Die Grundlage für zahlreiche Industrie-4.0-Anwendungsfelder bildet die interoperable Kommunikation zwischen Komponenten und Maschinen, Maschinen untereinander oder zwischen Maschinen und IT-Systemen wie einer Cloud. Hersteller- und branchenübergreifende interoperable Kommunikation und die damit verbundene Datenverfügbarkeit ermöglichen eine schnelle Integration von  Maschinen und Komponenten in neue und bestehende Anlagen,  ein herstellerübergreifendes und globales Condition Monitoring, eine vereinfachte Prozessoptimierung und zukünftige Anwendungen wie ein herstellerübergreifendes Machine Learning. 

Das Ziel: eine Branchen-übergreifende Interoperabilität als höchste Ausbaustufe von Industrie 4.0.

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Um diesen Informationsaustausch zwischen unterschiedlichsten Kommunikationspartnern unterschiedlicher Hersteller zu vereinfachen, zu standardisieren und damit Plug&Work zu ermöglichen, bedarf es einer herstellerunabhängigen und branchenweit akzeptierten semantischen Selbstbeschreibung von Komponenten, Maschinen und Systemen. Für eine branchenunabhängige semantische Interoperabilität soll zudem eine übergeordnete Semantik existieren. Diese soll relevante Elemente für die gesamte Industrie des Maschinen- und Anlagenbaus einheitlich definieren. Ziel ist, dass – unabhängig von der Branche und der Kommunikationspartner – Elemente mit derselben Bedeutung durch dieselben Elemente (Struktur, Nomenklatur und Beschreibung) definiert werden. Um dieses Szenario umzusetzen, kommt dem Kommunikationsstandard OPC UA eine Schlüsselrolle zu: In OPC UA Companion Specifications wird die semantische Selbstbeschreibung von Informationsmodellen für Maschinen und Komponenten innerhalb der Industrie-4.0-Welt empfohlenen Kommunikationsarchitektur OPC UA definiert und standardisiert. Der VDMA hat die Dringlichkeit zur Erarbeitung von OPC UA Companion Specifications, der semantischen Selbstbeschreibung dafür und der sich daraus ergebenden semantischen Interoperabilität erkannt. Die VDMA-Fachverbände erarbeiten gemeinsam mit ihren Mitgliedsfirmen, internationalen Verbänden und der OPC Foundation die OPC UA Companion Specifications. Diese sollen durch die Verbreitung über das Netzwerk des VDMA, der internationalen Verbände und der OPC Foundation internationale Akzeptanz erlangen.

Zentrale Koordination

Die Entwicklung der OPC UA Companion Specifications in den Arbeitskreisen der VDMA-Fachverbände wird zentral koordiniert. Best Practices, eine Vernetzung zwischen den Arbeitskreisen, entsprechende Templates und letztlich zur Verfügung gestelltes Expertenwissen beschleunigt und strukturiert die Erarbeitung der OPC UA Companion Specifications innerhalb des VDMA. Es werden innerhalb des VDMA Synergie-Effekte gehoben und auf eine Arbeitskreis-übergreifende, kohärente Ausrichtung und Zielvorstellung der Arbeitskreise geachtet. Der Prozess zur Erarbeitung von OPC UA Companion Specifications lässt sich in drei Abschnitte gliedern, die durch unterschiedliche Rollen im VDMA Unterstützung finden. Diese Abschnitte sind:

• Die Startphase: Hier werden die Projekt- und Zieldefinition sowie der Abgleich mit bereits existierenden oder in Entwicklung befindlichen Standards berücksichtigt. Durch die zentrale Koordination lassen sich gemeinschaftliche und kohärente Ziele zwischen den Arbeitskreisen für die unterschiedlichen Komponenten, Maschinen und Anlagen (folgend Maschinentyp) definieren.
• Die Standardisierungsphase: Die Branchenexpertise des Arbeitskreises und des VDMA-Fachverbands-Referenten dient nun dazu, die relevanten Kommunikationselemente wie Variablen oder Zustände zu identifizieren, zu konsolidieren und schließlich zu standardisieren. Dies erfolgt aufbauend auf den in der Startphase definierten Maschinentypen, den geplanten Anwendungsfällen der OPC UA Companion Specification und den identifizierten Kommunikationspartnern. Wie bereits in der Startphase gilt es, bestehende Standards und andere OPC UA Companion Specifications zu analysieren und inhaltlich gleiche Kommunikationselemente zu übernehmen.
• Modellierung von OPC-UA-Informationsmodellen: Im letzten Abschnitt des Prozesses werden die standardisierten Kommunikationselemente mit Hilfe der in OPC UA zu Verfügung stehenden Modellierungselemente wie Alarme, Methoden oder Objekten, in ein OPC-UA-Informationsmodell überführt und ausdetailliert. Das erfolgt mit Hilfe von OPC-UA-Experten. Diese können Teilnehmer des Arbeitskreises selbst, der VDMA-Fachverbands-Referent oder ein externer Dienstleister sein. Innerhalb der Modellierung werden wiederum inhaltlich gleiche Kommunikationselemente von bereits existierenden OPC UA Companion Specifications übernommen oder referenziert.

