Vernetzte Produktion

IoT-Basics: Austauschformate und Standards für die Industrie 4.0

Parallel zur Fertigungswelt entstehen derzeit Plattformen für das industrielle Internet der Dinge (IIOT). Mit ihnen soll es möglich sein, Fertigungsdaten zu sammeln und auszuwerten. Problem: Für viele dieser Plattformen ist der Zugang zu Daten aus Maschinen und Produktionsanlagen schwierig. Abhilfe schaffen offene Standards wie AutomationML und OPC UA.

Heute ist es möglich, Anlagen- und Steuerungsinformationen auszulesen, in ein standardisiertes Format zu überführen und daraus alle relevanten Informationen zur automatischen Konfiguration von Fertigungsmanagement-Systemen abzuleiten. Beispielsweise kann die Projektierung von Leitsystemen bis hin zur Generierung von Prozessführungsbildern mit allen relevanten Anbindungsinformationen automatisiert werden. Die gewählten Technologien dafür sind AutomationML und OPC UA, beides offene IEC-Standards.

AutomationML: Basisformat zur Beschreibung von Industrie-4.0-Komponenten?

Ursprünglich als Austauschformat für Engineering-Daten gestartet, haben die Industrie- und Forschungspartner des AutomationML-Vereins AutomationML zu einem mächtigen Beschreibungsformat entwickelt und in die internationale Standardisierung (IEC 62 714) gebracht. AutomationML ist ein offener Standard, d.h., jedes Unternehmen kann es sofort und kostenfrei verwenden.

Im PLUGandWORK-Kontext wird AutomationML genutzt zur Selbstbeschreibung von Geräten, Maschinen und Anlagen sowie von Steuerungen und Netzwerkkomponenten, entsprechend einer Gliederung nach Produkten, Prozessen und Ressourcen. Dies umfasst die Geometrie und Kinematik der Objekte einer Fabrik, deren Logik und Verhalten sowie logische und physische Schnittstellen. Auch Rollen und damit Zugriffsrechte auf Daten können über AutomationML bis auf Datenpunktebene beschrieben werden.

Ein übergeordnetes AutomationML-Modell integriert die Einzelmodelle. Es bildet das Zusammenspiel von Fabrik, Linien, Anlagen, der Topologie und der Einbindung in das Fabriknetzwerk ab. AutomationML hat das Potenzial, sich zu einem Basisformat zur Beschreibung von Industrie-4.0-Komponenten zu entwickeln. In Kombination mit dem Kommunikationsprotokoll OPC UA bildet es eine Schlüsselkomponente für semantische Interoperabilität, d.h. für verständlichen, durchgängigen und echtzeitfähigen Datenaustausch für das industrielle Internet der Dinge.

OPC UA umfasst zukunftsorientierte IT-Sicherheitsmechanismen

Mit der OPC Unified Architecture (OPC UA) steht ein moderner und leistungsfähiger Kommunikationsstandard zur Verfügung, der sich stetig in der produzierenden Industrie weltweit durchsetzt. Dieser Standard nach IEC 62 541 bietet vernetzte Informationsmodelle und erlaubt ereignisgesteuerte Kommunikation zwischen Servern und Clients der industriellen Informationstechnik. OPC UA umfasst zukunftsorientierte IT-Sicherheitsmechanismen, sodass Daten sicher zwischen verschiedenen Standorten verschickt werden können. Modelle aus der Planung, z.B. AutomationML,können entsprechend der gemeinsamen «Companion Specification» von AutomationML e.V. und der OPC Foundation in ein Informationsmodell von OPC UA überführt werden.

Dass OPC UA bis auf Chip-Ebene skalierbar ist und darum auch auf eingebetteten Systemen eingesetzt werden kann, haben Entwickler des Centrums für Industrial IT (CIIT) am Beispiel des dort entwickelten Tiger-Chips gezeigt. Für industrielle Anwendungen in der Industrie 4.0 hat OPC UA seine Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt und verbreitet sich in produzierenden Unternehmen.

Beide Standards haben das Potenzial, Industrie-4.0-Komponenten so zu beschreiben, dass sie interoperabel eingesetzt werden. AutomationML könnte beispielsweise eingesetzt werden, um das sog. Manifest einer Industrie-4.0-Komponente zu beschreiben («extern zugänglicher definierter Satz von Metainformationen, der Auskunft über die funktionalen und nicht-funktionalen Eigenschaften der I-4.0-Komponente gibt»). OPC UA kann für den sog. Komponenten-Manager genutzt werden. Natürlich ist die Beschreibung der Industrie-4.0-Verwaltungsschale nicht allein auf diese zwei Standards beschränkt.

IIoT-Adapter zum Nachrüsten von Bestandsmaschinen

Eine besondere Herausforderung von Industrie 4.0 liegt darin, bestehende Maschinen und Anlagen kommunikationsfähig zu machen. Während Hersteller in Neuanlagen geeignete Kommunikationsschnittstellen einbauen und liefern können, müssen Bestandsanlagen ggfs. nachgerüstet werden.

Hauptschwierigkeiten dabei sind, den laufenden Betrieb nicht zu stören und die Gewährleistung des Maschinenlieferanten zu erhalten. Die Maschinen müssen also nachträglich so befähigt werden, dass die Betreiber einfach einen «Adapter» nachrüsten, mit dem die Maschine Daten nach außen kommunizieren kann. Diese Nachrüstlösungen werden heute unter den Bezeichnungen IIoT-Adapter, Gateways oder Middleware-Lösungen beworben. Im Kern geht es dabei darum, die Forderung nach Interoperabilität zu erfüllen.

Die meisten marktgängigen Produkte setzen darauf, OPC UA als Kommunikationsstandard für Industrie 4.0 zu nutzen und vorhandene Protokolle bestehender Maschinen und Anlagen einfach auf OPC UA umzusetzen, z.B. Modbus, CanOpen, Profinet, Profibus, IO-Link oder Ethercat. Allerdings ist es für Industrie 4.0 nicht ausreichend, Geräte allein zum Datenaustausch zu befähigen. In der Kommunikation muss auch klar sein, was die ausgetauschten Daten bedeuten. Also benötigt man für Industrie 4.0 eine semantische Beschreibung von Maschinen und Produktionsanlagen.

Autor: Olaf Sauer

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