Systemmigration und Standardisierung mit OPC-UA und SMARTUNIFIER

Die Industrie verändert sich rasant durch neue Technologien. Auf allen Ebenen werden immer mehr Daten produziert. Um effizient zu bleiben und wettbewerbsfähig zu sein, müssen sich Organisationen modernisieren und anpassen. Dazu gehört die Aktualisierung veralteter Systeme und die Konsolidierung von Daten aus bestehenden und neuen Quellen. Diese Veränderungen müssen strukturiert umgesetzt werden und erfordern Zeit, sodass in den meisten Fällen die Produktion mit dem parallelen Betrieb von alten und neuen Systemen fortgesetzt werden muss. Diese Migration von alten zu neuen Systemlandschaften erfordert einen Ansatz, bei dem Schnittstellen systematisch migriert und Informationsmodelle an sich ändernde Anforderungen angepasst werden.

Die Verbindung zu Maschinen und Anlagen auf der Shopfloor-Ebene, um Daten zu empfangen und zu senden, war schon immer eine Herausforderung. Industriegremien haben Standards definiert, um die Komplexität des Datenaustauschs zu reduzieren. In diesem Zusammenhang spielt die OPC Foundation eine wichtige Rolle.

Die OPC Foundation ist eine Organisation, die für die Entwicklung und Pflege des OPC (Open Platform Communications)-Interoperabilitätsstandards verantwortlich ist. Dieser Standard ermöglicht den sicheren und zuverlässigen Austausch von Daten in der industriellen Automatisierung und anderen Branchen. Dieser plattformunabhängige Standard gewährleistet den nahtlosen Informationsfluss zwischen Geräten verschiedener Hersteller. OPC-UA (Unified Architecture) ist eine plattformunabhängige, dienstorientierte Architektur mit einem erweiterbaren Framework, das neue Transportprotokolle, Sicherheitsalgorithmen, Kodierungsstandards oder Anwendungsdienste integrieren kann. Besonders wichtig ist, dass OPC-UA firewallfreundlich ist und eine Reihe von Sicherheitskontrollen beinhaltet.

OPC-UA und OPC-UA Companion Standards

OPC steht für Open Platform Communications und ist eines der wichtigsten Kommunikationsprotokolle für fortschrittliche industrielle Konnektivität, wie sie von Industrie 4.0 und dem Industrial Internet of Things (IIoT) gefordert wird. Mit OPC wird der Zugriff auf Maschinen, Geräte und andere Systeme in der industriellen Umgebung standardisiert und ermöglicht einen herstellerunabhängigen Datenaustausch.

Der aktuelle Standard der OPC-Spezifikation ist OPC UA (OPC Unified Architecture). Es ist der Nachfolger des inzwischen veralteten OPC-Standards, der heute als OPC Classic bezeichnet wird. Der alte Standard hat die Aufgabe, den herstellerunabhängigen Datenaustausch in der Automatisierung zu realisieren, bereits sehr erfolgreich gelöst und die grundlegenden Schnittstellen definiert. Der große Nachteil von OPC Classic war die mangelnde Plattformunabhängigkeit, da es ausschließlich auf alten Microsoft-Technologien (z. B. COM und DCOM) basierte. Mit dem zunehmenden Erfolg anderer Plattformen (z. B. Linux und Cloud-Technologien) war die breitere Anwendung von OPC eingeschränkt.

Aufgrund dieser Nachteile und vieler funktionaler Einschränkungen (z. B. Leistung und Sicherheit) hat die OPC Foundation den Nachfolger OPC UA entwickelt. OPC UA ist plattformunabhängig und hat Interoperabilität als primäres Ziel. Technisch wurde der Standard auf der Grundlage grundlegender Web-Technologien (TCP/IP, HTTP/SOAP) aufgebaut. Die Grundkonzepte für den Datenaustausch wurden übernommen, kombiniert und durch weitere Konzepte ergänzt (siehe OPC-UA-Spezifikationen).

Dennoch werden auch mit OPC-UA spezifische Anforderungen der heutigen Industrie noch nicht vollständig erfüllt. Insbesondere die Standardisierung industrieller Informationsmodelle, um Daten nahtlos zwischen Geräten und IT-Systemen austauschen zu können, ist im Standard-OPC-UA nicht festgelegt. Um diese Lücke zu schließen, haben die OPC Foundation und verwandte Industriegruppen begonnen, sogenannte „Companion Specifications“ zu erstellen.

