Die perfekte Kombination
Profinet und OPC UA
Die heute erzeugten Datenmengen sind riesig. Sie sind zwar über ein Industrial-Ethernet-System wie Profinet für die SPS oder das Prozessleitsystem zugänglich, aber um diese sinnvoll darzustellen, etwa für MES, Asset- oder Condition-Management-Anwendungen, ist der Aufwand immer noch beträchtlich. Dies wird nun leichter durch die Kombination von Profinet und OPC UA.
Bild: PROFIBUS NutzerorganisationIm Produktionsalltag schätzen Anwender vor allem Einfachheit, Zuverlässigkeit und Praxisnähe. Aus Sicht der Kommunikationstechnologie bedeutet dies u.a. verlässliche Übertragungen, keine Verwechselungen bei den Anschlüssen, einfache Fehlersuche. Gleichzeitig wissen Anwender aber genau, dass für detaillierte Informationen aus den Geräten die bisherigen Wege in Zukunft allein nicht mehr ausreichen. Um eine Maschine oder eine Anlage zu optimieren, ist es beispielsweise notwendig, im laufenden Betrieb auf Diagnosedaten von außen zuzugreifen. Oder es werden Daten benötigt, die im Augenblick zwar noch durch die SPS, in Zukunft aber an dieser vorbei und in eine Cloud zur weiteren Verarbeitung geleitet werden, etwa beim Condition Monitoring. Diese Entwicklung zeichnet sich auch in anderen Branchen ab, wie etwa das NOA-Konzept in der Prozessindustrie zeigt.
Bild: PROFIBUS NutzerorganisationUnterschiedliche Ansätze kombinieren
Dabei stellt sich nicht die Frage, ob die eine Technologie besser ist als die andere, sondern vielmehr, wie sich diese zwei Welten miteinander verbinden lassen. Profinet und OPC UA zeigen, wie sich diese zwei unterschiedlichen Ansätze ergänzen. Auf der einen Seite steht Profinet, das sehr effizient und standardisiert Daten überträgt oder auch auf Daten in anderen Tools, etwa aus dem Engineering, zugreifen lässt. Durch jahrzehntelange Weiterentwicklung ist die Technologie ausgereift. So ist beispielsweise sehr genau bekannt, welches Bit welche Information transportiert. Einen Overhead gibt es nicht, dadurch ist die Übertragung sehr schnell und effizient und letztendlich auch kostengünstig. Allerdings sind die Wege vorgegeben, um an die jeweilige Bedeutung der Daten, das heißt Informationen, heranzukommen. OPC UA ist eine objektorientierte und serviceorientierte Architektur, die nicht nur eine standardisierte Struktur für den Transport von Daten bietet. Es unterstützt tatsächlich eine maschinenlesbare Beschreibung der Datenpakete. Über OPC UA ist es daher möglich, auch während der Laufzeit Informationen aus den Geräten abzugreifen, ohne dass dies vorher speziell konfiguriert werden musste. Gerade Maschinen-/Anlagenhersteller profitieren davon, weil sie daraus weitergehende Informationen für die Diagnose heraus ziehen und diese anderen Applikationen bereit stellen können. Allerdings setzt dies voraus, dass man weiß, wo diese Daten zu finden sind. Also z.B. welche ID für die Temperatur steht oder welche den Gerätenamen bereit stellt. Noch erfordert dies viel Konfigurationsaufwand, manuelle Schritte wie die Handhabung langer Excel-Diagramme und dergleichen, um diese Daten verfügbar zu machen. Fragen der Semantik, also wie sich Daten eindeutig und herstellerneutral beschreiben lassen, rücken hier vermehrt in den Vordergrund. Zudem bedingt diese Vorgehensweise einen verstärkten Einsatz zusätzlicher Software, die unter Umständen aufwändig in Hardware umgesetzt werden muss. Dies verursacht zusätzliche Kosten. Seit geraumer Zeit arbeiten beide Nutzerorganisation (PI und OPC Foundation) intensiv daran, diese Standards so zusammenzuführen, dass der Anwender den größtmöglichen Nutzen davon hat. Dabei ist OPC UA für PI kein neues Thema, so nutzt die von PI vorangetriebene FDI-Spezifikation OPC-UA-Dienste. Und dank des schon immer offenen TCP/IP-Kanals bei Profinet-Netzen kann der OPC-UA-Zugriff über die Steuerungen, Gateways oder auch direkt auf unterlagerte Geräte erfolgen.
