Die hinter Industrie 4.0 (I4.0) stehenden Branchenverbände veröffentlichten im April dieses Jahres zahlreiche Dokumente, von denen einige einen detaillierten Einblick in den aktuellen Diskussionsstand der Normierungs- und Standardisierungsarbeiten rund um dieses Thema bieten. Eines dieser Dokumente ist der VDMA-Leitfaden Industrie 4.0 Kommunikation mit OPC UA. Dieser Leitfaden erhebt den Anspruch, Maschinen- und Anlagenbauer sowie Betreiber bei der Einführung von Industrie-4.0-Kommunikation auf der Basis von OPC UA durch die Beschreibung von drei Migrationsschritten zu unterstützen. Dabei wird die Diskrepanz berücksichtigt, die durch die zum Teil sehr abstrakten – aber nach wie vor unvollständigen – I4.0-Konzepte und Spezifikationen der verschiedenen  Normierungsarbeitsgruppen und dem zunehmenden Wettbewerbsdruck durch die immer schneller voranschreitende Digitalisierung entsteht. Mit anderen Worten: Der VDMA-Leitfaden ist als pragmatischer Lösungsansatz einzuordnen. Insgesamt lässt sich das VDMA-Dokument als konkrete Handlungsempfehlung zu sehen,   um Erweiterungsnutzen (Value Added Services) für bereits existierende Produkte, Maschinen und Anlagen zu schaffen.

In drei Schritten zum Ziel

Insofern wird zunächst einmal klargestellt, dass es bei der ‚I4.0-Kommunikation‘ nicht um eine weitere Methode zum zeitkritischen Transport von Prozess- und Steuerungsdaten, sondern um grundlegend neue Konzepte wie beispielsweise serviceorientierte Architekturen (SOA) und Informationsmodelle geht. Damit können einzelne Komponenten, Maschinen und Anlagen ihre Dienste innerhalb eines IP-Netzwerks anbieten, um SOA-basiert zu abstrakteren Maschinen- und Anlagendiensten orchestriert zu werden. Aber auch „einfache und relativ bodenständige Anwendungen“ wie Condition Monitoring oder Energie-Effizienz-Optimierungen lassen sich per I4.0-Kommunikation als Value Added Services realisieren. Um Maschinen- und Anlagenbauer sowie Betreiber zur nachträglichen Integration und dem OPC-UA-Einsatz zu bewegen, zeigt der Leitfaden einen aus drei Schritten bestehenden Migrationspfad auf.

Erster Migrationsschritt:
Zunächst einmal müssen Anwender aus VDMA-Sicht ein IP-basiertes Netzwerk für den OPC-UA-Einsatz realisieren, das über den Nahbereich einer Maschine beziehungsweise Anlage hinausreicht und auch IT-Systeme wie MES und ERP einbezieht. Hierfür eignen sich laut Leitfaden ‚Ethernet, WLAN und 5G-Mobilfunk‘, wobei man auf 5G wohl noch ein paar Jahre warten muss und in der Zwischenzeit auch 4G ausreichen dürfte. In dieses erweiterte IP-Netzwerk wird nach entsprechender Konfiguration ein geeigneter OPC-UA-Server eingefügt, der über eine Verbindung zu mindestens einer SPS verfügt. Mit Hilfe des Servers kann dann der OPC-UA-Client eines MES-System auf die SPS-Daten zugreifen, um ein Condition Monitoring oder eine Energie-Effizienz-Überwachung zu realisieren. Der Leitfaden weist bei der Beschreibung des ersten Migrationsschritts auch auf die IT-Security hin und beschreibt, dass Anwender für die OPC-UA-Kommunikation zwischen Server und Client zum einen Zugriffsrechte konfigurieren und zum anderen Zertifikate erstellen und verwalten müssen.

Zweiter Migrationsschritt:
OPC UA ist in der Automatisierungstechnik der einzige etablierte Standard mit breiter Unterstützung, der auf Informationsmodellen basiert und neben dem protokollbasierten Datenzugriff umfassend vorgibt, wie solche Modelle dokumentiert, implementiert und referenziert werden. Ein OPC-UA-Informationsmodell bildet eine Obermenge unterschiedlicher Datenobjekte, also eine mehr oder weniger abstrakte Abbildung einzelner Knoten mit ihren Eigenschaften, Beziehungen und Operationen, die damit ausgeführt werden können. Da sich andere Standards in erster Linie auf die eigentlichen Kommunikationsregeln für Protokolle konzentrieren, sind Informationsmodelle genau das, was der M2M-Kommunikation bisher fehlte. Aus diesem Grund empfiehlt der VDMA-Leitfaden als zweiten Migrationsschritt auf dem Weg zur I4.0-Kommunikation den Herstellern sich innerhalb einer Branche zusammenzusetzen und jeweils eine einheitliche OPC-UA-Companion-Spezifikation zu entwickeln. Als Beispiel stellt der Verband EUROMAP 77 für Spritzgussmaschinen relativ ausführlich vor.

Dritter Migrationsschritt:
OPC UA differenziert drei unterschiedliche Kategorien für Informationsmodelle: Zum einen Informationsmodelle für Geräte (Devices) als Basis. Darauf aufbauend die bereits angesprochenen Companion-Spezifikationen und drittens übergeordnete erweiterte Informationsmodelle.

