Erschienen am: 03.03.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 3 2017

Entwicklung und Verwendung von generischen OPC UA Informationsmodellen

Schnelle Definition technologieübergreifender Schnittstellen

Die Automatisierung bietet für den Paradigmenwechsel von der Massenfertigung zu einer flexiblen variantenreichen Produktion einen wertvollen Ansatz. Allerdings birgt die Verwendung heterogener Betriebsmittel mit unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen große Herausforderungen. So besteht eine Anforderung darin, den sicheren, programmiersprachen- sowie hersteller- und betriebssystemunabhängigen Datenaustausch zu garantieren. In diesem Zusammenhang wird OPC UA als potentielle Lösung hoch gehandelt, doch auch der Aufwand für eine individuelle Lösungen ist groß. Er lässt sich nur durch eine Standardisierung der semantischen Beschreibung reduzieren. Aus diesem Grund verfolgt das WZL der RWTH Aachen die Entwicklung allgemeingültiger, generischer Informationsmodelle für die Produktionstechnik.


Abbildung 1: Der Übergang der klassischen Automatisierungspyramide in das RAMI 4.0
Bild: WZLforum gGmbH

Seit Anfang der neunziger Jahre nimmt der Anteil PC- und softwarebasierter Automatisierungssysteme in der industriellen Produktion stetig zu. Im Laufe der Jahre entwickelten viele Hersteller eigene Bussysteme, Kommunikationsprotokolle und Schnittstellen, mit deren Hilfe die Steuerungssysteme in der Produktionstechnik miteinander kommunizieren. Die Fülle an unterschiedlichen Kommunikationsformen erschwert heute die Automatisierung einer modernen Prozesslandschaft, in der unter anderem Roboter, Werkzeugmaschinen und Fördersysteme unterschiedlicher Anbieter und mit verschiedenen Steuerungssystemen zum Einsatz kommen. Reichte es bisher - aufgrund des deutlich geringeren Anteiles automatisierter Prozesse - aus, die Kommunikation einzelner Prozessschritte zwischen den daran unmittelbar beteiligten Produktionselementen (zum Beispiel Roboter und Zuführeinrichtungen) zu implementieren, so stößt diese Lösung in einer immer stärker automatisierten und vernetzten Prozesslandschaft an ihre Grenzen. Die Steuerung in einzelnen Subsystemen ist schlicht zu aufwändig, verhindert das Ausschöpfen von Synergieeffekten und kann somit den Anforderungen an die moderne Produktion nicht mehr gerecht werden. Ein zunehmender Automatisierungsgrad bedarf daher einer prozessüberlagerten Kommunikationsplattform, auf der die einzelnen Produktionselemente über mehrere Ebenen hinweg ihre Dienste und Funktionen anbieten können und somit in einem Gesamtkonzept eingebettet werden. Dadurch ergibt sich eine größere Flexibilität hinsichtlich Anlagen- und Prozessrekonfiguration.

OPC UA als Enabler für das

Internet of Production

Der Kommunikationsstandard OPC UA bietet einen sicheren und zuverlässigen vertikalen Informationsaustausch in heterogenen Systemlandschaften d.h. unabhängig von Hersteller, Programmiersprache und Betriebssystem. Dazu wird die reale Prozessumgebung durch objektorientierte Komponenten im sogenannten Address Space Model modelliert. In diesem Modell werden sämtliche Prozessdaten, Funktionen, Assets und Dienste der einzelnen Komponenten abgebildet. Durch die objektorientierte Abbildung entsteht ein Informationsmodell der realen Prozessumgebung, das bei Bedarf verändert, ergänzt und angepasst werden kann. Auf dieser Basis wird eine OPC-UA-Client/Server-Struktur aufgebaut, die die Steuerung der modellierten Prozesslandschaft über eine übergeordnete und einheitliche Kommunikationsebene ermöglicht. Der Address Space enthält dabei alle Informationen, die vom OPC UA Server einem OPC UA Client bereitgestellt werden und wird als ein Netz aus Knoten dargestellt. Je nach Knotentyp werden individuelle Attribute beschrieben, die einzelnen Knoten sind über eine Hierarchie miteinander verbunden.

