Ausgangssituation

Mit zunehmender Digitalisierung der Produktion für die zukünftige Industrie 4.0 sind standar­disierte Schnittstellen für die industrielle Kommunikation auf und zwischen unterschiedlichen Ebenen unverzichtbar. Der VDMA stellt sich dieser Herausforderung ganzheitlich und inner­halb seiner Fachverbände branchenspezifisch. Auf Basis des sich abzeichnenden zukünftigen Standards OPC UA (OPC Unified Architecture) treibt er die Einwicklung von begleitenden Spe­zifikationen für Branchen und Anwendungsfälle, sogenannten OPC UA Companion Specifica­tions, voran.

Die in der industriellen Lebensmittelproduktion und -verpackung eingesetzten Maschinen sind bereits heute hoch automatisiert und mit umfangreicher Sensorik und Aktorik ausgestattet. Bei steigenden Anforderungen hinsichtlich Effizienz und Flexibilität besteht die berechtigte Forde­rung der Kunden dieser Maschinen, diese einfach und kostengünstig miteinander sowie mit IT Systemen vernetzten zu können. Der Maschinenbau benötigt hierfür eine, die relevanten An­wendungsfälle abdeckende einheitliche Schnittstellendefinition für die Integration seiner Pro­dukte in das zukünftige „Internet of Things“.

Das Projekt

Die einheitliche Schnittstellendefinition wird auch für Lebensmittelproduktion und -verpackung durch eine „OPC UA Companion Specification“ bereitgestellt werden. Um diese zu erarbeiten, hat die Gesellschaft zur Förderung des Maschinenbaues mbH (GzF) im März 2018 einen Auf­trag zur Durchführung eines Gemeinschaftsforschungsvorhaben an den Lehrstuhl Lebensmit­telverpackungstechnik der Technischen Universität München (LVT) in Freising Weihenste­phan sowie die Fraunhofer-Einrichtung für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) in Augsburg erteilt.

Die Forscher setzten zusammen mit Industrieunternehmen auf den Weihenstephaner Stan­dards auf. Diese wurden vom TUM Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik gemeinsam mit zahlreichen Industriepartnern und dem VDMA entwickelt. Sie definieren neben einem heute noch proprietären Kommunikationsprotokoll auf TCP/IP Basis bereits detailliert inhaltli­che Datenpunkte, die die standardisierte Anbindung von Maschinen an die Fertigungssteue­rung erlauben und Anwendungsszenarien wie Effizienzanalyse, Tracking & Tracing sowie die Überwachung von Produktionsprozessen und Produktqualität ermöglichen (vgl. Abbildung 1). Die Weihenstephaner Standards sind in der Getränkeindustrie weltweit im Einsatz, wurden aber auch für Lebensmittelverpackungsmaschinen, Fleischverarbeitungsmaschinen und Bä­ckereimaschinen definiert und auch erfolgreich implementiert. (Siehe hier Abbildung1).

Die in den Weihenstephaner Standards definierten Dateninhalte sind mit zunehmender Ver­netzung der Produktion notwendiger denn je. Für die digitale Datenübertragung wünscht man sich aber ein performanteres „Protokoll“, welches ein strukturiertes Informationsmodell bein­haltet, die Selbstidentifikation der Devices ermöglicht und beste IT Security Funktionalitäten mit umfasst. Dies ermöglicht der zukünftigen IoT-Standard OPC UA. Mit ihm kann bezüglich des Kommunikationsprotokolls auf proprietäre Eigenarbeit verzichtet werden und er besitzt branchenübergreifende Akzeptanz und Kompatibilität.

Zu erwartende Ergebnisse

Ziel des laufenden Projekts ist somit die Entwicklung einer OPC UA Companion Specification für die bereits festgelegten branchenspezifischen Dateninhalte. Das Ergebnis wird Maschinen­bauern eine einheitliche kostengünstige Implementierung einer Schnittstelle mit einheitlichem Informationsmodell nach dem service- und objektorientierten OPC UA Standard ermöglichen. Das entstehende Informationsmodell wird auch eine erweiterbare Basis für zukünftig neue IoT- M2M (Maschine zu Maschine Kommunikation) und Cloudanwendungen liefern (siehe Abbildung 2).

