Process Automation Controller
Bindeglied zwischen Steuerungsebene und MES
In der Fertigung sollten alle Informationen jederzeit abrufbar sein. Hierfür müssen die Anlagen an eine MES-Ebene gekoppelt sein. Ein Controller erleichtert diese vertikale Anbindung. Um die Anlagenintegration noch zeit- und kosteneffizienter zu gestalten, müssen jedoch Standards geschaffen werden.
Das Konzept Industrie 4.0 entwickelt sich zum neuen Leitbild der Produktionsprozesse von morgen. Das Ziel ist eine kostengünstigere Produktion vor allem kleinerer Stückzahlen und dies möglichst auf Abruf. Die Flexibilität in der Produktion bedingt eine grundlegende Revolution in den Werkshallen und ist eine große Herausforderung für die im Hintergrund arbeitende Software. Denn sämtliche Informationen müssen jederzeit zur Verfügung stehen. Dies leistet ein MES (Manufacturing Execution System) als zentrale Steuerungs- und Dokumentationsplattform in der Produktion. Es stellt alle Produktionsvorgaben für die unterlagerten Produktionsanlagen zur Verfügung, plant und steuert den detaillierten Produktionsablauf sowie den Materialfluss und überwacht die Qualität. All diese Informationen werden dokumentiert, aufbereitet und dienen als Grundlage für schnelle Entscheidungen.
Die Anforderungen auf der MES-Ebene unterscheiden sich von denen auf der Steuerungsebene deutlich: Auf MES-Ebene stehen die Zusammenführung und Verdichtung aller Informationen im Vordergrund sowie deren standardisierte Aufbereitung und zentrale Auswertung. Auf der Steuerungsebene hingegen sind höchste Individualität und Variabilität der Fertigungsabläufe, schnelle Reaktionszeiten und detaillierte Informationen von entscheidender Bedeutung.
Verschiedene Anforderungen verknüpfen
Die unterschiedlichen Anforderungen machen deutlich, warum eine Architektur-Schicht zur Entkopplung zwischen Steuerungsebene und MES-Ebene nötig ist.
© znt-RichterUm diese unterschiedlichen Anforderungen bestmöglich zu integrieren, hat sich in der Halbleiter-Industrie, in der die vollständige Integration der Steuerungsebene selbstverständlich ist, der sogenannte 'Equipment Automation Layer' als Architektur-Schicht zur Entkopplung zwischen Steuerungsebene und MES-Ebene etabliert.
Für die Implementierung dieses 'Equipment Automation Layer' setzt znt-Richter auf den Process Automation Controller (PAC). Dabei handelt es sich um offene Plattformen zur vertikalen Integration von Maschinen und Anlagen in die Unternehmens-IT. Derartige Controller bilden in der Halbleiterproduktion das Bindeglied zwischen der Steuerungsebene und den übergeordneten Ebenen wie MES oder ERP. Sie implementieren damit eine wesentliche architektonische Komponente nach den Konzepten von Industrie 4.0. Bestehende Standards sollen diese Tools im Standardumfang bereits unterstützen. Schnittstellen für Szenarien, die noch nicht standardisiert sind, müssen durch möglichst effiziente Erweiterungsmöglichkeiten abgedeckt werden.
Der Funktionsumfang geht dabei über die typischen Aufgaben der Betriebs- und Maschinendatenerfassung (BDE/MDE) weit hinaus. So kann der Controller neben der Datenerfassung auch Automatisierungsaufgaben auf Arbeitsbereichsebene übernehmen. Dazu gehören die maschinenübergreifende Fertigungssteuerung und die Integration weiterer Systeme, zum Beispiel Maschinenprogrammverwaltungen beziehungsweise Materialfluss-Steuerungen. So werden übergeordnete Ebenen von maschinentypischen Automatisierungsabläufen sowohl bezüglich des Echtzeit-Verhaltens als auch hinsichtlich ihrer Komplexität entlastet.
Bereitstellung von Konzepten
Die Integration einer hohen Anzahl verschiedener Maschinentypen, basierend auf unterschiedlichen und komplexen Automatisierungsprotokollen und Szenarien, verursacht einen erheblichen Aufwand. Das PAC-Design zielt auf eine Minimierung der Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership) durch Bereitstellung umfassender Konzepte für die flexible Orchestrierung, Entkoppelung und Wiederverwendbarkeit.
