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Herausforderung Interoperabilität

Informationstandards für die digitale Fabrik

Herausforderung Interoperabilität

Einer der Treiber für moderne Produktion, deren effiziente Organisation und internationale Vernetzung ist die Informationstechnik. Die Integration von IT-Systemen spielt dabei eine immer bedeutendere Rolle, um Geschäftsprozesse durchgängig zu unterstützen und Informationen entsprechend der jeweiligen Arbeitsaufgabe bereit zu stellen.

Zu den Integrationsaufgaben zählen die vertikale Systemintegration, etwa von der Unternehmensleitebene zur Fertigungsebene, die horizontale Integration zur Unterstützung von Prozessen beispielsweise auf der MES-Ebene, sowie die Integration über den Lebenszyklus einer Anlage hinweg. Für MES zeichnen sich folgende Entwicklungen ab:

  1. ME-Systeme werden in Zukunft über standardisierte ‚Plug-and-work‘-Mechanismen mit unterlagerten Fertigungsebenen vertikal zusammenarbeiten.
  2. Auf der MES-Ebene werden Komponenten auch unterschiedlicher Hersteller horizontal integriert sein. Dabei kommen Instrumente wie Wissensnetzwerke oder Ontologien, service-orientierter Aufbau und durchgängiges Datenmanagement zum Einsatz.
  3. MES werden voll an Systeme der Digitalen Fabrik angekoppelt sein. Ziel ist unter anderem die permanente Planungsbereitschaft: Sobald sich Änderungen in der Produktion ergeben, werden diese in sämtlichen beteiligten Systemen nachgeführt.

Um umfassende Interoperabilität in diesen Gebieten zu erreichen, müssen die im Fertigungsbetrieb zu kommunizierenden Inhalte strukturiert werden. Dazu gilt es auch, die zugehörigen Bedeutungen und Kommunikationsmechanismen festzulegen.

MES in der Architektur der industriellen Automatisierung

Mit diesen neuen Informationsanforderungen geht der Bedarf nach einem neuen Referenzmodell einher, das den bisherigen pyramidenähnlichen Aufbau der Informationstechnik in Produktionsunternehmen ablöst und der zunehmenden Datenintegration Rechnung trägt. Das gängige Modell der ‚Automatisierungspyramide‘ orientiert sich an Menge, Bedarf und Zeitanforderungen der anfallenden Informationen. Dabei wird etwa zwischen prozessorientierter Datenverarbeitung in Echtzeit auf der Fertigungsebene oder benutzerorientierter Informationsverarbeitung auf der Unternehmensleitebene unterschieden. Ein tragfähiges Modell muss aber die drei Dimensionen vertikaler und horizontaler Integration sowie die Integration über den Lebenszyklus von Produktionsanlagen abbilden, damit etwa ein MES zur durchgängigen Kommunikation in diesen Dimensionen in der Lage ist.

Horizontale Integration zwischen MES-Lösungen

Aufgrund der arbeitsteiligen Organisation und der Charakteristik der variantenreichen Produktion existieren in der Industrie für verschiedene MES-Aufgaben eigenständige IT-Systeme. Diese Lösungen arbeiten heute meist ohne Datenaustausch und Verbindung zu anderen MES-Komponenten. Ziel produzierender Unternehmen ist es, die Einzelsysteme in den kommenden Jahren miteinander zu verbinden, um damit Synergiepotenzial auszuschöpfen. Damit wird es möglich, Entscheidungen, die auf der Werkstattebene getroffen werden, transparent und durchgängig zu unterstützen. Allerdings ist mit den heute im Betrieb eingesetzten Software-Technologien eine wirkliche horizontale Integration kaum machbar. Softwaresysteme müssen zukünftig Mechanismen bereitstellen, die Wissen auf semantischem Niveau über die zu kommunizierenden Inhalte haben.

Bild: Fraunhofer IOSB

Vertikale Integration zwischen MES und Fertigungsebene

Die Integration zwischen der Unternehmensleitebene und MES kann als weitgehend gelöst gelten. Zur vertikalen Integration zwischen MES und Fertigungsebene sind hingegen noch standardisierbare Methoden, Softwarekomponenten und Anwendungen erforderlich, über die Produktionsanlagen und Komponenten – etwa Feldgeräte – schnell und sicher in ein Fertigungssystem integriert werden können, sowie Änderungen an Anlagen und Steuerungen automatisch in die überlagerte IT übertragen werden.

