Kommunikationsstandard OPC-UA Warum OPC-UA zum Gelingen der 4. industriellen Revolution beiträgt

Autor / Redakteur: Robert Wilmes* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

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

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Die Verwirklichung von Industrie 4.0 wird entscheidend von den Schnittstellen abhängen. OPC-UA bietet hierfür zahlreiche Vorteile.
Die Verwirklichung von Industrie 4.0 wird entscheidend von den Schnittstellen abhängen. OPC-UA bietet hierfür zahlreiche Vorteile.
(Bild: Phoenix Contact)

Ein Ansatzpunkt 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.

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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.

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 interne 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.

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