Tipps zum Einstieg in OPC UA für Maschinenbauer
- Digitalisierung
- Automatisierung
- 31.5.2023
- Lesezeit: {{readingTime}} min
- Artikel teilen
Inhalt
Der Weg zum Standard OPC UA ist für viele Maschinenbauer so komplex, dass die Berührungsangst entsteht und damit inhaltlich nicht angegangen wird.
Allerdings gibt es zahlreiche Hilfestellungen, die den Einstieg vereinfachen und Fehlschläge vermeiden helfen.
Mit der Ausarbeitung der IEC 62541 ist OPC UA formal als internationaler Standard etabliert, alsTeil des Referenz-Architektur-Modells Industrie 4.0 (RAMI 4.0) ist er zudem eng mit dem Konzept Industrie 4.0 verzahnt, das den Weg ebnet von der Massenproduktion hin zur kundenindividuellen Produktion („Losgröße 1“). Es benötigt eine Reihe von Enabler-Technologien, um die individuellen Eigenschaften eines Produktes einzupflegen und die Produktion entsprechend anzupassen.
Dazu gehören die Modularisierung der Produktionsumgebung sowie eine höhere Flexibilität und größere Funktionsvielfalt von Maschinen und Anlagen, was wiederum in zahlreichen OPC UA-Produktlösungen einen höheren Kommunikationsaufwand nach sich ziehen kann. Insbesondere sind dafür maschinenlesbare Beschreibungen der Fertigungsfunktionen erforderlich, wie sie das Capability, Skill and Service Model (CSS-Modell) definiert. Damit wird eine wesentliche Grundlage für das angestrebte Smart Manufacturing gelegt.
Aufwändigere Entwicklungen, mehr Datenpunkte und der zunehmende Einsatz von Künstlicher Intelligenz erhöht die Komplexität – und macht neben der Automatisierung auch die Überwachung der Produktions- und Fertigungsprozesse immer schwieriger. Dies gilt insbesondere im Brownfield – wenn also nicht alle Anlagenteile vom selben Hersteller kommen. Dann kann es schwierig werden, die nötigen Informationen in eine gemeinsame Oberfläche zu integrieren und eine detaillierte Gesamtübersicht zu erhalten.
Hier zeigt sich die Stärke von OPC UA. Der Daten- und Kommunikationsstandard trägt nicht nur dazu bei, Prozessdaten und Statusinformationen in ein einheitliches Format zu übertragen, so dass alle relevanten Daten gemeinsam verarbeitet werden können. Das zentrale Konzept – die Nutzung von Datenmodellen – erlaubt es auch, mittels semantischer Metainformationen den Kontext der Daten zu beschreiben und so dafür zu sorgen, dass alle Datenströme hersteller- und plattformübergreifend nutzbar sind. Es erfüllt die Anforderungen des CSS-Modells.
Über sektorspezifische UA Companion Specifications wird sichergestellt, dass in zahlreichen Branchen einheitliche Datenmodelle Einzug halten, was es ermöglicht, nicht nur Grundfunktionen, sondern auch höherwertige Services im Sinne Industrie 4.0 herstellerunabhängig zu integrieren.
Warum sich die Mühe bei der Standardisierung mit OPC UA lohnt
Der Einstieg in OPC UA ist sicherlich nicht ganz einfach, da Daten nicht einfach nur übertragen oder in eine bestimmte Form gebracht werden müssen. Vielmehr muss ein Verständnis für Daten entwickelt und dieses in eine formale, technisch verarbeitbare Struktur gebracht werden – das Datenmodell. Man kann also nicht einfach ein Framework, eine API-Sammlung oder ein Mapping-Tool integrieren, um OPC UA anwenden zu können.
Auf der anderen Seite ist das Konzept der Datenmodelle so konsequent und universell umgesetzt, dass man auch keine hohen Verständnishürden bewältigen muss, um sich in das Thema einzuarbeiten.
Wer bereits OPC UA verfügbar hat, sollte stets am Ball bleiben, um branchenspezifische wie branchenübergreifende Spezifikationen umsetzen zu können. Die Entwicklung verläuft derzeit sehr intensiv, so dass es ständig Neuerungen gibt.
Dazu zählt beispielsweise „OPC UA for Machinery“, eine Spezifikation in mehreren Bausteinen, die Datenmodelle für zahlreiche Basisfunktionen mitbringt. Sie geht auf die enge Zusammenarbeit verschiedener Arbeitsgruppen und eine übergeordnete Koordinierung durch die OPC-Foundation zurück, die parallele Entwicklungen in unterschiedlichen Branchenerweiterungen, den OPC UA Companion Specifications (CS), auf eine gemeinsame Basis stellt. Dies vereinfacht später die Implementierung mehrerer solcher Erweiterungen.
