Automatisierung braucht IT-Paradigmen Industriekommunikation 4.0 muss neue Wege gehen

Dieter Meuser, itac Software
»Wer die Algorithmen bzw. Daten besitzt, hat die Macht. Das produzierende Unternehmen ist Eigner der Daten. Diese Hoheit sollte ein Unternehmen auch nicht hergeben.«
Dieter Meuser, itac Software: »Service-Orientierung ist wie eine Sprache - Sie kommunizieren zum Roboter, und bei der Antwort sagt der Roboter direkt, was er an Informationen hat.«

Wenn die Vision Industrie 4.0 Realität werden soll, muss die Industriekommunikation neue Wege gehen. Die Stichworte lauten: Echtzeitfähiges OPC UA, erweitert um den Industrial-Ethernet-Standard TSN, und Service-orientierte statt datenzentrierte Kommunikation. Beides hängt wohl untrennbar zusammen.

Das Kommunikations-Protokoll OPC UA (IEC 62541) ist offenbar weltweit dabei, sich zum bevorzugten Protokoll für Datenaustausch und Datenintegration in Industrie-4.0-Produktionssystemen zu entwickeln. Es macht Daten zwischen sämtlichen Systemen innerhalb eines Unternehmens verfügbar, indem es den hersteller-, betriebssystem-, programmiersprachen- und busunabhängigen Datenaustausch von der Sensor- und Feldebene bis hinauf zum Leitsystem und in die Produktionsplanungs-Systeme ermöglicht. Mit OPC UA werden Daten von Maschinen und Anlagen nicht nur transportiert, sondern auch maschinenlesbar semantisch beschrieben. Außerdem sind bei OPC UA Datensicherheit und Datenmodellierung stark ausgeprägt.

OPC UA definiert generische Dienste und folgt dabei dem Design-Paradigma der Service-oriented Architecture (SoA), bei dem ein Dienstanbieter Anfragen (requests) bekommt und bearbeitet und mit der Antwort die Ergebnisse (response) zurücksendet. Services sind also Handlungen, die ein OPC-UA-Server auf Anforderung eines OPC-UA-Client vornehmen kann. Für Industrie 4.0 ist eine Service-orientierte Kommunikation entscheidend: »Wir dürfen uns nicht auf Daten zentrieren, sondern müssen uns auf Services zentrieren, auch und gerade in der IT«, betont Heinrich Munz, Lead Architect Industry 4.0 im Bereich Research & Development von Kuka. »Wir müssen alles unter die Prämisse stellen: SoA, everything as a Service, nicht nur im übertragenen Sinne, sondern auch bis hinunter in die Bits und Bytes und die Kabel. Warum kann ich nicht direkt gleich der Maschine sagen, was sie tun soll, als Service? Lassen Sie uns bitte die Datenzentrierung überspringen und gleich zur Service-Orientierung übergehen, von der die Datenzentrierung eine Untermenge ist.«

Service-Orientierung meint also in diesem Fall nicht „neue Dienstleistungs-Geschäftsmodelle auf Datenbasis“, wie sie auf dem Weg zur Industrie 4.0 allmählich entstehen werden, sondern eine neue IT-Technik, die im Zuge der Digitalisierung in die Automatisierungswelt vordringen wird. »Service-Orientierung ist wie eine Sprache«, erläutert Dieter Meuser, Chief Technology Officer von itac Software. »Sie kommunizieren zum Roboter, und bei der Antwort sagt der Roboter direkt, was er an Informationen hat.«

Wie funktioniert Service-Orientierung im Einzelnen? »Der Kommunikations-Stack für Industrie 4.0 muss über der siebten Schicht, der Anwendungsschicht, etwas ganz Entscheidendes haben, nämlich die semantische Selbst- oder Service-Beschreibung«, verdeutlicht Heinrich Munz. »Jedes Gerät der Zukunft muss eine semantische Selbstbeschreibung haben, so dass ich es fragen kann: Wer bist Du? Was hast Du für Daten? Und vor allem: Was hast Du für Services, und wie kann ich einen bestimmten Dienst an Dir auslösen? Und das will ich nicht in einer Dokumentation oder in einem Programmierhandbuch nachlesen müssen, sondern ich will das Gerät direkt fragen, was es kann, und dann listet es mir auf: Ich bin ein Gerät vom Typ Roboter, ich kann mich bewegen, und wenn Du willst, dass ich bestimmte Bewegungen durchführe, musst Du mir den Befehl xy schicken mit den und den Parametern. Das Gerät muss das alles von sich aus hergeben.« Die Technik, die das erlaube, sei OPC UA, »weil sie im Gegensatz zu vielen anderen Techniken erstens von vornherein eine Service-Orientierung hat bzw. einen Service-Aufruf zulässt und zweitens das zugehörige Informationsmodell liefert, um die semantische Service-Beschreibung machen zu können.«

Worin genau unterscheidet sich die Service-Orientierung nun von der Datenzentrierung? Heinrich Munz liefert die Antwort: »Man muss aufhören, Daten einfach nur herzugeben, sondern es muss eine Funktion geben, um Daten abzuholen oder irgendwo hinzutun. Und diese Daten irgendwo hintun, das ist nichts anderes als der Aufruf eines Kommandos, und das ist der Service.« Oder, an einem konkreten Beispiel: »Datenzentrierung funktioniert heutzutage so: Ein Roboter wird in sich programmiert mit einer Programmiersprache und hat eine Schnittstelle zur Außenwelt. In dieser Außenwelt lauscht er, bis irgendwelche Bits und Bytes hereinkommen. Und diese Bits und Bytes sind von den Roboter-Programmierern und den Programmierern „da draußen“ festgelegt, die vereinbart haben: Wenn ich Dir das Bit 35 schicke und es hat den Wert 1, dann bedeutet das: Fahr los, und wenn ich Dir das Byte 45 schicke, bedeutet das: Fahr einen Kreis, und die drei Bytes danach sagen, wie groß der Radius sein soll. Das heißt, alles was wir heute tun in der Automatisierungswelt, wird in Daten verschlüsselt, und das müssen Menschen machen, was ein völlig unnötiger Zwischenschritt ist, denn Menschen machen Fehler.«

Viel einfacher wäre das Ganze bei Service-Orientierung: »Warum kann man, wenn der Roboter losfahren soll, ihm nicht einfach ein Kommando hinschreiben: Fahr los mit den und den Parametern, und wenn Du am Ziel angekommen bist, dann sende mir eine Antwort?«, führt Heinrich Munz aus. »Das macht man dann übers Netz, und zwar mit Services, die man den Geräten direkt sendet. Also: Die Funktionen direkt senden und nicht Daten.«

Eine ganz neue Erfindung ist die Service-Orientierung allerdings nicht: »In der Software-Technik macht man das schon seit 20 Jahren«, sagt Dr. Jörg Wollert, Professor am Lehrgebiet Mechatronik und Eingebettete Systeme der FH Aachen. »Das Thema lautet: Selbstauskunftsfähigkeit von Software-Komponenten. Das heißt, ich kann Geräte einfach fragen, was kannst Du, woraufhin ich eine Schnittstelle geschickt bekomme, die mir genau sagt: Was ist das Gerät, was kann es, und wie parametriere ich es. Vielleicht sendet mir das Gerät sogar Handbuchinformationen, damit ich nachlesen kann, was genau ich mit ihm machen kann. In der Software-Technik ist das gang und gäbe, aber die Automatisierungstechnik ist davon noch meilenweit entfernt.«