Einfach anfangen mit dem Werkzeugkasten OPC UA

Einfach anfangen mit dem Werkzeugkasten OPC UA
OPC UA in Anwendung - Infotag
Frankfurt am Main, 05.07.2017
M. Sc. Florian Pethig
Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation
Langenbruch 6, 32657 Lemgo, Germany
[email protected]
www.bigdata-owl.de
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Agenda
 Einleitung: Industrie 4.0,
Anwendungsfälle und Mehrwerte
 Werkzeugkasten OPC UA
 Industrie 4.0-Standardisierung
 Schlussfolgerung und
Zusammenfassung
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Industrie 4.0
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Industrie 4.0
 Vernetzung von jeglichen Assets
für höhere Effizienz und mehr
Flexibilität
 über alle Hierarchieebenen der
Automatisierungspyramide…
 …und darüber hinaus
 Smart Products
 Connected World
[1] Plattform Industrie 4.0, “RAMI 4.0 – Eine Einführung”, 2016
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Industrie 4.0
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Plattform Industrie 4.0 Anwendungsszenario
 „Auftragsgesteuerte Produktion (AGP)“
 Fabriken bieten in einem Informationsmodell beschriebene Dienste an
 z. B. Produktionsressourcen
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Stand der Technik
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Hoher Aufwand für
 Systemintegration
 Anbindung an Services, z.B. für
 Condition Monitoring
 Optimierung
 Zeitaufwand und Fehleranfälligkeit
 Betreiber fordern eine standardisierte
Industrie 4.0-Kommunikation!
[2] Industrie 4.0-Kommunikation mit OPC UA – Leitfaden zur Einführung in den Mittelstand, 2017
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Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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 Industrie 4.0-Kommunikation (nach DIN SPEC 91345)
 ist keine weitere Lösung für Echtzeitkommunikation
 basiert auf neuen Konzepten
 Serviceorientierte Architektur (SOA)
 Informationsmodelle
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Zusammenfassung
Anforderungen an Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Betreiber, Maschinen- und Anlagenbauer haben Anforderungen definiert
 IT-Sicherheit: Informationen schützen! In einem Informationsmodell
zwischen öffentlichen und privaten Informationen unterscheiden
 Menschen unterstützen: Durch eine einheitliche Schnittstelle die
Komplexität reduzieren
 Fabriken effizient betreiben und flexibel umbauen: Einfache
Integration von Maschinen und Anlagen
 Maschinen einfach in die Anlage integrieren: Anlagenbauer fordern
Maschinen mit einheitlichen Schnittstellen und Informationsmodellen
 Strukturiert auf Maschinen und Zelleninformationen zugreifen:
Anlagenbauer fordern einheitliche Struktur und maschinenübergreifende
Kommunikation
 Interoperabel und sicher auf Services von Steuerung und
Feldgeräten zugreifen: Einheitliche, sichere Schnittstellen und
Informationsmodelle für Komponenten, z. B. Steuerungen
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OPC Unified Architecture (OPC UA)
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Der in der IEC 62541 spezifizierte offene Standard Open Platform
Communications Unified Architecture (OPC UA) erfüllt diese Anforderungen
 Geräte- und Fähigkeitsbeschreibungen können in Form von
Informationsmodellen erstellt werden
 Branchenspezifische Informationsmodelle können standardisiert werden
 Companion Specifications
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Anwendungsfall Condition Monitoring
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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 Zustand von Maschinen überwachen
 Standardisierter Zugriff auf Informationen (z. B.
Energieverbrauch, Umgebungstemperatur,
Prozesswerte, Auftragsstatus, …)
 Informationen Kunden auf mobilen Endgeräten
zur Verfügung stellen
 Informationstransparenz vereinfacht Wartung und
Einstellung der Maschine
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Zusammenfassung
Anwendungsfall Plug & Work
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung

Zusammenfassung
 Automatische Konfiguration von neuen Geräten in Netzwerken aus
Feldgeräten, Steuerungen, Condition-Monitoring- und
Optimierungssystemen
 Voraussetzung: Standardisierte Informationsbeschreibung
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Anwendungsfall Plug & Work
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Heute
 gleiche Information von verschiedenen Herstellern oft unterschiedlich
bezeichnet, keine standardisierten Informationsmodelle
 Hoher Aufwand trotz einheitlicher Kommunikationsschnittstelle
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Anwendungsfall Plug & Work
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 mit Industrie 4.0-Kommunikation
 muss lediglich das standardisierte Informationsmodell A bekannt sein
 Industrie 4.0-Kommunikation beginnt nicht erst auf Maschinenebene
 auch Komponenten einer Maschine, d.h. Steuerung und Feldgeräte,
können mit Industrie 4.0-Kommunikation einfacher integriert werden
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Anwendungsfall Optimierung
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung

Zusammenfassung
 Optimierung
 z. B. von Energie und Taktzeit
 Messwerte für die Optimierung können einfach via Industrie 4.0Kommunikation integriert werden
 Charakteristisches Verhalten kann mit Datenanalyseverfahren gelernt
werden und Parameter für optimierten Betrieb können ermittelt werden
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Beispiel: Optimierung eines Hochregallagers
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Einleitung
© Fraunhofer IOSB‐INA
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung

Zusammenfassung
Beispiel: Optimierung eines Hochregallagers
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Automatisiertes Hochregallager
 Leistungsspitzen minimieren und Energie einsparen
 Industrie 4.0-Kommunikation: Einheitlicher Informationszugriff auf
Steuerungen und Energiemessgeräte unterschiedlicher Hersteller
 Optimierte Steuerungsparameter berechnen und an verteilte Steuerungen
übertragen
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Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 OPC UA ist modular aufgebaut und kann als Interoperabilitäts-Framework für
die Industrie 4.0-Kommunikation verstanden werden
 OPC UA besteht aus
 Transport
 Sicherheit
 Informationszugriff
 Companion Specifications
 Erweiterten Informationsmodellen
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Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
© Fraunhofer IOSB‐INA
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
 Zwei Kommunikationsarten Client/Server und
Publisher/Subscriber
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
Zusammenfassung
Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Transport
 Client/Server
 Client greift auf Informationen des Servers über eine feste Verbindung zu
 Publisher/Subscriber
 Publisher sendet an unbekannte Subscriber ohne feste Verbindung
 Anwendungsbeispiele
 1:n – Sensor veröffentlicht Daten, die von verschiedenen
Systemen genutzt werden (Condition Monitoring, HMI, Historian)
 n:1 – Viele Sensoren übertragen Informationen in die Cloud
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Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Protokollstack
 Internet Protocol (IP) ist stets die Basis
Publish / Subscribe Model
Client / Server Services
XML
Binary
Binary / JSON
AMQP
HTTPS
TCP
UDP / TCP
IP
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MQTT
Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
© Fraunhofer IOSB‐INA
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Sicherheit
 Zugriffsrechte (Autorisierung)
 Teile von Informationsmodellen vor unberechtigtem Zugriff
schützen
 Zertifikate (Authentifizierung)
 Identität überprüfen
 Certificate Authority (CA)
 Zentrale Stelle die Zertifikatsanträge signiert
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Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
© Fraunhofer IOSB‐INA
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Informationszugriff
 Basisdienste (Browse, Read, Write, Subscribe, Method Call)
 Basismodelle
 Grundlegende Typen und Objekte eines OPC UA Servers
 Data Access, Alarms & Conditions, Historical Access
 Device Integration Modell
 Meta-Modell für Geräte
 Unabhängig von unterlagerten
Kommunikationsprotokollen
 Topologie von Gerätenetzwerken
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Migrationsschritt 1: Informationszugriff
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
Migrationsstrategie für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Umsetzung von Industrie 4.0-Kommunikation muss nicht in einem Schritt
erfolgen
 Migrationsschritt 1: Informationszugriff
 OPC UA als einheitliche Kommunikationsschnittstelle
 Variablen werden manuell gefunden und abonniert
 Maschinenbauer können z. B. Anwendungsfall Condition Monitoring
implementieren
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Migrationsschritt 1: Informationszugriff
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Technische Grundvoraussetzungen
 IP-fähiges Netzwerk (z. B. auf Basis von Ethernet, WLAN, 5G, …)
 IT-Sicherheit
 Zertifikate müssen erstellt / verwaltet werden
 Unternehmensweite Verwaltung von Zertifikaten kann sinnvoll sein
 Zugriffsrechte auf das Informationsmodell müssen konfiguriert werden
 Sind die Grundvoraussetzungen erfüllt können OPC UA-Anwendungen sicher
miteinander kommunizieren und
 das Informationsmodell erkunden (Browse)
 Variablen lesen und schreiben (Read/Write)
 Methoden aufrufen (Method Call)
 Wertänderungen und andere Ereignisse abonnieren (Subscribe)
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Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
Migrationsschritt 2: Companion Specification
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Migrationsschritt 2: Companion Specification
 Mehrere Maschinenbauer und Endanwender einer Branche erarbeiten ein
gemeinsames Informationsmodell
 Verwendung von Companion Specifications erhöht Interoperabilität und
ermöglicht den Anwendungsfall Plug & Work
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Migrationsschritt 2: Companion Specification
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Einleitung
© Fraunhofer IOSB‐INA
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
Migrationsschritt 2: Companion Specification
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Beispiel EUROMAP77
 Companion Specification für Spritzgieß- und Gummimaschinen
 enthält z. B. einheitliches Auftragsobjekt
 Auftragsanfragen können somit einheitlich an Maschinen
unterschiedlicher Hersteller gestellt werden
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Migrationsschritt 2: Companion Specification
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung

Zusammenfassung
 Beispiel AutoID (AIM)
 Companion Specification für AutoID-Geräte, wie z. B. RFID-Leser
 Lesegeräte können über standardisierte Methoden herstellerunabhängig
angesprochen werden
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Werkzeugkasten OPC UA für die Industrie 4.0-Kommunikation
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Einleitung
© Fraunhofer IOSB‐INA
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
Migrationsschritt 3: Erweitertes Informationsmodell
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung

Zusammenfassung
 Migrationsschritt 3: Erweitertes Informationsmodell
 Eine OPC UA-Anwendung kann mehrere Informationsmodelle beinhalten
 Companion Specifications
 herstellerspezifische Erweiterungen
 Über den Standard hinausgehende Funktionen
 Energie- und Taktzeitoptimierung
 Erfahrung und Wissen der Hersteller kann geschützt werden
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Migrationsschritt 3: Erweitertes Informationsmodell
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
Implementierungsnahe Fragestellungen
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 OPC UA ist grundsätzlich kostenlos (Spezifikation, Beispiel-Implementierung)
 Erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Produktreife
 Kommerzielle Development- und Toolkits erleichtern den Einstieg
 Getestete Konformität
 Support
 Training
 Lizenzkosten
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Implementierungsnahe Fragestellungen
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Funktionsumfang von OPC UA-Implementierungen unterscheidet sich
 OPC UA Profile ermöglichen die Einordnung des Funktionsumfangs
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Industrie 4.0-Standardisierung: DIN SPEC 91345
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0)
[3] DIN SPEC 91345: Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)
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Zusammenfassung
Industrie 4.0-Standardisierung: DIN SPEC 91345
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Industrie 4.0-Komponente = Asset + Verwaltungsschale
 Verwaltungsschale = Asset Administration Shell (AAS)
 Standardisierte Kommunikationsschnittstelle der Industrie 4.0
 AAS zu AAS
 Asset zu AAS
[3] DIN SPEC 91345: Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)
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Industrie 4.0-Standardisierung: DIN SPEC 91345
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung

Zusammenfassung
 Wo “läuft” die Verwaltungsschale?
 Zentral, Voraussetzung: Eindeutige Identifikation
 Dezentral, Voraussetzung: Industrie 4.0-Kommunikation
[3] DIN SPEC 91345: Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)
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Industrie 4.0-Standardisierung: DIN SPEC 91345
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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 Anforderungen an die Industrie 4.0-Kommunikation
 Service-Orientierte Architektur (SOA)
 Industrie 4.0-konforme Semantik
 Angemessene IT-Sicherheit
OPC UA erfüllt diese Anforderungen!
[3] DIN SPEC 91345: Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)
© Fraunhofer IOSB‐INA
Zusammenfassung
Industrie 4.0-Standardisierung: DIN SPEC 91345
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Struktur der Verwaltungsschale
 Header: Identifikation (URI, ISO 29002-5)
 Body: Teilmodelle basierend auf existierenden Standards
Companion
Specifications?
[3] DIN SPEC 91345: Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)
[4] IEC 62832: Reference model for representation of production facilities (Digital Factory)
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Industrie 4.0-Standardisierung: Verwaltungsschale / openAAS
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
e.g. ecl@ss
[5] Palm, “Standards für Industrie 4.0 - Dienste der Verwaltungsschale”, RWTH Aachen University,
ACPLT - Lehrstuhl für Prozessleittechnik, 2016
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Industrie 4.0-Standardisierung: Verwaltungsschale / openAAS
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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[6] ecl@ss Version 9.1, Online: http://www.eclass.eu/, Accessed 27.03.17
© Fraunhofer IOSB‐INA
Zusammenfassung
Industrie 4.0-Standardisierung: Verwaltungsschale / openAAS
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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[6] ecl@ss Version 9.1, Online: http://www.eclass.eu/, Accessed 27.03.17
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Zusammenfassung
Migrationsschritt 4: Verwaltungsschale
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Einleitung
© Fraunhofer IOSB‐INA
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
Migrationsschritt 4: Verwaltungsschale
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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OPC UA Companion Specification
I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
I4.0-Teilmodell
Standardisierte
IEC 61360
Merkmale
standardisiert
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Schlussfolgerung
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Companion Specifications standardisieren domänenspezifische
Informationsmodelle
 Verwaltungsschale verwendet standardisierte Informationselemente
(Merkmale)
 Companion Specifications sollten zukünftig Merkmale verwenden, um sie als
Teilmodelle in die Verwaltungsschale integrieren zu können
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Zusammenfassung
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Einleitung
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Werkzeugkasten
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I4.0-Standardisierung
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Zusammenfassung
 Industrie 4.0-Kommunikation
 ist keine weitere Lösung für Echtzeitkommunikation
 basiert auf neuen Konzepten
 Serviceorientierte Architektur (SOA)
 Informationsmodelle
 ermöglicht die einfache Implementierung der Anwendungsfälle
 Condition Monitoring
 Plug & Work
 Optimierung
 kann schrittweise eingeführt werden
 bedarf der Zusammenarbeit von Unternehmen bei der
Standardisierung!
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