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Fähigkeitsbasiertes Engineering: Der OPC-UA-Demonstrator des VDMA

Fortsetzung des Artikels von Teil 1.

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.

Aufbau des zusammengesetzten Pick & Place Bildquelle: © VDMA

Aufbau des zusammengesetzten Skills ‚Pick & Place‘ aus einer Abfolge von ‚Bewegen‘ und ‚Greifen‘.

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 Bildquelle: © VDMA

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

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.