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IoT-Basics Welche Austauschformate und Standards gibt es? Überblick und Vergleich

| Autor / Redakteur: Olaf Sauer / Jürgen Schreier

Parallel zur Fertigungswelt entstehen derzeit Plattformen für das industrielle Internet der Dinge (IIOT). Mit ihnen soll es möglich sein, Fertigungsdaten zu sammeln und auszuwerten. Problem: Für viele dieser Plattformen ist der Zugang zu Daten aus Maschinen und Produktionsanlagen schwierig. Abhilfe schaffen offene Standards wie AutomationML und OPC UA.

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Anlagen- und Steuerungsinformationen können in ein standardisiertes Format überführt werden, um daraus alle relevanten Informationen zur automatischen Konfiguration von Fertigungsmanagement-Systemen abzuleiten.
Anlagen- und Steuerungsinformationen können in ein standardisiertes Format überführt werden, um daraus alle relevanten Informationen zur automatischen Konfiguration von Fertigungsmanagement-Systemen abzuleiten.
(Bild: Pixabay / CC0 )

Heute ist es möglich, Anlagen- und Steuerungsinformationen auszulesen, in ein standardisiertes Format zu überführen und daraus alle relevanten Informationen zur automatischen Konfiguration von Fertigungsmanagement-Systemen abzuleiten. Beispielsweise kann die Projektierung von Leitsystemen bis hin zur Generierung von Prozessführungsbildern mit allen relevanten Anbindungsinformationen automatisiert werden. Die gewählten Technologien dafür sind AutomationML und OPC UA, beides offene IEC-Standards.

Eine vorgeschlagene Lösung für die «Sprachenvielfalt»
Eine vorgeschlagene Lösung für die «Sprachenvielfalt»
(Bild: Verfasser )

AutomationML: Basisformat zur Beschreibung von Industrie-4.0-Komponenten?

Ursprünglich als Austauschformat für Engineering-Daten gestartet, haben die Industrie- und Forschungspartner des AutomationML-Vereins AutomationML zu einem mächtigen Beschreibungsformat entwickelt und in die internationale Standardisierung (IEC 62 714) gebracht. AutomationML ist ein offener Standard, das bedeutet jedes Unternehmen kann es sofort und kostenfrei verwenden [III.6].

Im PLUGandWORK-Kontext wird AutomationML genutzt zur Selbstbeschreibung von Geräten, Maschinen und Anlagen sowie von Steuerungen und Netzwerkkomponenten, entsprechend einer Gliederung nach Produkten, Prozessen und Ressourcen. Dies umfasst die Geometrie und Kinematik der Objekte einer Fabrik, deren Logik und Verhalten sowie logische und physische Schnittstellen. Auch Rollen und damit Zugriffsrechte auf Daten können über AutomationML bis auf Datenpunktebene beschrieben werden.

Ein übergeordnetes AutomationML-Modell integriert die Einzelmodelle. Es bildet das Zusammenspiel von Fabrik, Linien, Anlagen, der Topologie und der Einbindung in das Fabriknetzwerk ab. AutomationML hat das Potenzial, sich zu einem Basisformat zur Beschreibung von Industrie-4.0-Komponenten zu entwickeln [III.7]. In Kombination mit dem Kommunikationsprotokoll OPC UA bildet es eine Schlüsselkomponente für semantische Interoperabilität, d.h. für verständlichen, durchgängigen und echtzeitfähigen Datenaustausch für das industrielle Internet der Dinge.

OPC UA umfasst zukunftsorientierte IT-Sicherheitsmechanismen

Mit der OPC Unified Architecture (OPC UA) steht ein moderner und leistungsfähiger Kommunikationsstandard zur Verfügung, der sich stetig in der produzierenden Industrie weltweit durchsetzt. Dieser Standard nach IEC 62 541 bietet vernetzte Informationsmodelle und erlaubt ereignisgesteuerte Kommunikation zwischen Servern und Clients der industriellen Informationstechnik. OPC UA umfasst zukunftsorientierte IT-Sicherheitsmechanismen, sodass Daten sicher zwischen verschiedenen Standorten verschickt werden können. Modelle aus der Planung, z.B. AutomationML,können entsprechend der gemeinsamen «Companion Specification» von AutomationML e.V. und der OPC Foundation in ein Informationsmodell von OPC UA überführt werden.

