Ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll, über das sich alle Elemente einer Automatisierungslösung verständigen können – dies ist ein grundlegender Faktor für die smarte Fabrik der Industrie 4.0.

Weltweit gibt es ca. 7.000 verschiedene Sprachen. Englisch dient darum oftmals als Sprachbrücke zur Verständigung zwischen Menschen unterschiedlicher Nationen. Durch die zunehmende Vernetzung in der Produktion wird eine gemeinsame Verständigungsbasis auch im Hinblick auf aktuelle Entwicklungen in der Industrie immer wichtiger:  Damit alle am Produktionsprozess beteiligten Elemente – von der Anlage bis hin zum Produkt – künftig in der smarten Fabrik miteinander kommunizieren können, ist ein gemeinsames, standardisiertes Kommunikationsprotokoll unabdingbar.

Globale Einigung auf ein Kommunikationsprotokoll

Der Industrie-4.0-Gedanke durchbricht dabei heute oftmals noch vorhandene Grenzen und rückt vorher getrennte Systeme wesentlich näher zusammen: Datenaustausch und -verarbeitung sollen zukünftig nicht nur über alle Ebene der Automatisierungspyramide hinweg innerhalb eines Unternehmens möglich sein, sondern weltweit zwischen allen Industrien erfolgen können. Durch die neuen, sich ergebenden Netzwerkstrukturen – ohne die bis heute übliche vertikale Separation in Schichten innerhalb der Unternehmen – wird eine wirklich flexible Produktion ermöglicht. Die vernetzten Strukturen ermöglichen damit eine anpassungsfähige Kommunikation vertikal innerhalb einer Fabrik und gleichzeitig auch horizontal entlang der Wertschöpfungskette. Datensicherheit ist in diesem Hinblick ebenso wichtig, wie eine neue flexible Abstraktion von Informationsquellen und die globale Einigung auf ein vereinheitlichtes Kommunikationsprotokoll.

Um Entwicklungen im Zuge der nächsten industriellen Revolution voranzutreiben, haben die deutschen Branchenverbände der Informationstechnologie (BITKOM), Elektronikindustrie (ZVEI) und des Maschinenbaus (VDMA) die Plattform Industrie 4.0 ins Leben gerufen. Mittlerweile arbeiten dort Vertreter aus Politik, Industrie, Wissenschaft und Gewerkschaften gemeinsam, um Handlungsempfehlungen für die vernetzte Industrie 4.0 zu erarbeiten. Diese Zusammensetzung verdeutlicht, dass Industrie 4.0 ein interdisziplinäres Thema ist, welches nur noch in einer engen Zusammenarbeit zwischen Unternehmen aus der IT, Maschinenbau und Automationstechnik gelöst werden kann.

RAMI 4.0

Ein erstes Ergebnis der Plattform stellt das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) dar, welches in der Arbeitsgruppe „Referenzarchitekturen, Standards und Normung“ unter der Leitung von Dr. Peter Adolphs, CTO bei Pepperl+Fuchs, entstanden ist. Das dreidimensionale Modell ermöglicht die Einordnung aller wesentlichen Elemente des Industrie 4.0 Konzepts – vom einfachen Feldgerät, wie einem intelligenten Sensor, bis hin zur komplexen, weltweit vernetzten Produktionsanlage unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus und aller organisatorischer Schichten im Unternehmen.
Nachfolgend soll die horizontale und vertikale Achse des Modells einer kurzen Betrachtung unterzogen werden, um die Bedeutung einer vereinheitlichten Kommunikation zu unterstreichen. Die horizontale Achse „Hierarchy Levels“ beschreibt die Einordnung einer Entität in die ehemaligen Hierarchien innerhalb der Organisationsebenen einer smarten Fabrik der Industrie 4.0. Das RAMI deckt dabei die Betrachtung vom herzustellenden Produkt, über das Feldgerät (bspw. eines intelligenten Sensors), bis hin zur vernetzten Welt „Connected World“ außerhalb einer Produktionsanlage ab
Die vertikale Achse „Layers“ ordnet die informationstechnische Repräsentanz und liefert digitale Abbilder der Assets von Produktionsanlagen. Am Beispiel eines Sensors wird die Bedeutung der Schichten offensichtlich: Die Basis bildet das Asset, hier eben das Gerät, sprich der Sensor. Der folgende Integration Layer umfasst alles, was nötig ist, um die Sensordaten für die höheren Schichten zur Verfügung zu stellen. Darüber liegt der Communication Layer, der die sichere Verbindung zwischen dem Feldgerät und höherer Anwendungssoftware herstellt. Im Information Layer wird das digitale Datenabbild des Assets, auch Verwaltungsschale genannt, geführt. Im Functional Layer werden Regeln oder Entscheidungslogiken implementiert. Die höchste Schicht, der Business Layer, bildet die Geschäftsmodelle und den gesamten Geschäftsprozess ab.

