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Industrie 4.0: Herausforderung der einheitlichen Kommunikation von Maschinen und Komponenten

Industrie 4.0: Herausforderung Der Einheitlichen Kommunikation Von Maschinen Und Komponenten

Im Rahmen von Industrie 4.0 werden für produzierende Unternehmen viele Veränderungen nötig, insbesondere was die IT-Infrastruktur angeht. Maschinen und IT-Systeme müssen miteinander verständlich kommunizieren. Ein gefragter Experte auf diesem Gebiet ist Dr.-Ing. Olaf Sauer. In seinem Gastbeitrag gibt er eine Einschätzung, vor welche Herausforderungen uns die Vernetzung der Systeme stellen wird und wie wichtig beispielsweise eine einheitliche Sprache für die Maschinenkomponenten ist.

Dr.-Ing. Olaf Sauer ist seit 2012 im Fraunhofer IOSB Stellvertreter des Institutsleiters und verantwortlich für Geschäftsentwicklung, Marketing & Vertrieb mit dem Schwerpunkt Automatisierung. Als Lehrbeauftragter am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Vorsitzender des Fachbereichs Informationstechnik des VDI und Mitglied des Vorstandes der Wirtschaftsstiftung Südwest kennt er die Herausforderungen von Industrie 4.0.

Dr.-Ing. Olaf Sauer

Dr.-Ing. Olaf Sauer

Verbinden Sie Maschinen mit überlagerten IT-Systemen

Die angestrebte internetbasierte Vernetzung in der Industrie 4.0 erfordert, dass Ihre Maschinen und deren Komponenten als Datenquellen eine eindeutige und maschinenlesbare Selbstbeschreibung mitbringen. Diese Sprache beschreibt den Inhalt der Daten, die eine Maschine bereitstellen kann: eine Art „Maschinentreiber“. Diese Treiber sind erforderlich, wenn Maschinen und Anlagen miteinander vernetzt oder an ein überlagertes SCADA-, Leit- oder MES-System angeschlossen werden. Sofern es diese Maschinentreiber nicht gibt, wie das heute häufig der Fall ist, muss sich der Betreiber oder Systemintegrator mit der sprichwörtlichen babylonischen Sprachvielfalt seiner Maschinen und Anlagen plagen (Bild 1).

An dieser Sprachvielfalt müssen Sie arbeiten

Außer den verschiedenen Maschinen, deren Steuerungen und damit proprietären Datenbezeichnungen existieren in der Fabrik viele heterogene IT-Systeme mit meist proprietären Schnittstellen, die bei jeder Änderung manuell angepasst werden. Wenn sich Industrie 4.0 also zielgerichtet und auf breiter Basis durchsetzen soll, muss die produzierende Industrie die Sprachvielfalt beherrschen.

Maschinen-Kommunikation
Bild 1: Herausforderung der ‚Sprachvielfalt‘ in der Produktion

Da der Maschinen- und Anlagenbau mittelständisch geprägt ist, erhalten Produktionsbetriebe ihre Maschinen von diversen Lieferanten. Dementsprechend sind die Anlagen heterogen ausgestattet: mit unterschiedlichen Steuerungen, diversen Kommunikationsprotokollen und/oder Feldbussystemen, etc. Ein Plug-and-play mit automatischen Konfigurationsverfahren wie in der PC-Welt mit USB-Anschlüssen existiert nicht. Die Verbindung zwischen Anlagensteuerung und überlagertem IT-System ist weitgehend starr und anlagenspezifisch konfiguriert. Daraus resultiert ein hoher Konfigurationsaufwand bei der Erstinbetriebnahme und bei jeder Anpassung der Produktionsanlage an neue Randbedingungen.

Planungssysteme haben einen entscheidenden Vorteil

Nutzt jedoch der Maschinen- und Anlagenhersteller Planungssysteme, die während des Engineering-Prozesses Daten erzeugen (mechanische und elektrische Anlagenkonstruktion sowie Steuerungsprogrammierung) und die zur Projektierung produktionsnaher IT-Systeme seiner Kunden erforderlich sind, werden diese Daten Teil der Selbstbeschreibung oder des Maschinentreibers. Diese herstellerspezifischen Daten können zusätzlich angereichert werden um Kontextinformationen, beispielsweise aus den Werkzeugen der übergreifenden Elektroplanung oder der Materialfluss- und Layoutplanung. Falls Layouts bereits in ‚strukturierter Form‘ vorliegen – d.h. deren Elemente als einzeln adressierbare Objekte abgelegt sind – können aus den Layouts zielgerichtet Elemente für Anlagenvisualisierungs- bzw. Prozessführungsbilder abgeleitet werden [1]. Auch grundlegende Aspekte der IT-Sicherheit (Security) sind in solchen Beschreibungsformaten enthalten.

