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Grenzen überwinden

Text: Dr. Jörg Nagel, Pepperl+Fuchs
Ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll, über das sich alle Elemente einer Automatisierungslösung verständigen können, bildet die Wurzel für die smarte Fabrik der Industrie 4.0. Hier etabliert sich OPC UA als sichere Investition in die Zukunft.

Moderne Geschäftsprozesse benötigen einen kontinuierlichen und zuverlässigen Informationsaustausch. Herausforderung dabei ist, zeitnah alle Randbedingungen zu schaffen, dass die Investitionen von heute eine sichere Basis für die Systeme von morgen darstellen. Gelingen kann das nur durch eine klare Vision und eine schlüssige Migrationsstrategie. Damit alle am Produktionsprozess beteiligten Elemente – von der Anlage bis hin zum Produkt – künftig in der smarten Fabrik miteinander kommunizieren können, ist ein gemeinsames, standardisiertes Kommunikationsprotokoll unabdingbar.

Referenzarchitekturmodell RAMI 4.0

Voraussetzung für die Verbreitung eines Kommunikationsprotokolls ist die breite Akzeptanz in einem weiten Nutzerfeld. Die Standardisierung muss deshalb branchenübergreifend erfolgen. Beste Voraussetzungen wurden durch den Zusammenschluss zwischen den deutschen Branchenverbänden der Informationstechnologie (BITKOM), Elektronikindustrie (ZVEI) und des Maschinenbaus (VDMA) im Rahmen der Plattform Industrie 4.0 geschaffen. Das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) stellt ein erstes Ergebnis der Plattform dar, welches in der Arbeitsgruppe Referenzarchitekturen, Standards und Normung unter der Leitung von Dr. Peter Adolphs, CTO bei Pepperl+Fuchs, entstanden ist. Das dreidimensionale Modell ermöglicht die Einordnung aller wesentlichen Elemente des Industrie 4.0 Konzepts – vom einfachen Feldgerät, wie einem intelligenten Sensor, bis hin zur komplexen, weltweit vernetzten Produktionsanlage.

OPC UA löst Kommunikationsprobleme

Ein besonders geeigneter Standard zur Kommunikation zwischen Feldgeräten und einer übergeordneten Unternehmens-IT ist OPC UA, wie die Beteiligten der Plattform Industrie 4.0 einschätzen. Der Kommunikationsstandard ermöglicht den transparenten Zugriff der ERP-Ebene auf Informationen aus Feldgeräten. Derzeit ist OPC UA so gestaltet, dass jedes Feldgerät, das Daten zur Verfügung stellen will, einen OPC UA Server implementieren muss. Ein System, das auf die Daten zugreift, muss den entsprechenden Client integriert haben.

Entscheidend bei der Verwendung von OPC UA in Produktivsystemen ist, dass jedes Gerät, das seine Funktionalität über einen integrierten OPC UA Server zur Verfügung stellt, gegenüber anderen Kommunikationspartnern eine Art Selbstauskunft geben kann. Es entfällt die sonst übliche Verbreitung von Beschreibungsdateien wie beispielsweise IODD-Dateien für IO-Link über einen gesonderten Kanal. Stattdessen stehen einem Client beim Zugriff auf den Server unmittelbar alle seine Eigenschaften in einem sortierten und durchsuchbaren Baum zur Verfügung. An dieser Stelle spielt OPC UA eine weitere Besonderheit aus. Der Baum ist aus vereinheitlichten Objekten aufgebaut, die miteinander in Relation stehen und anwendungsbezogene Variablen und Methoden enthalten. Der Inhalt der Objekte des Baums ist durch die allgemeine Beschreibung des Modells für den Client immer verständlich.

Für eine transparente Interoperabilität, beispielsweise zwischen verschiedenen Herstellern, sorgt bei OPC UA die Companion Specification. Hier erfolgt eine Vereinheitlichung der Datenmodelle bezüglich ganzer Geräteklassen. Eine sehr interessante Bestrebung stellt auch die geplante Zusammenarbeit zwischen IO-Link Konsortium und der OPC Foundation dar, in deren Rahmen eine Vorschrift zur transparenten Integration von IO-Link Geräten in OPC UA beschrieben werden soll.

Sicherheit inkludiert

Neben den semantisch eindeutig spezifizierten Datenmodellen verfügt OPC UA auch über Mechanismen zur Speicherung und Bereitstellung von historischen Daten, zur Signalisierung von Ereignissen und zur Ausführung von Funktionen auf dem Server. Durch die Benutzung von Discovery-Servern, die parallel zu bestehenden Feldgeräten im Netzwerk betrieben werden, lassen sich die Eigenschaften von registrierten Geräten bereits vor der Verbindung durchsuchen. Der Discovery-Server gibt der anfragenden Instanz außerdem eine Auskunft darüber, wie das jeweilige Gerät, beispielsweise der Sensor, über das Netzwerk zu erreichen ist.

Ein durchgängiges Sicherheits- und Authentifizierungskonzept gewährleistet in OPC UA den sicheren Datenaustauch zwischen Kommunikationspartnern. Entsprechende Zugriffsberechtigungen vorausgesetzt, ermöglicht OPC UA damit den nahtlosen und universellen Austausch von Informationen über alle Ebenen einer Organisation und deren Grenzen hinweg. Im Rückblick auf das dreidimensionale RAMI 4.0 bedeutet dies, dass OPC UA alle Facetten des durch das RAMI 4.0 beschriebenen Lösungsraumes abdeckt und eine ideale Basis für alle Kommunikationsprozesse innerhalb der smarten Fabrik bildet.

OPC UA mit Blick nach vorne

Aktuell stellt OPC UA eine solide Basis für die universelle Kommunikation zwischen Komponenten einer smarten Fabrik dar. Aufgrund des sehr agilen Umfelds sind jedoch zukünftig Erweiterungen und Anpassungen des Standards auf neue Anforderungen nötig. In Hinblick auf die Echtzeitfähigkeit der Kommunikation zwischen zwei Komponenten wird derzeit TSN als neue Transportschicht für OPC UA evaluiert.

Die Grundlagen zum Aufbau von neuen Kommunikationsinfrastrukturen innerhalb der Produktion sind gelegt. Als nächsten Schritt ist es nun an der Zeit, an ersten Use-Cases die Leistungsfähigkeit von OPC UA zu demonstrieren. Alle Bestrebungen bezüglich der weiteren Anpassung von OPC UA an neue Anforderungen beweisen, dass OPC UA ein lebender und agil weiterentwickelter Standard ist. Eine Investition in OPC UA als Basis für den Datenaustausch innerhalb des Unternehmens ist damit auch gleichzeitig eine Investition in die Zukunft auf dem Weg zur flexibel vernetzten Fabrik.

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