Besonders im ersten und dritten Abschnitt liegt das Alleinstellungsmerkmal des VDMA. Die zentrale Koordination durch den VDMA soll eine branchenübergreifende Interoperabilität der Companion Specifications begünstigen. Eines der Ziele ist, die Maschinentypen so voneinander abzugrenzen, dass keine Überschneidungen resultieren, sowie eine gemeinschaftliche Ausrichtung der Kommunikationspartner und Anwendungsfälle erfolgt. Dies ist nur möglich, wenn mehrere Arbeitskreise unterschiedlichster Branchen gemeinsam in einer Organisation bereits in frühen Entwicklungsphasen koordiniert und vernetzt werden. Im dritten Abschnitt ist es wichtig, mit geeigneten Mitteln, die branchenspezifischen Kommunikationsinhalte in OPC UA so zu standardisieren, dass unterschiedliche Arbeitskreise gleiche Kommunikationsinhalte identisch beschreiben und aufeinander referenzieren. 

Der Prozess zur Erarbeitung von OPC UA Companion Specifications wird im VDMA-Einheitsblatt 40 000 beschrieben. Innerhalb der VDMA-Einheitsblatt-40xxxer-Reihe erfolgt die Veröffentlichung der OPC UA Companion Specifications. Sie steht kostenfrei zum Download auf opcua.vdma.org zu Verfügung.

Die Arbeitskreise

Mittlerweile existieren innerhalb des VDMA über 15 Arbeitskreise zur Erarbeitung von OPC UA Companion Specifications. So gibt es Arbeitskreise für die Bergbau-, Druckguss-, Glas- und Holzindustrie, für elektrische Antriebe, industrielle Bildverarbeitung, Integrated Assembly Solutions, Kunststoff-, Gummi-, Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen, Oberflächentechnik, Robotik, Wägetechnik und Werkzeugmaschinen (VDW). 

Vier Grundsätze verfolgen alle Arbeitskreise gleichermaßen:

1. Einbindung der Steakholder des Einsatzszenarios der jeweiligen OPC UA Companion Specification.
2. Internationale Zusammenarbeit während der Entwicklung, Verbreitung, Akzeptanz und Anwendung der OPC UA Companion Specification.
3. Harmonisierung der OPC UA Companion Specifications, um branchenübergreifende Interoperabilität zu ermöglichen.
4. Test-Implementierungen der OPC UA Companion Specification zur Qualitätssicherung.

Kunststoff- und Gummimaschinen

Für Kunststoff- und Gummimaschinen sind bereits zwei OPC UA Companion Specifications als Release verfügbar – die Euromap 83 und die Euromap 77. Euromap ist der europäische Dachverband der Kunststoff- und Gummimaschinenhersteller. Euromap 83 definiert eine OPC UA Companion Specification für allgemeine Informationen in Bezug auf Kunststoff- und Gummimaschinen. Ziel ist, dass Objekttypen, die für verschiedene Maschinen und Anwendungen relevant sind, nur einmal definiert werden. In Euromap 83 sind Informationsblöcke und Funktionalitäten definiert, die po­tenziell für zahlreiche Maschinentypen der Familie Kunststoff- und Gummimaschinen Verwendung finden. Euromap 83 ist eine wachsende Bibliothek mit wiederverwendbaren Typdefinitionen. Es ist die Basis für alle anderen Euromap OPC UA Companion Specifications. Für konkrete Anwendungen – etwa die Verbindung von Spritzgießmaschinen zu Manufacturing Execution Systems (MES) – werden spezifische OPC UA Companion Specifications (hier: Euromap 77) hinzugezogen.

Mit Euromap 77 ist der erste OPC-UA-basierte Standard für digitale Schnittstellen im Bereich Kunststoff- und Gummimaschinen verfügbar. Euromap 77 beschreibt die Schnittstelle für den Datenaustausch zwischen Spritzgießmaschinen und MES. Euromap 77 ermöglicht den Austausch von allgemeinen Informationen über die Spritzgießmaschine – Hersteller, Modell, Seriennummer … –, die aktuelle Konfiguration und den Status der Maschine einschließlich der Werkzeuge, Einspritzeinheiten und Antriebe. Der Standard beschreibt ein Logbuch für relevante Änderungen an der Maschine und beinhaltet die Auftragsverwaltung mit Informationen zu laufenden Aufträgen, Prozessparametern der Produktionszyklen, Methoden und er dient der Übermittlung von Aufträgen vom MES zur Maschine und der Freigabe der Produktion. Zudem wird die Einstelldatensatzverwaltung standardisiert, bei der Spritzgieß­maschinen ihre Konfiguration in sogenannten Einstelldatensätzen speichern. Diese enthalten Informationen zu Prozess-Sollwerten (Zeiten, Temperaturen, Drücke …) bezogen auf die Spritzgießmaschine, aber auch für installierte Handhabungssysteme. 