Mithilfe einer grafischen Administrationsoberfläche können viele kundenspezifische Anforderungen durch Konfiguration realisiert werden. Für Szenarien, die mit reiner Konfiguration nicht abgebildet werden können, steht eine Scripting-Umgebung zur Verfügung, mit der Automatisierungsabläufe als kompakte, wiederverwendbare Bausteine realisiert werden können. Solche komplexen Szenarien werden beispielsweise benötigt, wenn vor Start der Bearbeitung eines Fertigungsloses für die Validierung eines Rezepts (oder NC-Programm o.ä.) Daten aus mehreren Systemen abgefragt und zusammengeführt werden sollen.
Die Controller unterstützen die flexible, schnelle Anpassung an die Veränderungen der Produktionsprozesse. PAC basiert auf offenen Technologie-Standards und ist damit auf einer Vielzahl von Hardware- und Betriebssystem-Plattformen lauffähig. Die 'PAC Implementation Methodology' ermöglicht es den Anwendern, Maschinenanbindungen selbst zu entwickeln und zu warten. Der Controller kann dieselben Integrationsszenarien mit unterschiedlichen Interface-Protokollen ausführen. So kann der Anwender alle Komponenten erweitern und zusammen mit vorgefertigten Standardfunktionen zur Realisierung spezifischer Automatisierungsszenarien orchestrieren.
Eine hohe Konnektivität
Die Controller verfügen über die in der Automatisierung gängigen Interfaces wie OPC, Feldbus, SQL, se-rielle oder File-Schnittstellen. Diese Interfaces werden durch sogenannte External Service Adapter (ESA) realisiert. Für die Kopplung mit der MES- beziehungsweise ERP-Ebene werden ESAs auf Basis von unternehmensweiten Kommunikationsplattformen wie SAP PI, TIBCO oder ActiveMQ eingesetzt. Zusätzlich sind ESAs für die Kopplung mit dem MES-Level sowie für Prozesssteuerungs- und Optimierungs-Systeme oder Rezeptverwaltungssysteme vorhanden. Auch kundenspezifische Schnittstellen können als ESA integriert werden.
Standardisierungen vorantreiben
Zwar lassen sich mit dem Controller auch individuelle Schnittstellen anbinden, doch je besser die Anbindung über standardisierte Schnittstellen ist, desto einfacher, schneller, effizienter und damit auch kostengünstiger ist der Einsatz von Process-Automation-Controllern. Aus der Erfahrung von znt fallen bei MES-Projekten zwischen 25 % und 60 % der Kosten allein im Bereich der Anlagenintegration an. Diese Kosten ließen sich deutlich verringern, wären hier hochwertige Standards verfügbar.
In der Halbleiterindustrie und verwandten Industrien wie Solar-, MEMS, Flat Panel und LED-Industrie haben sich im Laufe der letzten 20 Jahre zahlreiche ausführliche Standards für die Shop-Floor-Integration etabliert. Diese sogenannten SEMI-Standards umfassen alle Schnittstellen zwischen Fabrik und Equipment-Lieferanten. Sie bilden damit die Basis aller technischen Spezifikationen zwischen dem Fabrikbetreiber und dem Maschinenlieferanten. Neben Standards für beispielsweise Materialien oder Medien stellen die Standards für die Datenintegration einen wichtigen Bereich dar. Mit der wachsenden Komplexität der Produktion und der Einbeziehung weiterer Industrien und Produktionstypen werden diese Standards laufend weiterentwickelt.
Solche Standardisierungen und Normungen sind auch in anderen Branchen von zentraler Bedeutung. Nicht umsonst nehmen die Konzepte und Standards für die Shop-Floor-Integration im Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0) eine wichtige Stellung ein. Aktuell sind die Standardisierungen in den jeweiligen Industrien sehr unterschiedlich fortgeschritten – eine Vereinheitlichung ist dringend erforderlich. Allgemein anerkannte und verwendete Standards finden sich auf den Ebenen der Datenübertragung und Services. Protokollstandards mit semantischen Definitionen für komplexe Automatisierungsszenarien auf der Anwendungsebene sind nur in wenigen Branchen vorhanden. Beispiele für solche Szenarien sind die Validierung von Rezepten oder NC-Programmen beim Start der Bearbeitung, ereignisbasierte Datenerfassung, adaptive Rezeptanpassung (Advanced Process Control) und viele mehr.
