Wesentlicher Auslöser der Zukunftsvision Industrie 4.0 ist der globale Trend zur individualisierten Massenproduktion (Losgröße 1) in Verbindung mit der dadurch steigenden Variantenvielfalt und sich verkürzenden Produktlebenszyklen. Insbesondere bei niedrigeren Stückzahlen ist der Automatisierungsgrad Stand heute jedoch noch gering, da die entsprechenden Aufwände zur Beschaffung und Einrichtung der notwendigen Betriebsmittel den Lohnvorteilen durch die Automatisierung entgegenwirken. Die Auswirkungen im Bereich der Montage sind besonders gravierend, da diese den größten Kostenfaktor innerhalb der Produktion darstellt. 

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist es notwendig, eine aufwandsarme Konfiguration und Inbetriebnahme von Maschinen- und Anlagen zu ermöglichen. Das gilt gleichermaßen für eine Neu- wie auch für eine Umplanung.

Während der im Kontext von Industrie 4.0 zunehmend favorisierte Kommunikationsstandard OPC UA lediglich die Basis zur Datenmodellierung bietet, so sind die notwendigen Datenmodelle und Konzepte zur Realisierung wandelbarer Anlagen in Form von Informationsmodellen zu beschreiben und beispielsweise in Form von OPC-UA-Servern bereitzustellen. 

Funktionalitäten abstrahiert beschreiben

Als vielversprechender Ansatz zur Vereinheitlichung der Systemintegration und Steuerung von Betriebsmitteln in Produktionsanlagen gilt der Einsatz sogenannter ‚Fähigkeiten‘ oder auch ‚Skills‘. Mit ihrer Hilfe sind Gerätefunktionalitäten auf abstrahierte Weise beschreibbar und somit unabhängig von bestimmten Domänen oder Herstellern. Während OPC UA also die notwendige Datensemantik und Vernetzung bereitstellt, können über die Beschreibung standardisierter Skills die Funktionalitäten beliebiger Betriebsmittel herstellerneutral dargestellt werden. Neben einer erleichterten Um- und Neuplanung, ist mit diesem Konzept eine standardisierte Ansteuerung einzelner Betriebsmittel möglich.

Ein plakatives und häufig verwendetes Beispiel für einen Skill ist ‚Objekt bewegen‘. Dieser beschreibt zunächst nur, dass ein Objekt an eine bestimmte Position gebracht werden soll. Die Ausführung kann nun etwa durch einen Industrieroboter eines beliebigen Herstellers erfolgen (herstellerneutral), aber auch durch andere Betriebsmittel wie ein Förderband, einen Hallenkran oder durch einen Menschen (do-mänenunabhängig). Die Herausforderung besteht allerdings darin, diese Skills derart zu normieren, dass die enthaltenen Parameter für sämtliche Betriebsmittel verwendbar sind.

Im Rahmen einer Arbeitsgruppe der VDMA Fachabteilung Integrated Assembly Solutions (IAS) wurde unter Mitwirkung verschiedener Komponentenhersteller und wissenschaftlicher Institute für die Automatica 2018 ein Demonstrator beziehungsweise ein Konzept entwickelt, welches es nicht nur erlaubt, Montageprozesse mittels Skills zu modellieren, sondern auch die verwendeten Betriebsmittel skillbasiert direkt über OPC UA zu steuern. Wesentliche Herausforderungen sind hierbei die Festlegung eines einheitlichen Skillkatalogs, in welchem gleiche Funktionalitäten verschiedener Geräteklassen und Hersteller auf einheitliche Art und Weise beschrieben werden sowie die Erstellung eines geeigneten Metamodells, um die Ansteuerung in OPC UA abzubilden.

Die normierten Skills können im Engineering nun dazu verwendet werden, die einzelnen Prozessschritte zu modellieren. Diese können beispielsweise zuvor mit Hilfe eines Montage-Vorrang-Graphen ermittelt werden. Dabei sind verschiedene Detaillierungs- beziehungsweise Kompositionsgrade denkbar. So kann der Skill ‚Pick&Place‘ direkt als Prozessschritt vorhanden sein und von einer Pick&Place-Einheit zusammenhängend ausgeführt werden. Aber ebenso ist die Modellierung über eine sequenzielle Abfolge der atomaren Skills ‚Bewegen‘ und ‚Greifen‘ möglich. Dies hängt stark davon ab, ob die Skills von den verschiedenen Betriebsmitteln direkt oder durch automatisierte Kompositionen – beispielsweise mittels übergeordneter Steuerungen – bereitgestellt werden.

Die Steuerungsarchitektur: In OPC UA angebotene Skills können über Methoden von der übergeordneten Stationssteuerung aufgerufen werden.

© VDMA

Die Zuordnung zwischen den auf Basis der Prozessschritte modellierten und von den Betriebsmitteln angebotenen Skills erfolgt im optimalen Falle automatisiert. Hierzu ist zunächst zu überprüfen, ob die vom Produkt und dem Prozess gestellten Anforderungen auch vom jeweiligen Betriebsmittel erfüllt werden können. Im Falle des Skills ‚Objekt bewegen‘ können die Anforderungen beispielsweise das Produktgewicht und die geforderte Endposition sein. Außerdem ist es möglich, diese Zuordnung manuell in einer Engineering-Umgebung wie dem ‚Codesys Application Composer‘ durch implizites Wissen des Anwenders durchzuführen. In beiden Fällen kann im Anschluss eine übergeordnete Software die automatisierte Einrichtung der Betriebsmittel vornehmen und somit die Aufwände bei der Neu- oder Umplanung einer Anlage drastisch reduzieren. Dadurch wird ein hoher Grad an Wandelbarkeit erreicht.

