Wenn es um die Optimierung von Produktion oder Logistik geht, ist die automatische Identifikation von Objekten aller Art nach wie vor ein wichtiges Thema. In diesem Bereich wird ein starkes Marktwachstum erwartet – die Experten von ARC Advisory etwa sprechen von einer jährlichen Steigerung von 15 % allein für RFID. Aber: Es gibt Hindernisse, die einer breiten Anwendung im Weg stehen. Eins davon ist die aufwendige und umständliche Integration von RFID- oder Code-Lesesystemen in die unterschiedlichen Hintergrundsysteme. So müssen heute schätzungsweise 25 % der Projektkosten für RFID-Services aufgewandt werden, was auch die Integration in IT oder Automatisierung beinhaltet. Einer der Gründe dafür ist, dass ein breit akzeptierter Standard fehlt, der sowohl die verschiedenen Erfassungsgeräte als auch die diversen Host-Systeme – zum Beispiel speicherprogrammierbare Steuerungen oder IT-Systeme – umfasst.

Die daraus resultierenden Nachteile sind immens: Zwar sind die Geräte unterschiedlicher Hersteller für Anwender im Hinblick auf die Code-Erfassung standardisiert – bei der Kommunikation mit der nächsten Systemebene jedoch muss für jedes Gerät ein eigener Treiber realisiert werden. Hat sich ein Anwender für die Komponenten eines Herstellers entschieden, ist es nur mit hohem Aufwand möglich, auch die Komponenten eines anderen Herstellers zu nutzen, die sich beispielsweise für bestimmte Sonderanwendungen besser eignen. Auch der Einsatz unterschiedlicher Auto-Ident-Techniken in hybriden Applikationen – zum Beispiel Barcode und RFID – verursacht erheblichen Zusatzaufwand.

Zudem werden die Systemumgebungen zunehmend heterogen. Waren früher die Auto-Ident-Installationen eher als geschlossene Applikationen zu sehen – zum Beispiel RFID-Reader, die direkt mit einer SPS zur Steuerung einer Fertigungsstraße kommunizieren –, führt der gewünschte übergreifende Einsatz von Auto-Ident zu einer Vielzahl von Systemen, die allesamt Daten aus der Identifikation benötigen. Wird beispielsweise ein Bauteil mit einem Data-Matrix-Code markiert, lassen sich damit die Wareneingangsbuchung, die Qualitätsprüfung des Bauteils, die Verifikation der Code-Qualität, die Steuerung des Materialflusses und der Lagerhaltung sowie Montage und Einbau in ein Produkt steuern. Aber: Für all diese Aufgaben gibt es unterschiedliche Leit- und Steuerungssysteme.

Zusammenarbeit zwischen AIM und OPC Foundation

Um diese Schwierigkeiten zu lösen, entwickelt derzeit der Arbeitskreis Systemintegration beim Industrieverband AIM Deutschland und die OPC Foundation einen gemeinsamen Integrationsstandard, der auch die semantische Ebene beinhaltet. AIM ist ein globaler Industrieverband für Automatische Identifikation, Datenerfassung und Mobile Datenkommunikation. Basis der Zusammenarbeit ist eine Kooperationsvereinbarung, die AIM Deutschland und die OPC Foundation bereits im Rahmen der Hannover Messe 2014 unterzeichneten.

Der 'Companion Standard' für OPC UA zielt auf die vereinfachte Integration von Auto-Ident-Systemen in unterschiedlichen Zielsystemen ab.

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Die Grundlage des künftigen Standards bildet OPC UA – eine Plattform, die zwar ursprünglich aus der Automatisierung stammt, sich aber längst zu einem Kommunikationsstandard auch in anderen Branchen und Anwendungsfeldern entwickelt hat. Insbesondere bei der Anbindung von Geräten aus der Feldebene, wie zum Beispiel Ident-Systemen, wächst die Bedeutung von OPC UA zunehmend. Der Standard wird unter anderem von IT-Konzernen wie SAP oder Microsoft unterstützt.

Im entstehenden Standard sollen alle Ident-Techniken abgebildet werden: neben RFID in den unterschiedlichen Ausprägungen auch Barcodes, 2D-Codes und Realtime-Location-Systeme (RTLS) sowie mobile Geräte. Hier sind die Möglichkeiten zur objektorientierten Modellierung in OPC UA besonders wichtig, weil geräteabhängige Erweiterungen je nach Bedarf vorgesehen werden können. So kann zum Beispiel ein RTLS-Erfassungs-Event wie ein RFID-Event aufgefasst werden, nur ergänzt um eine Geo-Koordinate.

