXC F XT ML 1000 liegt im Bereich Predictive Maintenance. In diesem Umfeld erfasst die SPS Daten durch zum Beispiel Vibrations-, Temperatur- oder akustische Sensoren, die dann über die Schnittstellen der Steuerung an das KI-Erweiterungsmodul AXC F XT ML 1000 übergeben werden. Das KI-Modul nutzt die Informationen der Sensoren als Eingangsdaten für das jeweilige Modell der Künstlichen Intelligenz, beispielsweise das neuronale Netz oder die Regression. Mit den Ergebnissen (Interferenzen) der KI kann die SPS die Maschine nun bei einer drohenden Gefahr durch Verschleiß in einen sicheren Zustand bringen oder eine Meldung an das Wartungspersonal senden, damit es die Maschine zeitnah überprüft.

Bestehende KI-Lösungen im Serienmaschinenbau weiterverwenden

Typische Applikationen, die mit Unterstützung von KI-Methoden spezielle Aufgaben lösen, werden selten mehrfach wiederverwendet. Häufig betreibt der Anwender die KI-Lösung nur an einem Ort für eine bestimmte Aufgabe. Serienmaschinenbauer, die eine Maschine in großer Stückzahl herstellen und sie daher sehr gut kennen, könnten zur Durchführung einer vorbeugenden Wartung ein KI-Modell trainieren. Das Modell lässt sich anschließend mit der PLCnext Control und dem Erweiterungsmodul AXC F XT ML 1000, das die Google-Coral-TPU umfasst, für die einzelnen Maschinen vervielfältigen.

Da die PLCnext Control mit zahlreichen gängigen Cloud-Lösungen kommunizieren kann, besteht ferner die Möglichkeit, die Ergebnisse der verschiedenen lokalen KI-Anwendungen zentral auszuwerten. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse lässt sich das KI-Modell im nächsten Schritt weiter trainieren. So entsteht ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess für die KI-Anwendung, der auf den realen Daten unterschiedlicher Maschinen basiert: ein echter Mehrwert sowohl für den Maschinenbauer als auch den -betreiber.