Robotik + Automation OPC UA Demonstrator

VDMA R+A

Interoperabel, herstellerunabhängig, fähigkeitenbasiert

VDMA Robotik + Automation: Drei Arbeitskreise. Ein Ziel!   

Anfang 2017 startete der VDMA Robotik + Automation mehrere Initiativen, um Datenmodelle für den einheitlichen und offenen Kommunikationsstandard OPC UA zu entwickeln. OPC UA steht für Open Platform Communication Unified Architecture und bietet aufgrund seiner Architektur die Möglichkeit, eine plattform- und herstellerunabhängige Kommunikation über verschiedene Ebenen der Automatisierungspyramide bereitzustellen und den streng hierarchischen Datenfluss hierbei aufzulösen. Dieser Kommunikationsstandard wird auch vom VDMA zum Erreichen der für die Zukunftsvision Industrie 4.0 notwendigen Interoperabilität bevorzugt, unter anderem auch für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M). Damit diese Vision auch Realität werden kann, werden in VDMA-Arbeitskreisen sogenannte Companion Specifications für OPC UA erarbeitet, welche die branchen- und anwendungsspezifischen Datenmodelle repräsentieren. Hierbei wird festgelegt, welche konkreten Informationen (z. B. Messwerte, Alarme, Zustände usw.)  in welcher Form (z. B. Datentypen, Einheiten usw.) bereitgestellt werden.     

Damit die Vernetzungsmöglichkeiten mit OPC UA nicht nur ein abstraktes Konstrukt bleiben, hat sich der VDMA Robotik + Automation dazu entschieden einen OPC UA-Demonstrator zu bauen. Dieser soll erstmalig auf der automatica 2018 präsentiert werden und eine Vision zeigen, wie OPC UA künftig in der Produktionstechnik eingesetzt werden kann. Die Chancen und das Potenzial von OPC UA sollen somit allen interessierten Besuchern (be)greifbar gemacht werden.

Zwei Use Cases werden auf der OPC UA Demonstrationsfläche gezeigt: Steuerung und Zustandsüberwachung.

Use Case fähigkeitsbasierte Steuerung: Der Demonstrator hat die Aufgabe, ein Produkt, bestehend aus mehreren Einzelteilen, zusammen zu montieren. In diesem Fall ist es ein Fidget-Spinner, wie Sie ihn in (fast) jedem Kinderzimmer finden. Das Tolle dabei ist, dass die Fertigungszelle nicht von einem einzelnen Unternehmen aufgebaut wird, sondern von über 20 Komponentenherstellern, Systemintegratoren und Softwarespezialisten. Jeder der Teilnehmer integriert dabei seine eigenen Automatisierungskomponenten und beschreibt deren Funktionalitäten mit Hilfe sogenannter Fähigkeiten (Skills), welche im Rahmen des Projekts herstellerübergreifend standardisiert werden. Eine derartige Beschreibung stellt eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung der im Kontext Industrie 4.0 geforderten Wandelbarkeit dar. In der Zelle sind neben Rundschaltisch, Achsen und Greifern auch Bildverarbeitungssysteme und Roboter integriert.

Use Case Zustandsüberwachung: Mehrere Roboterhersteller zeigen wie sich Condition Monitoring unabhängig von Hersteller und Robotertyp Cloud-basiert verwirklichen lässt. Hier sieht der Besucher alle relevanten Zustandsdaten übersichtlich auf dem Dashboard.

 

Der VDMA Fachverband Robotik + Automation besteht aus den drei Fachabteilungen Robotik, Integrated Assembly Solutions (IAS) und Industrielle Bildverarbeitung (IBV). Im Nachfolgenden werden die OPC UA-Ansätze beschrieben:

In der Robotik wird im ersten Schritt wird in Form einer OPC UA Companion Specification ein Motion Device System (Bewegungsgerätesystem) beschrieben, in welchem sich wiederum einzelne Motion Devices, wie beispielsweise Industrieroboter und deren Steuerungen, bis hin zu einzelnen Achsen wiederfinden. Dabei wird im Wesentlichen sowohl eine grobe physische Struktur dargestellt, als auch von den Komponenten erfasste Zustands-, Soll- und Istwerte. In der ersten Version ist das erklärte Ziel der Specification eine standardisierte und herstellerunabhängige Selbstbeschreibung des Motion Device System überlagerten IT-Systemen bereitzustellen. In einer zweiten Version soll dann auch eine Konfiguration ermöglicht werden.

Der IBV-Arbeitskreis möchte mit dem ersten Teil der Companion Specification das Bildverarbeitungssystem steuern. Hierzu müssen die Aktivitäten eines Bildverarbeitungssystems mit der Mechanik der Maschine oder Anlage synchronisiert werden. Hierzu ist ein fähigkeitenbasierter Modellierungsansatz gewählt worden, welcher das Systemverhalten mittels einer State Machine (Statusmaschine) abstrahiert und somit das Bildverarbeitungssystem über Methodenaufrufe steuert.

