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IoT-Basics Was ist PLUGandWORK? Definition, Funktion und Bedeutung für Industrie 4.0

Autor / Redakteur: Olaf Sauer / Jürgen Schreier

PLUGandWORK ist eine neue Grundidee um den Informationsaustausch in der Industrie 4.0 zu vereinfachen. Was PLUGandWORK genau ist, wie es funktioniert und welche Bedeutung es für die Industrie 4.0 hat, finden Sie in diesem Beitrag.

Sollen bei Industrie 4.0 Geräte und Komponenten interoperabel sein, so ist die Bedeutung ihrer Daten modellhaft zu beschreiben und für den Anwender verfügbar abzulegen oder mit dem Gerät auszuliefern.
Sollen bei Industrie 4.0 Geräte und Komponenten interoperabel sein, so ist die Bedeutung ihrer Daten modellhaft zu beschreiben und für den Anwender verfügbar abzulegen oder mit dem Gerät auszuliefern.
(Bild: Pixabay / CC0 )

Unterschiedliche Bussysteme, Kommunikationsprotokolle und Netzwerktechnologien erschweren den durchgängigen Informationsaustausch von der Feldebene über die Leitebene bis zur Planungsebene. Die Folge: Daten werden nicht genutzt oder doppelt erfasst. Diesem entgegen steht die Grundidee von PLUGandWORK.

Definition - Was ist PLUGandWORK?

Aber was ist PLUGandWORK?

Die Grundidee von Cyber-physischen Produktionssystemen ist, dass sich Maschinen- und Anlagen oder einzelne Komponenten, beispielswese Spindeln, Greifer oder andere Feldgeräte, selbständig unter Nutzung von Mechanismen der Selbstkonfiguration in die Produktion integrieren, ohne dass ein Ingenieur oder Softwareentwickler eingreift. Dieses Prinzip wird als Plug and Work bezeichnet.

In der industriellen Produktion entstehen Daten in den unterschiedlichen Ebenen der Fertigung. Viele unterschiedliche Bussysteme, Kommunikationsprotokolle und Netzwerktechnologien erschweren den durchgängigen Informationsaustausch von der Feldebene über die Leitebene bis zur Planungsebene. Daher werden die in den verschiedenen Systemen anfallenden Datenbestände vielfach nicht genutzt oder doppelt erfasst. Schon lange vor der Diskussion um Industrie 4.0 besteht jedoch die Aufgabe, manuelle Tätigkeiten zur Konfiguration von Leitsystemen zu reduzieren und ihr Engineering zu rationalisieren. Begonnen haben die PLUGandWORK-Arbeiten an ProVis.Agent, dem Leitsystem zur Bedienung und Beobachtung von automatisierten Anlagen in der Automobilproduktion. Es besteht aus einem Laufzeitsystem und der zugehörigen Engineering- oder Projektierungskomponente, mit der Anlagen, E/A-Datenpunkte und Prozessführungsbilder (Beispiel siehe Bild 1 in der Bildergalerie.) projektiert werden [III.24].

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Bildergalerie mit 5 Bildern

Am Beispiel von OPC Classic ist der Ist-Zustand in heutigen Unternehmen mit seinen Systembrüchen und manuellen Eingriffen in Bild 5.2 dargestellt: Zur Kommunikation zwischen Maschine und MES ist zunächst die IP-Adresse der einzubindenden Steuerung im Netzwerk zu veröffentlichen. Danach muss der steuerungsspezifische OPC-Server dem Client, auf dem die betriebliche Anwendung läuft, bekannt gegeben werden. Im nachfolgenden Schritt sind aus dem vom OPC-Server bereitgestellten Variablenhaushalt über einen Browser alle relevanten Variablen manuell auszuwählen und mit dem vorab erstellten Prozessabbild zu verbinden (Bild 5.2). Die aktuelle Situation ist also gekennzeichnet durch eine überwiegend manuelle Projektierung sowie manuelle Konfigurationen von Anlagensteuerungen und übergeordneten IT-Systemen.

Aufgrund der hier beschriebenen manuellen Vorgehensweise entstand die Grundidee von PLUGandWORK: Daten, die zur Projektierung von Leit- und MES-Systemen erforderlich sind, sollen in einem neutralen Austauschformat aus verschiedenen Engineering-Systemen, die Maschinen- und Anlagenhersteller nutzen, ausgelesen und der MES-Projektierung zur Verfügung gestellt werden, und zwar weitestgehend systemunabhängig.

