Vernetzte Produktion IoT-Basics: PLUGandWORK für Industrie 4.0

Unterschiedliche Bussysteme, Kommunikationsprotokolle und Netzwerktechnologien erschweren den durchgängigen Informationsaustausch von der Feldebene über die Leitebene bis zur Planungsebene. Die Folge: Daten werden nicht genutzt oder doppelt erfasst. Diesem entgegen steht die Grundidee von PLUGandWORK.

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In der industriellen Produktion entstehen Daten in den unterschiedlichen Ebenen der Fertigung. Viele unterschiedliche Bussysteme, Kommunikationsprotokolle und Netzwerktechnologien erschweren den durchgängigen Informationsaustausch von der Feldebene über die Leitebene bis zur Planungsebene. Daher werden die in den verschiedenen Systemen anfallenden Datenbestände vielfach nicht genutzt oder doppelt erfasst. Schon lange vor der Diskussion um Industrie 4.0 besteht jedoch die Aufgabe, manuelle Tätigkeiten zur Konfiguration von Leitsystemen zu reduzieren und ihr Engineering zu rationalisieren. Begonnen haben die PLUGandWORK-Arbeiten an ProVis.Agent, dem Leitsystem zur Bedienung und Beobachtung von automatisierten Anlagen in der Automobilproduktion. Es besteht aus einem Laufzeitsystem und der zugehörigen Engineering- oder Projektierungskomponente, mit der Anlagen, E/A-Datenpunkte und Prozessführungsbilder (Beispiel siehe Bild 1 in der Bildergalerie.) projektiert werden [III.24].

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

Am Beispiel von OPC Classic ist der Ist-Zustand in heutigen Unternehmen mit seinen Systembrüchen und manuellen Eingriffen in Bild 5.2 dargestellt: Zur Kommunikation zwischen Maschine und MES ist zunächst die IP-Adresse der einzubindenden Steuerung im Netzwerk zu veröffentlichen. Danach muss der steuerungsspezifische OPC-Server dem Client, auf dem die betriebliche Anwendung läuft, bekannt gegeben werden. Im nachfolgenden Schritt sind aus dem vom OPC-Server bereitgestellten Variablenhaushalt über einen Browser alle relevanten Variablen manuell auszuwählen und mit dem vorab erstellten Prozessabbild zu verbinden (Bild 5.2). Die aktuelle Situation ist also gekennzeichnet durch eine überwiegend manuelle Projektierung sowie manuelle Konfigurationen von Anlagensteuerungen und übergeordneten IT-Systemen.

Aufgrund der hier beschriebenen manuellen Vorgehensweise entstand die Grundidee von PLUGandWORK: Daten, die zur Projektierung von Leit- und MES-Systemen erforderlich sind, sollen in einem neutralen Austauschformat aus verschiedenen Engineering-Systemen, die Maschinen- und Anlagenhersteller nutzen, ausgelesen und der MES-Projektierung zur Verfügung gestellt werden, und zwar weitestgehend systemunabhängig.

PLUGandWORK setzt auf AutomationML und OPC UA

Die Arbeiten zu universellen Schnittstellenbausteinen von Produktionsanlagen sind langfristig aufeinander aufgebaut und orientieren sich an einer langfristig orientierten Entwicklungsroadmap (Bild 3). Es wird konsequent die Idee verfolgt, Maschinen und Anlagen und deren Fähigkeiten in einer standardisierten und maschinenlesbaren Sprache zu modellieren und diese Modelle zur Konfiguration produktionsnaher IT-Systeme oder IIOT-Plattformen weiter zu verwenden. Stets werden dabei Ergebnisse aus Forschungs-/Entwicklungs- und Industrieprojekten in die Standardisierung und Normung eingebracht, sodass der Stand der Technik für interessierte Nutzer jederzeit verfügbar ist. Ziel aller Arbeiten ist es außerdem, offene Industriestandards zu nutzen, um die Hemmschwelle für anwendende Unternehmen so niedrig wie möglich zu halten.

