"Ohne Standard-Schnittstellen keine Digitalisierung"

Die größte Hürde für die Industrie 4.0 ist das Fehlen einer einheitlichen Schnittstelle. Nur damit lassen sich Maschinen und Geräte unternehmensweit und herstellerübergreifend vernetzen. Was aber nützt diese Vernetzung den Verarbeitern? Und warum ist es so schwierig, einen Schnittstellen- Standard zu entwickeln, der wie USB am PC das Anschließen jeglicher Peripherie an der  Maschine ermöglicht? Darüber sprachen wir mit Dr. Harald Weber, beim VDMA zuständig für die  Schnittstellen-Standardisierung; mit Patrick Bruder, der beim Automatisierer B&R Global Technology  Manager für den Bereich Kunststoffindustrie verantwortlich ist; sowie mit Sebastian Sachse,  ebenfalls von B&R und dort zuständig für Technologiemarketing, was auch die Schnittstellen und  Protokolle miteinbezieht.

Patrick Bruder, B&R: Die Anforderung kommt von unseren Kunden,  den Maschinenbauern. Die haben das Problem, dass sie mehrere  Maschinen oder Maschinenteile zusammenschließen müssen.  Und da hilft eine standardisierte Schnittstelle natürlich. Diese  werden wahrscheinlich von ihren Kunden, also den Anwendern,  dazu angehalten. Sie haben zum Beispiel Schwierigkeiten damit,  ein Dosiergerät sowohl bei Maschine A als auch bei Maschine B  anzuschließen, weil auf den Maschinen unterschiedliche Steuerungen laufen.

Sebastian Sachse, B&R: Stimmt. Darum haben sie heute viele verschiedene  Systemlösungen in ihren Werkhallen, die verschiedene  Sprachen sprechen. In Zeiten der Digitalisierung reden wir aber  davon, dass wir die Systeme alle miteinander nahtlos verbinden.  Wenn Systeme aber alle eine unterschiedliche Sprache sprechen,  ist das ein Problem. Deswegen versuchen wir gemeinsam mit dem  VDMA und Euromap eine saubere Lösung zu finden, um diese  Sprachen zu vereinheitlichen.

Sachse: Ich gebe mal ein konkretes Beispiel: Stellen Sie sich vor, wir haben eine riesige Produktionsstätte und eine CNC-Maschine  produziert nur Ausschuss, und das bereits am Anfang des Produktionszyklus.  Der Anwender merkt das allerdings erst bei der finalen  Endkontrolle. Die entscheidende Frage für ihn ist dann: „Wie finde  ich diese Maschine und die Ursache für den Fehler?“ Heute arbeitet  er sich langsam von hinten nach vorne durch. Das finale Produkt ist  unbrauchbar, wandert in die Tonne und damit wird der Gesamtwert  vernichtet. Wenn aber gleich am Anfang in der CNC-Fräse festgestellt  werden kann, wo der Fehler passiert, weil zum Beispiel der Fräser zu tief geht und damit die Außenhülle beschädigt, dann  werfe ich nur dieses kleine Stück Blech weg. Der Rest der Wertschöpfung  zum finalen Produkt hat noch nicht stattgefunden und  wird daher eingespart. Das ist die Effizienzsteigerung, nach der  viele suchen. So etwas findet man nur mit einer vernetzten Anlage.

Dr. Harald Weber, VDMA: Darin sind noch weitere Effizienzpotenziale versteckt. Etwa wenn die Maschinen noch mehr Daten austauschen, weil diese für die jeweilige Nachfolgeeinheit von Nutzen sind. Dann braucht diese nicht noch mal ihre eigenen Sensoren, sondern bekommt die Informationen beispielsweise darüber weitergereicht, wie stark der Trockner das Material schon vorgewärmt hat, wie der Feuchtigkeitsgehalt ist und so weiter. Dann kann sich vielleicht die Nachfolgemaschine drauf einstellen und Energie einsparen, indem sie dann optimal auf den Produktionsprozess eingestellt wird. Auch bei Wartungen lässt sich dadurch viel sparen: Wenn ein Trockner weiß, an der Spritzgießmaschine wird in einer halben Stunde das Werkzeug gewechselt, kann er sich darauf einstellen. Dann muss er nicht durchheizen, sondern fährt ein bisschen runter, schont dadurch das Material und fängt dann erst nach 20 min wieder an aufzuheizen und ist dann auf den Punkt bereit.

