Kuka Munz: „Ohne OPC UA scheitern die Ideen der Industrie 4.0“

Interview: Heinrich Munz, Lead Architect Industry 4.0 bei der Kuka Roboter GmbH

„Ohne OPC UA scheitern die Ideen der Industrie 4.0“

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Heinrich Munz rät: „Vernetze deine Maschinen und Roboter, schließe sie an die Cloud an und du wirst dich wundern, was du aus deiner Produktion noch rausholen kannst.“ Bild: Kuka
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Warum Industrie 4.0 ohne eine standardisierte Kommunikation via OPC UA zum Scheitern verurteilt ist, erläutert Heinrich Munz, Lead Architect Industry 4.0 bei Kuka, im Interview. Er fordert, den Wildwuchs der proprietären Feldbusse endlich zu beenden.

In der Industrie-4.0-Diskussion wird derzeit viel über Hype-Themen wie künstliche Intelligenz gesprochen. Gleichzeitig sind viele Anwender verunsichert, mit welchen konkreten Schritten sie den Weg in die Industrie 4.0 am besten beginnen. Was raten Sie?

Munz: Der erste und wichtigste Schritt ist die Vernetzung. Ich sage immer: Vernetze deine Maschinen und Roboter, schließe sie an die Cloud an und du wirst dich wundern, was du aus deiner Produktion noch rausholen kannst. Wir haben Kunden, die wissen noch nicht einmal, wo all ihre Roboter stehen und was die tun.

Das klingt simpel. Sie halten also gar nichts von künstlicher Intelligenz?

Munz: Doch, sogar sehr viel. Aber erstmal müssen wir die einfachen Hausaufgaben machen und die niedrig hängenden Früchte pflücken. Dinge wie Condition Monitoring, Predictive Maintenance et cetera kommen erst im zweiten Schritt. Denn dafür muss man die Maschinendaten erstmal in die Cloud bekommen. Und dies bitte mit einem einheitlichen Protokoll: mit OPC UA.

Warum OPC UA?

Munz: OPC UA greift Gedanken und Ideen auf, die in der IT – genauer in der objektorientierten Programmierung – seit Jahren selbstverständlich sind. Dort ist ein Objekt ein in sich geschlossenes Ganzes, welches nach außen hin eine wohl definierte Schnittstelle hat, eine so genannte semantische Selbstbeschreibung. Damit können Objekte auf eine standardisierte Art und Weise miteinander kommunizieren und sich verständigen: „Wer und was bist Du? Was kannst Du?“. Diese Denke aus der IT müssen wir in die realen Maschinen holen, denn in der Automatisierungswelt müssen wir uns ja immer noch mit diesen unsäglichen, veralteten Feldbussen herumschlagen, die von Kapselung, Vererbung, Wiederverwendbarkeit und semantischer Selbstbeschreibung so gut wie keine Vorstellung haben.

Welche konkreten Vorteile soll das bringen?

Munz: Zum einen kann man OPC UA nutzen, um Zustandsdaten der Maschinen und Roboter herstellerübergreifend standardisiert in die Cloud zu transportieren. Zum anderen kann man aber nicht nur Daten von Maschinen und Robotern abfragen (subscriben), sondern in der anderen Richtung via OPC UA auch Aktionen auslösen. Künftig muss man dem Roboter dann nur noch das Kommando „Fahre A nach B“ schicken und damit wird eine Aktion ausgelöst. OPC UA ist also wegen seinen Informationsmodellen und seiner Service-Orientierung bei weitem mehr als bloß ein weiterer Feldbus.

Ist OPC UA für die Robotik bereits einsatzbereit?

Munz: Unter dem Dach des VDMA arbeitet eine herstellerübergreifende Arbeitsgruppe an einer OPC UA Spezifikation für Industrieroboter, die roboterspezifische Beschreibungen festlegt. Zur Automatica 2018 wollen wir einen Release Candidate für diese OPC UA Companion Specification for Robotics fertig haben. Bei Kuka werden wir ab circa Herbst 2017 einen OPC UA Server zum Nachinstallieren bei bereits ausgelieferten Robotern anbieten können und für alle danach ausgelieferten Roboter wird OPC UA als Option zur Verfügung stehen.

Dass sich ein Roboterhersteller so stark für Vernetzungsprotokolle einsetzt, ist allerdings schon sehr ungewöhnlich. Wäre das nicht ein Thema für Steuerungstechnik-Spezialisten wie Siemens, B&R oder Beckhoff?

