Die Infrastruktur der digitalen Fabrik

Die Integration unterschiedlicher Kommunikationsstandards in eine IT- oder Automatisierungsarchitektur ist kompliziert, weil es keine einheitlichen Schnittstellen und Protokolle gibt. Wie muss eine Kommunikationsarchitektur aussehen, die zehntausende Geräte in der digitalen Fabrik vernetzt? Industrielle Netzwerke und OPC Unified Architecture gelten hier als Schlüssel der digitalen Infrastruktur.

 

 

Mit der Baugruppe CP 443-1 unterstützt Siemens die Kommunikationsarchitektur OPC?UA für das Automatisierungssystem Simatic S7-400 (Bild: Siemens AG)

 

Mit Blick auf die digitale Fabrik lassen sich die Anwendungsszenarien im Wesentlichen in drei Bereiche gliedern:

Erstens: Das End-to-End-Engineering, bei dem die Daten aus dem Produktdesign für das Fertigungs-Engineering genutzt werden können, zum Beispiel zur Ab­leitung von Steuerungsprogrammen. Damit lassen sich unterschiedliche Perspektiven auf ein Erzeugnis in einem einheitlichen Datenmodell erfassen und entwickeln. Das vereinfacht Änderungen und hilft, Fehler zu vermeiden und Engineering-Zeiten einschließlich der Fertigungseinführung zu reduzieren.

Zweitens: Die flexible Automation will den (schein­baren) Widerspruch zwischen Flexibilität und Automatisierung auflösen, um auf dem gleichen Anlagenpark unterschiedliche Produkte herstellen zu können. Kollaborative Roboter, die ihren menschlichen Kollegen assistieren, sind ein Beispiel, wie sich die gleichbleibende Leistungsfähigkeit und Präzision einer Maschine mit den menschlichen Möglichkeiten im Umgang mit komplexen, dynamischen Situationen optimal ergänzen. Neue Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck zählen zu diesem Bereich.

Drittens: Mit der Sammlung und Integration von Daten über den gesamten Maschinenlebenslauf werden neue Services möglich, zum Beispiel für die Wartung.

Vertikale und horizontale Integration

Heutige Lösungen folgen meist der etablierten Automatisierungspyramide. Das heißt, die einzelnen Schichten von der Sensor- über die Controller- und HMI-Ebene bis zum MES und ERP-System sind hierarchisch aufgebaut. Ein direkter Zugriff von den überlagerten Systemen auf weiter unten liegende Schichten ist oftmals nicht möglich – außer die Zwischenschichten haben ein explizites Routing dafür vorgesehen.

Die digitale Fabrik forciert hingegen die horizontale (also zwischen Komponenten auf der gleichen Ebene) und vertikale Integration (Kommunikation zwischen Schichten) der Kommunikationsebenen. So löst sich in der digitalen Fabrik einerseits die bisherige starre Zellenorganisation einer Fertigung auf, zum Beispiel durch frei bewegliche, autonome Roboter. Deshalb benötigen die Maschinen eine Informa­tionsinfrastruktur, die nicht mehr strikt hierarchisch organisiert ist, sondern die der jeweiligen, sich dynamisch verändernden Umgebung Rechnung trägt.

Auf der anderen Seite führt die Integration von Daten als Informationsquelle für analytische, datenbasierte Services zur Auflösung der horizontalen Schichten. Hintergrund: Um zum Beispiel für vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) neue Erkenntnisse zu gewinnen, ist eine hohe Datendichte notwendig, beim Design und Engineering angefangen über Qualitäts­daten in der Fertigung bis hin zu Sensoren, die bei der Verwendung einer Maschine ihre Messwerte in die IT-Systeme (Cloud) liefern. Diese Daten sind unter Umständen für die SPS, die die Fertigungsmaschine steuert, nicht relevant oder würden die Ressourcen des Controllers für reines Daten-Routing verschwenden. Deshalb ist es sinnvoll, dass die Sensoren als Informationsquelle zwar einerseits die Steuerungsebene bedienen, andererseits aber ihre Ergebnisse in anderen Zyklen, Auflösungen oder mit unterschiedlichen Messwerten direkt in den Daten-Pool der Cloud liefern.

Eine digitale Fabrik ist kein unveränderliches System, sondern eher vergleichbar mit einem Organismus, der sich (selbststeuernd oder durch Engineering) laufend den neuen Anforderungen anpasst. Dementsprechend muss eine solche Architektur flexibel und leicht wartbar sein, um die Komplexität intelligent beherrschen zu können.

Die wesentlichen Technologie-Felder der digitalen Fabrik benötigen eine gemeinsame digitale Infrastruktur

 

Anforderungen an die Datennetzwerke

Die Kommunikationsinfrastruktur, die als Basis für die skizzierte Architektur notwendig ist, muss somit unterschiedlichen Anforderungen genügen: Zum einen sind Eigenschaften, wie die Nutzung offener Standards, Verfügbarkeit, Quality of Service und vor allem Sicherheit, gefordert. Sie zeichnen ein Industrial-Ethernet-Netzwerk bereits heute aus. Zum anderen werden die Anbindung an IT-Systeme für datenbasierte Services und eine erhöhte Transparenz über alle Ebenen unerlässlich. Dies erfordert eine Verknüpfung zwischen Office- und Produktionsnetzwerk, die zwar über Absicherungsmaßnahmen die Performance im industriellen Netzwerk sicherstellt, aber dennoch den Zugriff auf alle Schichten, Geräte und Komponenten erlaubt. Als Netzwerk-Topologie bieten sich deshalb verschiedene Aggrega­tionsstufen sowie die Einführung eines Factory-Backbones an. Damit wird sowohl die schnelle Kommunikation zwischen den Geräten in den einzelnen Zellen ermöglicht als auch die leistungsfähige Verknüpfung von Office-Netzwerk und den verschiedenen Unterbereichen sichergestellt.

