Hilfestellung

So gelingt der Einstieg mit OPC UA

| Autor / Redakteur: Christoph Berger* / Katharina Juschkat

Die Smart Factory braucht ein einheitliches Kommunikationsprotokoll wie OPC UA - wir geben Hilfe bei der Einführung.
Die Smart Factory braucht ein einheitliches Kommunikationsprotokoll wie OPC UA - wir geben Hilfe bei der Einführung. (Bild: ©Mimi Potter – stock.adobe.com)

Eine herstellerunabhängige Vernetzung von Geräten und Anlagen ist mit dem Kommunikationsprotokoll OPC UA möglich – doch der Einstieg ist nicht immer einfach. Auf was Anwender achten müssen.

Mit neuen Technologien ergeben sich für Unternehmen neue Chancen und Herausforderungen. Eine dieser Chancen sind die Smart Factories, bei denen eine Vernetzung der Maschinen, Lagersysteme und Betriebsmittel stattfindet. Eine Schlüsselrolle nehmen dabei Daten und Kennzahlen ein. In einer Fabrik, in der alles mit allem und jedem kommunizieren soll, sind sie es, die als gemeinsame Sprache der Dinge und Menschen fungieren müssen. Kennzahlen stellen dabei das Betriebssystem des Unternehmens und somit die wichtigsten Werkzeuge zur Unternehmensführung dar.

BUCHTIPPDas Thema „Einführung von OPC UA in Produktionsanlagen“ ist dem Buch „Praxishandbuch OPC UA“ entnommen. Das Fachbuch hilft bei dem Einstieg und der Umsetzung von OPC UA und gibt neben praktischen Hilfestellungen auch Nachrüstoptionen, Implementierungshilfen und Anwenderberichte mit auf den Weg.

Warum ist OPC UA sinnvoll

Eine von Uwe Trost und der Porsche Company durchgeführte Studie zeigt jedoch auf, dass es gerade hier erheblichen Nachholbedarf in der deutschen Industrie gibt. So sagen etwa 40 % der befragten Unternehmen, dass die Datenqualität im Unternehmen nur unzureichend oder schlecht sei. Zudem spielt das Thema Kennzahlen im Fabrikalltag praktisch keine Rolle, so dass 60 % der in einer Umfrage befragten Manager mit den Kennzahlen unzufrieden sind und fast die Hälfte von ihnen gar kein Kennzahlensystem im Unternehmen besitzt.

Das verschlimmert andere Probleme: Aufgrund der zunehmenden Automatisierung der Fertigung ist einer der wichtigsten Aufgaben des Menschen das Monitoring von Anlagen und Prozessen. Ein automatisiertes System hat in der Regel allerdings genau dann ein Problem, wenn die Situation besonders kompliziert ist. Der Mensch jedoch ist in solchen Situationen schlichtweg überfordert, weil er keine exakten Informationen über die aktuelle Situation hat und er aufgrund seiner Tätigkeit als Überwacher mit der Zeit die Fähigkeit verloren hat, das komplexe, automatisierte System auch aufgrund fehlender Transparenz zu verstehen. Das führt dazu, dass der Mensch seiner Überwachungstätigkeit nicht mehr wie gefordert nachkommen kann. Dabei könnten moderne Kommunikationsarchitekturen wie OPC UA neue Möglichkeiten im Hinblick auf die Erfassung, Aufbereitung und Visualisierung von Daten bieten, um dieses zentrale Kerndilemma innerhalb der Automatisierung zu überwinden.

Vor der Einführung einer Kommunikationsarchitektur

Das Architekturbild enthält die verschiedenen vernetzten Informationssysteme sowie die unterschiedlichen Erfassungsebenen der Automatisierungspyramide. Die zugeordneten Nummern stehen für die Verarbeitung von aggregierten Informationen von Anlagen und Maschinen, wie beispielsweise zwischen der Fertigungsebene zu den nachgelagerten Systemen. Das Einsatzgebiet von OPC UA umfasst die Schnittstellen 1 bis 3.
Das Architekturbild enthält die verschiedenen vernetzten Informationssysteme sowie die unterschiedlichen Erfassungsebenen der Automatisierungspyramide. Die zugeordneten Nummern stehen für die Verarbeitung von aggregierten Informationen von Anlagen und Maschinen, wie beispielsweise zwischen der Fertigungsebene zu den nachgelagerten Systemen. Das Einsatzgebiet von OPC UA umfasst die Schnittstellen 1 bis 3. (Bild: DIN SPEC 91 329 (2016) / Christoph Berger)

