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Kommunikation-Bausteine für die vernetzte Fabrik

Harting10719Fachartikel

2016 hat der AIM-D Verband in Kooperation mit der OPC Foundation einen neuen Kommunikationsstandard für Auto ID-Geräte herausgebracht. Auf der letzten SPS IPC Drives in Nürnberg zeigte sich, das dieser Standard von vielen Geräteherstellern und ihren Anwendern über das gesamte Auto ID-Spektrum angenommen wird. Harting war von Beginn an mit im Boot der Entwicklung.

Motiviert von Siemens und Harting entschloss sich der AIM Arbeitskreis Systemintegration im Jahr 2014 für die Definition eines neuen, zukunftsträchtigen technologie- und herstellerunabhängigen Kommunikationsstandard für die Auto ID (Automatische Identifikation und Datenerfassung) Branche. Bislang galt, dass viele Geräte über proprietäre Schnittstellen kommunizierten. Zudem galten für unterschiedliche Technologien oft unterschiedliche Kommunikationsstandards. Sprich, ob Barcode oder UHF, RFID hatte einen Einfluss auch bei der Programmierung der Kommunikationsschnittstelle der anzubindenden Software. Diese Gegebenheiten waren historisch gewachsen.

Auto ID als Basistechnologie für Industrie 4.0

Harting30719Behälter, Leiterplatten, Automobilkarossen, Krankenhausbetten und vieles mehr sind dank Auto ID-Technologie heute automatisch zu identifizieren – und zwar in der Regel komplett passiv ohne Wartungsarbeiten am Objekt. Mit UHF RFID (auch RAIN RFID genannt) erhält das Objekt selbst noch ein Gedächtnis. Informationen wie das Fertigungsdatum und die Firmware Version einer Leiterplatte können direkt, in diesem Beispiel an der Leiterplatte abgespeichert werden, ohne Stromzufuhr, drahtlos abrufbar oder aktualisierungsfähig.

Die Auto ID-Technologie ist heute ein selbstverständliches Werkzeug, um eine Gesamtlösung, z. B. ein automatisch arbeitendes Lagerlogistikzentrum, zu realisieren. Kommunikationsbarrieren sind unerwünscht. Welche Auto ID-Technologie für welchen Zweck eingesetzt wird, soll ebenfalls der Anwendungsfall entscheiden und nicht die Kommunikationsschnittelle vom Auto ID-Gerät. Zudem werden klassische Kommunikationsstrukturen wie die Automatisierungspyramide aufgebrochen. Ein RFID-Reader kommuniziert heute direkt mit einem ERP-System wie auch mit einer SPS an der Produktionsstraße.

Motiviert von diesen Ideen und Anforderungen entschloss sich der AIM Arbeitskreis eine Kommunikationsschnittstelle auf Basis von OPC UA zu definieren. OPC UA ist einer der Standards für die Realisierung von modernen Kommunikationsarchitekturen und wird auch in den RAMI Spezifikationen der Bundesregierung zum Thema Industrie 4.0 gelistet. Zudem wird OPC UA bereits von vielen SPS‘en und Softwaresystemen unterstützt. Eine Kommunikation zur Maschine und zum Datenbanksystem in der Cloud ist so einfach zu realisieren. OPC UA ist der Kommunikationsstandard der Automatisierungsbrache. Es gibt nahezu keinen Anbieter für diese Branche und nahezu keinen Maschinenhersteller, der nicht heute bereits eine OPC UA Schnittstelle anbietet.

Dank objektorientierter Struktur eignet sich OPC UA sehr gut, um einen gemeinsamen Kommunikationsstandard für die verschiedensten Auto ID-Technologien zu entwickeln. Gemeinsamkeiten wie eine Scan Methode für die einfache Erkennung einer ID können so in übergeordneten Klassen definiert werden. Spezifische Ausprägungen können in hieraus abgeleiteten Klassen für die einzelnen Auto ID-Technologien umgesetzt werden. Durch diesen Mechanismus können auch auf dem Standard aufsetzend herstellerspezifische Erweiterungen eingepflegt werden, ohne die gemeinsame Grundfunktionalität in Frage zu stellen.

Sicherheit gleich eingebaut

Kommunikationssicherheit ist zudem ein wichtiges Thema. Isolierte Kommunikationssysteme gibt es auch in Fertigung oder Logistik immer seltener. Wie bereits erwähnt, ist die vertikale wie horizontale Integration auch von Auto ID-Systemen heute entscheidend, um eine Gesamtlösung entstehen zu lassen. OPC UA bietet integriert bereits diverse Sicherheitsmechanismen. Dies wurde auch vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) getestet. Das BSI hat bestätigt, dass OPC UA bereits integral Mechanismen zur Umsetzung einer sicheren Datenkommunikation anbietet. Das BSI meint hierzu: „OPC UA wurde unter Sicherheitsaspekten entwickelt und enthält keine systematischen Sicherheitslücken“. Für Auto ID-Systeme ist dieser Aspekt nicht zu vernachlässigen. Schließlich arbeiten auf Grundlage der vom AutoID-System kommunizierten Daten komplette Maschinen und Prozesse weitestgehend autonom.  

Das Thema Sicherheit, nicht nur von Seiten der Kommunikation zu SPS oder Rechnersystem, haben die Mitglieder vom AIM Verband generell als wichtig erachtet. AIM Deutschland hat daher im Jahr 2018 einen eigenen Arbeitskreis „Auto ID+Security“ gegründet. Dieser Arbeitskreis erarbeitet Handlungsempfehlungen wie die Auto ID-Technik sicher zu verwenden ist.