Die Companion Specifications sind Informationsmodelle, die von der OPC Foundation und Industriegruppen auf der Grundlage des OPC UA-Standardmodells erstellt wurden. Sie definieren spezifische Datenstrukturen und Kommunikationsprozesse für branchenspezifische Anwendungen und Objekte. Beispiele hierfür sind Modelle für Spritzgießmaschinen (Euromap 77), Modelle für CNC-Maschinen, Roboter und andere (universelle Maschinenschnittstelle (umati)). Die OPC Foundation listet alle übernommenen Companion Specifications auf ihrer Website auf. Viele weitere werden ständig von Arbeitsgruppen entwickelt und stehen kurz vor der Übernahme.

Zusammenfassend standardisiert OPC UA den einfachen Datenaustausch mit Maschinen und Systemen. Die Companion Specifications standardisieren auch die Informationsmodelle für spezifische Geräte und IT-Systeme in bestimmten Branchen, in denen der auszutauschende Daten festgelegt ist. Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung bei der Anbindung dieser Maschinen an übergeordnete IT-Systeme und dem nahtlosen Austausch von Daten zwischen jedem Datenproduzenten und Datenkonsumenten.

Ansatz zur System-Aktualisierung und Implementierung von Industrieschnittstellen-Standards

Ein logischer erster Schritt bei der Implementierung oder Aktualisierung von Systemen ist die schrittweise Einführung von Industrieschnittstellen-Standards, um so die Legacy-Geräte und IT-Systeme zu integrieren. In weiteren Schritten können standardisierte Informationsmodelle angewendet und iterativ erweitert werden. Der Übergang vom alten zum neuen System kann wie folgt aussehen:

• Erster Schritt: OPC UA kann als einheitliche Schnittstelle verwendet werden, um Informationen von Geräten oder Anlagen verschiedener Hersteller abzurufen. Relevante Parameter für die Überwachung von Geräten oder Anlagen werden manuell in das Überwachungssystem integriert. Wenn ein Gerät oder eine Anlage OPC-UA nicht nativ unterstützt, kann eine Umwandlung vom nativen Protokoll (z. B. TCP/IP-basiertes PLC-Protokoll) in OPC-UA mit einem „Protokolladapter“ durchgeführt werden. Dieser Ansatz ist bereits vorteilhaft im Vergleich zur heutigen Integration über viele verschiedene Kommunikationslösungen.
• Zweiter Migrationsschritt: Standardisierte Informationsmodelle, sogenannte Companion Specifications für OPC UA, können eingeführt werden. Die Kernfunktionalität von Maschinen und Anlagen verschiedener Hersteller wird identisch modelliert, um eine einheitliche Integration und Nutzung dieser Maschinen zu ermöglichen.
• Dritter Migrationsschritt: Erweiterte Informationsmodelle können Funktionalitäten enthalten, die nicht standardisiert werden sollen. Das bedeutet, dass auch in Industrie 4.0 Geräte und IT-Systeme in Bezug auf Leistung und Effizienz unterschiedlich sein werden. Es ist nicht beabsichtigt, alle Aspekte von Geräten und Systemen zu standardisieren. Das Know-how von Maschinen- und Anlagenbauern, z. B. spezialisierte Funktionen zur Optimierung ihrer Maschinen, kann durch rollenbasierte Berechtigungen in OPC UA granular geschützt werden.

• Weitere Schritte: Es können weitere standardisierte Schnittstellen mit benutzerdefinierten Erweiterungen für spezifische Anwendungsfälle und Ziel-IT-Systeme implementiert werden, und die standardisierte Konnektivität zu bereits vorhandenen oder neuen IT-Systemen kann angewendet werden.

SMARTUNIFIER Connectivity Platform für die Migration und Implementierung industrieller Kommunikationsstandards

SMARTUNIFIER wurde speziell entwickelt, um diesen schrittweisen Ansatz für die Migration zu industriellen Kommunikationsstandards zu ermöglichen.

Grundvoraussetzung: SMARTUNIFIER unterstützt den OPC-UA-Kommunikationsstandard. Mit SMARTUNIFIER können ein oder mehrere Kommunikationskanäle einfach als OPC-UA-Client konfiguriert werden, um eine direkte Verbindung zu jeder Art von OPC-UA-gesteuerten Geräten herzustellen. Es ist auch möglich, einen oder mehrere Kommunikationskanäle als OPC-UA-Server einzurichten, um eine Verbindung zu jedem übergeordneten OPC-UA-basierten Zielsystem herzustellen.

Unterstützung weiterer Protokolle: SMARTUNIFIER unterstützt nahezu jedes andere Kommunikationsprotokoll wie MQTT, SQL-Datenbankverbindungsprotokolle, dateibasierte Protokolle und viele mehr.