Gemeinsame Arbeiten
Die im vergangenen Jahr ins Leben gerufene Joint Working Group von PI und OPC Foundation erstellt derzeit eine OPC-UA-Companion-Spezifikation für Profinet. Die Zusammenarbeit von Profinet- und OPC-Experten von verschiedenen Firmen basiert dabei auf der Umsetzung konkreter Use Cases. Nur ein klares und gemeinsames Verständnis der Anforderungen der Anwender führt zu einer zweckmäßigen und dann auch umgesetzten Spezifikation. Vor allem die Anwendungsfälle Asset Management und Diagnose kristallisierten sich als besonders wichtig heraus. Hier ist man bereits ein gutes Stück weiter gekommen. Über das Mapping erhält der Anwender nun alle Informationen entsprechend einer standardisierten Struktur im OPC-UA-Objektbaum. Diese Informationen können dann problemlos in überlagerten Systemen weiterverarbeitet werden. Mit TCP/IP kann der OPC-UA-Zugriff über die Steuerungen, Gateways oder auch direkt auf unterlagerte Geräte erfolgen. Ein Einstieg in OPC UA kann also flexibel und stufenweise erfolgen.
Funktional sicher kommunizieren
Wo die technologischen Herausforderungen (aber auch Chancen) liegen, zeigt das Beispiel der funktional sicheren Kommunikation. Diese ist bisher über einen Feldbus oder Industrial Ethernet auf reine Master-Slave- bzw. Controller-Device-Architekturen begrenzt. Für die sichere Übertragung zwischen Maschinen - und damit zwischen den in den Maschinen eingesetzten Steuerungen - gibt es heute keinen herstellerübergreifenden Standard. Controller verschiedener Hersteller können daher heute nicht ohne weiteres sicher miteinander kommunizieren. Diese Situation ist in Hinblick auf die zunehmende Vernetzung in den Unternehmen unbefriedigend. So gibt es Branchen mit einer sehr heterogenen Automatisierungslandschaft, wie z.B. Food & Beverage, wo häufig viele Steuerungen unterschiedlicher Hersteller zum Einsatz kommen. Müssen Controller funktional sicher miteinander verbunden werden, sind spezielle Koppler erforderlich, was mit Hardware- und Engineering-Aufwand verbunden ist. Gleichzeitig hat der Einsatz funktional sicherer Geräte in den vergangen Jahren rasant zugenommen. So liegt die Anzahl der im Feld installierten Profisafe-Knoten bei deutlich über 8 Millionen im Jahr 2017; mit Wachstumsraten von rund 30 Prozent pro Jahr. Es gibt also einen steigenden Bedarf, dass nun auch Controller mit Controllern über eine funktional sichere Kommunikation sprechen müssen.