Eine wichtige Voraussetzung vor der Einführung einer neuen Kommunikationsarchitektur ist es, die aktuelle Voraussetzung zu kennen. Die Aufgaben des Informationssystems liegen in der Erfassung, der Verarbeitung, des Transports und der Speicherung von technischen und organisatorischen Informationen. Zur Unterstützung des Produktionsbetriebs verwendete Systeme werden als produktionsnahe IT bezeichnet. Durch diese werden die Fertigungsprozesse innerhalb der Produktion in übergeordnete Geschäftsprozesse im Unternehmen integriert. Zur Kategorisierung der Informationssysteme ist die Automatisierungspyramide eine gute Möglichkeit, die die industrielle Fertigung in drei unterschiedliche Ebenen strukturiert. Eine detaillierte Kategorisierung findet sich z.B. im Architekturbild der DIN SPEC 91 329.

Dieses Schema eignet sich zur Einordnung unternehmensinterner und -externer Systeme und der heutigen bzw. zukünftigen Informationsverbindungen.

Was ein Kommunikationsprotokoll ist

DEFINITION Ein Kommunikationsprotokoll ist im Allgemeinen „eine Verhaltenskonvention, die zeitliche Abfolgen der Interaktionen zwischen den diensterbringenden Instanzen vorschreibt und die Formate (Syntax und Semantik) der auszutauschenden Nachrichten definiert.“ Deren Architektur wird von sogenannten Referenzmodellen, sprich der Spezifikation, beschrieben.

Bekannteste Vertreter einer Protokollarchitektur sind das verbindungslose Übertragungsprotokoll Internet Protocol (IP) und das verbindungsorientierte Transportprotokoll Transmission Control Protocol (TCP) sowie das verbindungslose Transportprotokoll User Datagram Protocol (UDP), die zusammen die TCP/IP-Protokollarchitektur bilden.

Derzeitige Kommunikationsschnittstellen innerhalb der Produktion sind sehr unterschiedlich ausgestaltet. Einen Kommunikationsstandard für eine rechnerbasierte Automatisierung stellt OLE for Process Control (OPC) dar, der den Standard für den Datenaustausch von Betriebs- und Prozessdaten zwischen Automatisierungssystemen und der Prozessleitebene in der Automatisierungstechnik bildet. Dabei werden Prozessdaten eines Automatisierungssystems standardisiert einem Anwenderprogramm zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe eines OPC Clients, implementiert von den Applikationsherstellern, ist es nun möglich, auf die Prozessdaten eines OPC Servers zu gelangen und auch die Dienste des OPC Servers zu nutzen. Die Spezifikation beschreibt dabei Prozessdaten, Ereignisse und Alarme.

Die OPC-Unified-Architecture(UA)-Spezifikation ist ein Standard für Maschine-zu-Maschine- und PC-zu-Maschine-Kommunikation, die sowohl hersteller- als auch plattformunabhängig ist. Der große Unterschied zum Vorgänger ist, dass OPC UA Prozessdaten nicht nur transportiert, sondern sie zusätzlich semantisch beschreiben kann. Des Weiteren können mit Hilfe des Objektmodells Produktionsdaten, Alarme, Events und historische Daten in einen einzigen OPC UA Server integriert werden. Daneben können beliebige Objekt- und Variablentypen sowie Beziehungen zwischen diesen realisiert werden. Diese Semantik wird im Adressraum vom Server angezeigt. Dieses sogenannte Informationsmodell bietet die Möglichkeit einer Datenrepräsentation von Anlagen mit Hilfe objektorientierter Modellierungsparadigmen, wobei die Datentypen durch ein Typmodell beschrieben werden. Die jeweiligen Knoten repräsentieren dann Objekte, an die die OPC-UA-Funktionalitäten gekoppelt sind.