Ein Schlüsselkonzept für die Kommunikation mit diesen verschiedenen Protokollen ist die Verwendung von Informationsmodellen, die eine Möglichkeit bieten, die Daten von Geräten, Anlagen und IT-Systemen mit gemeinsamer Semantik zu beschreiben, unabhängig vom verwendeten physischen Protokoll. Auf diese Weise kann die Konnektivität mit SMARTUNIFIER implementiert werden, ohne sich mit den Details der niedrigeren Protokollebenen befassen zu müssen, sondern sich auf die Dateninhalte, -strukturen und die Semantik konzentrieren zu können.

In dieser Hinsicht beschreibt ein Informationsmodell die kommunikationsrelevanten Daten, die von jedem angeschlossenen Gerät oder IT-System verfügbar sind. Ein Gerät oder ein IT-System wird daher durch ein Informationsmodell repräsentiert. Informationsmodelle können aus Variablen, Ereignissen und Befehlen bestehen und sind über verschiedene Geräte und IT-Systeme hinweg wiederverwendbar.

Wiederverwendbarkeit ist ein Schlüsselaspekt, wenn Produktionskomponenten innerhalb einer Produktionsanlage oder über mehrere Anlagen hinweg repliziert werden.

Die Drag-and-Drop-Mapping-Funktion in SMARTUNIFIER wird verwendet, um festzulegen, wann und wie Daten zwischen zwei oder mehr Informationsmodellen ausgetauscht und transformiert werden sollen. Sie fungiert als Übersetzer zwischen den verschiedenen Informationsmodellen. Ein Mapping besteht aus einer oder mehreren Regeln. Eine Regel enthält einen Trigger, der definiert, wann der Austausch/die Transformation stattfinden soll, und eine Liste von Aktionen, die beschreiben, wie dies geschehen soll. Informationsmodelle und Mappings fügen den ausgetauschten Daten Semantik oder Bedeutung hinzu und schaffen so einen Unternehmenskontext.

Betrachtet man den Fortschritt eines Migrationsprojekts, wie oben beschrieben:

• Industriestandards-Protokolle werden eingeführt, indem für jede spezifische Datenquelle ein Informationsmodell erstellt und dieses auf das erforderliche industrieweite Format abgebildet wird.
• Ein Informationsmodell für das bestehende übergeordnete Zielsystem wird erstellt und die Quelldaten auf das Zielsystemformat abgebildet.
• Ein Informationsmodell für jedes neue übergeordnete System wird erstellt, und die Quelldaten werden auf das neue Ziel abgebildet, ohne bestehende Schnittstellen zu stören.
• Alle Schnittstellen werden mit dem SMARTUNIFIER-Simulator getestet, bevor eine Verbindung zu physischen Geräten, Anlagen und IT-Systemen hergestellt wird.

SMARTUNIFIER erfordert keine zentralisierte Plattform. Jede Migration kann in kleinem Maßstab mit minimalen Kosten, reduziertem Implementierungsaufwand und geringem Risiko begonnen werden.

Der oben dargestellte Migrationspfad kann verfolgt werden, um die Brücke von Legacy-Schnittstellen zu Industriestandards zu schlagen und eine branchenübliche Schnittstelle für die Verbindung einer beliebigen Anzahl neuer Systeme zu schaffen.

Fazit und Vorteile

Um mit dem raschen Wandel Schritt zu halten, neue Technologien zu nutzen und die ständig wachsenden Datenmengen zu erschließen, müssen Organisationen Industriestandards übernehmen. Die Migration zu industriellen Konnektivitätsstandards wie OPC-UA und OPC-UA Companion Standards spielt eine entscheidende Rolle, um die Geschäftsführung zu erreichen.

SMARTUNIFIER ist eine leistungsstarke Plattform, um Industrieschnittstellen-Standards schrittweise zu implementieren und auf diese Weise Legacy-Geräte und IT-Systeme zu kapseln. Mit SMARTUNIFIER können standardisierte Informationsmodelle wie OPC-UA Companion Standards angewendet und iterativ erweitert werden.

SMARTUNIFIER bietet einen neuen Ansatz für die Datenmigration und Standardisierung, der eine schnelle und effiziente Migration zu Industrie 4.0 ermöglicht.

SMARTUNIFIER ist eine leistungsstarke und vollständig dezentrale Konnektivitäts- und DataOps-Plattform, um industrielle Geräte und IT-Systeme zu vernetzen, einschließlich Anlagen, Peripheriegeräten, Sensoren/Aktoren, MES, ERP sowie cloudbasierten IT-Systemen, und umfasst umfassende Funktionen für effizientes Data Engineering und die Erreichung hoher Datenqualität.

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