Seit 2001 Geschäftsführer Technik der PROFIBUS Nutzerorganisation PNO. Davor war er Leiter des PROFIBUS-Zertifizierungslabors am FZI (Forschungszentrum Informatik).

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Von Kommunikation zu Information

Was der Trend zu OPC UA over TSN für PROFINET, PROFIBUS und die Nutzerorganisation PNO bedeutet.

Im Zuge der Aktivitäten bei IIoT und Industrie 4.0 ist der Bedarf für eine Reihe von Innovationen im Feld der industriellen Kommunikation entstanden, da sich – um diese effizient einsetzen zu können – der Bedarf nach einem hohen Maß für Digitalisierung als Hauptvoraussetzung herauskristallisiert hat. PROFINET ist heute weltweit als führender Standard in allen Produktionsfeldern etabliert. Die zunehmend konkreter werdenden Themen in diesem Feld haben die Experten in den Arbeitskreisen von PI klar die Richtung erkennen lassen, in die die Technologien von PI (allem voran PROFINET) zu entwickeln sind. Es wurde darüber hinaus deutlich, dass sich die strategische Ausrichtung der PI-Technologien von einem kommunikationsbezogenen hin zum informationsorientierten Technologieportfolio entwickeln muss, was bereits seit zwei Jahren in verschiedenen Arbeitskreisen konsequent verfolgt wird.

Koexistenz von OPC UA und PROFINET

Um PROFINET auf lange Sicht zukunftsfähig zu machen, haben die zuständigen Arbeitskreise in der letzten Zeit eine Reihe von Basisfunktionen von TSN in die PROFINET-Spezifikation integriert und offene Semantiken für die Gerätebeschreibung und zu übertragende anwendungsbezogene Daten in Kooperation mit anderen Organisationen spezifiziert. Neben einer gezielten Industrie 4.0-konformen Entwicklung von PROFINET betreffen die Innovationen im Wesentlichen die Themen Ausbau der Koexistenz von OPC UA und PROFINET-Kommunikation, offene Semantik- und Informationsmodelle sowie Security.

Bezüglich der horizontalen Kommunikation zwischen verschiedenen Steuerungen und der vertikalen zu übergeordneten Ebenen hat sich PI bereits vor geraumer Zeit für OPC UA als den geeigneten Standard entschieden. Die Objektorientierung, das einfache Browsen sowie integrierte Security-Mechanismen bei OPC UA ermöglichen den Anwendern die Anforderungen in dieser Ebene einfacher umzusetzen. Das funktioniert sowohl bereits in den meisten Fällen schon auf Basis des seit Jahren verfügbaren TCP/IP-Protokolls, das koexistent in PROFINET-Netzen betrieben werden kann, als auch durch den Einsatz neuer Mechanismen wie Pub/Sub und TSN.

White Paper zum Thema

Mechanismen auf OPC UA ausweiten

Bisher ist die fehlersichere Kommunikation auf Feldebene auf reine Controller-Device-Architekturen begrenzt. Da sich PI für Verbindungen zwischen Steuerungen in PROFINET-Netzen für OPC UA entschieden hat, bietet es sich an, die Mechanismen von PROFIsafe auch auf OPC UA auszuweiten. Hierzu haben die OPC Foundation und PI im Rahmen einer Kooperation beschlossen, gemeinsam einen „PROFIsafe over OPC UA“ Standard für die Anwendung einer fehlersicheren Controller-Controller-Kommunikation zu erstellen.

Die Übergänge von PROFINET zu OPC UA erfordern eine Standardisierung der Datenformate. Dieses Vorhaben erfolgt schon seit geraumer Zeit im Rahmen einer engen Kooperation mit der OPC Foundation. Das bereits nahezu fertiggestellte Resultat ist eine OPC UA PROFINET Companion Specification, in der ein OPC UA Information Model zur Darstellung des standardisierten Objektmodells (Object Dictionary) von PROFINET definiert wurde. Dadurch können Anwendungen auf Basis von OPC UA Diensten herstellerunabhängig auf Objekte von PROFINET-Geräten zugreifen. Der Zugriff kann über einen OPC UA Server erfolgen, der direkt in das PROFINET-Gerät integriert ist, oder über einen OPC UA Server, der Objektwörterbücher mehrerer PROFINET-Geräte zusammenfasst. Dies ermöglicht die Implementierung einer horizontalen Kommunikation zwischen PROFINET-Geräten und OPC UA-Geräten auf der Feldebene sowie die vertikale Kommunikation, die von Geräten in der Prozess- oder Unternehmensebene initiiert wird.

