Die Field Level Communication Initiative (FLC) startete zunächst mit 23 Gründungsmitgliedern. Zwischenzeitlich sind mit Murrelektronik, Festo und Lenze weitere Unterstützer hinzugekommen, um in verschiedenen Arbeits-gruppen die Anforderungen für einen durchgängigen, OPC-UA-basierten Kommunikationsstandard im Bereich der Fabrik- und der Prozessauto-matisierung zu erarbeiten. Die Anforderungsanalyse berücksichtigt dabei nicht nur die verschiedenen Lebenszyklen der Automatisierungskomponenten und Produktionsanlagen, sondern auch die Bedürfnisse der unterschiedlichen Nutzer entlang der Wertschöpfungs- und Lieferkette: Technologieanbieter, Automatisierungshersteller, Maschinenbauer und Systemintegratoren, Endanwender und Datenanalysten. Auch hat das FLC Steering Committee zur letztjährigen SPS die gemeinsam abgestimmte Roadmap vorgestellt: In einem ersten Spezifikationsrelease soll der Fokus auf dem Use Case Controller-to-Controller (C2C) liegen. 

Das FLC Interaction Model mit den verschiedenen ‚abstrakten‘ OPC UA Use Cases.

© OPC Foundation

Das darauffolgende Spezifikations-release soll dann entsprechende Erweiterungen für den Use Case Controller-to-Device (C2D) beinhalten. Dadurch, dass alle FLC Geräte (Controller und Devices) auf OPC UA basieren ist ein einheitlicher, durchgängiger Kommunikationsstand über alle Automatisierungsebenen hinweg ver-fügbar, der auch die im Bild dargestellten Use Cases – Controller-to-Compute, Device-to-Compute und Compute-to-Compute – abdeckt. Damit eröffnen sich gerade im Hinblick auf die unterschiedlichen Industrie-4.0-Anwendungs-szenarien und der IT/OT-Konvergenz ganz neue Möglichkeiten. 

Technische Arbeitsgruppen

In den technischen Arbeitsgruppen der FLC-Initiative, die allen Mitgliedern der OPC Foundation offenstehen, arbeiten derzeit insgesamt über 150 Experten von mehr als 50 Firmen mit. Durch den Covid-19-bedingten Wegfall einiger mehrtägiger Arbeitstreffen, die durch virtuelle Webmeetings nicht gänzlich kompensiert werden konnten, haben sich die Spezifikationsarbeiten in den letzten Wochen ein wenig verlangsamt. Dennoch rückt der Release Candidate der ersten Spezifikationsversion in greifbare Nähe. Nach aktueller Planung soll es im 3. Quartal soweit sein. 

Base Device Facets

Die FLC-Systemarchitektur auf der Basis des OPC UA Frameworks.

© OPC Foundation

Die FLC zugrundeliegende System-architektur basiert auf dem OPC UA Framework (IEC 62541), das einen sicheren, zuverlässigen sowie hersteller- und plattformunabhängigen Infor-mationsaustausch ermöglicht, siehe Bild rechts. FLC-Geräte unterstützen dabei zum einen das verbindungsorientierte Client/ Server-Kommunikationsmodell, zum anderen die Publish/Subscribe-Erweiterungen, die für die Kommunikation in der Feldebene aufgrund entsprechender Anforderungen an Flexibilität, Effizienz und Deterministik unabdingbar sind. FLC setzt darüber hinaus auf die in OPC UA spezifizierten Security-Mechanismen auf, die unter anderem eine Authentifizierung, eine Signierung und eine Verschlüsselung der zu transportierenden Daten unterstützen und sowohl für Client-Server- als auch für Pub/Sub-Kommunikationsbeziehungen einsetzbar sind. 
Zentrales Element für die von FLC spezifizierten Erweiterungen ist das Metamodell von OPC UA. Dieses wird genutzt, um entsprechende Informationsmodelle für FLC-Geräte zu spezifizieren und die modellierten Informationen über standardisierte OPC-UA-Dienste zugänglich zu machen. 

Die Facets

Facets beschreiben die Funktionalität (Funktionen, Schnittstellen und Verhaltensweisen) von Automatisierungsgeräten. Die Roadmap bei FLC sieht vor, dass in einem ersten Schritt, dem Minimum Viable System (MVS), zunächst die Basisfunktionalitäten eines FLC-Gerätes spezifiziert werden, welche es ermöglichen, dass erste FLC-Produkte vollumfänglich nutzbar und gleichzeitig hinsichtlich zukünftiger Spezifikations-Updates rückwärtskompatibel sind. Eine entscheidende Rolle kommt hierbei dem Base Device Facet zu. Darin sind grundlegende Gerätefunktionen beschrieben, die unabhängig von den spezifischen Ausprägungen sind, wie etwa Geräte-Identifikation oder Basisdiagnose. Aufbauend auf dem Base Device Facet werden dann geräte- beziehungsweise funktionsspezifische Facets spezifiziert, wie beispielsweise für Safety und Motion. 