Zusammenfassend kann das OPC-UA-Protokoll als wichtiges und flexibles Bindeglied zwischen der Datenerfassungsebene und der MES-Ebene gesehen werden.

Datenerfassung

Die Tabelle zeigt die Anforderungen an Informationssysteme.
Die Tabelle zeigt die Anforderungen an Informationssysteme. (Bild: Christoph Berger)

Um Felddaten zu erfassen, existieren viele Möglichkeiten. Der Aufwand der Eingabe nimmt dabei je nach Automatisierungsgrad der Datenerfassung ab, wohingegen die Genauigkeit der Daten in der Regel zunimmt. Eine vollständig automatisierte Datenerfassung bringt allerdings einen erhöhten Installationsaufwand mit sich. Dies ist für die Zielsetzung Integration stets zu berücksichtigen. Umso entscheidender ist eine detaillierte Vorstellung über den Einsatz und Verwendungszweck der gewonnenen Maschinendaten.

Wie man ein neues Kommunikationsprotokoll einführt

Die Umsetzung von heute eingesetzten klassischen Automatisierungssystemen hin zu neuen Konzepten wird nur erfolgreich sein, wenn der Endanwender dort abgeholt wird, wo er heute ist. Das bedeutet einerseits, dass die neue Lösung gewisse Mindestanforderungen erfüllen muss:

  • Die neue Architektur sowie die Migrationsstrategie müssen die gleiche Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit wie das aktuelle Automatisierungssystem aufweisen.
  • Durch die Migration dürfen keine erhöhten Gefährdungen für das Personal, die Anlage oder den Prozess entstehen.
  • Nach der Migration muss die Anlage die gleiche oder gar eine verbesserte Performance, verlängerte Lebensdauer des Equipments, adäquates Alarm-Handling sowie eine Nutzergruppen-spezifische Bereitstellung von Informationen über das gesamte Produktionsmanagementsystem hinweg aufweisen.
  • Vom Einsatz Service-orientierter Architekturen wird die Möglichkeit dynamischer Änderungen und Umkonfiguration während des laufenden Betriebes erwartet.

Andererseits müssen Konzepte für den schrittweisen Übergang (Migration) entwickelt werden und die Integration existierender Technologien möglich sein. Migration ist ein mehr oder minder langwieriger Prozess. Während dieses Prozesses kann es mehrere Integrationsstufen, auch mit unterschiedlichen Technologien, geben.

Für die Migration von neuen Informationsmodellen empfiehlt sich die Anwendung eines Einführungsprozesses.
Für die Migration von neuen Informationsmodellen empfiehlt sich die Anwendung eines Einführungsprozesses. (Bild: Christoph Berger)

Für die Migration von neuen Informationsmodellen empfiehlt sich die Anwendung eines Einführungsprozesses.

Die Auswahl des passenden Projektteams

Bei einem Einführungsprojekt für Informationssysteme sind in der Regel eine große Anzahl verschiedener Personen und Stellen beteiligt. Ein wichtiger Erfolgsfaktor ist die Zusammensetzung des Projektteams. Mitarbeiter aus der Planung, Instandhaltung, Unternehmens-IT und der spätere Betreiber sollten beim Einführungsprozess mitarbeiten, um bei der weiteren Umsetzung eine aktive Rolle zu spielen. Je mehr die verantwortlichen Mitarbeiter am Prozess beteiligt sind, umso bessere Informationen über den Prozess sind verfügbar und können im Projekt nutzbar gemacht werden. In der nachgelagerten Projektphase der Auswahl, Integration und Inbetriebnahme sind zusätzlich die Software- und Anlagenlieferanten in das Projekt einzubinden.

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Die Beschreibung

Für die Beschreibung des aktuellen Status hinsichtlich der Informationssysteme eignen sich vorhandene Dokumentationen der Anlagen und Maschinen und übergeordneten Systeme, wie Manufacturing Execution System (MES) und Enterprise Resource Planning (ERP). Dabei sollten Informationen zu dem aktuell eingesetzten Kommunikationsprotokoll und zu -schnittstellen gesammelt und den entsprechenden Ebenen zugeordnet werden. Weitere Informationsquellen sind die mittel- und langfristige unternehmerische IT-Strategie und das vorhandene Lieferantennetzwerk. Darüber hinaus sollte man frühzeitig die vorhandenen Betriebsmittelvorschriften prüfen.