Profisafe over OPC UA
Da für Verbindungen zwischen den Steuerungen unterschiedlicher Hersteller OPC UA eine zunehmend wichtige Rolle spielt, ist es konsequent und sinnvoll, die Mechanismen von Profisafe auch auf OPC UA auszuweiten. In naher Zukunft sollen daher auf Grundlage der neuen Spezifikation 'Profisafe over OPC UA' Controller und damit Maschinen sicher miteinander kommunizieren können. Diese wird auch von einer Joint Working Group von PI und OPC-Foundation ausgearbeitet. Dabei soll weiterhin gelten: Ein einziges Kabel für Standardkommunikation und sicherheitsbezogener Kommunikation. Und das bewährte Black-Channel-Prinzip wird auch auf die Controller-Controller-Kommunikation übertragen, wobei dann der OPC-UA-Kommunikations-Stack die Rolle des Black-Channel übernimmt. Dies bedeutet, dass dieser bei einer Zertifizierung nicht betrachtet werden muss und auch im Nachhinein jederzeit angepasst oder erweitert werden kann. Zertifizierungsrelevant ist lediglich die Korrektheit der Implementierung des Profisafe-Protokolls auf einer funktional sicheren Plattform. Somit ist eine hohe Akzeptanz sowohl bei den Herstellern, Endanwendern aber auch bei Gremien wie den Zertifizierungsstellen sichergestellt.
Ausblick
Ziel der Aktivitäten ist es, Companion-Spezifikationen für OPC UA und Profinet sowie für OPC UA und Profisafe bis Mitte 2019 zu erstellen. Die Gerätehersteller können unverändert die bewährten Profinet-Dienste integrieren. Eine Darstellung der Informationen über OPC-UA-Dienste entsprechend dem definierten Mapping kann dann je nach Kundenanforderung in den entsprechenden Geräten erfolgen. Dieser standardisierte Zugriff auf Informationsmodelle entspricht im Übrigen auch dem Konzept der Verwaltungsschale, wie sie für Industrie-4.0-Konzepte vorgesehen ist. Für nähere Informationen empfiehlt sich ein Besuch auf dem PI-Stand auf der diesjährigen SPS IPC Drives. Dort wird mit einer neuen Live-Demo anhand zahlreicher Use Cases gezeigt, wie die beiden Standards OPC UA und Profinet miteinander verflochten werden, so dass der Anwender weiterhin pragmatisch seine bewährten Mechanismen einsetzen kann, aber auch das Tor für zukünftige Technologien weit geöffnet wird.
Die heute erzeugten Datenmengen sind riesig. Sie sind zwar über ein Industrial-Ethernet-System wie Profinet für die SPS oder das Prozessleitsystem zugänglich, aber um diese sinnvoll darzustellen, etwa für MES, Asset- oder Condition-Management-Anwendungen, ist der Aufwand immer noch beträchtlich. Dies wird nun leichter durch die Kombination von Profinet und OPC UA.
Bild: PROFIBUS NutzerorganisationIm Produktionsalltag schätzen Anwender vor allem Einfachheit, Zuverlässigkeit und Praxisnähe. Aus Sicht der Kommunikationstechnologie bedeutet dies u.a. verlässliche Übertragungen, keine Verwechselungen bei den Anschlüssen, einfache Fehlersuche. Gleichzeitig wissen Anwender aber genau, dass für detaillierte Informationen aus den Geräten die bisherigen Wege in Zukunft allein nicht mehr ausreichen. Um eine Maschine oder eine Anlage zu optimieren, ist es beispielsweise notwendig, im laufenden Betrieb auf Diagnosedaten von außen zuzugreifen. Oder es werden Daten benötigt, die im Augenblick zwar noch durch die SPS, in Zukunft aber an dieser vorbei und in eine Cloud zur weiteren Verarbeitung geleitet werden, etwa beim Condition Monitoring. Diese Entwicklung zeichnet sich auch in anderen Branchen ab, wie etwa das NOA-Konzept in der Prozessindustrie zeigt.
