Coded Concepts: OPC UA Modellierung

OPC-UA ist der Megatrend in der Automatisierung (OPC UA kurz erklärt im Video: https://youtu.be/-tDGzwsBokY ). Im Grunde geht es bei OPC UA darum, durch einen standardisierten Datenaustausch zwischen Maschinen (M2M) aber vor allem auch mit beliebigen produktionsnahen IT-Systemen (HMI, ERP, MES, Cloud-Diensten etc.), neue Services für den Maschinenbetrieb bereitstellen zu können.

So weit, so gut. Doch was sich auf dem Papier oder als Zukunftsvision von der smarten Fertigung so einfach und schön anhört, davon sind wir in der Wirklichkeit momentan noch weit entfernt. Was ist etwa mit der Anbindung von Bestandsmaschinen? Was ist mit sog. Brownfield-Anlagen? Wie lassen sich die neuen Möglichkeiten der Digitalisierung auch hier nutzenorientiert in bestehende Software- und Architekturkonzepte eingliedern? Wie lassen sich Altmaschinen und Anlagen über Gateways oder Edge Devices IoT-fähig machen? Und – das ist vielleicht die wichtigste Frage - welche Informationen wollen wir überhaupt austauschen und wie wollen wir sie sinnvoll strukturieren? Welche Daten sind wirklich relevant für ein effizientes Shopfloor Management?

Die Vernetzung über OPC UA steht und fällt mit den sogenannten Informationsmodellen, die – so der Wunsch – für semantische Interoperabilität und volle Transparenz zwischen allen miteinander vernetzten Maschinen und Systemen sorgen. Diese Standards werden derzeit von Technologieunternehmen und Branchenverbänden (VDMA, VDW) formuliert. Dieses kurze Video des VDMA erklärt kurz, was eine sog. Companion Specification ist: https://youtu.be/PXoNdU9C2oU. Doch wirklich praktisch nutzbar sind diese Companion Specifications momentan noch nicht, solange sie sich nicht etablieren konnten und branchenübergreifend von allen Herstellern supportet werden. Zur automatica 2018 veröffentlichte der VDMA bspw. die erste Version seiner Companion Specifications für Robotik und industrielle Bildverarbeitung. Auch für einzelne Branchen wie die Kunststoff- und Gummimaschinen existieren bereits erste OPC UA Schnittstellenstandards. Der VDW arbeitet derzeit an einem Schnittstellenstandard für Werkzeugmaschinen.

Soll man daher mit der Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen noch warten, bis wir global einheitliche Standards z.B. für Werkzeugmaschinen haben? Wir glauben, dass die Möglichkeit, Daten einfach zu modellieren, eine der großen Stärken von OPC UA ist. Und wir bei Eckelmann arbeiten derzeit daran, verallgemeinerte Informationsmodelle für Maschinen zu erarbeiten und in flexibel skalierbaren Server-Client-Architekturen für unsere Kunden verfügbar zu machen, auf die dann z.B. unser Machine Management System als ein möglicher Client zugreifen kann. Übrigens, auch ohne standardisierte Informationsmodelle hält OPC-UA schon eine Menge Vorteile bereit: Ob Verbindungsaufbau- und -überwachung, Sicherheit und Datenformatierung, OPC-UA bietet standardisierte Lösungen für die M2M-Kommunikation. Allein das vereinfacht das Engineering bei Integrationsprojekten.

Hierzu integrieren wir über einen speziellen vorgelagerten Datenservice sowohl Systeme und Devices, die bereits den OPC-UA Standard unterstützen (wie z.B. die E°EXC 89), können aber auch Daten aus beliebigen anderen Quellen in unser OPC UA Informationsmodell übernehmen. Dies macht unser Konzept so interessant für Brownfield-Projekte. Das heißt jedoch nicht, dass wir ein proprietäres digitales Ökosystem aufbauen, das sich nicht mit den aktuellen und künftigen Companion Specifications versteht. Alle in der CNC-Fertigung relevanten OPC UA Standards wird Eckelmann künftig auch implementieren und unterstützen.
So schaffen wir uns einen funktionalen Digitalen Zwilling von Maschinen und Anlagen, der beliebige Informationen aus Steuerung, Sensorik & Aktorik, HMI oder überlagerten Systemen enthält, und zwar in semantisch strukturierter Form und mit den Vorteilen, die aus der objektorientierten Programmierung bekannt sind (Vererbung, Kapselung, Wiederverwendung …). Durch das hinterlegte Informationsmodell wissen Server und Clients gleich, was die übermittelten Daten bedeuten bzw. wie sie sie richtig einzuordnen haben. Dank des OPC UA-Modus „Sign“ ist übrigens auch eine Übertragung über eine zusätzliche Sicherheitsschicht möglich, was zufällige Fehler oder absichtliche Manipulationen ausschließt.

Diese Informationen können vielseitig genutzt werden. So lassen sich z.B. Produktionsprozesse durch das Monitoring des Maschinenstatus besser planen und steuern. So können etwa in Echtzeit Informationen bereit gestellt werden, wann eine Maschine, die derzeit einen Auftrag bearbeitet (operate), voraussichtlich wieder in den Status (waiting for order) wechselt. Auch wichtige KPI wie die Standzeiten von Werkzeugen oder die Maschinenauslastung lassen sich aus unserem generischen Informationsmodell für Maschinen ableiten. Ein weiterer wichtiger Vorteil des Informationsmodells ist, dass sich Daten einheitlich anzeigen, verarbeiten, speichern und analysieren lassen. Dies ist für HMI- oder SCAD-Systeme ebenso interessant wie für Real-Time Intelligence-Anwendungen, die zum Beispiel über Cloud-KI-Dienste realisiert werden können.