Aufwand reduzieren durch

generische Informationsmodelle

Der Address Space muss für jede Anwendung neu entwickelt und implementiert werden. Die Absicht der am WZL verfolgten Forschung ist die Erstellung von generischen Informationsmodellen, sodass der initiale Aufwand bei der Implementierung von OPC-UA-Client/Server-Strukturen reduziert werden kann. Durch die Verwendung von generischen Modellen können Automatisierungskomponenten, die im Verbund agieren, binnen sehr kurzer Zeit ausgetauscht oder ersetzt werden. Wenn durch die Einheiten über generische Informationsmodelle nach außen identische Dienste angeboten werden, ist auch keine Anpassung auf der überlagerten Steuerungsebene notwendig. Ziel zukünftiger Forschungsarbeit am WZL ist die Definition solcher Modelle und die dazu notwendige Funktionskapselung von Automatisierungskomponenten. Dabei leistet das Vorgehen einen wichtigen Beitrag zu Plug&Produce und dem industriellen IoT bzw. Internet of Production. Anbindung proprietärer

Kommunikationsstandards

an OPC UA

Dieser Ansatz wird am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH im Smart Automation Lab verfolgt und umgesetzt. Zielsystem ist ein Industrieroboter vom Typ UR5. Der notwenige OPC Server kann im Rahmen der Umsetzung nicht direkt auf der Robotersteuerung implementiert werden. Aus diesem Grund ist ein zusätzlicher Rechner notwendig. Das erfordert jedoch die Entwicklung einer spezifischen Middleware, die die gegebenen Möglichkeiten des Informationsaustauschs (Modbus bzw. TCP-Socket-Connections) kapselt und dann nach außen hin in Form eines Informationsmodelles anbietet. Dazu wird zunächst zwischen Roboter und späterem OPC Server bzw. Rechner eine Verbindung für den bidirektionalen Datenaustausch aufgebaut. Durch die Anwendung auf dem Computer werden dann aktuelle Istwerte, wie Position, Gelenkwinkel, -geschwindigkeiten oder -beschleunigungen über eine Modbus-TCP-Verbindung ausgelesen. Das Ansteuern des Roboters erfolgt über eine Socket-Verbindung. Die so aufgebaute, bidirektionale Kommunikation findet ausschließlich auf der Prozessebene statt, also nur im Subsystem zwischen Roboter und Computer. Im nächsten Schritt sind die verfügbaren Dienste des Roboters in einer prozessüberlagerten Steuerungsebene zugänglich zu machen.

Modellierung von Roboter

und Peripherie im

Imformationsmodell

Dazu muss das Address Space Model des Roboters erstellt werden, wobei den einzelnen Komponenten und Gelenke des Roboters charakteristische Attribute, Eigenschaften und Funktionen zugewiesen werden. Anbauteile, wie Greifer oder Schrauber werden ebenfalls im Address Space modelliert. So bildet dieser das digitale Informationsmodell, welches später die Funktionen des Roboters nach außen anbietet. Die Modellierung findet in einer UML ähnlichen Darstellung statt.

Kommunikation über

eine Schnittstelle

Für die Implementierung der Serverstruktur muss im nächsten Schritt das erstellte Modell gemäß der OPC UA Spezifikationen codiert werden. Bei der Codierung wird das Address Space Model nach OPC UA Standards Knoten für Knoten, nebst sämtlicher Attribute, erstellt und der entsprechende Source Code erzeugt. Durch die Verknüpfung der so erstellten Serverstruktur mit der zuvor implementierten bidirektionalen Kommunikation auf Prozessebene, können nun die Dienste und Informationen des Roboters über einen OPC Client ausgeführt und abgefragt werden. Werden nun auch die Dienste und Funktionen der übrigen Elemente der Prozesslandschaft (Werkzeugmaschinen etc.) auf dieselbe Weise dem OPC Client zur Verfügung gestellt, so kann die Kommunikation aller beteiligten Elemente unabhängig von deren inhärenten Steuerung über eine einzige prozessüberlagerte Schnittstelle realisiert werden.