PLUGandWORK - Maschinen und Komponenten für Industrie 4.0 befähigen

Olaf Sauer

PLUGandWORK ist ein Konzept zur Interoperabilität in Industrie 4.0, bestehend aus konkreten Lösungen zur semantischen Beschreibung von Maschinen und Anlagen sowie deren Komponenten. Ziel ist es, manuelle Konfigurationsarbeiten weitgehend zu reduzieren und so allgemein verständliche, schnelle und sichere Verbindungen von Geräten und überlagerter Software zu erreichen.

Ein spezielles Ziel der Maschinenanbindung nach dem PLUGandWORK-Prinzip ist es, die Aufwände zur Verbindung von Maschinen an ein übergeordnetes Manufacturing Execution System (MES) drastisch zu reduzieren. Heutige manuelle Konfigurationsarbeiten können sich Anlagenbetreiber, Maschinenbauer und MES-Anbieter nicht mehr leisten (siehe Bild 1). Damit PLUGandWORK funktioniert, benötigen Maschinen und Anlagen sowie Automatisierungskomponenten Selbstbeschreibungen, und zwar möglichst in standardisierter Form. Jedes MES, das diesen Standard „versteht“, kann sich dann aus diesem Datenhaushalt bedienen. Und das nicht nur bei der Erst-Inbetriebnahme, sondern bei jeder Änderung. 
 


Bild 1: Aktuelle Herausforderung bei der Verbindung
von Anlagen mit überlagerten IT-Systemen.
 

Änderungen ergeben sich beispielsweise 

  • aufgrund von eingebetteter Software in Feldgeräten, die über den Feldbus verbunden sind z. B. in Sensoren, Aktoren, Antrieben, Ventilen, etc.  
  • an der steuernden Software von Maschinen und Anlagen z. B. speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen) 
  • an der Informationstechnik, die den unmittelbaren Anlagensteuerungen überlagert ist (Visualisierung/SCADA, Leitsystem und MES). 

Durchgängiges PLUGandWORK von der Maschinenkomponente bis zur Steuerung ist heute schon möglich und zwar unter Nutzung offener Standards, die bereits heute in der Industrie eingesetzt werden. Maschinen und Komponenten eines Produktionssystems verfügen dann über eine USB-ähnliche Schnittstelle: Die steuernde Software erkennt neue oder geänderte Elemente und überträgt alle benötigten Informationen zur automatischen Integration in die angeschlossenen IT-Systeme. Dass dieser Ansatz auf Basis offener Industriestandards, z. B. AutomationML™ und OPC UA, funktioniert, hat das Fraunhofer IOSB am Beispiel der IT-Systeme der ProVis-Familie erfolgreich bewiesen [1]. Es ist heute möglich, Anlagen- und Steuerungsinformationen auszulesen, in ein standardisiertes Format zu überführen und daraus alle relevanten Informationen zur automatischen Konfiguration von Leitsystemen abzuleiten. Das Engineering von Leitsystemen kann bis hin zur Generierung von Prozessführungsbildern mit allen relevanten Anbindungsinformationen automatisiert werden [2] (siehe Bild 2). 


Bild 2: Generierung von Prozessführungsbildern auf Basis von Modellen.

Anwender der beschriebenen PlugAndWork-Technologien und Lösungsbausteine sind 
  • Betreiber von Produktionsanlagen, vorzugsweise aus der diskreten Fertigung. Konkret fallen darunter Automobilhersteller, Zulieferer und alle anderen verarbeitenden Betriebe. 
  • Systemintegratoren, die für die Betreiber verkettete Maschinen oder generell Produktionsanlagen aufbauen, in Betrieb nehmen und ggfs. warten. 
  • Maschinen- und Anlagenhersteller: Dazu gehören Maschinenbauer selbst (von der Werkzeugmaschine über Kunststoffspritzmaschinen bis zu Montageautomaten jeglicher Art), aber auch Zulieferer für Maschinen und Anlagen (Komponentenanbieter) und SPS-Hersteller, deren Steuerungen in die Maschinen eingebaut werden. 
  • Anbieter von produktionsnaher IKT: Dazu zählen Anbieter von Visualisierungssystemen, SCADA- und MES-Anbieter, deren Systeme bei den Betreibern nur einen Nutzen bieten, wenn sie mit den Maschinen und Anlagen verbunden sind und sie auf die Daten zugreifen können, die im Betrieb entstehen. Außerdem zählen zu dieser Kundengruppe Anbieter von IoT-Plattformen, die ebenfalls Maschinendaten nutzen möchten sowie IT-Integratoren. 

PLUGandWORK-Lösungsbausteine sind auf diese Kundengruppen und ihre Bedarfe angepasst: 

  • Betreiber von Produktionsanlagen und Systemintegratoren: Diese Kundengruppen benötigen schnelle und flexible Integration von Anlagen und IT. Die Integrationsarbeiten sind heute manuelle Engineering-Arbeiten („Fleißarbeiten“), die bei der Erstinbetriebnahme und bei jeder Änderung in der Produktion anfallen. 
  • Maschinen- und Anlagenhersteller: Diese Kundengruppen benötigen einen „easy-to-use“-Standard, um ihre Anlagen schnell bei ihren Kunden, den Betreibern, einzubinden.
  • Anbieter von produktionsnaher IKT benötigen Assistenzwerkzeuge, um ihre Systeme schnell in Betrieb zu nehmen. Aktuelle Entwicklungen führen zu Assistenzsystemen, die IT-Systemintegratoren nutzen, um für bestehende Maschinen und Anlagen eine Art Reverse-Engineering zu machen. Aus den Daten, die eine Maschine im Betrieb liefert, schließt das Assistenzsystem, was die Daten bedeuten und unterstützt bei der AutomationML-Modellierung. 