Munz: Das war ja in der Vergangenheit der Fehler. Weil diese Steuerungstechnik-Spezialisten den Ton angegeben haben, liegen uns als Maschinenbauer circa zehn verschiedene Feldbusse zur Auswahl vor, die technisch darüber hinaus auch noch alle durchaus Verbesserungspotenzial im Vergleich zu moderner IT aufweisen. Wenn sich damals schon alle Anwender zusammen getan hätten, gäbe es diesen Feldbus-Wildwuchs heute nicht. Dieser Fehler darf uns beim Einstieg in Industrie 4.0 nicht nochmal passieren. Ohne die Einigung auf OPC UA als allein gültige M2M-Kommunikationstechnologie wird Industrie 4.0 an Interoperabilitätsproblemen scheitern. Das Problem ist nicht, dass gemeinsame Standards für Industrie 4.0 fehlen, was in vielen Umfragen als Haupthürde zur Umsetzung von Industrie 4.0 benannt wird, das potenzielle Problem ist, dass es zu viele Standards gibt und man sich nicht auf eine gemeinsame Infrastruktur einigen kann.

Was schlagen Sie also vor?

Munz: Die Maschinenbauer müssen Druck ausüben und einen einheitlichen, herstellerübergreifenden Standard fordern. Dass dies funktionieren kann, zeigt der SPS-Programmierstandard IEC 61131-3. Hier war der Marktdruck groß genug, dass sich alle SPS-Hersteller auf einen Programmiersprachen-Standard einigen mussten. Das wünsche ich mir auch bei OPC UA.

Sie sagten, man kann dem Roboter via OPC UA Fahrbefehle senden. Muss ich den Roboter zukünftig gar nicht mehr programmieren?

Munz: Es ist ein neues Szenario, dass man den Roboter künftig gar nicht mehr direkt programmiert, sondern dass ihm nur noch Bewegungsbefehle gesendet werden – vergleichbar mit einem PC und daran angeschlossene Drucker oder andere Peripherie-Geräte in der Office-Welt. Und das was dort USB ist, soll im Maschinenbau OPC UA werden. Die Robotersteuerung braucht man aber natürlich immer noch, um diese Befehle in mechanische Bewegung umzuwandeln – die so genannte Motion Control. Die Logic Control-Befehle erhält die Robotersteuerung aber von einer übergeordneten Ebene.

Was ist die obere Ebene? Ein ERP-System?

Munz: Nicht typischerweise, die MES- beziehungsweise ERP oder Cloud-Systeme sind „zu weit weg“. Die Zeiten, um Regelschleifen für beispielsweise einzelne Fahrbefehle über diese Systeme zu schließen, wären zu groß. Es wird eher ein so genannter Edge Cloud Controller, der jeweils eine Fertigungszelle mit sechs bis acht Robotern inklusive deren Fertigungsprozessen koordiniert. Ein solcher Edge Cloud Controller bildet zukünftig quasi die Schnittstelle zwischen Fabrikebene und Cloud – man spricht hierbei auch von Edge- oder Fog-Computing. Der Edge Cloud Controller erhält zukünftig vom MES-System bezioehungsweise aus der Cloud die Aufgabe, 50 Teile zu produzieren und setzt diese Aufgabe dann mit Hilfe der zur Verfügung stehenden Ressourcen um, in dem er beispielsweise entsprechende Fahr- und Steuerbefehle an Roboter beziehungsweise die Prozesssteuerungen verschickt. Hier bietet sich übrigens ein prima Einsatzgebiet für künstliche Intelligenz.

Nämlich?

Munz: Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz in den Edge Cloud Controllern kann man dann die Produktion effizienter machen. Wenn die Produktion eine Weile läuft, kann man die angefallenen Daten intelligent analysieren und auf dieser Basis Optimierungen vornehmen. Großer Vorteil der objektorientierten Struktur ist ja, dass man die einzelnen Stationen und Maschinen als gekapselte Objekte sehr flexibel zusammen schalten kann. Sprich: Man kann Fertigungsprozesse ganz einfach orchestrieren. So erhält man eine viel höhere Flexibilität als bei fest verdrahteten und programmierten Prozessen.

Es verschiebt sich also Einiges von der Cloud in die Edge?

Munz: Absolut. Denn die Cloud wurde für IT-Bedürfnisse gestaltet, aber nicht für das Internet der Dinge, das besondere Herausforderung stellt. Eine Anforderung ist beispielweise deterministische Echtzeit im Millisekundenbereich auf der Produktionsebene. Die Produktion kann schließlich nicht warten, bis das Superhirn in der Cloud eine Antwort ausgerechnet hat, beziehungsweise bis die Kommunikation vom Cloud-Server auf dem anderen Ende der Welt erfolgt ist. Die Edge dezentralisiert also die Cloud-Intelligenz – aber mit den Methoden modernen Cloud-Programmierens. Amazon Greengrass und Azure IoT Edge sind bereits konkrete Werkzeuge dafür. Zugleich zentralisiert sich die Intelligenz der Geräte in die Edge – nehmen Sie als Beispiel den Roboter, der zukünftig über die Edge programmiert wird. Die Edge ist also ein sehr wichtiger Bestandteil von zukünftigen Fabrikstrukturen, in welchem sich vieles konzentrieren wird.