Betrachtet man die Ebene der Datenübertragung, so sind hierfür genügend Standards vorhanden, wie zum Beispiel OPC (Classic) oder Feldbusse, die auch über alle Branchen hinweg flächendeckend genutzt werden. Auf dieser Ebene wird in der Regel durch den Austausch von Prozessvariablen, Ereignissen oder Alarmen kommuniziert.
Eine zeitgemäße Schnittstellenintegration erfordert jedoch mehr: Die Kommunikation soll serviceorientiert sein, das heißt, es werden nicht nur Variablenwerte transportiert, sondern die Kommunikation erfolgt vielmehr durch Aufrufe von Services, vergleichbar mit den Web-Service-Schnittstellen. Serviceparameter können als komplexe Datenstrukturen übergeben werden. Eine weitere wichtige Anforderung auf dieser Ebene ist die Absicherung der Kommunikation. Die zunehmende Vernetzung erfordert insbesondere im sensiblen Bereich der Produktion einen 100%-igen Schutz vor unberechtigtem Zugriff.
OPC bietet sich an
Ein Standard, der eine solche Service- orientierte Architektur (SOA) ermöglicht, ist OPC UA. Nicht umsonst ist OPC UA einziger Standard für den Kommunikations-Layer in der Shop-Floor-Integration in den Konzepten von Industrie 4.0 (RAMI 4.0) genannt. Er bietet den Leistungsumfang Service-orientierter Konzepte und ist durch das optimierte Kommunikationsprotokoll gleichzeitig für die Performance-Anforderungen der Produktion ausgelegt. Damit deckt OPC UA die Ebenen Datentransport und Services gut ab.
Auf der Ebene der Anwendungsprotokolle finden sich schließlich die semantischen Definitionen von automatisierungsrelevanten Objekten und Szenarien. Dies sind zum Beispiel Objekte wie 'Rezept', 'NC-Programm' oder 'Fertigungsauftrag' (Process-Job). OPC UA ist nicht angetreten, um diese Ebene für alle Branchen zu standardisieren. Mit dem Konzept der OPC-Companion-Standards ist jedoch der Grundstein für die Standardisierung von Anwendungsprotokollen gelegt worden. OPC kooperiert hierbei mit zahlreichen Arbeitsgruppen wie FDI, ADI, PLCopen, UMCM, Euromap und einigen anderen, um die Ausarbeitung der jeweiligen Standards durch diese Gremien zu unterstützen.
Mit den SEMI-Standards steht für die Halbleiter- und verwandte Industrien ein weitgehend vollständiger und anerkannter Satz von Schnittstellenprotokollen auf Anwendungsebene zur Verfügung. Aufgrund der Historie basieren diese allerdings nicht auf OPC UA. Für Industrien, für die noch keine Standards für die Anwendungsebene zur Verfügung stehen, können die SEMI-Standards als Orientierung zur Definition von OPC-UA-Companion-Standards dienen.
Bereitstellung umfassender Konzepte
Die Integration einer hohen Anzahl verschiedenster Equipment-Typen, basierend auf unterschiedlichen und komplexen Automatisierungsprotokollen und Szenarien, verursacht einen erheblichen Aufwand, den es zu reduzieren gilt.
Hier setzen moderne Process-Automation-Controller wie PAC an. Sie zielen auf die Minimierung der Kosten durch die Bereitstellung umfassender Konzepte für die flexible Orchestrierung, Entkopplung, Wiederverwendbarkeit und Wartbarkeit ab. Sie sind ein wichtiges Werkzeug, um die Performance von Systemen auf MES-Ebene durch die autonome Übernahme von maschinentyp-spezifischen Steuerungsaufgaben zu verbessern. Außerdem erleichtern sie die Realisierung der so wichtigen Standardisierungsbemühungen und ergänzen vor allem die Umsetzung der Ideen von Industrie 4.0, denn sie dienen einer umfassenden Vernetzung als Basis intelligenter Maschinenkommunikation in anspruchsvollen Fertigungsumgebungen.
Autor:
Hans Mayer Ist COO (EAI) und Prokurist von znt Zentrum für neue Technologien.
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