Der IAS-Arbeitskreis verfolgt das Ziel ein Konzept zur generischen Beschreibung und Steuerung von Prozessen zu erstellen, welches sowohl in der Phase des Engineerings als auch während des Betriebs verwendet werden kann. Dabei werden die Gerätefunktionalitäten, beispielsweise von Greifern, Linearachsen oder Rundschalttischen, in Form von standardisierten und herstellerunabhängigen Fähigkeiten (Skills) beschrieben. Diese ermöglichen sowohl einen ressourcenneutralen Entwurf  des Prozessablaufs sowie eine einheitliche Steuerung. So kann mithilfe der Fähigkeit „Objekt bewegen“ ein Handhabungsvorgang beschrieben werden, ohne zunächst festzulegen welche Kombination aus Roboter und Greifer diese letztlich ausführt. Dieser kann auch zusammengesetzte Fähigkeiten (composed skills) entstehen, mit deren Hilfe es den Anwendern auch möglich ist die Abläufe innerhalb ganzer Maschinen zu beschreiben und zu kapseln (vgl. Abbildung 1).

Im Betrieb können diese Fähigkeiten dann über OPC UA ausgeführt werden, was zu einer entsprechenden Bewegung der Komponenten führt. Hierbei ist nur entscheidend, dass die ausgewählte Ressource die entsprechenden Prozessanforderungen erfüllt. Die Ansteuerung der Fähigkeit ist hingegen für sämtliche Komponenten identisch. Somit ist es auch möglich auf einfache Art und Weise die im Kontext Industrie 4.0 gestellte Forderung nach Wandelbarkeit zu erfüllen. Durch das Hinzufügen von Fähigkeiten im Steuerablauf und die Verwendung von Ressourcen, die diese auch anbieten, wird eine schnelle und einfache Integration ermöglicht. Zudem können auch bestehende Ressourcen im Falle eines Defekts oder einer Änderung der Anforderungen in kürzester Zeit in bestehenden Prozessen ausgetauscht werden.

 

Abbildung 1: IAS-Ansatz: Skill-based Engineering mit Funktionsblöcken

Botschaft    

Der VDMA Robotik + Automation möchte die Branche fit machen für eine interoperable und herstellerübergreifende Kommunikation. Kommunikationsbarrieren zwischen den Hierarchieebenen der klassischen Automatisierungspyramide sollen mit OPC UA stückweise aufgelöst werden.  

Der R+A-Demonstrator veranschaulicht, wie eine einheitliche und semantische Beschreibung einer Produktionsanlage – unter der Voraussetzung einer interoperablen Kommunikation mit OPC UA – modelliert werden kann. Alle drei Fachabteilungen präsentieren auf dem Sonderstand ihren branchenspezifischen Ansatz.   

 

Welchen Nutzen sehen wir für den Maschinen- und Anlagenbau?  

  • Geringerer Integrationsaufwand und Zeitersparnis
    • Eine vereinheitlichte Schnittstelle, anstatt viele proprietäre Schnittstellen, erhöht die Schnittstellenqualität und reduziert Zeit und Kosten für die Entwicklung sowie die Inbetriebnahme einer Schnittstelle.
    • Interoperabilität mittels OPC UA als einheitliche Sprache, bei der Anlagen, Maschinen und Komponenten direkt miteinander sprechen, ohne dass die Informationen über ein Gateway übersetzt werden müssen.
  • Höhere Flexibilität
    • Steuerungsabläufe können leichter angepasst und Komponenten können einfacher, herstellerübergreifend ausgewechselt werden.
  • Produktverbesserung
    • Aufgrund der Bildung eines herstellerübergreifenden Verständnisses, erfinden sich die Branchen ein Stück weit neu, welches die Voraussetzung für Synergien und Produktverbesserungen sind.
  • Wiederverwendbarkeit durch standardisierte Beschreibung
    • Erstmals sind Hersteller angehalten mittels objektorientierter Informationsmodellierung ihre Produkte informationstechnisch zu modellieren. Dadurch können modellierte Konzepte für weitere vereinheitlichte Schnittstellen wiederverwendet werden.


 

Besuchen Sie uns auf der automatica vom 19. - 22. 06.2018 in Halle B4 und erhalten Sie einen individuell angefertigten Finget-Spinner.

 

VDMA Organisation:

Etienne Axmann
+49 69/ 6603 1530
etienne.axmann@vdma.org

Dr. Reinhard Heister
+49 69/ 6603 1163
reinhard.heister@vdma.org

 

Externe Betreuung:

Technische Projektleitung: Benjamin Brandenbourger
+49 (0) 162 / 30 76 467
benjamin@brandenbourger.de