Folgende Anwendungsfälle bezüglich der MES (Manufacturing Execution System) Integration von Nahrungsmittel- und Verpackungsmaschinen werden im Projekt abgedeckt:

• Maschinenidentifikation mit aussagekräftiger Dienst- und Schnittstellenselbstbe­schreibung
• Produktionssteuerung (z. B. Anbindung von reaktiven Produktionsfeinplanungssyste­men)
• Tracking & Tracing von Chargen, Transporteinheiten und Aufträgen
• Qualitätssicherung
• Effizienzanalyse (z. B. OEE Kennzahlen, Kostentransparenz)
• Energiemanagement

Lösungsweg

In Abstimmung mit der OPC Foundation, Automatisierungsherstellern, Maschinebauern und Lebensmittel herstellende sind die Projektbearbeiter bereits mitten in der Informationsmo­dellerstellung. Diese orientiert sich auch an Standardisierungsvorgaben des VDMA sowie an bereits abgeschlossenen und parallelen OPC UA CS Aktivitäten für verwandte Branchen (z. B. Pack ML, EUROMAP oder OPC UA für die Wägetechnik). Als Basis dienen die „Weihenste­phaner Standards“ Bibliotheken WS Pack, Food und Bake. Deren inhaltlich bereits definierte Datenprofile für Maschinen werden in ein objektorientiertes OPC UA Informationsmodell über­führt. Dessen generische Struktur bleibt dabei für zukünftige Anwendungsfälle offen und er­weiterbar.

Im Sommer 2018 wird ein erster tragfähiger Informationsmodellvorschlag vorliegen. Anwend­barkeit und Nutzen werden dann im Rahmen prototypischer Implementierungen validiert. Hierzu ist bereits ein Testszenario mit unterschiedlichen Server- und Client- Implementierun­gen konzipiert. Zahlreiche Maschinenbauer und Technologielieferanten haben hierzu Ihre Mit­arbeit zugesichert.

Mit den Erfahrungen aus den Praxisversuchen erfolgen Detailabstimmung und schriftlichen Verfassen einer vollständig den Kriterien der OPC UA entsprechenden Companion Specifica­tion, die direkt als Release Candidate für die weitere Gremienarbeit bis zur offiziellen Veröf­fentlichung verwendet werden kann. Um die spätere Akzeptanz sicherzustellen, erfolgt auch hierbei enge Industrieabstimmung in Feedbacktreffen.

Fazit

Mit dem gestarteten OPC UA Projekt werden für den Nahrungsmittel- und Verpackungsma­schinenbau wichtige Grundlagen geschaffen, die ihm die zukünftige IoT Integration erheblich erleichtern können. Es fügt sich in die übergreifenden Standardisierungsaktivitäten des VDMA, welche einheitliche offene Schnittstellen als wesentliche Voraussetzung für das Industriezeit­alter 4.0 sieht. Die bereits etablierten „Weihenstephaner Standards“ bieten für die Lebensmittel und Getränkeindustrie sehr gute Startvorrausetzungen für eine schnelle Fertigstellung einer Companion Specification bereits in diesem Jahr. Letztendlich werden von dieser aber vor allem die Lebensmittelproduzenten profitieren, die ihre Produktionssysteme damit einfacher, zukunftssicher und kostengünstig vernetzten können.

Kontakt

VDMA:
Michael Przytulla
Referent Industrie 4.0 Nahrungsmittelmaschinen und Verpackungsmaschinen
+49 69 6603 1178, michael.przytulla@vdma.org

TUM
Christoph Nophut
Lehrstuhl für Lebensmittelverpackungstechnik, Informationstechnologie
+49 8161 71 3597, christoph.nophut@tum.de

Fraunhofer IGCV
Patrick Zimmermann
Einrichtung für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV
+49 821 90678 195, patrick.zimmermann@igcv.fraunhofer.de