OPC UA als Standard

Die Plattform Industrie 4.0 spricht sich für OPC UA – UA steht für Unified Architecture (IEC 62541) – als einheitliches Kommunikationsprotokoll aus. Der Kommunikationsstandard ermöglicht den Datenaustausch zwischen allen Ebenen eines Unternehmens und der vernetzten Welt außerhalb der Firma. OPC UA umfasst neben verschiedenen Transportschichten auch ein semantisches Datenmodell zur sinnhaften Abbildung von Informationen. Neben den semantisch eindeutig spezifizierten Datenmodellen verfügt OPC UA auch über Mechanismen zur Speicherung und Bereitstellung von historischen Daten, zur Signalisierung von Ereignissen und zur Ausführung von Funktionen auf dem Server. OPC UA ist dabei ein herstellerunabhängiger, offener Standard. Entscheidend bei der Verwendung von OPC UA in Produktivsystemen ist, dass jedes Gerät, das seine Funktionalität über einen integrierten OPC UA Server zur Verfügung stellt, gegenüber anderen Kommunikationspartnern eine Art Selbstauskunft geben kann. Es entfällt damit die sonst übliche Verbreitung von Beschreibungsdateien wie IODD- oder GSD-Dateien über einen gesonderten Kanal. Stattdessen stehen einem Clienten beim Zugriff auf den Server unmittelbar alle seine Eigenschaften in einem sortierten und durchsuchbaren Baum zur Verfügung.
Durch die Benutzung von Discoveryservern können die Eigenschaften von registrierten Geräten bereits vor der Verbindung durchsucht werden. Der Discoveryserver gibt außerdem der anfragenden Instanz eine Auskunft darüber, wie das jeweilige Gerät, beispielsweise der Sensor, über das Netzwerk erreicht werden kann. Ein durchgängiges Sicherheits- und Authentifizierungskonzept gewährleistet in OPC UA den sicheren Datenaustauch zwischen Kommunikationspartnern. Entsprechende Zugriffsberechtigungen vorausgesetzt, ermöglicht OPC UA den nahtlosen und universellen Austausch von Informationen über alle Ebenen einer Organisation und deren Grenzen hinweg. Im Hinblick auf das dreidimensionale RAMI bedeutet dies, dass OPC UA sich mit allen Schichten und Aspekten des RAMI vereinen lässt.

Drei Fragen an…
 

Dr. Jörg Nagel, Senior Expert Industrie 4.0 – Industrial Internet Solutions bei Pepperl+Fuchs

Welche Vorteile bietet OPC UA gegenüber OPC classic?

OPC UA ist ein Nachfolgeprotokoll, das viel tiefer ansetzt und Funktionalitäten bietet, die OPC classic noch nicht in sich barg. Beispielsweise ist OPC UA plattformunabhängig. Der entscheidende Vorteil, der OPC UA für die Realisierung einer Kommunikation im Sinne der Industrie 4.0 sehr interessant macht, stellt jedoch das universelle Datenmodell dar. Was bei OPC Classic noch durch den Anwendungsentwickler festgelegt wurde ist nun herstellerunabhängig einheitlich.
Durch die serviceorientierte Architektur von OPC UA können beliebige Informationstechnische Systeme auf Datenquellen im Feld zugreifen. Für die Integration müssen damit keine speziellen Kommunikationspfade gepflegt werden; ein einfacher Netzwerkzugriff genügt. Ein Gerät mit einem OPC UA Server kann somit leicht in bestehende Systeme integriert werden.
Warum eignet sich OPC UA besonders als standardisiertes Kommunikationsprotokoll für die Industrie 4.0?
OPC UA kann mehr, als nur Daten von A nach B zu „befördern“. Die eigentliche Transportschicht wird durch ein semantisches Datenmodell ergänzt, was eine semantische Interoperabilität zwischen allen Kommunikationspartnern ermöglicht. Von der Feldebene, beispielsweise von intelligenten Sensoren, werden nicht nur die eigentlichen Messwerte (Prozessdaten) weitergegeben, sondern auch Informationen über Form, Bedeutung, Zusammenhänge und Strukturen der Daten. Aus der IT-Ebene kann durch OPC UA direkt auf die Sensoren zugegriffen werden. Die einfache Interpretation der Daten wird durch eine Art „Selbstauskunft“ des Sensors, in der seine Fähigkeiten enthalten sind, gewährleistet.

Wie sehen Sie die künftigen Entwicklungen, hin zu einem globalen Protokoll?

Ich denke, es wird noch ein wenig dauern, bis sich global wirklich alle Beteiligten auf ein Protokoll einigen, mit dem beispielsweise auch eine Anbindung an Cloudlösungen möglich wird. Derzeit befindet sich ein Publish-/Subscribe-Mechanismus, wie er bei nachrichtenbasierten Systemen üblich ist, in der Entwicklung für OPC UA. Des Weiteren ist OPC UA noch nicht für harte Echtzeitanwendungen geeignet, da durch das zugrunde liegende TCP/IP eine Determiniertheit nicht gegeben ist. Konzepte, die Transportschicht entsprechend zu erweitern, beispielsweise durch TSN (Time-Sensitive Networking), existieren bereits. Es ist zu erwarten, dass derartige Erweiterungen in nächster Zeit ihren Weg in die Standardisierung von OPC UA finden. Ein universelles Protokoll ist gerade im Hinblick auf eine weltweite Vernetzung unbedingt erforderlich – sonst werden sich Produktionsprozesse immer nur in Unternehmens- und Länderstrukturen verständigen können. Mit seinem standardisierten Datenmodell ist OPC UA im Rennen um den ersten Platz durchaus gut aufgestellt. Den derzeitigen Vorsprung sollten wir nutzen, um OPC UA als Kommunikationsprotokoll zu etablieren, durch das sich jedes Element mit allen anderen verständigen kann, denn genau dies ist letztlich die Voraussetzung für Industrie 4.0.