OPC UA – Weltsprache der automatisierten Produktion

Neben Photonentorpedo und Warpantrieb ist der Universalübersetzer wohl eine der futuristischsten Ausrüstung des Star-Trek-Universums. Egal, auf welchem Planeten sie unterwegs ist und auf welche obskuren Aliens sie trifft: Die Crew der Enterprise ist stets im Bild und stößt nur höchst selten auf Unverständnis.

Für den Menschen der Gegenwart bleibt das auf absehbare Zeit nur ein schöner Traum. Doch auch in manchen Fabriken kommt es immer wieder zu Kommunikationsproblemen. Standards zu setzen und einzuhalten, hat in der Welt der Maschinensprache, die anders als unsere eigene so gut wie keinen Spielraum für Interpretation lässt, höchste Priorität. Maschinen und Anlagen müssen unabhängig von Herstellern oder Plattformen miteinander Daten austauschen können. Interoperabilität heißt das Zauberwort. Ist das nicht gewährleistet, kommt es schnell zu einem geradezu babylonischen Sprachgewirr in den Fabrikhallen – und damit auch zu stockender Produktion. Im schlimmsten Fall weiß keine Maschine, was die nächste tut.

Zum Glück gibt es OPC UA. Was sich für Nichteingeweihte wie eine willkürliche Buchstabenfolge anhört, steht eigentlich für Open Platform Communications Unified Architecture. Es handelt sich um standardisierte Software-Schnittstellen, die als Basis der Grammatik und des Vokabulars der Maschinen fungieren. Für den Verband deutscher Maschinen- und Anlagenbauer VDMA ist OPC UA sogar „eine zentrale Voraussetzung für die erfolgreiche Einführung von Industrie 4.0 in die Produktion“, ja es sei nicht weniger als „eine Weltsprache der Produktion“ - eine Art Roboter-Esparanto, wenn man so will. In einer im Frühjahr 2021 veröffentlichten Studie des VDMA gaben demnach 90 Prozent der befragten Unternehmen an, „einen Bedarf an interoperablen Schnittstellen“ identifiziert zu haben. Produktionssteuerung- sowie -überwachung und Condition Monitoring gehören demnach zu den wichtigsten Anwendungsfällen.

Der Endnutzer kennt das Prinzip des Plug-and-play aus der Welt der Unterhaltungselektronik: Einfach die Geräte einstöpseln und sofort loslegen. Ähnliches ermöglicht die Maschinenkommunikation auch für die Fertigung. Nur heißt es dann: Plug-and-produce. Anstatt Produktionsanlagen für einen neuen Auftrag erst aufwändig umzurüsten, wissen die Anlagen je nach Fertigungsteil selbst, was sie zu tun haben.

Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things sind in den letzten Jahren zu den maßgeblichen Trends im produzierenden Gewerbe geworden. Wirtschaftspolitiker, Verbandsvorstände und Konzernchefs gleichermaßen schwärmen vom Potenzial, das hier noch darauf wartet, entfesselt zu werden. Eine ungeahnt höhere Effizienz, geringere Liegezeiten, neue Geschäftsmodelle oder gar eine sich selbst organisierende Produktion seien so möglich. Von einer Revolution ist die Rede, von einer „Schicksalsfrage“ über die künftige Wettbewerbsfähigkeit.

Für die überwältigende Mehrheit von 99 Prozent aller fertigenden Unternehmen ist Industrie 4.0 deshalb schon heute kein Zukunftsthema mehr, sondern angewandte Realität, so eine Studie des Digitalwirtschaftsverbands Bitkom. In der verwirklichten Smart Factory tauschen sich alle Akteure über den gesamten Wertschöpfungsprozess hinweg permanent aus. Rohstoffe oder Rohteile gelangen zu Beginn in die Fabrik hinein und kommen als fertige Produkte wieder heraus.

Währenddessen wird beständig miteinander kommuniziert, das System überprüft die Bestände sowie den Bedarf und überwacht die Modi sämtlicher beteiligten Anlagen.

Immer häufiger verschmelzen so auch die Grenzen zwischen den realen Vorgängen in der Fertigung und ihrem virtuellen Abbild zu sogenannten cyber-physischen Systemen. In Zukunft könnte dadurch jedes relevante Objekt auch einen „digitalen Zwilling“ bekommen. Hat man einmal alle relevanten Daten über ein Bauteil oder eine Anlage gesammelt, kann auf physikalische Prototypen verzichtet werden. Stattdessen simuliert der Anwender Verhalten, Funktionalität und Qualität des realen Zwillings unter jedem relevanten Aspekt rein digital. Das spart nicht nur Kosten, sondern auch Zeit.

Das norwegische Unternehmen Rocketfarm, ein offizieller Partner des UR+ Ökosystems von Universal Robots, hat eine Softwarelösung entwickelt, mit der nun auch kollaborierende Roboter (Cobots) die Maschinensprache beherrschen. Anwender können sie clientseitig über den Roboter oder auch serverseitig konfigurieren. Damit sind die UR-Cobots mit allen OPC UA-fähigen Geräten kompatibel. Dies ermöglicht einen sichereren Datentransfer sowie eine bessere digitale Einbindung der Cobots in Fertigungsumgebungen. In einer konkreten Anwendung arbeiten die Roboter hochsensibel bei der Produktion von Solarzellen mit und senden die dabei entstehenden Daten direkt in das Produktionssystem des Herstellers. So können die Mitarbeiter die Qualität in Echtzeit überwachen.

Dass die UR-Cobots diesen Standard nun unterstützen, eröffnet Anwendern branchenübergreifend zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten. Durch die erhöhte Kompatibilität der Roboter lassen sie sich noch besser in vernetzte Produktionsumgebungen integrieren. Auch die Anbindung an eine ERP-Software wie SAP ist dadurch möglich. In einem Showcase hat der deutsche Marktführer am Beispiel eines elektronischen Steuerkopfs den Prozess dargestellt. Auch hier geschehen Bestellung und Modifizierung der Teile über die Cloud.

Eine zentrale Säule ist neben der Universalität deshalb auch die Sicherheit der Systeme. Wie immer, wenn Geräte an das Internet angebunden sind, besteht die Gefahr unerlaubten Zugriffs. Eine Industrieanlage unterscheidet sich hier kaum vom heimischen PC. Nur dass es ein ungleich höheres Risiko bedeutet, wenn statt der privaten Festplatte immens teure Industrieanlagen betroffen sind. Mit OPC UA werden alle Daten mit modernen kryptografischen Methoden verschlüsselt übertragen. Die Sicherheitsmechanismen sind direkt in den Standard integriert, es ist dafür also kein Mehraufwand erforderlich.

Die smarte Fabrik wird also zunehmend Realität. Doch welche Rolle spielt in der sich selbst organisierenden Fertigung noch der Mensch? Er werde trotz zunehmender Automatisierung „im Zentrum“ stehen, heißt es beim VDMA. Er muss zwar nicht mehr in den eigentlichen Fertigungsprozess eingreifen, hat aber Funktionen in der Kontrolle und Optimierung der Abläufe.

Von der „Ermächtigung“ der Mitarbeitenden ist auch bei SAP die Rede. Man ist, auch wenn er es gänzlich anders gemeint hat, an das berühmte Wittgenstein-Zitat erinnert: „Die Grenzen meiner Sprache sind die Grenzen meiner Welt.“ Durch OPC UA erscheint zumindest die Zukunft der Fertigung schier grenzenlos.