Zwei Kommunikationsmechanismen geplant

Ein zweites Ziel ist die Anwendbarkeit für speicherprogrammierbare Steuerungen, einfache PC-Anwendungen sowie komplexe IT-Systeme. Aus diesem Grund werden zwei Kommunikationsmechanismen vorgesehen – eine synchrone Aufrufschnittstelle, die sich eher für SPS- und PC-Applikationen eignet, und eine asynchrone Event-Schnittstelle für die Anwendung in IT-Systemen.

Die OPC-UA-Architektur mit dem ergänzenden 'Companion Standard' für Auto-ID

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Die Unterstützung unterschiedlichster Applikationssysteme gewährleistet OPC UA durch den Einsatz von Standard-Technologien wie zum Beispiel Webservices als Kommunikationsebene. Damit ist OPC UA nicht an eine bestimmte Betriebssystem-Plattform gebunden. OPC-UA-Implementierungen gibt es unter anderem für Linux, Solaris, QNX, VxWorks und Windows. Gleichzeitig ist der OPC-UA-Stack skalierbar, so dass neben leistungsstarken Systemen – wie zum Beispiel UHF-RFID-Readern, die oft eine Zwei-Prozessoren-Architektur aufweisen – sehr kleine Ident-Sensoren etwa im HF-Bereich unterstützt werden. Definierte Profile legen den konkreten Funktionsumfang fest.

Sicherheitskonzept und Marktdurchdringung

Aus Sicht der AIM-Arbeitsgruppe ­bietet OPC UA weitere, wichtige Merkmale wie etwa das eingebaute Sicherheitskonzept. Bei diesem Mechanismus sind Methoden zur Authentifi­zierung von Clients und Servern sowie von Benutzern vorgesehen, die auf ­Basis von X.509-Zertifikaten arbeiten. Symmetrische und asymmetrische Verschlüsselung stellen die Vertraulichkeit sicher.

Ein zweiter, vor allem im Hinblick auf Ident-Systeme wichtiger Aspekt ist die Robustheit, um Datenverluste zu vermeiden. Kommunikationsaus­fälle werden rasch erkannt, ohne dass Timeouts der unterlagerten Protokollschichten abgewartet werden müssen. Zudem stellt OPC UA ein Informationsmodell namens Historical Access zur Verfügung, über das sich historische Events und Serverdaten abrufen lassen. Aus Ident-Sicht eignet sich ­dieses Modell gut, um eine autonome Erfassung zum Beispiel an einem ­Warentor durchzuführen, auch wenn keine Verbindung zum Warenwirtschaftssystem besteht. Die Daten lassen sich im Historical Access-Modell einfach zu einem späteren Zeitpunkt abrufen.

Der dritte und bedeutsamste Punkt aber ist die hohe Standardisierung und Marktdurchdringung für OPC UA. Damit wird sichergestellt, dass viele Funktionen für Ident-Geräte ebenso funktionieren wie für alle anderen ­Gerätetypen, zum Beispiel das Device Management.

Für die Anwendung auf Auto-Ident arbeitet die gemeinsame Arbeitsgruppe von AIM und OPC Foundation an einem sogenannten 'Companion Standard zu OPC UA. Darin werden unter anderem alle Methoden, Datenstrukturen und Event-Typen definiert, die zur Anbindung von Ident-Geräten nötig sind. Die Architektur sieht auch vor, dass Hersteller eigene Ergänzungen vornehmen können.

Grundsätzlich werden die Ident-Geräte einen OPC-UA-Server bereitstellen, der als Datenquelle dient. Die erfassten IDs können entweder per Methodenaufruf von einem OPC-UA- Client angefordert werden (synchrone Kommunikation) oder sie werden per Event asynchron an den angemeldeten Client gesendet. Hinzu kommen die Device-Management-Funktionen – wie zum Beispiel Abfrage von Gerätetyp, Versionsnummer, Hersteller und Bezeichnung – sowie die Verwaltung der Gerätekonfiguration. Diese wird als Datei abgebildet, so dass sie sich mit Lese- und Schreibbefehlen auf ein Gerät übertragen oder sich von diesem laden lässt.

Zur Hannover Messe 2015 hat die ­Arbeitsgruppe einen 'Release Candi­date' für die Spezifikation erstellt und erste Konzeptstudien zur Realisierung gezeigt.

Autor:
Markus Weinländer ist Leiter Produktmanagement Simatic Ident bei Siemens in Nürnberg.