2016 stellte AIM Deutschland die neue OPC Unified Architecture for Auto ID Companion Specification auf der Hannover Messe vor. Die ersten am Markt verfügbaren RAIN RFID-Geräte von Siemens und Harting wurden in einer Demoapplikation auf dem Messestand der OPC Foundation vorgeführt. Eine direkte Kommunikation, zum Beispiel bis in die Microsoft Azure Cloud, ist kein Problem. Die Schnittstellenspezifikation ist für alle frei auf Anfrage unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! verfügbar. So können alle SPS und Backend-Systeme diese Schnittstelle direkt integrieren.

OPC UA hat seit 2016 noch mehr an Bedeutung gewonnen. Der Beitritt des Volkswagen Konzerns in die OPC Foundation im Jahr 2018 zeigen, dass auch eine der Schlüsselbranchen Deutschlands bzw. Europas, die Automobilindustrie, OPC UA für wichtig erachtet. Am 21. Mai 2019 richtet die Automatisierungsinitiative Deutscher Automobilhersteller (AIDA) gemeinsam mit dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) in Kooperation mit der OPC Foundation bei Volkswagen in Wolfsburg einen OPC UA Informationstag für Automobilzulieferer aus. Dies zeigt auch, dass die Anwender der Auto ID-Technologie OPC UA einfordern.

Auto ID-Geräte mit OPC UA-Schnittstelle

Die im Jahr 2016 veröffentlichte OPC Unified Architecture for Auto ID Companion Specification ist inzwischen von vielen Auto ID-Herstellern in die Geräte integriert worden. Wie am OPC Foundation Messestand auf der SPS IPC Drives im November 2018 zu sehen war, sind inzwischen Barcode, HF und UHF Geräte mit OPC UA Schnittstelle verfügbar. Aktuell haben wir verschiedene Auto ID-Technologien, aber einen gemeinsamen Kommunikationsstandard. Eine einheitliche, sichere Datenkommunikation zu unterschiedlichsten Geräten verschiedener Hersteller ist damit Realität auf Basis von OPC UA, dem zukunftsfähigen Kommunikationsstandard in der Automatisierungsbranche.

Selbstverständlich unterscheiden sich die Auto ID-Geräte der einzelnen Hersteller auch weiterhin. Differenzierungsmöglichkeiten weisen die Geräte genügend auf. Lediglich der Datenaustausch ist vereinheitlicht. Dies vereinfacht die Einbindung der Auto ID-Technologie. Dank „inbuild security“ erhöht sich bei richtiger Anwendung die Sicherheit der Kommunikation. Das beschleunigt den Ausbau der Automatisierung hin zu Industrie 4.0.

Zukünftige Arbeiten des Arbeitskreises

Doch der Arbeitskreis Systemintegration beendete seine Arbeit nicht im Jahr 2016. Kontinuierlich arbeiten die Teilnehmer an der Erweiterung und Verbesserung der Schnittstellenspezifikation. Die Aufgaben sind hierbei vielfältig. Ein Kernthema ist die Vereinfachung der Schnittstelle für - aus Auto ID Sicht - einfachere Anwendungsszenarien. Dies soll die Umsetzung und die Schnittstellenintegration beschleunigen und unnötige Hürden abbauen. So kann in Zukunft ein einfaches Scannen eines einzelnen Objektes rein über Variablen erwirkt werden. Funktionsaufrufe sind nicht mehr erforderlich. Der Implementierungsaufwand reduziert sich auf das Minimum.

Ein weiteres wichtiges Thema ist die Integration von Sensordaten. Insbesondere die RAIN RFID Technik wird immer häufiger zur Übertragung von Sensorwerten genutzt. So lassen sich Objekte eindeutig identifizieren, zusätzliche Daten auslesen und der aktuelle Objektzustände abfragen. Informationen, ob das Getriebe zu heiß, die Karosserie feucht oder der Container sicher verriegelt ist, können direkt mit abgefragt werden. Oft sogar batterielos – also passiv und ohne zusätzliche Wartungsarbeiten.  
Die einzelnen Technologien verschmelzen hierbei immer mehr. Klassische Sensorik und Auto ID wächst zusammen.

AIM Deutschland hat auch diesen Aspekt in einem zusätzlichen Arbeitskreis „RFID+Sensorik“ im Jahr 2018 aufgegriffen. Die Ergebnisse und Empfehlungen dieses Arbeitskreises werden selbstverständlich auch bei der Erweiterung der OPC UA basierten Schnittstelle mitberücksichtigt. Zudem gibt es einen internationalen Austausch über den RAIN bzw. AIM North America Verband.

Auf der Hannover Messe 2019 ist die das neuste Release der OPC Unified Architecture for Auto ID Companion Specification von AIM Deutschland in Kooperation mit der OPC Foundation vorgestellt worden. Erste Ergebnisse der oben angesprochenen Arbeitspakete sind hier bereits enthalten.

Harting20719Der Autor (Bild) ist Olaf Wilmsmeier, Business Development Manager RFID, Harting IT Software Development und Board Member of AIM-D.

Bild oben: v. l.: Stefan Hoppe, President and Executive Director OPC Foundation; Bernd Wieseler, Chairman of the AIM-D Systemintegration Working Group, Hans Turck GmbH & Co. KG; Olaf Wilmsmeier, Board Member of AIM-D, Harting IT Software Development GmbH + Co. KG; Matthias Damm, Member of OPC Foundation technical advisory council, ascolab GmbH

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