Während es bei diesem Vorgehen weiterhin möglich ist, eine proprietäre Steuerungsarchitektur zu verwenden, können sämtliche Betriebsmittel ebenfalls direkt fähigkeitsbasiert angesteuert werden. Im Rahmen des VDMA-R+A-OPC-UA-Demonstrators wurde hierzu ein zunächst technologieunabhängiges Metamodell entwickelt, welches die einheitliche Modellierung direkt ausführerbarer Skills der einzelnen Komponenten ermöglicht. Eines der wichtigsten Elemente ist dabei die Beschreibung einer allgemeingültigen Zustandsmaschine (State Machine), welche die Steuerung durch ein übergeordnetes System ermöglicht und stets den aktuellen Zustand der Skill-Ausführung wiedergibt. 

Die Gesamtarchitektur des Demonstrators

Zur Realisierung der beschriebenen, skillbasierten Steuerung innerhalb des Demonstrators wird OPC UA in Form einer Client/Server-Architektur verwendet. Dabei stellen die einzelnen Betriebsmittel ihre Skills mit den zugehörigen Zustandsmaschinen als Informationsmodelle in Form eines OPC-UA-Servers bereit, während die Ansteuerung durch verschiedene Clients erfolgt. Die Architektur der Demonstrator-Zelle wurde hierzu logisch in einzelne Hierarchiestufen unterteilt. Um einen hohen Deckungsgrad zwischen der logisch-funktionalen Architektur und der Steuerungsarchitektur zu erhalten, kommen im Demonstrator vollintegrierte Betriebsmittel zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um Automatisierungskomponenten oder (Sub-)Stationen, die mit einer lokalen Intelligenz in Form einer Kleinsteuerung ausgestattet sind, welche zur letztlichen Ausführung der Skills genutzt wird. Diese projektneutrale, interne Implementierung der Komponentenfunktionen leistet der Komponentenhersteller, weil dieser die größte Expertise zum Betrieb der Komponente hat und somit auch die optimalen Betriebseinstellungen gewährleistet. Konkret werden im Demonstrator neben Industriesteuerungen wie der Effectuator von der Firma Elrest auch handelsübliche Kleinsteuerungen wie beispielsweise der Raspberry Pi 3 verwendet. Ist die Integration der Steuerung in die Komponente beziehungsweise Station nicht möglich, so wird eine externe Industriesteuerung (CPX von Festo oder PFC200 von Wago) mit der Ansteuerung der Aktuatoren beauftragt. Die hierarchisch aufgebaute funktionale Architektur bleibt davon unberührt.

Um die Unabhängigkeit der Laufzeit-Umgebung zu demonstrieren, kommt auf den Steuerungen im Demonstrator entweder Codesys oder Forte (4DIAC) zum Einsatz, welche skillbasiert über OPC UA mit den Betriebsmitteln kommunizieren. Durch den Einsatz der integrierten Komponenten wird die Kapselung der Betriebsmittel ermöglicht und somit der Wandel von zentralen zu dezentralen Steuerungsarchitekturen beziehungsweise die Austauschbarkeit und Wandelbarkeit einzelner Anlagenteile.

Aufgrund der heute fehlenden deterministischen Echtzeit-Fähigkeit von OPC UA ergeben sich bei dieser Architektur jedoch Einschränkungen, wie beispielsweise eine rein sequenzielle Abarbeitung der einzelnen Skills. Es wird daher momentan auf die Implementierung synchronisierter und zeitkritischer Prozessschritte innerhalb des Demonstrators verzichtet oder diese müssen – wie bereits am Beispiels Pick & Place beschrieben – als zusammengesetzter Skill von einer übergeordneten Steuerung angeboten werden, welche dann auch die notwendige echtzeitkritische Steuerung der einzelnen darunterliegenden Komponenten übernimmt. Durch den Einsatz des sich derzeit im Test befindlichen Ethernet-Standard TSN in Verbindung mit dem Publisch-/Subscribe-Mechanismus von OPC UA ließe sich dieses Manko aber aller Voraussicht nach lösen.

Kurzum: Wenn auch proprietäre Feldbus- und Industrial-Ethernet-Schnittstellen in Zukunft weiterhin die Produktionsvernetzung dominieren, so zeigt der Demonstrator doch, dass der Einsatz von OPC UA nicht nur für die reine Datengewinnung interessant ist, sondern gleichermaßen zur Realisierung einer Steuerungsarchitektur verwendet werden kann. Insbesondere mit der Einführung deterministischer Echtzeit durch OPC UA Pub/Sub und TSN sind die Weichen für eine flächendeckende OPC-UA-basierte Produktionssteuerung endgültig gestellt.

Autoren:
Patrick Zimmermann ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IGCV in Augsburg;
Benjamin Brandenbourger ist freiberuflicher Berater im Bereich IIoT.