RFID RFID-Daten in die Cloud

Die Integration unterschiedlicher Systeme in eine Automatisierungs- oder IT-Architektur kann kompliziert sein – RFID-Lesegeräte bilden hier keine Ausnahme. Wie aber muss eine Kommunikationsarchitektur aussehen, die Zehntausende Geräte in der digitalen Fabrik vernetzt? Industrielle Kommunikation und die OPC UA sind der Schlüssel.

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Die Veränderungen werden deutlich, wenn man sich die Anwendungsszenarien in der digitalen Fabrik näher betrachtet. Diese Use Cases lassen sich in drei Bereiche gliedern. Das End-to-End-Engineering bedeutet, die Daten aus dem Produktdesign auch für das Fertigungs-Engineering nutzen zu können, zum Beispiel zur Ableitung von Steuerungsprogrammen. Damit können unterschiedliche Perspektiven auf ein Erzeugnis in einem einheitlichen Datenmodell erfasst und entwickelt werden, was Änderungen vereinfacht, Fehler zu vermeiden hilft und die Engineering-Zeiten einschließlich der Fertigungseinführung deutlich reduziert. Die flexible Automation will den scheinbaren Widerspruch zwischen Flexibilität und Automatisierung auflösen, um auf dem gleichen Anlagenpark eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte herstellen zu können. Neue Fertigungsverfahren wie 3D-Druck zählen in diesen Bereich. Schließlich werden über die Sammlung und Integration von Daten über den gesamten Produktlebenslauf neue Services möglich, zum Beispiel für die Wartung.

Alle Objekte sind im Netzwerk

Ziel ist es, ein digitales Abbild aller relevanten Objekte zu schaffen – und relevant ist alles, was nachverfolgt, geprüft, gefunden oder überwacht werden muss, von der einfachen Palette bis zum eigentlichen Erzeugnis der Fabrik. Im industriellen Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) werden dazu möglichst alle Objekte mit Kommunikationsfähigkeiten in ein Netzwerk eingebunden. Allerdings sind RFID-Systeme dazu unverzichtbar, um die digitalen Abbilder in den IT-Systemen mit den Objekten in Fabrik und Lager zu synchronisieren: Nicht jedes „Ding“ wird über WLAN oder Ethernet verfügen, doch per RFID ist eine digitale Erfassung mit Ort, Zeit und Identität möglich.

Die digitale Fabrik forciert die vertikale (also zwischen Komponenten auf der gleichen Ebene) und horizontale Integration (Kommunikation zwischen Schichten) der Kommunikationsebenen. So löst sich in der digitalen Fabrik die bisherige starre Zellenorganisation einer Fertigung auf (zum Beispiel durch frei bewegliche, autonome Roboter). Die Integration von Daten als Informationsquelle für analytische, datenbasierte Services führt andererseits zur Auflösung der horizontalen Schichten. Denn um zum Beispiel für vorbeugende Wartung (Predective Maintenance) neue Erkenntnisse zu gewinnen, ist eine hohe Datendichte notwendig, vom Design und Engineering angefangen über Qualitätsdaten in der Fertigung bis hin zu Sensoren, die bei der Verwendung einer Maschine ihre Messwerte in die IT-Systeme (Cloud) übertragen.

Die Kommunikation muss stimmen

Die Kommunikations-Infrastruktur, die als Basis für die skizzierte Architektur notwendig ist, muss unterschiedlichsten Anforderungen genügen. Einerseits sind Eigenschaften wie die Nutzung offener Standards, Verfügbarkeit, Quality of Service und vor allem auch Sicherheit gefordert, die ein Industrial-Ethernet-Netzwerk bereits heute auszeichnen. Da aber andererseits die Anbindung an IT-Systeme für datenbasierte Services oder auch eine erhöhte Transparenz über alle Ebenen gefordert wird, ist eine Verknüpfung zwischen Office- und Produktionsnetzwerk notwendig, die zwar über Absicherungsmaßnahmen die Performance im Industrienetz sicherstellt, aber dennoch den Zugriff auf alle Schichten, Geräte und Komponenten erlaubt. Als Netzwerktopologie bieten sich deshalb verschiedene Aggregationsstufen sowie die Einführung eines Factory Backbones an, die einerseits die schnelle Kommunikation zwischen den Geräten in den einzelnen Zellen ermöglichen und andererseits die leistungsfähige Verknüpfung von Office-Netzwerk und den verschiedenen Unterbereichen garantiert.

Um jedoch die Ziele der digitalen Fabrik zu erfüllen, ist es mit einer durchgängigen Netzwerktopologie nicht getan. Benötigt wird ein Kommunikationsprotokoll, das offen und standardisiert ist, ausreichende semantische Informationen und Übersetzungsmöglichkeiten bereitstellt, einfach erweiter- und wartbar ist, ein Höchstmaß an Sicherheit in verschiedenen Ausprägungen bietet sowie einen so geringen Speicher- und Prozessorbedarf hat, dass es auch auf kleinen Geräten implementiert werden kann.

Die Antwort auf diese Anforderungen ist die OPC Unified Architecture (OPC UA). Das Wichtigste: Bei OPC UA handelt es sich nicht nur um ein Protokoll, sondern um eine vollständige Architektur, die neben der Übertragungsdefinition auch geeignete Software- Stacks für Geräte- und Softwarehersteller sowie Engineering-Tools für die Systemintegratoren bereit hält. Damit bietet OPC UA wichtige Vorteile. Zuerst ist durch das Information Model sichergestellt, dass alle Daten typsicher übertragen werden. Auch komplexe Datentypen (Strukturen) sind möglich. Neben den reinen Datenwerten transportiert OPC UA auch semantische Informationen zwischen den Kommunikationspartnern. Da die Architektur objektorientiert funktioniert, ist die Semantik auch immer in einen Objektkontext eingewoben – sie besteht also aus mehr als nur einem „sprechenden“ Bezeichner, sondern bezieht sich immer auf das gesamte Objekt mit seinen Eigenschaften und Methoden. Funktionsaufrufe über das Netzwerk erlauben eine gewisse Steuerung des Kommunikationspartners. Events werden als Ad-hoc-Kommunikation oder Message Broker für die Anbindung an die Cloud unterstützt. Auch die Systemsicherheit wird über geeignete Mechanismen gewährleistet.

Für die konkrete Anwendung in unterschiedlichen Applikationen arbeiten verschiedene Industrieverbände mit der OPC Foundation an sogenannten Companion Specifications, die die grundlegende Spezifikation von OPC UA für eine bestimmte Domain ergänzen. Ein Beispiel ist die AutoID Companion Specification, die vom RFID-Industrieverband AIM und der OPC Foundation erarbeitet wurde. ■

* Markus Weinländer M. Sc. ist Leiter Product Management Simatic Net der Business Unit Process Automation bei der Siemens AG in 90475 Nürnberg, Tel. (09 11) 8 95-0, contact@siemens.com

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