Die Ergebnisse dieser Standardisierungsbemühungen sprechen für sich. So kann beispielsweise ein Roboter mit einer Spritzguss-Maschine kommunizieren und interagieren, ohne dass dazu eine explizite Programmierung erstellt werden müsste. Auch Konzepte wie „Plug & Produce“ benötigen standardisierte bzw. semantische Informationsmodelle die OPC UA zur Verfügung stellt.
Ebenfalls eine interessante Ergänzung ist die UAFX-Erweiterung, also die Erweiterung der OPC-UA-Grundfunktionen auf die Kommunikation in der Feldbus-Ebene. Diese enthält standardisierte Informationsmodelle für Steuerungen und Feldgeräte und ermöglicht so eine Low-Level-Kommunikation in der Produktionslandschaft, beispielsweise zwischen einer Säge und einer Presse.
Im Rahmen einer semantischen Validierung werden Interaktionsmöglichkeiten und Interoperabilität automatisiert überprüft, also ob die beiden Maschinen miteinander „sprechen“ können und ob sie die nötigen Funktionen bereitstellen, um den anliegenden Auftrag vollständig abzuarbeiten. Zugleich können neue Kommunikationsstandards wie TSN genutzt werden, um einen echtzeitfähigen Traffic in heterogeneren Netzwerken zu ermöglichen.
So gelingt der Einstieg in OPC UA
Voraussetzung ist zunächst einschlägiges Know-how in der Automatisierung und Programmierung. Ein weiterer wichtiger Schritt ist die Analyse des eigenen Umfelds in Bezug auf Standardisierungsfragen. Dies ist abhängig von der Branche bzw. Domäne, in der man sich bewegt, da sich dort jeweils unterschiedlich starkes Standardisierungsgeschehen findet.
Beispiele besonders weit fortgeschrittener Domänen sind Verpackungs- und Kunststoffindustrie. Hier wurden bereits bestehende Standardisierungen, wie PackML und Euromap, vollständig auf das OPC-UA-Modell übertragen. In der Konsequenz benötigt jede Maschine in diesem Bereich eine OPC-Implementierung mit den entsprechenden Companion Specifications. Eine ähnliche Entwicklung zeigt sich bereits in der Holzverarbeitung.
Eine zentrale Informationsquelle über die bestehenden Entwicklungen ist der Branchenverband VDMA. Unter seinem Dach arbeiten mehr als 50 Arbeitsgruppen an der Standardisierung weiterer Companion Specifications und anderer OPC-UA-Erweiterungen, aber auch an Testbeds und Use Cases. Hier können Maschinenbauer nicht nur Informationen erhalten, sondern auch aktiv mitarbeiten und eigene Ideen einbringen.
Dies führt zu einer weiteren Frage, mit der man sich beschäftigen sollte: In welche Richtung soll sich das Geschäftsmodell weiterentwickeln, und welche Konsequenzen folgen daraus? Denn nichts wäre schlimmer, als wenn Entscheidungen von heute im Widerspruch zu den Zielen von morgen stehen würden. In der Regel trägt eine starke Vernetzung in der Branche dazu bei, tragfähige Trends zu erkennen und teure Fehlentwicklungen zu vermeiden.
Wer sich den CS-Arbeitsgruppen anschließt, muss nicht fürchten, sein gesamtes Domänenwissen oder Internas der Programmierungen offenlegen zu müssen. Die Companion Specifications umfassen stets nur einen Teil der möglichen Funktionen – den kleinsten gemeinsamen Nenner, auf den man sich einigen kann. Daneben bleibt immer noch Raum für herstellerspezifische Funktionen, die „Vendorspecific Extenions“.
Auf diese Weise behalten OEMs weiterhin die Möglichkeit, sich von Wettbewerbern über die Funktionalität der Maschinen und Anlagen zu differenzieren, während diese zugleich den gängigen Branchenstandards entsprechen und mit Bestandsanlagen und -Applikationen des Kunden interoperabel sind.
Abkürzung auf dem Weg zum Standard: Die KEBA-Lösung
Der Aufwand zur Implementierung von OPC UA Companion Specifications ist trotz aller Standardisierungen nicht zu unterschätzen. Es genügt eben nicht, ein SDK herunterzuladen und einen Stack zu installieren. Denn das SDK ist nur eine Basisleistung die in ein Produkt (z.B. PLC) integriert werden muss. Um eine komplexe Companion Standard Definition, wie etwa Euromap 77 für die Kunststoffindustrie, in allen Punkten auf Basis eines SDKs umzusetzen, benötigt ein Ingenieur erfahrungsgemäß etwa neun bis zwölf Monate Entwicklungszeit.
Um seine Partner bei der Umsetzung des OPC-UA-Standards zu unterstützen, hat KEBA eine Lösung entwickelt, das diesen Entwicklungsaufwand auf ca. einen bis drei Monate reduzieren kann. Eigene Informationsmodelle sowie die Informationsmodelle aus den Companion Specifications, die in Form von NodeSet-XML-Files für den OPC-UA-Server vorliegen, können in den neuen KEBA-Automatisierungs-Baukasten geladen werden.