Neben den technischen Randbedingungen sind auch die organisatorischen und wirtschaftlichen Aspekte zu beachten. Hierfür sollten die vorhandenen Kennzahlen bzw. Kennzahlensysteme entsprechend der vorhandenen Definitionen für das Datenmodell und deren Restriktionen beachtet werden.

Eine Zielstellung formulieren

Ein weiteres Element der Definition der Zielstellung ist die Dokumentation.
Ein weiteres Element der Definition der Zielstellung ist die Dokumentation. (Bild: Christoph Berger)

Für die Einführung eines neuen Informationssystems bedarf es neben einer übergeordneten Zielstellung auch einer Detaillierung und Unterteilung. Hierzu können konkrete Fragestellungen erarbeitet und mit geeigneter Methode, z.B. einem World Cafe, beantwortet werden. Die daraus erarbeiteten Antworten lassen sich entsprechend in Themen zusammenfassen und im gesamten Projektteam diskutieren. Eine weitere Möglichkeit, die Zielstellung zu detaillieren, ist die Erarbeitung von User Stories. Eine User Story setzt sich typischerweise aus den drei Elementen zusammen:

  • prägnante Namen,
  • eine kurzen Beschreibung der Anforderung,
  • mehreren Akzeptanzkriterien, die die Details ausdrücken und dokumentieren und bei der Klärung helfen, ob eine Story wirklich abgeschlossen ist.

Im Optimalfall werden die User Stories zusammen mit einem Lieferanten entwickelt. Das steigert das gegenseitige Verständnis der angestrebten Lösung. In diesen Stories können Rollen definiert und immer weiter verfeinert werden. So ergibt sich mit der Ausgestaltung der User Stories eine detailreiche Anforderungsanalyse.

Kriterien zur Bewertung

Ein wesentliches Werkzeug bei der Unterstützung von Entscheidungen ist die Bewertung möglicher Lösungsvarianten oder -alternativen durch den Vergleich entscheidungsrelevanter Kriterien. Im Folgenden werden grundlegende Kriterien zur Entscheidungsfindung vorgestellt ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Der Anwender muss die Kriterien nach eigenem Ermessen gewichten und erweitern.

Die Tabelle zeigt die Dimensionen mit den zugehörigen Kriterien zur Bewertung.
Die Tabelle zeigt die Dimensionen mit den zugehörigen Kriterien zur Bewertung. (Bild: Christoph Berger)

Die grundlegenden Dimensionen sind: Konzept (Kt), Schnittstellen (Sch), Produktivität (Prod), Zukunftssicherheit (Zs) und die Kosten (K) der Lösung. Ziel ist die objektive Bewertung anhand von qualitativen und quantitativen Informationen der einzelnen Lösungen von externen und eigenen Lösungen. Liegen die Bewerbungsergebnisse vor, die die Grundlage einer Entscheidung sind, muss den Ergebnissen ein entsprechendes Vertrauen entgegengebracht werden. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Richtigkeit und Glaubwürdigkeit im Sinne der Entscheidungsfindung nicht zunächst kritisch hinterfragt werden dürfen.

Wie es weitergeht

Im Rahmen des Artikels wurde gezeigt, welche Randbedingungen bei der Einführung eines Informationssystems vorherrschen sollen, und ein Vorgehensmodell wurde vorgestellt. Bei der weiteren Einführung von OPC UA hilft das „Praxishandbuch OPC UA“, aus dem dieser Artikel stammt.

BUCHTIPP Das Thema „Einführung von OPC UA in Produktionsanlagen“ ist dem Buch „Praxishandbuch OPC UA“ entnommen. Das Fachbuch hilft bei dem Einstieg und der Umsetzung von OPC UA und gibt neben praktischen Hilfestellungen auch Nachrüstoptionen, Implementierungshilfen und Anwenderberichte mit auf den Weg.

* M.Sc. Christoph Berger, Fraunhofer IGCV, Augsburg

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