Sachse: Wir müssen alle technischen Ebenen bei uns im System kombinieren und für den Kunden leicht anwendbar machen. Zum Beispiel müssen wir OPC UA TSN bei uns in den Produkten implementieren. Softwareseitig müssen wir das Ganze auf der einen Seite in der Runtime verankern, aber auch im Engineering Tool. Das Engineering Tool ist die Schnittstelle zum Anwender und bestimmt somit auch final die Usability der Technologie. Darauf legen wir besonderen Wert. Die Idealvorstellung iste in sich nahezu autonom konfigurierendes Netzwerk, dem der Nutzer seine Anforderungen mitteilt.

Sachse: OPC UA als solches hat seine Wurzeln in der IT-Welt und hat sich über die Jahre zu einem offenen Industrie unabhängigen Standard entwickelt. Die Informationsmodelle von OPC UA ermöglichen es eine große Datenmenge strukturiert abzubilden und zwischen unterschiedlichsten Systemen standardisiert zu übertragen. So kommt heute OPC UA in der Industrie bereits weit verbreitet zur Anwendung um Daten beispielsweise von einer Steuerung in ein IT-System zu übertragen. Wenn man aber von Maschine zu Maschine kommunizieren will und prozesskritische Daten austauschen möchte, dann wird eine zeitliche Konstanz gebraucht, ein deterministisches Systemverhalten. Es muss gewährleistet sein, dass wenn wir ein Signal an der Maschine A losschicken, das Signal nach genau 10 Millisekunden an der nächsten Maschine ankommt. Und es darf nicht erst nach 20 Millisekunden ankommen, denn dann steckt vielleicht der Roboterarm beim Schließen der Gußform noch in der Maschine.

Bruder: Wenn wir beim Beispiel Spritzgießmaschinen bleiben: Diese  hatten schon relativ früh Euromap 63. Damit lassen sich vielleicht  nicht ganz so viele Daten übertragen wie bei der neuen Euromap  77, aber das war ein sehr guter Anfang. Daher kann man dort ansetzen  und überlegen, ob ein Um- oder Aufrüsten nötig ist. Falls ja, hat der Anwender die Möglichkeit eine alte Steuerung zu ersetzen.  Diese OPC-UA-fähig zu machen, wird wahrscheinlich etwas  schwieriger. Stattdessen könnte man mit Gateways arbeiten, die die  Euromap-77-Schnittstelle nach oben tragen. Das ist eine Frage  des notwendigen Aufwands und ob sich dieser lohnt, aber davon  einmal abgesehen, ist es möglich nachzurüsten.

Bruder: Nachdem es vorher gar nichts gab, fangen eben jetzt einzelne  Industrien an, für sich eine Lösung zu schaffen. Ich gehe  davon aus, dass sich hier in den kommenden zehn Jahren noch  einiges tun wird. Meines Erachtens empfiehlt sich daher eher ein  generischer Ansatz, bei dem man von einem Abbild einer Maschine  mit den typischen Daten ausgeht, nach und nach Funktionen erweitert  und sie so weiter aufbaut.