Um allerdings die Ziele und Anforderungen der digitalen Fabrik zu erfüllen, ist es mit einer durchgängigen Netzwerk-Topologie allein nicht getan. Benötigt wird ein Kommunikationsprotokoll, das offen und standardisiert ist. Zudem muss es ausreichende semantische Informationen und Übersetzungsmöglichkeiten bereitstellen, einfach erweiter- und wartbar sein und ein Höchstmaß an Sicherheit in verschiedenen Ausprägungen bieten. Darüber hinaus sollte sein Speicher- und Prozessorbedarf so gering sein, dass es auf kleinen Geräten implementierbar ist.

Kommunikationsarchitektur für die digitale Fabrik

Die Antwort auf diese Anforderungen ist die Unified Architecture der Open Platform Communications Foundation (OPC UA). Wichtig zu wissen ist dabei, dass es sich bei OPC UA nicht nur um ein Protokoll handelt, sondern um eine vollständige Architektur. Sie hält zur Übertragungsdefinition geeignete Software-Stacks für Geräte- und Softwarehersteller sowie Engineering-Tools für die Systemintegratoren bereit. Damit bietet OPC UA einige Vorteile: Zuerst ist durch das Information Model sichergestellt, dass alle Daten typsicher übertragen werden. Auch komplexe Datentypen (Strukturen) sind möglich. Außer den reinen Datenwerten transportiert OPC UA semantische Informationen zwischen den Kommunikationspartnern. Da die Architektur objektorientiert funktioniert, ist die Semantik in einen Objektkontext ein­gewoben – sie besteht also aus mehr als nur einem „sprechenden“ Bezeichner, sondern bezieht sich immer auf das gesamte Objekt mit seinen Eigenschaften und Methoden. Funktionsaufrufe über das Netzwerk erlauben eine gewisse Steuerung des Kommunikationspartners. Schließlich werden Events als Ad-hoc-Kommunikation oder Message Broker für die Anbindung an die Cloud unterstützt.

Verschiedene Aggregationsebenen und ein Factory-Backbone als Ring bilden die „Industrial Network Topology“

 

Die Fehlersicherheit bei der Implementierung wird durch Schnittstellen, die ihre Spezifikation in der Engineering-Umgebung einbringen (Browseable Interfaces), erhöht. Für jedes Gerät kann eine Beschreibungsdatei ins Engineering importiert oder aus dem online verfügbaren Gerät gelesen werden, die eine detaillierte Spezifikation der Schnittstelle bietet. Die korrekte Verwendung der Schnittstelle im Anwenderprogramm wird durch die Entwicklungswerkzeuge sichergestellt. Der Schutz vor unberechtigten Zugriffen ist ein weiterer zentraler Punkt: OPC UA nutzt zur Abwehr zum Beispiel X.509-Zertifikate und entsprechende Sicherheitsprotokolle.

Für die konkrete Anwendung in unterschiedlichen Applikationen arbeiten Indus­trieverbände mit der OPC Foundation an sogenannten Companion Specifications, die die Standards von OPC?UA für eine bestimmte Domain ergänzen. Ein Beispiel ist die Zusammenarbeit mit PLCopen, bei der gemeinsam Bausteine und Zugriffsverfahren für Daten in einer speicherprogrammierbaren Steuerung (PLC) definiert wurden. Hersteller wie Siemens integrieren diese Mechanismen, um eine auf OPC UA beruhende Integration der Steuerung, zum Beispiel mit Geräten anderer Hersteller oder mit PC/IT-Systemen, zu ermöglichen. So unterstützt der CP 443-1, der als Steckbaugruppe im System Simatic S7-400 eingesetzt wird, die Client- und die Server-Funktion von OPC UA. Damit können andere Systeme auf die zuvor im Engineering freigegebenen Datenbereiche der Simatic-S7-400-CPU über die standardisierte Schnittstelle zugreifen. Durch diese Baugruppe lassen sich bestehende Anlagen mit OPC-UA-Kommunikationsmöglichkeiten nachrüsten.

Ausblick

Bis OPC UA allerdings als durchgängige Kommunika­tionsarchitektur eingesetzt werden kann, sind weitere Standardisierungsaufgaben zu erledigen. So werden manche Bereiche der industriellen Kommunikation aktuell nicht vollständig abgedeckt. Beispielsweise sind auf der Ebene der Sensoren erst einige Gerätefamilien oder Technologien wie RFID-Systeme (Radio Frequency Identification) für OPC?UA spezifiziert. Zudem werden Definitionen auf höherer Ebene benötigt, wenn es nicht mehr um technische Parameter, wie die Sendeleistung eines RFID-Readers oder den Zugriff auf reine Prozessdaten gehen soll. Vielmehr wird es notwendig sein, funktionale Charakteristika je nach Branche und Anwendungsfall zu standardisieren, die mehr dem Engineering-Kontext des Anlageningenieurs und weniger dem des Softwareentwicklers entsprechen.

Doch abgesehen von diesen künftigen Aufgaben ist OPC UA heute eine in ihrem Funktionsumfang einzigartige Kommunikationsarchitektur, die als Basis für die vertikale und horizontale Integration in der digitalen Fabrik unverzichtbar ist.

Autor: Markus Weinländer ist Leiter Produktmanagement Simatic Net bei Siemens Process Industries and Drives.

www.opcfoundation.org

www.plcopen.org

www.siemens.de/industrielle-kommunikation

www.siemens.com/industrial-communication

 

 

 

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