Kuka Roboter GmbH

www.kuka.de


Industrie 4.0 in der Carbonfertigung: Anlagen und Roboter via OPC UA vernetzt

Im Werk Garching hat Voith seine Großserienproduktion von CFK-Automobilbauteilen zusammen mit Kuka fit für die Industrie 4.0 gemacht. Dank horizontaler Vernetzung der Anlagen über OPC UA ist eine vollautomatisierte Carbonfertigung, bei der alle Maschinen, Objekte und Services nahtlos miteinander kommunizieren, bereits Realität. Kuka unterstützte Voith, die nötige Architektur zu schaffen.

Das so entstandene Modell wird nun auf einem Kuka OPC-Server umgesetzt. Dieser ist bereits Teil der Robotersteuerung und liest die Daten aus dem Kuka-System aus, jeder beliebige OPC-Client kann sie empfangen. Die Informationen zur Aktuatorik und Sensorik, die die Anlage sendet – wie Druckinfos, Verlaufswege, Temperatur, Feuchtigkeit, Presskraft – werden über OPC UA an das Fertigungs-Managementsystem (MES) weitergegeben.

Das MES synchronisiert und koordiniert die Aufträge über die gesamten Prozessketten. Durch die direkte Anbindung an die verteilten Systeme kann die Produktion in Echtzeit kontrolliert und gesteuert werden. Dazu gehören auch die Systeme zur computergestützten Planung und Durchführung der Qualitätssicherung: Diese analysieren, dokumentieren und archivieren qualitätsrelevante Daten zu Fertigungsprozessen.

Insgesamt kann Voith die Produktionsanlagen so noch engmaschiger überwachen. Ein weiterer Vorteil: Der Werker muss keine Prozesswerte oder Ergebnisse mehr eintragen, da die Maschinen die relevanten Informationen untereinander austauschen. Eine derartig vernetzte Carbonproduktion ist in dieser Form noch sehr ungewöhnlich.

Durch die vollständige Vernetzung ist auch eine ganz andere Art der Wartung möglich. Alle Anlagen sind ständig über eine mit SSL-Verschlüsselung gesicherte VPN-Verbindung mit dem Server in Augsburg in Verbindung. Alle Gewerke werden dabei von einer Firewall geschützt, deren Regeln auf dem VPN-Router aktiv sind. Pingt die Remote-Box den Kuka-Server an, gibt dieser nur die Freigabe, wenn das Zertifikat gültig ist. Gespeichert werden die Daten in einem hochverfügbaren Datencluster über einen Manufacturing Service Bus.

Die Fernwartungs- und Fernsteuerungs-Software Kuka.Remote erlaubt Voith, überall und jederzeit auf Roboter und Anlagen zuzugreifen. Anwendungs- und Systemdaten können überwacht und diagnostiziert, Software auch aus der Ferne installiert werden.

Kuka Industries GmbH

www.kuka.com

Bei Voith sind die Anlagen zur vollautomatisierten Carbonfertigung via OPC UA vernetzt.
Bild: Voith Composites

Pakete vereinfachen

Mit seinen vorkonfigurierten, aufeinander abgestimmten ready2_use Applikations-Paketen will Kuka Kunden in der Metallindustrie bei der Automatisierung unterstützen. „Bei den Paketen handelt es sich um flexible Lösungen, die wir zusammen mit unseren Systempartnern für die unterschiedlichen Branchen entwickelt haben“, erklärt Winfried Geiger, Business Development Manager. ready2_pilot beispielsweise ist eine drahtlose Applikation, mit der Anwender Industrieroboter leicht einlernen können. Mit ready2_grip erhalten kleine und mittelständische Betriebe ein einfach zu integrierendes, vorkonfiguriertes Greiferpaket. „Der Roboter wird so zum Handling-Assistent, etwa beim Be- und Entladen von Maschinen“, sagt Geiger.

Die Augsburger zeigen auf der EMO zudem zwei Roboterzellen. Die erste Zelle demonstriert anhand der Steuerungssoftware Kuka.PLC mxAutomation die einfache Kommunikation zwischen Roboter und Werkzeugmaschine. Durch Funktionsbausteine gelingt das einfache Kommandieren des Roboters innerhalb der gewohnten SPS-Programmierumgebung. Die zweite Zelle zeigt eine roboterbasierte Fräsapplikation. Hier wird ein Roboter für hohe Traglasten zum Nachbearbeiten von Gussteilen eingesetzt. Mit dem Technologie-Softwarepaket Kuka.CNC ist die direkte Abarbeitung der CNC-Codes ohne Übersetzung in Robotersprache möglich.

Kuka Roboter GmbH

www.kuka.com, EMO: Halle 25, Stand D81

Bild: Kuka
Das Edge Computing ist ein sehr wichtiger Bestandteil von zukünftigen Fabrikstrukturen. In der Edge dezentralisiert sich die Cloud und zentralisiert sich die Feldebene.
Bild: Kuka
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