Kern der PLUGandWORK-Lösungen ist die Konfigurations-Datenbank (Bild 4). Sie enthält Konfigurationsdaten in Form der Selbstbeschreibungen für verschiedene Maschinen- und Steuerungstypen. Realisiert als lernendes System, erleichtert und unterstützt sie die Verbindung zwischen Maschinen und Anlagen mit den überlagerten IT-Systemen, je mehr Konfigurationselemente von Steuerungen und Maschinen sie umfasst. Auch für nachzurüstende Maschinen und Anlagen geeignet, enthält die Datenbasis aus Symboltabellen und Hardware-Konfigurationsdateien konvertierte Schablonen und Modelle, die umgehend in die jeweiligen Informationsmodelle der Kommunikationsserver umgesetzt werden. PLUGandWORK setzt auf AutomationML zur Modellierung und Selbstbeschreibung und OPC UA zur Kommunikation der Konfigurations- und Laufzeitdaten.

Zweiter Bestandteil – neben der standardbasierten Kommunikation von Maschinen und Komponenten – von PLUGandWORK ist die Generierung von Prozessführungsbildern für Visualisierungssysteme (HMI) aus den Selbstbeschreibungen. Aus Geometrie- und Topologiedaten wird über die AutomationML-Sprachkonstrukte die Visualisierung zur Laufzeit generiert (Bild 5).

Selbst kurzfristige Änderungen an der Hardware werden über das Modell aufgenommen und sofort in das neue HMI umgesetzt [III.25]. Am Beispiel standardisierter, flexibler und adaptiver Fördertechnikmodule soll dies kurz erläutert werden: Voraussetzung sind modulare Fördertechnikeinheiten für Behälter, Kartons oder Paletten, die nach dem Baukastenprinzip zu einer Förderanlage zusammengebaut werden. Aktuell sind insgesamt 14 Fördermodule verfügbar, die jeweils zu einer vordefinierten Baureihe gehören.

Die Baureihe bildet dabei unterschiedliche Längen, Breiten und ggf. Winkel in einer vordefinierten Größenabstufung ab. Damit aus den 14 Fördermodulen und dessen Baureihen unterschiedliche Förderanlagen zusammengebaut werden können, sind die Fördermodule nach außen modular aufgebaut: Sie sind beliebig miteinander kombinierbar. Dafür sind sie mit einheitlichen mechanischen und elektrischen Schnittstellen versehen.

PLUGandWORK für Industrie 4.0 erfordert neues Engineering von Maschinen

Analog zu dem oben beschriebenen Beispiel der modularen Industriewaschmaschinen sind auch hier Hardware und Software modular aufgebaut – jedes Fördertechnik-Modul enthält einen eigenen Controller mit dem zugehörigen Modell des jeweiligen Moduls. Die Module kommunizieren untereinander über Ethernet. Zur Generierung der Prozessführungsbilder in unterschiedlichen Visualisierungssystemen sind Topologiedaten, Topographie, Struktur, Geometrie und EA-Anbindung Teil der Selbstbeschreibung.

Mit den beschriebenen Lösungsbausteinen Selbstbeschreibung, Kommunikationserstellung und Visualisierungsgenerierung sparen Anlagenbetreiber, Systemintegratoren, Maschinen- und Anlagenbauer, Komponentenhersteller und Anbieter produktionsnaher IT-Systeme Engineering- Aufwände bei der Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen und bei Änderungen in der Produktion.

Sollen bei Industrie 4.0 Geräte und Komponenten interoperabel sein, so ist die Bedeutung ihrer Daten modellhaft zu beschreiben und für den Anwender verfügbar abzulegen oder mit dem Gerät auszuliefern. Für Maschinen- und Anlagenhersteller wird Software zukünftig zum eigenständigen Bestandteil des Produktportfolios werden – mit den Herausforderungen eines professionellen Software-Entwicklungsprozesses, Qualitätssicherung für Software, Modellen für Software-Wartung und -Service bis hin zur Anpassung der Vertriebsorganisation, die IKT-Produkte und deren Nutzen verkaufen kann. Produkte, Produktionsanlagen und -prozesse, deren Steuerungen und überlagerte Anwendungen sind heute mit IT durchzogen – allerdings entwickeln sie sich unabhängig voneinander; insofern benötigt die produzierende Industrie für morgen und übermorgen Methoden, Werkzeuge und Softwarekomponenten zur Synchronisierung dieser drei essenziellen Bereiche von Produktionsunternehmen und der sie unterstützenden IT-Systeme PLM, Digitale Fabrik und MES.

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