Verschiedene Wege, um Informationen eindeutig nutzbar machen

Die Realisierung einer digitalen Fabrik benötigt als Basis ein hohes Maß an firmen- und branchenübergreifend verfügbarer maschinell verarbeitbarer, standardisierter Informationen. PI ist bereits auf dem Weg, dafür die notwendige Basis zu schaffen. Im ersten Schritt erfolgte dies durch die Bereitstellung von Geräte-Know-How für die Technologien von PI beispielsweise in Form von Parametern in den offenen Geräteprofilen oder auch andere Festlegungen auf der Applikationsschicht, wie z. B. für ein Asset Management Record. Damit diese aber als Basis für einen maschinenverarbeitbaren Datenfluss über die verschiedenen Systeme hinweg vom Sensor bis zur Cloud genutzt werden können, müssen die heute bereits vorhandenen Daten mit Hilfe von semantischen Standards in eindeutig nutzbare Informationen gewandelt werden. In Bezug auf die industrielle Automatisierung spielt hier neben OPC UA u.a. auch das eCl@ss-System eine zunehmend wichtige Rolle. Neben den bereits skizzierten Themen der Kooperation mit der OPC Foundation, arbeitet PI gemeinsam mit der FieldComm Group an einem FDI Device Information Model für die Prozessautomatisierung, mit dem Ziel, die Anforderungen der NOA-Architektur optimal umzusetzen. Diese Modelle werden bereits in Kooperation mit eCl@ss e.V. um Semantik-Identifier für z. B. Geräte-Parameter erweitert, die in den Spezifikationsdokumenten von PI definiert worden sind. Im Rahmen eines ersten Projekts hat die hierfür gegründete Joint Working Group begonnen, die relevanten Parameter des PA Profils 4.0 zu ermitteln und Semantik-Identifier zuzuordnen. Das Ergebnis wird in einer Mapping Table festgehalten, die beide Organisationen nutzen können. Auf Seiten der eCl@ss e.V. werden die in der Kooperation bearbeiteten Geräte-Parameter als Properties in das Produktbeschreibungssystem eCl@ss aufgenommen und stellen die benötigten Semantik-Identifier zur Verfügung.

PI stellt Expertise zur Verfügung

Auf dieser Basis wird PROFINET alle wesentlichen Anforderungen der Produktion in Anlagen der Generation Industrie 4.0, wie verteilte und synchronisierte Produktion von Teilen eines Guts an mehreren Standorten des gleichen oder von verschiedenen Unternehmen sowie die flexible Produktion von individualisierten Produkten bis herunter zur Losgröße 1, auf lange Zeit bestens erfüllen können.

PI unterstützt darüber hinaus auch die neueste Initiative der OPC Foundation, den vorhandenen Kommunikationssystemen im Feld der Produktion – wie PROFINET – ein einziges entgegenzusetzen, indem bezüglich der von der OPC Foundation gewünschten Themen Expertise für die Entwicklung des anvisierten Kommunikationssystems zur Verfügung gestellt wird. PI weiß aus jahrelanger Erfahrung um den notwendigen Aufwand für eine solche Lösung, so dass der Umfang sowohl bezüglich des Personalaufwands als auch der notwendigen Zeitdauer für die Bereitstellung einer ausgereiften Lösung nicht unterschätzt werden darf. Der Erfolg eines solchen neuen Kommunikationssystems wird aber steigen und fallen, abhängig davon, inwieweit es die Funktionen und Eigenschaften heutiger Kommunikationssysteme enthält, inwiefern die Qualität das gleiche Niveau erreicht, und ob es für die produzierende Industrie einen Mehrwert gegenüber den verfügbaren Lösungen bereitstellt. Man darf gespannt sein.