Industrielle Bildverarbeitung

Im Bereich der industriellen Bildverarbeitung befindet sich eine OPC UA Companion Specification im Entwurfsstadium als Release Candidate. Dieser Standard wurde gemeinsam mit der G3-Initiative entwickelt. Die internationale G3-Initiative koordiniert die Entwicklung global anerkannter Bildverarbeitungs-Standards. Die Zusammenarbeit erfolgt zwischen den Industrieverbänden von Amerika (AIA), China (CMVU), Europa (VDMA und EMVA) und Japan (JIIA). Der Standard ermöglicht die Verwaltung von Rezepten, Konfigurationen und Resultaten auf standardisierte Weise, während die jeweiligen Inhalte herstellerspezifisch als Black-Box behandelt werden. Das abstrahierte Verhalten eines industriellen Bildverarbeitungssystems wird über ein – im Standard beschriebenes – Statusmaschinenkonzept beschrieben.

Die Robotik

Aufbau eines Motion-Device-Systems.

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Für die Robotik existiert ebenfalls eine OPC UA Companion Specification im Entwurfs-Status als Release Candidate. Die OPC UA Companion Specification beschreibt ein komplettes Motion-Device-System, das eine Liste von Motion Devices (Kinematiken) beinhaltet. Motion Devices können jeder bereits existierende Robotertyp oder sogar ein fiktiver zukünftiger Robotertyp sein. Dazu zählen zum Beispiel Industrieroboter (stationär), mobile Roboter (auch mit mehreren Roboterarmen), Roboter mit mehreren Steuerungen, Roboterperipherie ohne eigenen OPC-UA-Server und Serviceroboter.

Die Selbstbeschreibung eines Motion-Device-Systems basiert auf einem Komponenten-orientierten Informations-Modellierungsansatz. Die Modellierung der Informationsobjekte erfolgt in Anlehnung an die physikalische Struktur eines Motion-Device-Systems in einer dem Anwendungsfall angepassten Granularität. Alle gängigen Arten von Motion Device Systemen können mittels OPC Robotics beschrieben werden. 

Die OPC UA Companion Specification Robotics ist in mehrere Teile aufgeteilt, wobei Teil 1 die Basisspezifikation darstellt. Teil 1 beschreibt eine Abstraktion des generischen Motion Device Systems, das heißt die Darstellung des sogenannten Digitalen Zwillings des Systems. Die OPC UA Companion Specification beinhaltet die Anwendungsfälle Assetmanagement, Zustandsüberwachung, vorausschauende Wartung und die vertikale Integration in die IT-Systeme der Produktion (SPS, MES, SCADA, Cloud). Zukünftige Teile erweitern die grundlegende Beschreibung eines Motion-Device-Systems und enthalten Anwendungsfälle wie die Konfiguration und Steuerung eines Motion-Device-Systems oder der enthaltenen Motion Devices, das Einleiten von Aktionen am Robotersystem mittels Methoden und einer Statusmaschine, der Meldung von Zuständen, Alarmen und Ereignissen und die Speicherung von kundenspezifischen Informationen auf dem Server, (zum Beispiel ERP-Daten, Kostenstelle).

Die Industrie-4.0-Verwaltungsschale und OPC UA

Die gemeinsame Arbeitsgruppe ‚I4AAS OPC UA‘ der OPC Foundation, des VDMA und des ZVEI wird ein OPC-UA-Informationsmodell für die Industrie 4.0 Asset Administration Shell (I4AAS) entwickeln.

Das bisher technologieunabhängig definierte Konzept des I4AAS soll in OPC UA übertragen werden. Das Konzept der I4AAS ist ein Ergebnis der Plattform-Indus- trie-4.0-Arbeitsgruppe-1 ‚Normen, Standards und Referenzarchitektur‘, der ZVEI-Spiegelgruppe ‚SG Normen und Modelle‘ und der ZVEI-Unterarbeitsgruppe ‚Verwaltungsschale im Detail‘. Der VDMA zielt innerhalb dieser Arbeitsgruppe darauf ab, die Interoperabilität der I4AAS mit den im VDMA entwickelten OPC UA Companion Specifications zu gewährleisten. Derzeit arbeiten viele Gruppen allein an der prototypischen Implementierung der I4AAS auf Basis von OPC UA. Die Arbeitsgruppe soll alle diese Aktivitäten harmonisieren, aber auch mit anderen Interessengruppen wie dem VDMA abstimmen, um die I4AAS mit dem Prozess und der zentralen Koordination und somit allen Arbeitskreisen innerhalb des VDMA zu synchronisieren.

Autor: 
Andreas Faath leitet die strategische Ausrichtung des VDMA im Bereich Interoperabilität mit OPC UA.

Die Umati-Schnittstelle des VDW

Mit der Marke Umati erarbeitet der VDW einen Standard für eine offene Schnittstelle zur Anbindung von Werkzeugmaschinen an übergeordnete IT-Systeme. Und auch hier stehen die OPC UA Companion Specs im Mittelpunkt, wie Dr. Alexander Broos, Leiter der Forschung und Technik beim VDW, im Interview erläutert.