OPC UA Informationsmodell, Profinet und TSN passen zusammen

Das Puzzle ist fertig: OPC UA Informationsmodell, Profinet und TSN passen zusammen. (Bild: PNO)

Viele Anwender wurden in den vergangenen Jahren immer wieder mit der Frage konfrontiert: Wie Daten aus dem Feld in die IT bringen, beziehungsweise wie aus dem Messwert einer Komponente im Feld letztendlich eine für das Unternehmen nützliche Information machen.

Dabei gelten stets folgende Rahmenbedingungen: Die Information muss schnell und einfach zur Verfügung stehen und sie muss einen Mehrwert für die Produktion darstellen. Mit anderen Worten: Unternehmen wollen sich auf die Auswertung konzentrieren und nicht auf den Weg, wie die Informationen zu ihnen gelangen.

Eine Herausforderung, die das Trio aus Profinet, OPC UA und TSN gerne annimmt und hierfür bereits mehrere Lösungen bereitstellt, die dem Anwender helfen, den leichten Einstieg in die neuen Technologien zu finden.

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Der künftige Layer 2: Profinet auf Time Sensitive Networking steht seit Sommer zur Verfügung und nutzt vier Teile der TSN-Standards. PNO

So wurde Time Sensitive Networking (TSN) in der aktuellen Profinet-Spezifikation V2.4 als zusätzliche Layer-2-Technik in die Profinet-Architektur integriert. Damit können sowohl Hersteller als auch Anwender die Vorteile von TSN, wie eine zukunftssichere IEEE-basierte Ethernet-Technik mit höherer Bandbreite, Deterministik, flexible Netzwerkkonfiguration und große Chipvielfalt, interoperabel umsetzen.

Gleichzeitig lassen sich schon immer in einem Profinet-Netzwerk an jeder beliebigen Stelle weitere Ethernet-Geräte installieren. Durch die Offenheit von Profinet können damit auch Sensoren oder Geräte mit OPC-UA-Interface hinzugefügt werden, die ihre Werte direkt an entsprechende Cloud-Dienste oder Edge-Gateways schicken, ohne die Automatisierungslösung mühsam umbauen zu müssen.

  • Trotzdem, es gibt noch einige Hausaufgaben zu erledigen:
  • Zu klären sind beispielsweise weitere Themen wie:
  • Praktikable Gerätediagnosemöglichkeiten
  • Sichere Kommunikation
  • Ergänzende Daten aus dem Sensor

Anhand von drei Beispielen sollen die Herausforderungen und mögliche Lösungen durch eine geschickte Kombination beschrieben werden.

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Autonome mobile Fahrzeuge, Krankatzen oder Roboter, die sich selbstständig von Maschine zu Maschine bewegen, benötigen neue Safety Konzepte wie beispielsweise OPC UA Safety. PNO

Praktikable Gerätediagnose

Asset-Management oder Diagnosefunktionen, um Vorhersagen über den Zustand einer Maschine zu treffen, benötigt jede Branche. Sie sind quasi die Basis für darauf aufbauende Applikationen. Häufig werden gar nicht so viele Informationen benötigt, um den aktuellen Maschinenzustand aber auch einen möglichen Ausfall im Vorfeld zu erkennen. Auch kann es notwendig sein, anlagenweit die eingesetzte Firmware- und Hardwareversion eines Gerätes zentral zu erfassen, etwa für ein Update. Zur Herausforderung wird es jedoch, wenn es darum geht, diese Informationen so aufzubereiten, dass sie in der Praxis auch nutzbar sind.

OPC UA und auch TSN bieten zwar interessante Möglichkeiten, um an die entscheidenden Informationen zu gelangen. Allerdings können diese Technologien allein die Daten nicht bereitstellen. Jedes der rund 30 Millionen Geräte im Feld, die über eine Profinet-Schnittstelle verfügen, können dies aber sehr wohl und zwar seit der Stunde Null von Profinet. Jetzt kommt es darauf an, das Zusammenspiel zwischen Profinet und den OPC-Device-Integration-Modellen so zu gestalten, dass dem Anwender der Einstieg leichtfällt.

Analog zur Entwicklung und Einführung anderer PI-Technologien, setzen die Organisationen darauf, zunächst konkrete Use Cases zu beschreiben, bei deren Erstellung Experten zusammenarbeiten. Darauf aufbauend werden dann Lösungen entwickelt. Im Fall Gerätediagnose konzentrierte man sich zunächst auf die I&M-Daten von Profinet. Diese enthalten unter anderem Firmware-, Hardware-Version, Seriennummer und Gerätenamen. Diese Daten wurden auf OPC in einer Companion Specification abgebildet.

Bei der Erarbeitung weiterer Use Cases wurde jedoch erkannt, dass das bestehende Device Integration-Modell nicht so funktionieren würde, wie es die Praxis verlangt. Aus technologischer Sicht sind beispielsweise Produktionsdaten oder Prozessverläufe einer Maschine wichtig; aus Sicht der Instandhaltung/Wartung sind es dagegen die verwendeten Geräte. Diese verschiedenen Sichtweisen auf die gleiche Maschine müssen zueinander passen und referenzierbar sein. Hier arbeiten die Nutzerorganisationen zusammen, damit Anwender eine praktikable und durchgängige Lösung an die Hand bekommen.