Bild: PROFIBUS NutzerorganisationUnterschiedliche Ansätze kombinieren
Dabei stellt sich nicht die Frage, ob die eine Technologie besser ist als die andere, sondern vielmehr, wie sich diese zwei Welten miteinander verbinden lassen. Profinet und OPC UA zeigen, wie sich diese zwei unterschiedlichen Ansätze ergänzen. Auf der einen Seite steht Profinet, das sehr effizient und standardisiert Daten überträgt oder auch auf Daten in anderen Tools, etwa aus dem Engineering, zugreifen lässt. Durch jahrzehntelange Weiterentwicklung ist die Technologie ausgereift. So ist beispielsweise sehr genau bekannt, welches Bit welche Information transportiert. Einen Overhead gibt es nicht, dadurch ist die Übertragung sehr schnell und effizient und letztendlich auch kostengünstig. Allerdings sind die Wege vorgegeben, um an die jeweilige Bedeutung der Daten, das heißt Informationen, heranzukommen. OPC UA ist eine objektorientierte und serviceorientierte Architektur, die nicht nur eine standardisierte Struktur für den Transport von Daten bietet. Es unterstützt tatsächlich eine maschinenlesbare Beschreibung der Datenpakete. Über OPC UA ist es daher möglich, auch während der Laufzeit Informationen aus den Geräten abzugreifen, ohne dass dies vorher speziell konfiguriert werden musste. Gerade Maschinen-/Anlagenhersteller profitieren davon, weil sie daraus weitergehende Informationen für die Diagnose heraus ziehen und diese anderen Applikationen bereit stellen können. Allerdings setzt dies voraus, dass man weiß, wo diese Daten zu finden sind. Also z.B. welche ID für die Temperatur steht oder welche den Gerätenamen bereit stellt. Noch erfordert dies viel Konfigurationsaufwand, manuelle Schritte wie die Handhabung langer Excel-Diagramme und dergleichen, um diese Daten verfügbar zu machen. Fragen der Semantik, also wie sich Daten eindeutig und herstellerneutral beschreiben lassen, rücken hier vermehrt in den Vordergrund. Zudem bedingt diese Vorgehensweise einen verstärkten Einsatz zusätzlicher Software, die unter Umständen aufwändig in Hardware umgesetzt werden muss. Dies verursacht zusätzliche Kosten. Seit geraumer Zeit arbeiten beide Nutzerorganisation (PI und OPC Foundation) intensiv daran, diese Standards so zusammenzuführen, dass der Anwender den größtmöglichen Nutzen davon hat. Dabei ist OPC UA für PI kein neues Thema, so nutzt die von PI vorangetriebene FDI-Spezifikation OPC-UA-Dienste. Und dank des schon immer offenen TCP/IP-Kanals bei Profinet-Netzen kann der OPC-UA-Zugriff über die Steuerungen, Gateways oder auch direkt auf unterlagerte Geräte erfolgen.
Gemeinsame Arbeiten
Die im vergangenen Jahr ins Leben gerufene Joint Working Group von PI und OPC Foundation erstellt derzeit eine OPC-UA-Companion-Spezifikation für Profinet. Die Zusammenarbeit von Profinet- und OPC-Experten von verschiedenen Firmen basiert dabei auf der Umsetzung konkreter Use Cases. Nur ein klares und gemeinsames Verständnis der Anforderungen der Anwender führt zu einer zweckmäßigen und dann auch umgesetzten Spezifikation. Vor allem die Anwendungsfälle Asset Management und Diagnose kristallisierten sich als besonders wichtig heraus. Hier ist man bereits ein gutes Stück weiter gekommen. Über das Mapping erhält der Anwender nun alle Informationen entsprechend einer standardisierten Struktur im OPC-UA-Objektbaum. Diese Informationen können dann problemlos in überlagerten Systemen weiterverarbeitet werden. Mit TCP/IP kann der OPC-UA-Zugriff über die Steuerungen, Gateways oder auch direkt auf unterlagerte Geräte erfolgen. Ein Einstieg in OPC UA kann also flexibel und stufenweise erfolgen.