Maschinen-Kommunikation
Bild 2: Komponentenintegration am Beispiel von Werkzeugmaschinen heute und morgen

Maschinenkomponenten schnell in Maschinen und Anlagen einfügen

Die Inbetriebnahme von (Werkzeug-) Maschinen ist heute einer der zeitaufwendigsten Schritte und in ihrem Aufwand oftmals schwer im Voraus zu kalkulieren. Einen Großteil der Zeit benötigt der Maschinenbauer, um Komponenteneigenschaften manuell in der Maschinensteuerung zu ermitteln und zu hinterlegen, beispielsweise den Steigungsfehler von Kugelgewindetrieben (siehe auch Bild 2 links, aufgrund der oben beschriebenen Form der Datenweitergabe als pdf-Datei oder auf Papier). Bei der Inbetriebnahme von Komponenten in einer Werkzeugmaschine müssen Spezifikation, wie beispielsweise die Steigung des Kugelgewindetriebs (KGT), die Lagerabstände und die elektrischen Kennwerte der Hauptspindel in der Maschinensteuerung manuell hinterlegt werden.

Lösungsansätze zur schnellen Vernetzung im Sinne eines PLUGandWORK

Heute ist es möglich, Anlagen- und Steuerungsinformationen auszulesen, in ein standardisiertes Format zu überführen und daraus alle relevanten Informationen zur automatischen Konfiguration von produktionsnahen IT-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 (siehe Bild 3).

Maschinen-Kommunikation
Bild 3: Eine vorgeschlagene Lösung für die ‚Sprachvielfalt‘
AutomationML™

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 62714) gebracht. AutomationML ist ein offener Standard, d.h. jedes Unternehmen kann es sofort und kostenfrei verwenden [2]. 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 Potential, sich zu einem Basisformat zur Beschreibung von Industrie 4.0-Komponenten zu entwickeln [3]. 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

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 62541 bietet vernetzte Informationsmodelle und erlaubt ereignisgesteuerte Kommunikation zwischen Servern und Clients der industriellen Informationstechnik. OPC UA umfasst zukunftsorientierte IT-Sicherheitsmechanismen, so dass Daten sicher zwischen verschiedenen Standorten verschickt werden können. Modelle aus der Planung, beispielsweise 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 auf eingebetteten Systemen eingesetzt werden kann, haben Entwickler des Centrums für Industrial IT (CIIT) am Beispiel des dort entwickelten Tiger-Chips gezeigt [4]. Für industrielle Anwendungen in der Industrie 4.0 hat OPC UA seine Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt und verbreitet sich in produzierenden Unternehmen [5].

Lösungsbausteine zur Interoperabilität in Industrie 4.0

Erfahren Sie von dem Experten Dr. Olaf Sauer live, welche Ansätze Sie jetzt für den Langzeiterfolg beachten müssen. Wie müssen Maschinen und Anlagen an IT-Systeme angebunden werden und welche Strategie können Sie dabei verfolgen? In den Werksbesichtigungen bei Robert Bosch, MAN oder Volkswagen erhalten Sie eine umfassende Roadmap.

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Quellen:
[1]        Schleipen, M.; Brohl, A.; Kövary, L.: Automatisierter Austausch und semantische Anreicherung von CAD-Planungsdaten in der Fördertechnik mit AutomationML. In: Automation 2015; Baden-Baden (2015)
[2]        Lüder, A.: AutomationML im Industriekontext. Vortragsunterlagen zum 12. Fachkongress Digitale Fabrik, SV-Verlag 2016.
[3]        Fay, A.; Diedrich, Ch.; Thron, M.; Scholz, A.; Puntel Schmidt, Ph.; Ladiges, J.; Holm, Th.: Wie bekommt Industrie 4.0 Bedeutung? Normen und Standards als semantische Basis. atp edition. Automatisierungstechnische Praxis, Band 57 (2015) Heft 7/8, Seite 30-43.
[4]        Fuchs, P.; Pieper, C.: Der Tiger im Automatisierungsnetzwerk. Mit Single-Chip-Lösung Profinet in Feldgeräte und Antriebe integrieren. Elektronik, Band 60 (2011) H. 24, S. 34-37.
[5]        Klein, A.; Wolters, F.; Dederichs, S.; Karl, F.: Welcher Kommunikationsstandard für künftige Industrie 4.0-Fabriken? VDI-Z 158 (2016), Nr. 12, S. 18-23.

Claudia Blum

Bei Management Circle bin ich für die Personal-, Produktions- und Soft Skills-Themen zuständig. Ich betreue außerdem den Blog zu den Iran-Veranstaltungen. In diesen Portalen informiere ich Sie stets über alle Trends und Entwicklungen. Ich freue mich auf Ihre Anregungen und einen guten Wissensaustausch.

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