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Fähigkeitsbasiertes Engineering: Der OPC-UA-Demonstrator des VDMA

Fortsetzung des Artikels von Teil 2.

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.