Dass OPC UA bis auf Chip-Ebene skalierbar ist und darum auch auf eingebetteten Systemen eingesetzt werden kann, haben Entwickler des Centrums für Industrial IT (CIIT) am Beispiel des dort entwickelten Tiger-Chips gezeigt [III.8]. Für industrielle Anwendungen in der Industrie 4.0 hat OPC UA seine Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt und verbreitet sich in produzierenden Unternehmen [III.9].

Beide Standards haben das Potenzial, Industrie-4.0-Komponenten so zu beschreiben, dass sie interoperabel eingesetzt werden. AutomationML könnte beispielsweise eingesetzt werden, um das sog. Manifest einer Industrie-4.0-Komponente zu beschreiben («extern zugänglicher definierter Satz von Metainformationen, der Auskunft über die funktionalen und nicht-funktionalen Eigenschaften der I-4.0-Komponente gibt») [III.10]. OPC UA kann für den sog. Komponenten-Manager genutzt werden. Natürlich ist die Beschreibung der Industrie-4.0-Verwaltungsschale nicht allein auf diese zwei Standards beschränkt.

IIoT-Adapter zum Nachrüsten von Bestandsmaschinen

Eine besondere Herausforderung von Industrie 4.0 liegt darin, bestehende Maschinen und Anlagen kommunikationsfähig zu machen. Während Hersteller in Neuanlagen geeignete Kommunikationsschnittstellen einbauen und liefern können, müssen Bestandsanlagen ggfs. nachgerüstet werden.

Hauptschwierigkeiten dabei sind, den laufenden Betrieb nicht zu stören und die Gewährleistung des Maschinenlieferanten zu erhalten. Die Maschinen müssen also nachträglich so befähigt werden, dass die Betreiber einfach einen «Adapter» nachrüsten, mit dem die Maschine Daten nach außen kommunizieren kann. Diese Nachrüstlösungen werden heute unter den Bezeichnungen IIoT-Adapter, Gateways oder Middleware-Lösungen beworben. Im Kern geht es dabei darum, die Forderung nach Interoperabilität zu erfüllen.

Die meisten marktgängigen Produkte setzen darauf, OPC UA als Kommunikationsstandard für Industrie 4.0 zu nutzen und vorhandene Protokolle bestehender Maschinen und Anlagen einfach auf OPC UA umzusetzen, wie beispielsweise:

  • Modbus,
  • CanOpen,
  • Profinet,
  • Profibus,
  • IO-Link,
  • oder Ethercat.

Allerdings ist es für Industrie 4.0 nicht ausreichend, Geräte allein zum Datenaustausch zu befähigen. In der Kommunikation muss auch klar sein, was die ausgetauschten Daten bedeuten. Also benötigt man für Industrie 4.0 eine semantische Beschreibung von Maschinen und Produktionsanlagen.

Aufgrund der oben beschriebenen Vielfalt an Geräten, Maschinen, Steuerungen und Engineering-Werkzeugen, z.B. zur Steuerungsprogrammierung, bietet es sich daher an, ein universelles Datenaustauschformat zu nutzen. Beispielsweise können Ingenieure und Planer Fähigkeiten und Datenbedeutungen von Maschinen und Anlagen wie oben beschrieben mit AutomationML nach IEC 62 714 beschreiben, so dass auch andere Datenabnehmer sie verstehen und verarbeiten können. Anwendungsmöglichkeiten solcher Selbstbeschreibungen sind schnelle Inbetriebnahmen, das Mitliefern der Dokumentation zur Maschine oder Anlage und die Nutzung der Selbstbeschreibungen zur Konfiguration anderer IT-Systeme, z.B. Visualisierungen oder Leitsysteme.

PLUGandWORK-Cube basiert auf SIMATIC-Hardware

Wirklich Industrie-4.0-taugliche Nachrüstlösungen umfassen also eine modellhafte Beschreibung der Maschinen und Anlagen und deren Daten sowie eine geeignete zukunftsfähige Kommunikationslösung. Auch hierfür ist bereits eine mögliche Lösung verfügbar: der «PLUGandWORK-Cube»). Mit ihm können produzierende Unternehmen ihre Maschinen nachrüsten, so dass sie den Kommunikationsstandard OPC UA «sprechen», und zwar inklusive der Gerätebeschreibung als AutomationML-Modell. Das Abbild der Maschinen und Anlagen steckt also als Informationsmodell nach der OPC UA Companion Specification «OPC Unified Architecture for AutomationML» [III.11] im PLUGandWORK-Cube.

