Intelligente Geräte für die Smart Factory

Durch die Kombination von IEC-61131-3-Funktionen und OPC-UA-Dienst stellt Beckhoff eine „SOA-SPS“ zur effizienten, datenkonsistenten, sicheren und standardisierten Kommunikation zur Verfügung. Die Aufrufe in die SPS können aus anderen Geräten oder auch Diensten der IT-Ebene oder der Cloud initiiert werden und erfolgen über den Remote Procedure Call.

Sensoren, Messgeräte, RFID-Chips, SPS-Steuerungen und andere eingebettete Systeme liefern in der Industrie wichtige Daten für die Produktion. In klassischen Steuerungsarchitekturen sind die Datenanfragen entweder zyklisch oder ereignisgesteuert initiiert und sie erfolgen immer nur auf Anfrage „von oben“, also von der Client-Ebene. Dabei fungiert die untere Schicht immer als Server und reagiert; ein RFID-Reader oder auch eine SPS-Steuerung sind – um es einfach auszudrücken – aus Kommunikationssicht „dumm“. In der „Smart Factory“ verschmelzen physikalische, reale Systeme und virtuelle, digitale Daten zu intelligenten, sich selbst organisierenden Produktionseinheiten. Die dafür benötigten Informationen beschaffen sie sich selbstständig. Das heißt, alle Geräte und Dienste müssen eigenständig miteinander kommunizieren können, unabhängig von dem Hersteller, dem Betriebssystem, der Hierarchie und der Topologie.

SPS-Controller initiiert als OPC-UA-Client horizontale und vertikale Kommunikation

Beckhoff hat die von der PLCopen, in Zusammenarbeit mit der OPC-Foundation, genormten OPC-UA-Client-Funktionsbausteine in die SPS integriert. Diese Initiative wurde im Jahr 2006 erstmals von Beckhoff vorgebracht; ab 2009 hat Beckhoff den Vorsitz der Gruppe geleitet. 2014 wurde die Spezifikation der Funktionsbausteine released. Als Ergebnis kann die Steuerung – zusätzlich oder alternativ zur bisherigen Rollenverteilung – auch den aktiven, führenden Part als OPC-UA-Client übernehmen. Die SPS ist somit in der Lage, komplexe Datenstrukturen horizontal mit anderen Controllern auszutauschen oder vertikal Methoden über einen OPC-UA-Server in einem MES/ERP-System aufzurufen, um sich z. B. neue Produktionsaufträge abzuholen oder Daten in die Cloud zu schreiben. Dies ermöglicht der Produktionslinie, selbstständig aktiv zu werden – in Kombination mit der integrierten OPC-UA-Security ist dies ein entscheidender Schritt in Richtung Industrie 4.0.

Effektive, datenkonsistente Dienste aus der SOA-SPS

Der Datenaustausch zwischen MES-Ebene und SPS erfolgt heute in der Regel über ein zeitaufwändiges Handshake-Verfahren: Dabei signalisiert das MES-System z. B. die Übergabe eines Rezepts an die Steuerung, und die SPS quittiert die Bereitschaft. Nach der Übergabe der Rezeptdaten erfolgt die Quittierung über den Abschluss. Die SOA-SPS ermöglicht es nun, mit einer einzigen Kommunikation Daten an die Steuerung zu übermitteln: Hier werden nicht vielfach Datenwerte ausgetauscht, sondern ein einziger Dienst mit Eingangsparametern (dem Rezept) und Ausgangsparametern (der Quittierung der SPS) abgewickelt. „Wir stellen via OPC UA den Remote Procedure Call (RPC) bis in den programmierten SPS-Funktionsbaustein zur Verfügung“, erläutert Stefan Hoppe, Produktmanager TwinCAT bei Beckhoff. „Dies wird die Kommunikations-Roundtrip-Zeiten zwischen SPS- und MES-Systemen deutlich verkürzen und kann zu einem höheren Produktionsdurchsatz führen. Definitiv wird es aber die Engineering-Kosten für die Datenkopplung vom Shop-Floor zum Top-Floor drastisch reduzieren.“ Die Realisierung ist für SPS-Programmierer sehr einfach: Eine Methode in der SPS (mit beliebigen Ein/Ausgangsparametern) steht einfach als Serviceaufruf im OPC-UA-Server zur Verfügung, der in der SPS-Steuerung integriert ist. Jeder OPC-UA-Client kann, mit der im OPC UA integrierten IT-Security und Berechtigung, diesen Dienst aufrufen, unabhängig vom Betriebssystem und unter Wahrung der Datenkonsistenz. Die Aufrufe in die SPS können aus anderen Geräten oder auch Diensten der IT-Ebene oder der Cloud initiiert werden.

Erste Pilotprojekte wurden von Kunden bereits erfolgreich umgesetzt: So steuern in der Wasseraufbereitungsanlage des Zweckverbands Wasser und Abwasser Vogtland ca. 560 Beckhoff Embedded-PCs, verteilt auf eine Fläche von 1400 km², Pumpen und Hochbehälter. Diese agieren als dezentrale Intelligenzen, die eigenständig Entscheidungen treffen und Informationen untereinander übermitteln bzw. Stati und Prozesswerte für den eigenen Prozess abfragen, um einen ungestörten Prozessablauf zu gewährleisten.

www.beckhoff.de/soa-sps