Zählt eine Kommunikationsschnittstelle schon als Industrie 4.0? Weshalb ist der Standard OPC UA so wichtig? Und was hat Microsoft damit zu tun? Diesen Fragen geht Henning Grönzin nach, Director of Research & Development bei Leuze Electronic.

Standardisierte Datenschnittstellen bilden die Basis für Industrie 4.0, sie sorgen für eine hohe Datentransparenz. Um Industrie-4.0-Systeme realisieren zu können, reichen Schnittstellen alleine aber nicht aus. Ein wichtiges Stichwort ist hier das Referenzarchitekturmodell Rami 4.0: Alle Industrie-4.0-Komponenten müssen sich durch dieses Modell beschreiben lassen.

Was ist das Rami 4.0?

In dem Rami-Modell werden die Eigenschaften von Industrie-4.0-Komponenten in drei verschiedenen Dimensionen dargestellt. In einer Richtung wird der Produktlebenszyklus beschrieben - hierbei werden Produktdaten wie beispielsweise Produktionsdaten, Datenblätter oder Parametrierdaten gesammelt.

In der nächsten Dimension wird eine Hierarchie aufgezeichnet. Dabei handelt es sich im Prinzip um die bekannte Automatisierungspyramide, erweitert um die Punkte „Product“ unterhalb der Feldebene und „Connected“ World oberhalb der Unternehmensebene. In der dritten Dimension wird die IT-Repräsentanz beschrieben.

Das bedeutet, dass ein Sensor (Field Device) über alle IT-Ebenen kommunizieren können muss, wenn er als Industrie-4.0-Komponente eingesetzt werden soll. Dies kann ein Sensor mit einer klassischen Feldbus-Schnittstelle nicht leisten, da diese Schnittstellen ausschließlich mit der Steuerung kommunizieren, aber keine Daten in die oberen IT-Ebenen abgeben.

OPC UA als zukünftiger Standard

Im Gegensatz zu den klassischen Feldbus-Schnittstellen kann eine Schnittstelle, die um das OPC-UA-Kommunikationsmodell erweitert ist, Daten in höhere IT-Ebenen des Rami-Modells transportieren. OPC steht für Open Platform Communications und ist ein Satz von Standards für die industrielle Kommunikation. OPC basiert dabei auf den Microsoft-Technologien OLE, COM und DCOM. Das UA in OPC UA steht für Unified Architecture.

Dabei handelt es sich um eine Plattform-übergreifende Implementierung, die nicht mehr an Windows-Plattformen gebunden ist. Die Technologie kann unter anderem auch auf Embedded-Systemen und damit in Sensoren implementiert werden. Darüber hinaus lässt sich das OPC-UA-Kommunikationsmodell neben den klassischen Protokollen wie zum Beispiel Profinet oder Ethercat über alle Ethernet-basierenden Feldbus-Schnittstellen betreiben.

Sichere Kommunikation

OPC UA beinhaltet eine Security-Implementierung, die aus Authentifizierung, Autorisierung, Verschlüsselung und Datenintegrität mit Signaturen besteht. Damit erlaubt OPC UA im Gegensatz zu den üblicherweise im industriellen Umfeld eingesetzten Kommunikationsmethoden eine sichere Kommunikation. Von der Feldebene der Automatisierungspyramide kann OPC UA über zwei unterschiedliche Mechanismen kommunizieren, entweder über eine Client/Server- Kommunikation oder über ein Publisher-Verfahren.

Bei der Client/Server-Kommunikation wird in der Datenquelle, zum Beispiel einem Sensor, ein OPC-UA-Server integriert, der Daten an einen Datenabnehmer liefern kann. Beim Publisher-Verfahren wird ein OPC-UA-Publisher in die Daten-Quelle integriert, welcher dann verschiedenen Datenabnehmern seine Daten zur Verfügung stellt. Gibt es im System mehr als eine Datenquelle (Sensor), kann der Datenabnehmer entscheiden, welche Daten er von welchem Publisher beziehen möchte.

Somit muss der Abnehmer nicht immer die Daten aller Publisher empfangen. Über dieses Verfahren ist so eine Kommunikation von m-Datenquellen zu n-Daten-Abnehmern möglich. Zum anderen kann sich eine Daten-Cloud interessante Daten direkt von der Datenquelle holen. Auch in der gegengesetzten Richtung - von der Cloud in den Sensor - wird in der Zukunft eine Kommunikation möglich sein. OPC UA kann somit, entsprechend der Forderung an eine Industrie-4.0- kompatible Kommunikation die Schichten der Automatisierungspyramide durchtunneln und Daten in die höheren Schichten des Rami-Modells transportieren.

Somit wird eine standardisierte Kommunikation von Sensoren und Aktoren unterschiedlicher Hersteller direkt mit einem Cloud-basierten ERP-System möglich. Dank der sicheren Kommunikation ist sogar ein Austausch von Daten zwischen unterschiedlichen Systemen über öffentliche Kanäle denkbar.

Da Industrie 4.0 und IIoT für den Austausch von Daten zwischen erfassenden und agierenden Einheiten über alle Systemgrenzen hinweg steht, ist OPC UA ein wichtiger Bestandteil von Industrie 4.0 und mit den oben genannten Eigenschaften aus meiner Sicht einer der wichtigsten Kandidaten für einen zukünftigen Standard in der Maschine-to-Maschine-Kommunikation.

Kooperation Leuze Electronic und Microsoft

Die Datenbereitstellung von Komponenten über die OPC-UA-Kommunikation alleine ist aber nicht ausreichend für eine Industrie-4.0-Anwendung. Es werden zusätzliche Mechanismen zur Datenabnahme von der Cloud benötigt. Der Datentransfer vom Sensor in die Cloud wird als Telemetrie bezeichnet. Um die Telemetrie ohne Komponenten wie ein Industrie-4.0-Gateway umzusetzen, starteten Leuze und Microsoft eine Zusammenarbeit, deren erste Ergebnisse wir auf der sps ipc drives präsentierten.

Sensordaten des Barcodelesers BCL 348i von Leuze werden über das OPC UA Publish/Subscriber Communication Modell (PSCM) in den Azure-IoT-Hub der Firma Microsoft übertragen. Vom Barcodeleser werden sowohl Prozess- als auch Metadaten wie Codeart oder die Anzahl Lesungen über das Advanced Message Queuing Protokoll (AMQP) der OPC-UA-Schnittstelle an die Microsoft Azure Cloud übertragen. Diese Daten werden dort vom IOT-Hub erfasst, den Azure Cloud Services zur Analyse und Visualisierung bereitgestellt.

So kann zum einen von einem beliebigen Mobil-Device von überall auf der Welt das Lesetor des Barcodelesers gesteuert werden, zum anderen können die Sensordaten nach vorbestimmten Kriterien analysiert werden und Ereignisse im Industrie-4.0-Gesamtsystem auslösen.

Mit dem Eingehen von Kooperationen, anwendungsorientierten Use Cases und Entwickeln von Industrie-4.0-fähigen Lösungen und Produkten sind wir ein Treiber für Industrie 4.0 und sehen dies als Chance für neue Geschäftsmodelle.