Funktional sicher kommunizieren
Wo die technologischen Herausforderungen (aber auch Chancen) liegen, zeigt das Beispiel der funktional sicheren Kommunikation. Diese ist bisher über einen Feldbus oder Industrial Ethernet auf reine Master-Slave- bzw. Controller-Device-Architekturen begrenzt. Für die sichere Übertragung zwischen Maschinen - und damit zwischen den in den Maschinen eingesetzten Steuerungen - gibt es heute keinen herstellerübergreifenden Standard. Controller verschiedener Hersteller können daher heute nicht ohne weiteres sicher miteinander kommunizieren. Diese Situation ist in Hinblick auf die zunehmende Vernetzung in den Unternehmen unbefriedigend. So gibt es Branchen mit einer sehr heterogenen Automatisierungslandschaft, wie z.B. Food & Beverage, wo häufig viele Steuerungen unterschiedlicher Hersteller zum Einsatz kommen. Müssen Controller funktional sicher miteinander verbunden werden, sind spezielle Koppler erforderlich, was mit Hardware- und Engineering-Aufwand verbunden ist. Gleichzeitig hat der Einsatz funktional sicherer Geräte in den vergangen Jahren rasant zugenommen. So liegt die Anzahl der im Feld installierten Profisafe-Knoten bei deutlich über 8 Millionen im Jahr 2017; mit Wachstumsraten von rund 30 Prozent pro Jahr. Es gibt also einen steigenden Bedarf, dass nun auch Controller mit Controllern über eine funktional sichere Kommunikation sprechen müssen.
Profisafe over OPC UA
Da für Verbindungen zwischen den Steuerungen unterschiedlicher Hersteller OPC UA eine zunehmend wichtige Rolle spielt, ist es konsequent und sinnvoll, die Mechanismen von Profisafe auch auf OPC UA auszuweiten. In naher Zukunft sollen daher auf Grundlage der neuen Spezifikation 'Profisafe over OPC UA' Controller und damit Maschinen sicher miteinander kommunizieren können. Diese wird auch von einer Joint Working Group von PI und OPC-Foundation ausgearbeitet. Dabei soll weiterhin gelten: Ein einziges Kabel für Standardkommunikation und sicherheitsbezogener Kommunikation. Und das bewährte Black-Channel-Prinzip wird auch auf die Controller-Controller-Kommunikation übertragen, wobei dann der OPC-UA-Kommunikations-Stack die Rolle des Black-Channel übernimmt. Dies bedeutet, dass dieser bei einer Zertifizierung nicht betrachtet werden muss und auch im Nachhinein jederzeit angepasst oder erweitert werden kann. Zertifizierungsrelevant ist lediglich die Korrektheit der Implementierung des Profisafe-Protokolls auf einer funktional sicheren Plattform. Somit ist eine hohe Akzeptanz sowohl bei den Herstellern, Endanwendern aber auch bei Gremien wie den Zertifizierungsstellen sichergestellt.
Ausblick
Ziel der Aktivitäten ist es, Companion-Spezifikationen für OPC UA und Profinet sowie für OPC UA und Profisafe bis Mitte 2019 zu erstellen. Die Gerätehersteller können unverändert die bewährten Profinet-Dienste integrieren. Eine Darstellung der Informationen über OPC-UA-Dienste entsprechend dem definierten Mapping kann dann je nach Kundenanforderung in den entsprechenden Geräten erfolgen. Dieser standardisierte Zugriff auf Informationsmodelle entspricht im Übrigen auch dem Konzept der Verwaltungsschale, wie sie für Industrie-4.0-Konzepte vorgesehen ist. Für nähere Informationen empfiehlt sich ein Besuch auf dem PI-Stand auf der diesjährigen SPS IPC Drives. Dort wird mit einer neuen Live-Demo anhand zahlreicher Use Cases gezeigt, wie die beiden Standards OPC UA und Profinet miteinander verflochten werden, so dass der Anwender weiterhin pragmatisch seine bewährten Mechanismen einsetzen kann, aber auch das Tor für zukünftige Technologien weit geöffnet wird.
PROFIBUS Nutzerorganisation
Dieser Artikel erschien in Industrial Communication Journal 3 2018 - 05.10.18.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