In einer einzigen OPC-UA-Anwendungen können mehrere dieser Modelle gleichzeitig zum Einsatz kommen. Insofern richtet sich der dritte Schritt im VDMA-Leitfaden in erster Linie an Komponentenhersteller und Maschinenbauer. Ihnen wird verdeutlicht, dass es trotz einer brancheneinheitlichen Companion-Spezifikation auch in Zukunft deutliche Unterscheidungsmerkmale zwischen funktional identischen Produkten geben kann. Hierfür eignen sich aus Sicht der Leitfaden-Autoren die erweiterten OPC-UA-Informationsmodelle. Sie ermöglichen einem Hersteller die Umsetzung geschützten Wissens, um sich vom Wettbewerb abzuheben.

Gerade die praktische Umsetzung der ersten beiden Migrationsschritte aus dem VDMA-Leitfadens verspricht einen interessanten Mehrwert. Sie erfordert aber auch sehr viel Detailarbeit, deren Komplexität und Kosten besonders von Anlagenbetreibern nicht unterschätzt werden sollten. Es ist zu berücksichtigen, dass sich bei den meisten existierenden Maschinen und Anlagen nicht ohne weiteres eine OPC-UA-Serverschnittstelle hinzufügen lässt, um auf die in den Steuerungen vorhandenen Daten zuzugreifen.

Details nicht unterschätzen

Auch wenn der Zugriff auf SPS-Daten durch ein nachträglich installiertes OPC-UA-Gateway ermöglicht wurde, ist noch nicht gewährleistet, dass die zur Verfügung stehenden Daten wirklich einen Mehrwert bieten, beziehungsweise ein brauchbares Informationsmodell ergeben. Unter Umständen muss in das SPS-Programm eingegriffen werden, um dem Gateway den Zugriff auf geeignete Daten zu ermöglichen. Vielfach müssen nachträglich sogar spezielle Sensoren hinzugefügt werden, um Daten für Condition Monitoring oder Predictive Maintenance zu gewinnen.

Insgesamt ist der VDMA-Leitfaden ein Schritt in die richtige Richtung. Durch das Hinzufügen OPC-UA-basierter Kommunikation lassen sich in vielen Maschinen und Anlagen geeignete Value Added Services schaffen, die die Gesamteffizienz steigern und auf diese Weise eine Investition zügig amortisieren. Aufgrund fehlender Detailvorgaben müssen allerdings vielfach die erforderlichen OPC-UA-Informationsmodelle gemäß den individuellen Bedürfnissen selbst definiert und gegebenenfalls zu einem späteren Zeitpunkt an dann existierende I4.0-Standards anpasst werden. Diese Probleme sind allerdings vertretbar, zumal es sich dabei lediglich um Konfigurationsänderungen handelt. Des Weiteren lässt sich die vom VDMA beschriebene OPC-UA-Kommunikation über zusätzliche Softwarekomponenten auch um eine I4.0-konforme Verwaltungsschale ergänzen, so dass der Schritt in Richtung Industrie 4.0 noch deutlicher ausfällt und der ZVEI-Leitfaden mit den Anforderungen an I4.0-Produkte gleich mit umgesetzt wird.

Autor:
Klaus-Dieter Walter ist Mitglied der Geschäftsführung bei SSV Software Systems.

Optionales I4.0-Fachwissen

Das Intensiv-Seminar Internet der Dinge (IoT), das als ‚Training for Professionals‘ am 19. und 20. Juli in Haar bei München stattfindet, erweitert sein Programm. Neben den Fragestellungen –

•  Wie sehen typische IoT-Architekturen und Referenzlösungen aus?
• Welche Protokolle, Datenformate und logische Schnittstellen (APIs) werden benötigt?
• Mit welchen physikalische Schnittstellen und Sensoren muss man sich befassen?
• Welche Wireless-Technologien sind für das IoT relevant?
• Wie sehen Beispiel-Anwendungen aus und wo liegt deren praktischer Nutzen?
• Wie funktioniert ‚Big Data‘ und welche Nutzungsmöglichkeiten sind denkbar?
• Wie lässt sich die erforderliche Security schaffen?
• Gibt es eigentlich international anerkannte Standards für das IoT?

– werden zusätzlich Industrial Internet of Things (IIoT)- beziehungsweise Indus­trie-4.0-Themen als optional wählbare Punkte in das Programm integriert.
So erhalten die Teilnehmer auf Wunsch auch Antworten auf die Fragen:

• Welche Möglichkeiten bietet Node-RED und wie kann ich die nutzen?
• Wie bekommt man Modbus-Sensordaten in eine Cloud?
• Wie kann ich OPC UA in ein existierendes Produkt integrieren?
• Welche Möglichkeiten bieten neue (I) IoT-Funkstandards wie LoRa und NB-IoT?

Zu diesen Fragestellungen sind Übungsbeispiele vorgesehen. So wird etwa ein vollständiger OPC-UA-Server realisiert und mit einem Informationsmodell für Sensoren ausgestattet, um anderen Anwendungen I4.0-konforme Zustandsdaten zur Verfügung zu stellen. Anmeldungen zum Intensiv-Seminar sind ab sofort möglich.