Field Level Communications (FLC) Initiative der OPC Foundation zeigt die erste OPC UA FX Multi-Vendor-Demo

OPC UA für die Feldebene

Die Field Level Communications (FLC) Initiative der OPC Foundation wurde ins Leben gerufen, um OPC UA auch in der Feldebene als einheitliche, durchgängige und herstellerunabhängige Industrie-Interoperabilitätslösung zu etablieren. Dazu werden Erweiterungen für das OPC UA Framework spezifiziert, welche die Semantik und das Verhalten von Steuerungen und Feldgeräten verschiedener Hersteller vereinheitlichen und dies sowohl für die diskrete Fertigung wie auch für die Prozessindustrie.
 Abb. 5: Dashboard der Multi-Vendor-Demo mit der Visualisierung von zwei Produktionslinien
Abb. 5: Dashboard der Multi-Vendor-Demo mit der Visualisierung von zwei ProduktionslinienBild: OPC Foundation

Erste OPC UA FX Multi-Vendor-Demo

Im November 2021 wurde erstmals eine Multi-Vendor-Interoperabilitätsdemo realisiert, in der Automatisierungs- und Netzwerkkomponenten von insgesamt über 20 Herstellern kombiniert wurden, um einen herstellerübergreifenden Datenaustausch über OPC UA und die OPC UA FX Erweiterungen zu veranschaulichen. Dazu wurden 17 Steuerungen (u.a. SPS- und Robotersteuerungen, sowie DCS-Systeme) von verschiedenen Anbietern – darunter die größten Automatisierungshersteller der Welt – über eine gemeinsame Netzwerkinfrastruktur vernetzt. Diese Infrastruktur besteht aus herkömmlichen Ethernet Switches, Ethernet TSN (Time-Sensitive-Networking) Switches, sowie einem 5G-Testbed unter Nutzung des Millimeterwellen-Frequenzbereichs (siehe Abb. 2).

Alle Steuerungen des Demonstrators stellen über einen integrierten OPC UA Server aktuelle Status- und Anlageninformationen zur Verfügung, die über ein zentrales Dashboard abgefragt und visualisiert werden. Im All Controller View werden für alle 17 Steuerungen der Multi-Vendor Demo der Status der OPC UA Verbindungen, sowie Informationen über die von den UAFX Steuerungsprototypen jeweils konfigurierten, PubSub-basierten UAFX Verbindungen angezeigt (siehe Abb. 3).

Das Dashboard selbst ist interaktiv und wechselt beim Klicken auf eine der 17 Steuerungen in die Asset View, in welcher die von den Steuerungen modellierten und bereitgestellten UAFX Asset Informationen angezeigt werden (siehe Abb. 4).

Um die Möglichkeiten und Vorteile der UAFX-Erweiterungen exemplarisch aufzuzeigen, wurde im Demonstrator eine modulare Flaschenabfüllanlage simuliert, in der jeweils vier Maschineneinheiten zum Reinigen, Abfüllen, Verschließen und Etikettieren der Flaschen zu einer Produktionslinie kombiniert werden. Jede dieser Einheiten ist für Demozwecke mit einer Steuerung eines anderen Herstellers ausgerüstet.

Die Konfiguration der Kommunikationsverbindungen und der über diese Verbindungen ausgetauschten Prozessdaten zur Umsetzung einer funktionierenden Produktionslinie erfolgt über einen UAFX Connection Manager, wie bereits oben beschrieben. Im Demonstrator kommen ein externer, auf dem UA Expert basierender Connection Manager von Unified Automation, sowie ein in die SIMATIC-SPS von Siemens integrierter Connection Manager, jeweils mit einer eigenen grafischen Benutzeroberfläche, zum Einsatz. Die Connection Manager agieren dabei als OPC UA Client und nutzen die in die UAFX Steuerungsprototypen integrierten OPC UA Server, um zwischen den jeweiligen Steuerungen UAFX Verbindungen zu konfigurieren. Über diese UAFX Verbindungen werden dann die entsprechenden Prozessdaten mittels OPC UA Pub/Sub ausgetauscht. Die Steuerungen agieren dabei als UAFX Publisher und/oder UAFX Subscriber. Bei den Prozessdaten kann es sich um Echtzeitdaten oder beispielsweise auch Safety-Daten handeln. Im Dashboard können die konfigurierten Produktionslinien visualisiert und überwacht werden (siehe Abb. 5).

 Abb. 6: Vereinheitlichung der horizontalen Kommunikation über OPC UA FX (a), sowie Migration zu einem durchgängigen, konvergenten Netzwerk (b) auf Basis von Ethernet TSN (Time-Sensitive Networking).
Abb. 6: Vereinheitlichung der horizontalen Kommunikation über OPC UA FX (a), sowie Migration zu einem durchgängigen, konvergenten Netzwerk (b) auf Basis von Ethernet TSN (Time-Sensitive Networking).Bild: OPC Foundation

Zusammenfassung und Ausblick

Mit der ersten OPC UA FX Spezifikation werden Erweiterungen des OPC UA Frameworks definiert, welche eine einheitliche Vernetzung zwischen Steuerungen über eine gemeinsame Netzwerkinfrastruktur ermöglicht, um Prozessdaten auf Basis einer herstellerübergreifenden Schnittstelle auszutauschen. Damit etabliert sich OPC UA als herstellerunabhängige Schnittstelle nicht nur für die vertikale Integration von der Steuerungsebene in die Edge bzw. bis in die Cloud, sondern zusätzlich als Schnittstelle zum Austausch von Prozessdaten zwischen Steuerungen, unabhängig davon, über welches Protokoll diese Steuerungen jeweils mit den unterlagerten Feldgeräten, wie z.B. Servoantriebe, dezentrale I/Os, Sensoren kommunizieren (Abb. 6a).

Im nächsten Schritt werden die für den Use Case Controller-to-Controller erarbeiteten Konzepte für Controller-to-Device (C2D) und Device-to-Device (D2D) erweitert. Damit werden zusätzliche Anwendungsfälle unterstützt, einschließlich weiterer Funktionen und gerätespezifischer Modelle, z.B. für Motion Control, Instrumentierung und dezentrale I/Os. Damit steht dann mit OPC UA ein einheitlicher Kommunikationsstandard zur Verfügung, der über alle Ebenen hinweg, vom Feld bis in die Cloud, komplett skaliert, sowohl vertikal als auch horizontal.

Gerade weil in der Feldebene heutzutage verschiedene konkurrierende und inkompatible Protokolle verwendet werden und OPC UA FX eine Harmonisierung herbeiführen soll, kommt dem deterministischen Ethernet TSN und dem TSN IA (Industrial Automation) Profil der IEC/IEEE60802 eine besonders wichtige Bedeutung zu. Denn damit können unterschiedliche Protokolle, unabhängig davon, ob es sich um IT- oder OT-Protokolle handelt, in einer einheitlichen und gemeinsamen Netzwerkinfrastruktur koexistieren. Damit wird eine schrittweise Migration herkömmlicher industrieller Ethernet-Protokolle hin zu einer einheitlichen OPC UA-basierten Kommunikationslösung ermöglicht (Abb. 6b) und Barrieren aufgrund von inkompatiblen Protokollen und Profilen können Zug um Zug abgebaut werden. Ein entscheidender Erfolgsfaktor dabei ist, dass OPC UA von allen großen Anbietern unterstützt wird, sodass Anwender künftig in ihrer Entscheidung frei werden, welche Systeme und Komponenten sie in ihren Produktionsanlagen und Fabriken einsetzen.

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