Dieser baut automatisch seinen Adressraum mittels Informationsmodell nach AutomationML auf und bietet eine vereinheitlichte Kommunikation nach außen über OPC UA, z.B. zum MES. Über verschiedene Kommunikationskanäle wird die Prozessankopplung realisiert, z.B. wenn Steuerungen unterschiedlicher Hersteller angekoppelt werden sollen.

Die Performanz ist dabei beispielsweise abhängig von der Anzahl der SPS-Variablen oder dem Abfragezyklus zur SPS. Schon heute sind folgende Kanäle verfügbar: OPC UA Client, Siemens S7, ODBC, OPC DA. Die aktuelle Hardware-Basis des PLUGandWORK-Cubes ist ein kompakter SIMATIC-Industrie-PC (IPC227E) mit dem Betriebssystem Windows, aber darauf nicht beschränkt.

Mit dem PLUGandWORK-Cube sind weitere Dienste nutzbar, beispielsweise die Generierung von WinCC- oder ProVis.Visu-Prozessführungsbildern auf Basis der AutomationML Modelle einschließlich der Kopplung an den aggregierenden OPC-UA-Server des Cubes. Auch die Konvertierung von AutomationML-Modellen in die XML-Repräsentation der OPC-UA-Informationsmodelle nach den Regeln in [III.11] kann als Dienst erfolgen. Weiterhin sind zur Erstellung der benötigten AutomationML-Modelle verschiedene Assistenztools verfügbar, z.B.

  • Plug-ins für den offiziellen AutomationML-Editor, z.B. zur geführten Erstellung von AutomationML-Modellen nach individuellen Vorgaben oder zur Zusammenführung mehrerer AutomationML-Modelle,
  • Prüfung der Modelle auf Konformität zur IEC-Spezifikation IEC 62 714-1, den zugehörigen XML-Schemata sowie Hinweise zur Korrektur der Modelle und Autokorrekturmechanismen bei Abweichungen von der Spezifikation,
  • Importfunktionen für weitere toolspezifische Schnittstellen, z.B. Grafikdaten (Format DXF), csv, XML, Microsoft-Excel, Datenbank, API usw.

Quellen/Literatur

  • [III.6] LÜDER, ARNDT: AutomationML im Industriekontext. Vortragsunterlagen zum 12. Fachkongress Digitale Fabrik. München: Süddeutscher Verlag GmbH, 2016.
  • [III.7] FAY, ALEXANDER; DIEDRICH, CHRISTIAN; THRON, MARIO, et al.: Wie bekommt Industrie 4.0 Bedeutung? Normen und Standards als semantische Basis. atp edition. Automatisierungstechnische Praxis. Band 57 (2015), Nr. 7/8, S. 30–43.
  • [III.8] FUCHS, PETER; PIEPER, CARSTEN: Der Tiger im Automatisierungsnetzwerk. Mit Single-Chip-Lösung Profinet in Feldgeräte und Antriebe integrieren. Elektronik, Band 60 (2011), Nr. 24, S. 34–37.
  • [III.9] KLEIN, ALEXANDER; WOLTERS, FELIX; DEDERICHS, STEFANIE, et al.: Welcher Kommunikationsstandard für künftige Industrie-4.0-Fabriken? VDI-Z Integrierte Produktion, Band 158 (2016), Nr. 12, S. 18–23.
  • [III.10] Statusreport: Industrie 4.0 – Technical Assets. Grundlegende Begriffe, Konzepte, Lebenszyklen und Verwaltung, Düsseldorf: VDI e.V., November 2015.

Fachbuch „Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen“

Dieser Beitrag stammt aus den dem Fachbuch „Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen“ von Thomas Schulz (Hrsg.) Das Buch bietet dem Professional einen praxisorientierten und umfassenden Einblick in die Digitalisierung der Fertigung und der Produktion.

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