Dr. Weber: Diese Entwicklungstendenzen bemerken auch wir im VDMA: Wir haben im Bereich Kunststoff- und Gummimaschinen die Euromap 79 in Arbeit, die Schnittstelle zwischen Spritzgießmaschinen und Robotern. Der VDMA-Fachverband Robotik und Automation fängt nun aber auch an, Schnittstellen zu entwickeln. Die sagen natürlich, wir verbinden unsere Roboter nicht nur mit Spritzgießmaschinen, sondern auch mit Werkzeugmaschinen, Holzbearbeitungsmaschinen und was auch immer. Und dann sagen die Roboterhersteller natürlich zu Recht, dass sie nicht für jeden Maschinentyp ein eigenes Modell wollen. Das heißt, wenn eine Spritzgießmaschine mit einem Roboter zusammenarbeitet, da geht es dann wirklich um Werkzeugposition, Kernposition, Auswerfer. Das ist dann wirklich sehr Spritzgießmaschinen-spezifisch. Deshalb wird dort natürlich dann auch das entsprechende Modell entwickelt. Was diese übergeordneten, generischen Sachen angeht, da haben wir auch erst mal einiges festgelegt, weil wir die ersten waren und nichts vorgefunden haben. Jetzt sind da aber die Roboterhersteller sehr aktiv. Da tauschen wir uns aus und schauen darauf, welche Ergebnisse sie erarbeiten und was wir davon nutzen können.

Bruder: Wir haben schon früh die Euromap-Schnittstellen 27 und 63  unterstützt soweit sie für uns relevant waren. In diesen Fällen haben  wir sie als Softwaremodule oder Bibliotheken implementiert. Dass  Euromap auf OPC UA geht, kommt uns sehr entgegen, da wir auf  den Steuerungen schon seit langem OPC UA haben. Dementsprechend  sind wir schon weit in die Tiefe gegangen und sind dabei,  OPC UA mit TSN echtzeitfähig zu machen. Auf diese Weise können  wir unseren Kunden, also den Maschinenbauern, relativ früh die  Sicherheit geben, dass sie auf die richtige Technologie setzen.  Sobald die Euromap-Spezifikation final veröffentlich wird, werden  wir auch dazu Lösungen für die Kunden anbieten, um ihnen die  Umsetzung softwaretechnisch zu erleichtern.

Sachse: Was unser Portfolio angeht, bieten wir bereits heute eine  große Zahl an Produkten an, die sowohl einen OPC-UA-Server als  auch -Client integriert haben. Unser OPC-UA-Buscontroller ist ein  gutes Beispiel für ein OPC UA Device mit Server-Funktionalität. Diesen Controller kann der Anwender in seine Anlage integrieren, die Sensorik  anschließen, die er braucht und mit einem beliebigen OPC-UAClient  über ein IT-Netzwerk auf die Daten direkt in der Produktion  zugreifen. Eine durchgängige Kommunikation der Daten vom Sensor  bis in die Cloud wird damit ermöglicht.

Dr. Weber: Die Euromap 77-Schnittstelle hatten wir im Oktober letzten Jahres als ersten Release Candidate veröffentlicht. Es waren jetzt aber noch ein paar Anpassungen nötig, sodass es demnächst einen zweiten Release Candidate geben wird. Vor der endgültigen Freigabe ist es wichtig, dass die Schnittstelle prototypisch implementiert und getestet wird. Teilweise sind die Hersteller zwar schon dabei, die Anpassungen müssen aber entsprechend nachgezogen werden. Und das ist eben die Frage, wie lange es noch dauert, bis die Hersteller ihre Produkte durchgetestet und freigegeben haben.

Bruder: Wenn die Spezifikation freigegeben ist, ist es sofort möglich,  das Ganze umzusetzen – auch weil wir OPC UA schon auf unseren  Steuerungen haben. Wir arbeiten darüber hinaus an einer  Lösung, um den Maschinenherstellern die Umsetzung mit der  Euromap- Empfehlung zu erleichtern.

