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Industrie 4.0 Die Kommunikationsbasis für Industrie 4.0

| Redakteur: Silvano Böni

Die Herausforderungen der stetig komplexer werdenden Fertigungsprozesse und anspruchsvolleren Kommunikationsabläufe werden bereits heute auf Basis von IEC-61131-3-programmierbaren Steuerungen gelöst. Dabei versucht die Automatisierungstechnik, die Komplexität mit unterschiedlichen Methoden zu reduzieren.

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Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 hat die Sackgasse der modernen Automatisierung erkannt und will diese daher mit neuen Verfahren auf der Grundlage der Cyber Physical Systems (CPS) optimieren.
Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 hat die Sackgasse der modernen Automatisierung erkannt und will diese daher mit neuen Verfahren auf der Grundlage der Cyber Physical Systems (CPS) optimieren.
(Bild: Phoenix Contact AG)

Ein Ansatzpunkt dieser Methoden liegt in der Modularisierung und Objektorientierung von Maschinen und Anlagen, welche die funktionalen Einheiten überschaubarer gestaltet. Um die zeitliche Komplexität zu senken, wird die Applikation in Produktionstakte unterteilt. In diesem Zusammenhang zeigen aktuelle Steuerungsprogramme, dass ein grosser Teil des Programm-Codes beispielsweise für die Diagnose, eine Störung des Taktes oder die Weiterleitung der Daten an überlagerte Systeme benötigt wird. Die regelungstechnische Steuerung der Anwendung macht also nur einen kleinen Prozentsatz des Programms aus. Somit befindet sich die moderne Automatisierung in einer Sackgasse, da sie den zukünftigen Herausforderungen der Fertigung zum Beispiel im Hinblick auf Flexibilität, Adaptivität oder Vernetzung immer schwieriger gerecht werden kann. Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 hat das erkannt und will daher die Automatisierungstechnik mit neuen Verfahren auf der Grundlage der Cyber Physical Systems (CPS) optimieren. Welche Rolle das Kommunikationsprotokoll OPC UA in diesem Umfeld spielen kann, soll im Beitrag dargestellt werden.

Systemgrenzen müssen verschoben werden

Im ersten Schritt wird der Begriff des Cyber Physical Systems näher beleuchtet. Die heutige Automatisierung, die viele verschiedene Anbieter prägen, ist mittlerweile auf der Stufe von Embedded-Systemen oder mechatronischen Einheiten angekommen. Ein Cyber Physical System (CPS) umfasst diese eingebetteten Systeme oder mechatronischen Einheiten, aber auch Steuerungselemente wie die SPS, zusätzliche interne Logistik-, Koordinations- und Management-Prozesse sowie externe Dienste. Der Mensch und das zu fertigende Produkt sind integraler Bestandteil dieses Systems.

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Ein Cyber Physical System will Daten mit den in der Applikation verbauten Sensoren und Aktoren austauschen. Zudem kennt es den aktuellen Status des Prozesses oder der Umgebung, beinhaltet unter Umständen Subsysteme oder soll mit anderen CPS kommunizieren. Das alles sind Funktionen, die eine SPS bereits in Verbindung mit Bedienen-und-Beobachten- oder SCADA-Lösungen und einer MES-Kopplung erfüllt. Damit bleibt die Steuerung weiterhin zentrales Element des Cyber Physical Systems. Für die neue Sichtweise auf ein CPS als eigenstände Einheit muss also die Systemgrenze verschoben werden. Darüber hinaus sind die Anforderungen der neuen Schnittstellen zu adaptieren.

Anpassungsfähige Schnittstellen bilden die Grundlage

Die Steuerung fungiert weiterhin als Platzhalter für kleinere Einheiten, die kein eigenständiges CPS werden. Hierbei handelt es sich um Einheiten, die als Embedded-System oder mechatronisches Modul konzipiert sind. In einem Cyber Physical System wird die SPS als Steuereinheit des Systems ferner zum Erbringer von Diensten. Diese lassen sich von Menschen oder anderen Systemen – wie einem Energiemanagement-System – abrufen. Zu den Zielen des CPS zählen

  • die bessere Vernetzung mit weiteren Cyber Physical Systems
  • eine einfachere, auch ortsunabhängige Nutzung anderer Dienste, beispielsweise eines Diagnose-Agenten über das Internet
  • der robustere Ablauf der Prozesse bei höherer interner Adaptivität auf veränderte Randbedingungen
  • die Schonung der Ressourcen Energie und Material selbst bei variierender Auslastung.

Deshalb erfordert ein CPS die intensivere interdisziplinäre Zusammenarbeit der Gewerke Maschinenbau sowie Elektro-, Automatisierungs- und Informationstechnik. Genau das ist die wesentliche Absicht des Konzepts der Industrie 4.0.