PLUGandWORK setzt auf AutomationML und OPC UA

Die Arbeiten zu universellen Schnittstellenbausteinen von Produktionsanlagen sind langfristig aufeinander aufgebaut und orientieren sich an einer langfristig orientierten Entwicklungsroadmap (Bild 3). Es wird konsequent die Idee verfolgt, Maschinen und Anlagen und deren Fähigkeiten in einer standardisierten und maschinenlesbaren «Sprache» zu modellieren und diese Modelle zur Konfiguration produktionsnaher IT-Systeme oder IIOT-Plattformen weiter zu verwenden. Stets werden dabei Ergebnisse aus Forschungs-/Entwicklungs- und Industrieprojekten in die Standardisierung und Normung eingebracht, sodass der Stand der Technik für interessierte Nutzer jederzeit verfügbar ist. Ziel aller Arbeiten ist es außerdem, offene Industriestandards zu nutzen, um die Hemmschwelle für anwendende Unternehmen so niedrig wie möglich zu halten.

Kern der PLUGandWORK-Lösungen ist die Konfigurations-Datenbank (Bild 4). Sie enthält Konfigurationsdaten in Form der Selbstbeschreibungen für verschiedene Maschinen- und Steuerungstypen. Realisiert als lernendes System, erleichtert und unterstützt sie die Verbindung zwischen Maschinen und Anlagen mit den überlagerten IT-Systemen, je mehr Konfigurationselemente von Steuerungen und Maschinen sie umfasst. Auch für nachzurüstende Maschinen und Anlagen geeignet, enthält die Datenbasis aus Symboltabellen und Hardware-Konfigurationsdateien konvertierte Schablonen und Modelle, die umgehend in die jeweiligen Informationsmodelle der Kommunikationsserver umgesetzt werden. PLUGandWORK setzt auf AutomationML zur Modellierung und

Zweiter Bestandteil – neben der standardbasierten Kommunikation von Maschinen und Komponenten – von PLUGandWORK ist die Generierung von Prozessführungsbildern für Visualisierungssysteme (HMI) aus den Selbstbeschreibungen. Aus Geometrie- und Topologiedaten wird über die AutomationML-Sprachkonstrukte die Visualisierung zur Laufzeit generiert (Bild 5).

Selbstbeschreibung und OPC UA zur Kommunikation der Konfigurations- und Laufzeitdaten.

Selbst kurzfristige Änderungen an der Hardware werden über das Modell aufgenommen und sofort in das neue HMI umgesetzt [III.25]. Am Beispiel standardisierter, flexibler und adaptiver Fördertechnikmodule soll dies kurz erläutert werden: Voraussetzung sind modulare Fördertechnikeinheiten für Behälter, Kartons oder Paletten, die nach dem Baukastenprinzip zu einer Förderanlage zusammengebaut werden. Aktuell sind insgesamt 14 Fördermodule verfügbar, die jeweils zu einer vordefinierten Baureihe gehören.

Die Baureihe bildet dabei unterschiedliche Längen, Breiten und ggf. Winkel in einer vordefinierten Größenabstufung ab. Damit aus den 14 Fördermodulen und dessen Baureihen unterschiedliche Förderanlagen zusammengebaut werden können, sind die Fördermodule nach außen modular aufgebaut: Sie sind beliebig miteinander kombinierbar. Dafür sind sie mit einheitlichen mechanischen und elektrischen Schnittstellen versehen.

PLUGandWORK für Industrie 4.0 erfordert neues Engineering von Maschinen

Analog zu dem oben beschriebenen Beispiel der modularen Industriewaschmaschinen sind auch hier Hardware und Software modular aufgebaut – jedes Fördertechnik-Modul enthält einen eigenen Controller mit dem zugehörigen Modell des jeweiligen Moduls. Die Module kommunizieren untereinander über Ethernet. Zur Generierung der Prozessführungsbilder in unterschiedlichen Visualisierungssystemen sind Topologiedaten, Topographie, Struktur, Geometrie und EA-Anbindung Teil der Selbstbeschreibung.

Mit den beschriebenen Lösungsbausteinen Selbstbeschreibung, Kommunikationserstellung und Visualisierungsgenerierung sparen Anlagenbetreiber, Systemintegratoren, Maschinen- und Anlagenbauer, Komponentenhersteller und Anbieter produktionsnaher IT-Systeme Engineering- Aufwände bei der Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen und bei Änderungen in der Produktion.

Sollen beiIndustrie 4.0 Geräte und Komponenten interoperabel sein, so ist die Bedeutung ihrer Daten modellhaft zu beschreiben und für den Anwender verfügbar abzulegen oder mit dem Gerät auszuliefern. Für Maschinen- und Anlagenhersteller wird Software zukünftig zum eigenständigen Bestandteil des Produktportfolios werden – mit den Herausforderungen eines professionellen Software-Entwicklungsprozesses, Qualitätssicherung für Software, Modellen für Software-Wartung und -Service bis hin zur Anpassung der Vertriebsorganisation, die IKT-Produkte und deren Nutzen verkaufen kann. Produkte, Produktionsanlagen und -prozesse, deren Steuerungen und überlagerte Anwendungen sind heute mit IT durchzogen – allerdings entwickeln sie sich unabhängig voneinander; insofern benötigt die produzierende Industrie für morgen und übermorgen Methoden, Werkzeuge und Softwarekomponenten zur Synchronisierung dieser drei essenziellen Bereiche von Produktionsunternehmen und der sie unterstützenden IT-Systeme PLM, Digitale Fabrik und MES.