Sichere Kommunikation

Auch bei der Safety-Kommunikation haben sich Fragen aufgetan. Müssen Controller unterschiedlicher Hersteller funktional sicher miteinander verbunden werden, sind bis dato spezielle Koppler nötig. Dies verursacht meist einen hohen Hardware- und Engineering-Aufwand, zudem ist das Handling sehr unflexibel. Insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Vernetzung in den Unternehmen ist diese Situation unbefriedigend. Aber auch im Hinblick auf autonome mobile Fahrzeuge, Krankatzen oder Roboter, die sich selbstständig von Maschine zu Maschine bewegen, wird es kompliziert. Eine Rekonfiguration der Sicherheitsfunktionen muss hier ganz ohne menschliche Zustimmung möglich sein.

Da OPC UA für Verbindungen zwischen den Steuerungen unterschiedlicher Hersteller eine zunehmend wichtige Rolle spielen wird, war es sinnvoll, die Mechanismen von Profisafe auch auf OPC UA auszuweiten. Dieses Safety-Konzept bildet die Grundlage für die gemeinsame Gruppe von OPC Foundation und PI. Die gemeinsam erarbeitete und zur Hannover Messe vorgestellte Lösung OPC UA Safety ist konform zu der IEC61784-3 ‚functional safety fieldbuses‘ und nutzt bestehende Profisafe-Mechanismen. Derzeit erarbeiten die Experten der Arbeitsgruppe die Testspezifikationen mit den entsprechenden Prüfabläufen.

Ergänzende Daten aus dem Sensor

Industrie 4.0 baut auf vielfältigen Informationen aus dem Feld der Produktionsanlagen auf. Diese werden neben der Steuerung der automatisierten Produktion und Gerätekonfiguration im zunehmenden Maße auch für Remote Maintenance, Asset Management, Predictive Maintenance, Condition Monitoring sowie Data Analytics zur Optimierung und Flexibilisierung der Produktion benötigt.

Hier liegt die Herausforderung im Detail. Ein ‚Nicht-Funktionieren‘ macht sich schnell bemerkbar. Viel interessanter wäre jedoch, nicht nur festzustellen, ob ein Greifer auf und zu ist, sondern vielmehr anhand des Drucks eine Aussage darüber zu erhalten, ob dessen Haltekraft auch nach monatelangen Zyklen noch ausreicht oder ob eine Wartung angeraten ist. Gleiches gilt für den Verschmutzungsgrad bei Sensoren. Die Grundlagen, solche Aussagen treffen zu können, sind vorhanden.

Praktisch stellen viele Sensoren sehr viel mehr Daten bereit, als die SPS für die Prozesssteuerung benötigt.

Für reibungslose Abläufe wäre es daher hilfreich, diese Diagnosedaten quasi an der SPS vorbei in die Cloud oder an eine andere Stelle zu liefern, damit frühzeitig eingegriffen werden kann – und dies, ohne die Automatisierungslösung mühsam umbauen zu müssen. Basis hierfür kann nur eine offene Sensor-to-Cloud Kommunikation sein. Hierzu hat die IO-Link Community bereits die Companion Specification „OPC UA for IO-Link“ fertig gestellt und freigegeben. Auch hier geht es nun darum, verschiedene Sichten, etwa für die Produktion und die Wartung, so zu erarbeiten.

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Ein robustes Netzwerk muss auch die verschiedenen Aspekte in einer Fertigung Rechnung tragen und beispielsweise Diagnosedaten an der Steuerung vorbei direkt an übergeordnete Systeme senden können. PNO

Netzwerke 4.0 müssen robust und tragfähig sein

Erklärtes Ziel von Profibus & Profinet International ist ein robustes Netzwerk zu erhalten, indem bestehende und neue Technologien neben- und miteinander ebenso reibungslos funktionieren wie auch herstellerübergreifende Lösungen. Belege für dieses Bestreben sind unter anderem die drei Companion Spezifikationen. Sie zeigen, wie aus einer Anforderung aus der Industrie eine praktikable Lösung entstehen kann. Hier hat die Kombination aus Organisation, Experten und Technik zum Erfolg geführt.

Darüber hinaus werden immer Probe-Implementierungen nötig sein – dies gilt nun auch für das relativ junge Zusammenspiel von Profinet, OPC UA und TSN. Jede Technologie hat ihre Stärken, aber erst die Kombination aus dem weit verbreiteten Profinet, OPC UA (Datenmodellierung für übergeordnete Anwendungen) und TSN (Layer-2-Technik in Echtzeit) bringt für den Anwender realen Nutzen.

Die Profibus Nutzerorganusation auf der SPS 2019: Halle 5, Stand 210

 

 

Xaver Schmidt

Leiter der Marketing WGs Profinet und Industrie 4.0 der Profibus Nutzerorganisation in Karlsruhe

(sk)

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