Ein Cyber Physical System gründet sich auf anpassungsfähige Schnittstellen zum Zweck interner Erweiterungen sowie der Kommunikation nach aussen. Die Schnittstellen benötigen neben einem zyklischen Datenaustausch azyklische Events, um andere Systeme zu informieren, oder Methoden, sodass Dienste angeboten und abgerufen werden können. Grosse Bedeutung haben zudem Security-Funktionen, da mitunter Daten ortsunabhängig über das Internet weiterzuleiten sind. Die Schnittstellen müssen sich ausserdem kontextabhängig adaptieren lassen, damit das CPS langfristig in der heterogenen Automatisierungslandschaft flexibel erweiterbar bleibt. Hier kommt das Kommunikationsprotokoll OPC-UA ins Spiel.

OPC-UA schafft neue Kommunikationsmöglichkeiten

OPC-UA deckt alle wichtigen funktionalen Anforderungen an die Schnittstelle des Cyber Physical Systems ab. Der herstellerübergreifende Standard wird bereits oder zukünftig von sämtlichen Automatisierungsherstellern weltweit unterstützt. Dabei ist er ausserordentlich skalierbar und plattformunabhängig, weshalb OPC-UA sowohl von intelligenten Sensoren – wie RFID-Systemen – mit wenigen Datenpunkten als auch von Leitsystemen mit 100 000 und mehr Datenpunkten verwendet werden kann. Das Adressierungsmodell ist detailliert standardisiert und lässt sich über darauf aufsetzende Profile oder eigene Objekte ausbauen. Als Beispiel eines solchen Profils sei die Abbildung von Steuerungsvariablen über den PLCopen-Standard genannt.

PLCopen für OPC-UA stellt in erster Linie die Variablen einer gemäss IEC 61131-3 programmierten Steuerung dar. Alle Steuerungen mit diesem Profil haben somit einen identischen Namensraum, sodass sich mehrere Geräte unterschiedlicher Hersteller auf gleiche Weise in das CPS integrieren lassen. Darüber hinaus enthält OPC-UA syntaktische Informationen zu Strukturen und Bausteinen mit ihren Ein- und Ausgangsvariablen. So können andere Cyber Physical Systems bekannte Informationsstrukturen automatisch im Adressraum suchen und verknüpfen. Die Schnittstelle erweist sich also als flexibel erweiterbar.

Die aktuelle Spezifikation des PLCopen-Profils ist um eine Funktion ergänzt worden, welche die Möglichkeiten der Kommunikation umdreht. Heute wird eine SPS immer über einen OPC-Server abgebildet. Wandert der OPC-UA-Stack nun auf die Steuerung, kann sie über Client-Funktionen aktiv Daten und Nachrichten an andere CPS-Systeme verschicken oder von dort abgreifen. Dazu werden derzeit standardisierte Bausteine definiert, die die Darstellung und Funktion einer solchen Steuerung-zu-Steuerung-Kommunikation regeln. Security-Mechanismen sind ebenfalls im PLCopen-Protokoll über etablierte Mechanismen gelöst. In der binären Implementierung liefern X.509-Zertifikate in Verbindung mit einer User-Authentifizierung die notwendige Sicherheit. Erfolgt der Datenaustausch über Web Services, kommen die Methoden der WS Secure Conversation zur Anwendung. Ferner können Lese- und Schreibrechte bis auf die Gruppenebene für verschiedene Nutzerkreise verwaltet werden. Auf diese Weise stellt OPC-UA selbst in vernetzten Landschaften mit vielen Nutzern und anderen Systemen einen umfassenden Zugriffsschutz sicher.

Fazit

OPC-UA erweist sich als optimale Basis für die Umsetzung der von Industrie 4.0 geforderten Funktionen. Denn das Protokoll ist bereits verfügbar sowie in unzählige Geräte von der Sensorebene bis zu MES- und ERP-Systemen integriert. Zudem wird es von allen Automatisierungsanbietern unterstützt. Dabei deckt OPC-UA auch die interne Kommunikation innerhalb des Cyber Physical Systems ab und fungiert teilweise als Feldbusersatz oder Middleware zwischen den im CPS interagierenden Modulen. Darüber hinaus bietet das Protokoll die Möglichkeit zur Vernetzung in herkömmliche Leitsysteme und andere Cyber Physical Systems (Systems-of-Systems) bis hin zu Cloud-Applikationen. Andere Middleware-Ansätze aus dem IT-Umfeld wie COBRA- oder SOAP-basierende Verfahren gibt es zwar seit längerer Zeit, doch sie haben sich in der Feldebene der Automatisierung nie durchsetzen können. Vor diesem Hintergrund ist das aus diesem Bereich kommende OPC-UA-Protokoll der beste Ansatz für das neue industrielle Zeitalter. <<

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