Safety Facet

Anforderungen an die Funktionale Sicherheit (Safety) sind durch OPC UA Safety abgedeckt. Dazu ist bereits eine erste OPC-UA-Safety-Spezifikation verabschiedet worden, die auf Client-Server-Mechanismen basiert und aus einer Joint Working Group mit der Profibus Nutzerorganisation (PNO) heraus entstanden ist. In Kürze wird es auch eine Erweiterung geben, die das Mapping auf PubSub und die Parametrierung von Safety Teilnehmern beschreibt. Das Besondere an dem Safety-Konzept für OPC UA ist unter anderem, dass sich sichere Teilnehmer auch während des laufenden Betriebs in die Kommunikation einbinden lassen, was in dieser Form bei herkömmlichen Safety-Protokollen nicht möglich ist.

Motion Facet

Erst vor wenigen Wochen wurde eine neue Arbeitsgruppe gegründet, die das Motion Facet (OPC UA Motion) spezifizieren wird. Das Motion Facet umfasst die Spezifikation von Bewegungssteuerungsfunktionen für verschiedenartige Motion-Geräte, wie Steuerungen, Standardantriebe, Frequenzumrichter und Servoantriebe. Das FLC Steering Committee hat sich darauf verständigt, hierzu auf den CIP-Motion- und Sercos-Spezifikationen aufzusetzen und diese an moderne Konzepte der Datenmodellierung und Echtzeit-Anforderungen anzupassen, sowie auch entsprechende Industrie-4.0-Anwendungsfälle zu berücksichtigen. 

Offline Engineering

Zudem steht bei der FLC-Intitiative das Offline-Engineering auf der To-do-Liste. Ziel ist: Feldgeräte über entsprechende Gerätebeschreibungsdateien in Projekte einzubinden, ohne dass diese zunächst physikalisch vorhanden sein müssen. Mit Hilfe von Produkt- und Konfigurations-Deskriptoren werden die Gerätebeschreibungen entsprechenden Konfigurationstools zugänglich gemacht. Die Spezifikationsarbeiten beginnen jedoch nicht ‚bei Null‘, sondern entsprechende Vorarbeiten und Erfahrungen der unterstützenden Automatisierungshersteller und Feldbus-Organisationen dienen als Basis.

Communication Facet

Peter Lutz ist Direktor Field Level Communication in der OPC Foundation.

© OPC Foundation

Ein wichtiges Thema für FLC ist die Fragestellung: Wie werden Verbin-dungen zwischen verschiedenen Automatisierungsgeräten hergestellt? Und wie lassen sich über diese Verbindungen mittels Pub/Sub entsprechende Daten austauschen?
Die Modellierung der Dienstgüte (QoS= Quality of Service) bietet eine Möglichkeit, Dienste flexibel auf unterlagerte Kommunikationsprotokolle – Layer 3 Mapping über UDP und direktes Layer 2 Mapping auf Ethernet TSN – und Übertragungsphysiken (SPE/APL) abzubilden. Dieser Ansatz erlaubt auch die einfache Erweiterung auf weitere unterlagerte Übertragungsstandards, darunter auch der drahtlose Datenaustausch über Funk, wie 5G und Wi-Fi-6. 

Eine besondere Bedeutung kommt der Kombination von OPC UA mit direktem Mapping auf ein unterlagertes Ethernet TSN zu: erst damit wird eine deterministische Datenübertragung über OPC UA in der Feldebene möglich. Eine Arbeitsgruppe unter Leitung des FLC Steering Committees erarbeitet aktuell, welche TSN-Substandards für die FLC-Endgeräte und Infrastruktur-komponenten als verpflichtend vorgeschrieben werden sollen, um die festgelegten Anforderungen an Performance, Flexibilität und Anwendungs-freundlichkeit zu erfüllen. Seitens der OPC Foundation gibt es ein klares Bekenntnis zum TSN-IA-Profil, das in der IEC/IEEE-60802-Arbeitsgruppe erarbeitet wird und zum Ziel hat, dass sich verschiedene Protokolle und Traffic Types über eine gemeinsame Netzwerk-Infrastruktur übertragen lassen. 
Diese Koexistenz ist nicht nur für die Konvergenz von IT und OT unabdingbar; sie ist auch ein wichtiger Aspekt bei der Migration bestehender ‚Brownfield‘-Lösungen auf Basis herkömmlicher Feldbus-Protokolle. 

Status quo und nächste Schritte

Die Arbeiten an der ersten Spezifikationsversion haben in den letzten Monaten – trotz Covid-19 und der damit einhergehenden Einschränkungen – gute Fortschritte erzielt. Die Basiskonzepte sind größtenteils verabschiedet und in erste Spezifikationsentwürfe eingeflossen. Noch im Juni soll ein erstes Technisches Dokument veröffentlicht werden, welches die FLC zugrunde-liegende Systemarchitektur und der beinhaltenden Komponenten erläutert. Für Juli/August ist dann der erste Release Candidate der FLC-Spezifikation mit Fokus auf C2C eingeplant, auf dessen Basis dann Prototypen implementiert und der Spezifikationsentwurf validiert werden kann. 
Parallel dazu startet auch eine Arbeitsgruppe, die entsprechende Testspezifikationen generieren soll, welche dann in einem zweiten Schritt in entsprechende Test-Cases für das OPC-UA-Zertifizierungstool (CTT) umgesetzt werden.