Das NodeSet-File enthält sowohl die Definition der Dateitypen des Informationsmodells als auch die semantische Beschreibung der verfügbaren Instanzen. Mittels eines Editors lassen sich diese Informationen standardgerecht bearbeiten, sprich: mit herstellerspezifischen Erweiterungen versehen.
Dadurch wird zunächst ein angepasstes Informationsmodell im OPC-UA-Server mit allen Datentypen und Instanzen geschaffen, auf das dann der semantische Anschluss der eigenen Applikation erfolgen kann. Die KEBA-Lösung sorgt für das Mapping von Variablen, Methoden und Alarmen zwischen der Applikation und dem Information Modell im OPC-UA-Server. Was sich einfach anhört, ist ein aufwändiges Verfahren, da Variablen teils komplexe Objekte sein können, die von der KEBA-Lösung in ihre Bestandteile zerlegt werden müssen, um sie auf die Applikationsebene abbilden zu können – und umgekehrt.
„OPC-freie“ Nischen wird es auf absehbare Zeit kaum noch geben
Entlastung für den Mittelstand
Für die Entwickler hat dies den Vorteil, dass sie nicht so stark in die Details der OPC UA Technologie eintauchen und ein tiefes Know-how aufbauen müssen. Wichtig ist zu wissen, welche Datenobjekte auf Server-Ebene vorhanden sind bzw. benötigt werden und wie diese mit der Applikation verknüpft werden. Diese semantische Anbindung ist aber stets Teil der Aufgabe bei der Erstellung einer Applikation. Das Mapping der Variablen durch die KEBA-Lösung wird ausschließlich per Konfiguration erreicht. An dieser Stelle muss kein Programmcode entwickelt werden.
Auf diese Weise wird eine effiziente Verbindung zwischen den zwei Welten geschaffen: Die der Applikationen auf der einen Seite, und die der Standardisierung auf der anderen Seite. In der Applikationswelt ist der Entwickler bereits zuhause, mit der Standardisierungswelt muss er nur noch bedingt in Kontakt treten, was die Umsetzung enorm beschleunigt. Das betrifft auch die Pflege der Applikation. Da diese vom OPC-UA-Server über das KEBA-eigene Mapping entkoppelt ist, können Änderungen vorgenommen werden, ohne dass zugleich auch die Informationsmodelle überarbeitet werden müssen.
Mit einer solchen Lösung werden insbesondere kleinere und mittelständische Maschinenbauer entlastet. Sie haben oft nicht die Ressourcen, um OPC-UA-Spezialisten am Arbeitsmarkt zu gewinnen oder das nötige Know-how innerhalb des vorhandenen Teams aufzubauen. Zugleich stehen sie jedoch von Kundenseite unter Druck, die OPC-UA-Spezifikationen zu erfüllen. Über das Tool hinaus stellt KEBA den Partnern bei Bedarf gerne auch Applikations-Ingenieure zur Verfügung, die sie beim Einstieg in die OPC-Standardisierungswelt begleiten und unterstützen können, sodass die Time To Markt verkürzt werden kann.
Die Beschäftigung mit OPC UA wird unvermeidlich
Industrie 4.0 ist eine Entwicklung, die nicht mehr aufzuhalten ist. Noch vor wenigen Jahren wurde von manchen ernsthaft diskutiert: „Braucht man das überhaupt?“ Der Markt hat die Antwort gegeben: „Ja, zwingend.“ Nun wiederholt sich diese Entwicklung bei der Umsetzung. Denn OPC UA ist die Technologie, die sich bereits seit Jahren in der Praxis bewährt. Aufgrund der breiten Branchenunterstützung und der konsistenten Strukturierung gilt dieser Standard in immer stärkerem Maße den Kunden als unbedingte Voraussetzung. Ein Ausweichen wird auf Dauer nicht möglich sein – „OPC-freie“ Nischen wird es auf absehbare Zeit kaum noch geben.
So mächtig OPC UA als Werkzeug zur Realisierung des Industrie-4.0-Konzepts ist, so hoch sind allerdings auch die Anforderungen an die Entwickler. Denn es handelt sich um eine komplexe Materie, und diese ist darüber hinaus auch noch im Fluss, denn die Weiterentwicklung geht in großen Schritten voran.
Lösungen wie die von KEBA bieten hier eine willkommene Entlastung. Das konfigurierbare Mapping reduziert den Programmieraufwand und begrenzt die Anforderungen an das benötigte OPC-UA-Know-how. Damit sind die besten Voraussetzungen geschaffen, um jetzt in die Umsetzung einzusteigen und nicht den Anschluss an eine unausweichliche Marktentwicklung zu verlieren.
