Der Einsatz digitaler Zwillinge kann ein wichtiger Faktor zur Maximierung der Leistung und Flexibilität von Industrie 4.0-Fabriken sein. Open Platform Communications (OPC) ist der Interoperabilitätsstandard für den sicheren und zuverlässigen Datenaustausch in industriellen Automatisierungsumgebungen. OPC wurde um die als IEC 62541 standardisierte Unified Architecture (UA) erweitert, die die Möglichkeit beinhaltet, digitale Zwillinge aller Geräte in einer Fabrik zu integrieren, einschließlich Steckverbindern.
Diese FAQ beginnt mit einer Definition digitaler Zwillinge und wie diese in Industrie 4.0-Fabriken integriert werden können. Anschließend wird ein Beispiel eines intelligenten elektrischen Steckverbinders (SmEC) betrachtet, der die Funktionalität eines digitalen Zwillings in Industrieanlagen bringt. Abschließend wird kurz darauf eingegangen, wie OPC UA PubSub-Daten und eine Asset Administration Shell (AAS) in der Cloud zur Implementierung des SmEC genutzt werden.
Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Darstellung eines physischen Objekts oder Systems. Es integriert alle Daten, Simulationsmodelle, Tests und andere Informationen eines physischen Objekts, die während der Entwicklung, Inbetriebnahme, des Betriebs und der Wartung bis zum Ende der Lebensdauer generiert werden. Ein digitaler Zwilling ist keine generische Darstellung; Es ist wie ein einzelner Steckverbinder speziell an ein einzelnes Gerät gebunden und verfolgt dessen Design, Produktion und Verwendung über den gesamten Lebenszyklus hinweg.
Digitale Zwillinge können nahezu in Echtzeit eine Verfolgung und Analyse von Abläufen in der Fabrikhalle bis hin zu einzelnen Maschinen, Sensoren und Komponenten wie Steckverbindern ermöglichen und unterstützen verbesserte Analysen, Prozessflexibilität und höhere Qualität.
Auf der Hannover Messe 2023 demonstrierte HARTING gemeinsam mit Microsoft (Cloud-Services-Anbieter), SAP (Software- und Datenauswertung) und Siemens (als Anwender) ein SmEC, das OPC UA im physischen Konnektor nutzt, OPC UA Pub/Sub-Daten, und ein AAS in der Cloud zur Unterstützung der Integration als digitaler Zwilling in eine virtuelle Fabrik (Figure 1). Der Connector erfasst betriebliche Prozess- und Zustandsdaten über seinen gesamten Lebenszyklus.
Der Steckerstatus wird nahezu in Echtzeit mittels OPC UA an den digitalen Zwilling in der Cloud kommuniziert und kann zur aktiven Überwachung von Fabrikprozessen genutzt werden. Die Verfügbarkeit von Verbindungsdaten, einschließlich Spannung und Strom, erleichtert die Überwachung des Status der angeschlossenen Maschine. Darüber hinaus werden drei Steckerzustände überwacht:
- Unplugged
- Ohne Last eingesteckt und verriegelt
- Eingesteckt und unter Last verriegelt
Der digitale Zwilling des Steckverbinders umfasst Daten wie die Anzahl der Steck-/Trennzyklen und kann über den digitalen Zwilling der Fabrik mit anderen Daten über die Fabrikumgebung, wie Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, integriert werden. Diese Informationen können verwendet werden, um vorbeugende Wartungsarbeiten zu planen, Ausfallzeiten zu vermeiden und die Produktivität zu steigern.
Pub/Sub-Kommunikation
Das Pub/Sub-Kommunikationsprotokoll in OPC UA basiert nicht auf einer Client-Server-Struktur. OPC UA-Clients, die Pub/Sub unterstützen, können ein Herausgeber sein, der Daten sendet, oder ein Abonnent, der Daten empfängt. Das System muss einen „Broker“ enthalten, der Daten von Herausgebern empfangen und Daten an Abonnenten liefern kann (Figure 2). In Anwendungen wie Industrie 4.0-Fabriken mit einer großen Anzahl von Herausgebern und Abonnenten ist Pub/Sub wesentlich effizienter als die direkte Sender-Empfänger-Konnektivität. OPC UA Pub/Sub ist transportunabhängig und kann je nach Anwendungsanforderungen über das User Datagram Protocol (UDP) oder den Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) übertragen werden.
Verwaltungsschalen für die Vermögensverwaltung
Die Industrial Digital Twin Association (IDTA), der Entwickler des AAS, standardisiert derzeit die AAS-Spezifikation als Teil der IEC 62378. Das AAS ist das Schlüsselelement, das die Entwicklung eines digitalen Zwillings des Steckverbinders unterstützt. Die Vorführung auf der Hannover Messe zeigte, wie die Inhalte im AAS akkumuliert werden. Zunächst versorgt der Steckverbinderhersteller das AAC des SmEC mit grundlegenden Fertigungsdaten und nutzt in diesem Fall das NX CAD-Design-to-Manufacturing-System von Siemens. Im nächsten Schritt wird der Connector in einer bestimmten Maschine installiert. Abschließend wird die Maschine in einer Fabrik installiert. Der SmEC sendet dem digitalen Zwilling seine Seriennummer und andere identifizierende Daten, den Konnektivitätsstatus, angelegte Leistungsmessungen und die Identifizierung der passenden Buchse. In der Demonstration wurden die Daten an die Microsoft Azure-Cloud gesendet, wo die Dienste Azure Digital Twin und Azure Data Explorer für Analysen genutzt wurden.
Zusammenfassung
OPC UA Pub/Sub-Daten können von einem Connector mit eingebettetem AAS gesendet werden, um die Implementierung des digitalen Zwillings des Connectors in einer Industrie 4.0-Fabrik zu unterstützen. Der digitale Zwilling befindet sich in der Cloud und kann zur Unterstützung von Analysen nahezu in Echtzeit, zur Planung vorbeugender Wartung und zur Bereitstellung der für eine kontinuierliche Prozessverbesserung erforderlichen Informationen verwendet werden.
Bibliographie
Industrial Digital Twin Association
Industrielle Interoperabilität mit OPC UA und der AAS, OPC Foundation
Intelligenter elektrischer Steckverbinder, Harting
Die Asset Administration Shell: Implementierung digitaler Zwillinge für den Einsatz in Industrie 4.0, Plattform Industrie 4.0
Anwendungsfälle für OPC UA-Methoden, Pub/Sub und Companion Specs, OPC Foundation