Integration in den Lebenszyklus einer Anlage

Welche Daten über den Lebenszyklus ausgetauscht werden müssen, zeigen beispielhaft die Aufgaben zur Projektierung eines Leit- oder MES-Systems:

  • Zuordnung der Anlagen zu physikalischen Verknüpfungspunkten
  • Verknüpfen von statischen Bedienelementen mit realen Signalen
  • Erstellen statischer Visualisierungselemente unter Beachtung der Topographie und Topologie
  • In der Praxis werden die Ergebnisse der Planungsphasen in Papierform oder als digitales Dokument übergeben. Dabei handelt es sich aber meist um ausformulierte Texte oder Tabellen in Formaten wie Excel, CSV oder XML, die Informationen müssen vielfach manuell in die Zielsysteme eingepflegt werden. Diese Situation entsteht durch unterschiedliche System- und Informationsstrukturen in den einzelnen Systemen. Nur das Expertenwissen der Ingenieure wirkt Missverständnissen oder Fehlern entgegen.

    OPC-UA als Kommunikationsstandard

    Als Basis für den Informationsaustausch bieten sich Kommunikationsstandards wie der in der Automatisierung gebräuchliche OPC an, der die Kommunikation in der Fabrik unterstützt. Im Jahr 2006 stellte die OPC-Foundation ihre ‚Unified Architecture‘ (UA) vor. Die darin enthaltenen, protokollunabhängigen UA-Base-Services dienen als Basis, auf der jeder Anwender Informationsmodelle definieren und herstellerspezifische Informationen hinzufügen kann. Ein so vernetztes Informationsmodell gestattet Benutzern, Anlagenkomponenten und Datenobjekte über eine objektorientierte Modellierung zu repräsentieren.

    Klare Strukturen für Informationsinhalte

    Softwaresysteme müssen in Zukunft nicht nur einheitliche Datenschnittstellen anbieten. Zur Verarbeitung von Informationen müssen Mechanismen bereitstehen, die Anhaltspunkte über die zu kommunizierenden Inhalte liefern. Dazu können inhaltiche Struktur und Gliederungsinformationen in einer separaten Datenbasis hinterlegt werden. Eine solche Ontologie liefert die Grundlage zur eindeutigen Kommunikation zwischen zwei Softwaresystemen. Als Basis für eine standardisierte Beschreibung auszutauschender Daten zwischen Maschinen und MES empfiehlt sich eine Ontologie, wie sie Blatt 2 der VDI-Richtlinie 5600 vorstellt:

    1. Produkt: Der Begriff kann beispielsweise Werkstücke, Baugruppen, Halbfabrikate, Rohmaterial oder Rohstoffe bezeichnen. Zu einem Produkt gehören unter anderem Test- und Prüfergebnisse, Dokumentation und Beschreibung. Diese Definition ähnelt der in der ISA95 enthaltenen ‚Product Definition‘.
    2. Produktionsauftrag: Ein Produktionsauftrag bezeichnet schlichtweg einen Fertigungsauftrag.
    3. Prozess: Dieser Datenpunkt umfasst Fertigungsprozesse einschließlich Prozessparametern, Prozessablauf und Prozessplanung. Diese Definition ähnelt dem ‚Production Schedule‘ in der ISA95.
    4. Ressourcen: Dieser Datenpunkt beschreibt produzierende Ressourcen wie Anlagen, Roboter, Maschinen sowie deren Zustand, Vorrichtungen oder mögliche Meldungen. Die Definition lehnt sich an das ‚Equipment‘ in der ISA95 an.
    5. Zeitsynchronisation: Diese Information ist erforderlich, um die Zeit des MES mit derjenigen der Maschine abzugleichen. Ein Beispiel hierfür wäre die Zeitsynchronisierung mit der SPS.
    6. Allgemeiner Datenpunkt: Hier finden sich unabhängige Werte und Parameter wie Umgebungs- und Umweltbedingungen mit Luftanalysewert, Luftfeuchtigkeit, Schadstoff oder Umgebungstemperatur.

    Der lange Weg zum Industriestandard

    Interoperabilität auf MES-Ebene ist nicht mit einer Methode abzudecken. Forschung und Entwicklung stehen noch vor einigen Aufgaben, darunter die Festlegung geeigneter Lösungen für Kommunikationskanal und -inhalte. Auch das vielfach geforderte Informationsmodell bedarf der Beschreibung und Standardisierung. Denn ohne Standardisierung wird das Ziel der Interoperabilität von MES-Komponenten in der Fabrik nicht zu erreichen sein. Derzeit beschäftigen sich Gremien wie die VDI-Fachausschüsse ‚Digitaler Fabrikbetrieb‘, ‚MES-Maschinenschnittstellen‘ sowie ‚Durchgängiges Engineering von Leitsystemen‘ mit diesem Thema. Mit AutomationML arbeitet auch ein industriegetriebenes Konsortium daran, für das Engineering von Produktionsanlagen einen verbindlichen Standard für den durchgängigen Datenaustausch aufzustellen. Dynamische Aspekte der Veränderung, Wandlungsfähigkeit, Adaptivität bezogen auf die Software müssen zusätzlich berücksichtigt werden.