PLUGandWORK für Industrie 4.0 erfordert auch ein neues Engineering von Maschinen, Anlagen und Komponenten. Da jedes mechatronische Element Software-relevante Anteile in Form von eingebetteten Systemen oder Steuerungscode enthält, stellen sich auch hier Fragen der Interoperabilität und des durchgängigen Datenmanagements für den späteren Betrieb der Anlage in der Produktion. Mechatronische Elemente sind die Komponenten von Produktionsanlagen; damit enthalten sie die Grundinformationen über die Geometrie, die Kinematik sowie die Logik der Anlage. Soll die Anlage als virtuelles Modell abgebildet werden, erfordert dies das Vorhandensein elektronischer Daten über die jeweiligen Komponenten, wie beispielsweise:

  • als CAD-Zeichnung,
  • Verdrahtungsplan,
  • SPS-Code,
  • Datenblätter usw. [III.26].

Idealzustand: Gerätetypen sind herstellerübergreifend definiert

Um eine interdisziplinäre Zusammenarbeit bei der Anlagenentwicklung und -Inbetriebnahme zu ermöglichen, ist eine ganzheitliche, mechatronische Sicht auf Daten von Produkten, Prozessen und Ressourcen entlang des gesamten Lebenszyklus der Fertigungsanlage Voraussetzung. Über ein Datenmanagement werden alle relevanten Daten und Modelle zugänglich gemacht. Eine Aufgabe des Datenmanagements ist das Änderungsmanagement, sodass mehrere Anwender parallel an einem Modell arbeiten können (Multi-User-Management). Neue Projekte werden aus Standardkomponenten und Regeln aufgebaut, die in einer mechatronischen Bibliothek abgelegt sind. Der Inhalt dieser Bibliothek wächst mit jedem Projekt um neu erstellte Komponenten.

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Ideal wäre es, wenn Geräte- oder Maschinentypen herstellerübergreifend definiert sind, über welche Eigenschaften, Fähigkeiten und letztlich Attribute sie verfügen. Ein Beispiel dafür ist die Companion Specification für Auto-ID-Geräte, die gemeinsam vom Arbeitskreis des AIM Deutschland (Association for Automatic Identification and Mobility) und der OPC Foundation erarbeitet wurde [III.27]. Für andere Geräteklassen oder Maschinentypen existiert aktuell Standardisierungsbedarf.

Die Möglichkeiten, um die digitale Transformation aktiv im eigenen Unternehmen zu gestalten, z.B. datenbasierte Produkte und Dienstleistungen zu entwickeln, bestehende Produkte mit Datenträgern und Kommunikationsmöglichkeiten aufzuwerten, die bestehende Organisation in eine Industrie-4.0-Organisation umzuwandeln oder völlig neue Geschäftsmodelle zu entwickeln, sind ausführlich in [III.28] beschrieben. Es gibt allerdings kein allgemeingültiges Rezept: Industrie 4.0 ist für jedes Unternehmen, seine Kunden, Produkte und Kultur individuell auszugestalten.

Quellen/Literatur

  • [III.24] EBEL, MIRIAM; DRATH, RAINER; SAUER, OLAF: Automatische Projektierung eines Produktionsleitsystems der Fertigungstechnik mit Hilfe des Datenaustauschformats CAEX. In: atp edition Automatisierungstechnische Praxis. Band 50 (2008), Nr. 5, S. 40–47.
  • [III.25] SCHLEIPEN, MIRIAM; OKON, MICHAEL; HÖVELMEYER, THOMAS, et al.: PCFF – PLUG&Control für flexible Fördertechnik. In: JASPERNEITE, JÜRGEN; JUMAR, ULRICH (Hrsg.): Jahreskolloquium Kommunikation in der Automation (KommA 2014). Lemgo, November 2014.
  • [III.26] VDI 4499 Digitale Fabrik – Blatt 2: Digitaler Fabrikbetrieb. Berlin: Beuth Verlag GmbH, Mai 2011.
  • [III.27] OPC Unified Architecture for AutoID Companion Specification, Release 1.00. Lampertheim: AIMDeutschland e.V., Verl: OPC Foundation Europe, April 2016.
  • [III.28] JUNG, HANS H.; KRAFT, PATRICIA: Digital vernetzt. Transformation der Wertschöpfung. München: Carl Hanser Verlag GmbH, 2017.

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