In Projekten mit verschiedenen Unternehmenspartnern werden weitere passgenaue Lösungen für Maschinenbauer und Systemintegratoren entwickelt. Beispielsweise liefert das IOSB-Lösungsbausteine zur Selbstbeschreibung von Maschinenkomponenten und Maschinensteuerungen. Die Technologien sind schon so weit entwickelt, dass das „Einklinken“ in das Produktionssystem nur autorisierten Teilnehmern (Komponenten, Maschinen und IT-Systemen) erlaubt ist und dass die Kommunikation der Fähigkeiten verschlüsselt wird [3]. 

Mit diesen Lösungen sparen Anlagenbetreiber, Systemintegratoren, Maschinen- und Anlagenbauer, Komponentenhersteller und Anbieter produktionsnaher IT-Systeme nachweislich Engineering-Aufwände bei 

  • der Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen 
  • bei Änderungen in der Produktion. 

Gemeinsam mit der Firma Codewerk in Karlsruhe hat das IOSB eine Hardware entwickelt, mit der produzierende Unternehmen ihre bestehenden Maschinen für Industrie 4.0 befähigen, so dass sie den Kommunikationsstandard OPC UA „sprechen“, und zwar inklusive der Gerätebeschreibung als AutomationML-Modell. Die Nachrüstlösung besteht aus einer Hardware (dem Cube) und dem o. g. Assistenzsystem, mit dem die Produktionsausrüstungen einfach, d. h. ohne Modellierungs-Knowhow, beschrieben werden können. Aus dem Modell wird direkt ein Kommunikationsserver erzeugt, an den sich dann IT-Systeme oder IoT-Plattformen anschließen können. Für neue Maschinen und Anlagen existieren schon heute für die o. g. Kundengruppen Dienstleistungen, z. B. Modellierungs-Projekte, Schulungen, Test und Validierung der Modelle / Selbstbeschreibungen, etc. Konkret besteht der
PLUGandWORK Cube aus folgenden Komponenten: 

  1. Hardware: Siemens Industrial PC (Nanobox) 
  2. Aggregierender OPC UA-Server auf der Nanobox nach DIN SPEC 16592 mit AutomationML als Informationsmodell und Möglichkeit zur automatischen Kopplung (Kommunikationskanäle) an unterlagerte OPC UA-Server oder Siemens SPSen. 
  3. Assistenztool für Bediener- / Anwender-PC (Windows), integriert in den offiziellen AutomationML-Editor als Plugin, mit der die Konfiguration für den aggregierenden OPC UA-Server erstellt werden kann. 

Die beschriebenen PLUGandWORK-Bausteine unterstützen die aktuellen Standardisierungsarbeiten. Die beiden Standards AutomationML und OPC UA beschreiben eine Industrie 4.0-Komponente [5] (siehe Bild 3). Ohne Standardisierung wird das Ziel der universellen Schnittstellen in Industrie 4.0 nicht zu erreichen sein.
 


Bild 3: Beispiel für den Einsatz von Industrie 4.0-Komponenten
unter Nutzung von PLUGandWORK.
Darum arbeitet das IOSB schon lange in diversen nationalen und internationalen Standardisierungsgremien mit. Mit AutomationML™ entwickeln nationale und internationale Partner einen Standard zum Engineering von Produktionsanlagen, mit dem der beschriebene, durchgängige Datenaustausch unabhängig von Softwarewerkzeugen möglich ist. Die Lösungen sind also international einsetzbar und erste Erfolge der Standardisierung liegen bereits vor. So sind AutomationML und OPC UA inzwischen IEC-Normen. Eine DIN Spec. wurde dazu vor kurzem veröffentlicht [4]. Es existiert eine VDI 5600-Blatt 3 für den Datenaustausch zwischen Anlagen und MES, und der MES-D.A.CH.-Verband hat unter Verweis auf die beschriebenen Lösungen die UMCM-Schnittstelle veröffentlicht. 

 

 

Schlüsselwörter:

MES, AutomationML, OPC UA, Interoperabilität, Industrie 4.0

Literatur:

[1] Wandlungsfähige Informationstechnik in der Fabrik. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb ZWF 09/2010. S. 819-824.
[2] Schleipen, M et al.: Monitoring and control of flexible transport equipment. Towards Industrie 4.0 based on standards. Automatisierungstechnik - at * Band 63 (2015) Heft 12, S.977-991.
[3] OPC UA und Informationssicherheit: Mechanismen für jeden Anwendungsfall. IT & Production 05/2015, S. 900-901.
[4] nn: DIN SPEC 16592:2016-12 - Kombinieren von OPC Unified Architecture und Automation Markup Language. Beuth-Verlag 2016.
[5] Monostori, L. et  al.: Cyber-physical systems in manufacturing.  CIRP Annals Manufacturing Technology 65 (2016) 621-641.