Dr. Weber: Für Extruder fand die erste Sitzung Mitte Juni statt. Dabei ging es darum zu schauen, was denn der grundsätzliche Rahmen ist, in dem wir uns bewegen wollen. Ich meine, das fängt ja an vom reinen Extruder, also ein Zylinder mit Schnecke drin, bis dann zu kompletten Anlagen. Da werden wir jetzt nicht alles auf einmal angehen können, also wir kümmern uns jetzt erst mal um den Extruder, der im Zentrum steht, und welche Daten er rausgeben soll. Was dann wahrscheinlich demnächst angegangen wird, das sind Blasformmaschinen. Aber da ist im Moment noch kein Termin festgelegt. Aber das wird natürlich auch dann in naher Zukunft mit angegangen werden. Auch um die Peripherie-Geräte werden wir uns demnächst kümmern. Aber das große Thema ist erst mal der Extruder als neuer, großer Block.

Dr. Weber: Also ich denke, das Wesentliche ist jetzt gerade der Aufbau einer übergeordneten Struktur. Wir machen jetzt nicht die Scheuklappen zu und sagen, wir kümmern uns nur um Spritzgießmaschinen und Leitrechner, und was links und rechts ist, interessiert uns nicht, sondern sagen, da ist doch sehr viel, was für andere Maschinenkombinationen wiederverwendet werden kann mit drin und wir lösen das raus. Wir müssen dadurch manche Sachen vielleicht ein bisschen allgemeiner formulieren, doch dann bleibt wirklich nur noch das, was speziell für den Anwendungsfall in der speziellen Euromap 77 ist, und alles andere sind übergeordnete Objekttypen, die dann an verschiedener Stelle einfach wiederverwertet werden können. Wenn man dann vielleicht mit Blasformmaschinen anfängt, wird man feststellen, ach, da gibt es ja jetzt schon sehr viele allgemeine Typen, die nehmen wir uns einfach. Jetzt schauen wir nur noch, was muss noch für die Blasformmaschinen dazu, wie unterscheiden sie sich von den Spritzgießmaschinen, und man muss nicht wieder bei Null anfangen.

Sachse: Zunächst einmal ist das TSN-Protokoll noch in der Entwicklung.  Das heißt, es gilt erst mal bis Ende des Jahres abzuwarten,  welche Performance damit erreicht werden kann. Es wird definitiv  Überschneidungspunkte bei Anwendungen geben, wo sowohl die Performance von OPC UA TSN als auch die von POWERLINK oder vergleichbaren  Protokollen ausreicht. Stand heute ist, dass TSN nicht  die Performance von POWERLINK, zum Beispiel bei einer Motion- Anwendung, erreicht.

Sachse: Das Wichtigste ist die einheitliche Standardisierung. Im  Jahr 2000/2001 gab es bereits den Ansatz dazu, damals war es  Ethernet. Leider kamen statt eines einheitlichen, kompatiblen Standards  für die Industrie unzählige Protokolle heraus. Jetzt haben wir  wieder die Möglichkeit, etwas einheitlich zu standardisieren. Diese Chance müssen wir nutzen. Unternehmen haben aber auch dazugelernt,  deshalb sind wir optimistisch, dass es dieses Mal gelingt,  einen einheitlichen Kommunikationsstandard für Industrial IoTAnwendungen  zu schaffen.

Dr. Weber: Aus unserer Sicht ist das Gute daran, dass wir uns im vorwettbewerblichen Umfeld bewegen. Also da kommen wirklich die Konkurrenten zusammen und entwickeln gemeinsam eine einheitliche Schnittstelle. Die wollen hier eben nicht alle Apples sein, die nur eigene Schnittstellen haben und wehe, jemand möchte das jetzt mit einem anderen System verbinden. Die Unternehmen sagen, das bringe ihnen nichts. Sie haben auch keine Befürchtungen, dadurch austauschbar zu werden. Schließlich unterscheiden sie sich ja trotzdem hinsichtlich Performance, Zykluszeiten, Genauigkeiten. All das wird ja in keinster Weise dadurch beeinflusst, dass die Daten standardisiert nach außen gegeben werden.

Autor:  David Löh , Redakteur der Fachzeitschrift Plastverarbeiter, Hüthig Verlag, Heidelberg. david.loeh@huethig.de