Steuerung eines Rührgerätes mittels OPC UA-Schnittstelle
2mag AG
Über das Projekt
Die 2mag AG ist seit 30 Jahre Hersteller und Anbieter von magnetischen und induktiven Antriebskonzepten, wie z.B. Magnetrührern. 2mag ist für ihre Kompetenz in der Konzeption, Entwicklung und Produktion bekannt. Bei der Produktion steht die auf die Kunden zugeschnittene und zugleich schnelle sowie wirtschaftliche Erstellung von Lösungen im Fokus.
Projektbeschreibung
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Ausgangssituation
Die 2mag AG ist seit 30 Jahre Hersteller und Anbieter von magnetischen und induktiven Antriebskonzepten, wie z.B. Magnetrührern. 2mag ist für ihre Kompetenz in der Konzeption, Entwicklung und Produktion bekannt. Bei der Produktion steht die auf die Kunden zugeschnittene und zugleich schnelle sowie wirtschaftliche Erstellung von Lösungen im Fokus.
Im Wandel der Digitalisierung wächst durch den industriegetriebenen Standardisierungsprozess das Interesse industrieller Anwender an plattform- und herstellerunabhängige Kommunikationstechnologien.
In diesem Zug rückt die erfolgreiche Einführung von Industrie 4.0 und der hiermit verbundene herstellerunabhängige Austausch von Daten immer weiter in den Vordergrund. Als Instrument etabliert sich die „Open Platform Communications Unified Architecture“ (OPC UA) immer weiter als Standard, um die Grundlage mittels einheitlicher Schnittstellen in der Produktion zu legen.2mag entschied sich Anfang 2019 diesen zukunftsführenden Standard einzuführen und uns mit der Umsetzung zu beauftragen. Ihre Anforderung war und ist es mithilfe einer OPC UA die elektronischen Geräte, wie z.B. Magnetrührer, gemäß des Standards, untereinander und mit einem Leitsystem zu verbinden. Über diese Verknüpfung können die elektronischen Geräte über das Leitsystem angesteuert und Daten ausgelesen werden. Diese Steuerung ermöglicht es die elektronischen Geräte aus der Ferne z.B. ein- und auszuschalten, die Drehzahl zu verändern, den Status auszulesen und die Versionsnummer abzufragen.
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Herausforderung
2mag stand hierfür das notwendige Fachwissen sowie Personal intern nicht zur Verfügung, daher suchte 2mag einen Partner, der sie in diesem Bereich unterstützt und die Konzeption, Planung und Umsetzung dieser Digitalisierungsmaßnahme umsetzt.
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Beratung
- In unserem Beratungsgespräch sind wir mit 2mag auf die Möglichkeiten der Programmierung der OPC UA eingegangen.
- Um die reibungslose Implementierung der digitalen Lösung im Livebetrieb sicherzustellen, haben wir mit 2mag vereinbart einen Prototyp aufzusetzen, der bis zur finalen Version getestet und bei Bedarf angepasst wird.
- Zu Beginn der Umsetzung ist die Herstellung der notwendigen Hardware entscheidend.
- Um die Programmierung der Schnittstellen über OPC UA sicherstellen zu können, haben wir die Umsetzung eines CLI-Interfaces erörtert, die es ermöglicht über einen Terminal mit den elektronischen Geräten/der Elektronik kommunizieren zu können.
- Zudem haben wir die Vorteile eines Webservers, über den die Netzwerkdaten geändert werden können und eines FRAM, der als zusätzlicher Speicher zur Datenspeicherung dient, vorgestellt.
- Als strategischen Baustein haben wir zwei weitere Möglichkeiten angeführt. Zum einen ein MQTT-Interface, das über eine separate Schnittstelle zur Plattform von uns aufgesetzt wird und somit die Möglichkeit bietet, unabhängig von den Standards der OPC UA, mit den elektronischen Geräten/der Elektronik zu kommunizieren und Statusmeldungen lokal oder in der Cloud zur Verfügung zu stellen. Zum anderen haben wir 2mag empfohlen die von uns entwickelte Elektronik in die serielle Produktion von 2mag einzubinden.
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Konzept
Erste Phase:
- In der ersten Phase des Projekts haben wir für 2mag einen Prototyp hergestellt.
- Für diesen haben wir einen OPC UA Server auf Basis des unter MPL 2.0 stehenden freien OPC UA Stacks des FH aufgebaut. Dieser ermöglicht die Zeitsynchronisation über den NTP-Client.
- Zudem wurde in dieser Phase eine serielle Schnittstelle zum elektronischen Gerät/Rührer programmiert und das notwendige Informationsmodell implementiert. Das Informationsmodell dient innerhalb des OPC UA Standards als Grundlage zur Realisierung einer semantischen Interoperabilität. Zudem kann über das Informationsmodell die Semantik/ die Bedeutung einzelner Daten definiert werden.
Zweite Phase:
- In der zweiten Phase wurde die Entwicklung einer eigenen Hardware umgesetzt, bei der die Entwicklung eines ESP32 eine entscheidende Rolle spielte, da es sich hierbei um den programmierbaren Mikrocontroller handelt.
- Auf diesen ESP32 haben wir im Anschluss die Software aufgesetzt und die Schnittstelle angeknüpft.
- Die Platine haben wir hierbei auf die entsprechende Gerätgröße zugeschnitten und zudem den Schaltplan mit BOM sowie eine kundenspezifisches EMV-gerechtes Layout berücksichtigt.
- Im nächsten Schritt haben wir eine serielle Anbindung zum Rührer sowie eine OP CUA-Schnittstelle programmiert und die Konfiguration des Gateways über einen Webserver durchgeführt.
- Ab diesem Zeitpunkt wurde zudem sichergestellt, dass Daten im nvs oder FRAM gespeichert werden können.
Letzte Phase:
- In der nun letzten Phase der Herstellung sowie Programmierung der Hardware und OP CUA, folgte nun die Umsetzung unterschiedlicher Secure Policies. Durch bestimmte Secure Policies wurde durch z.B. kryptographischen Algorithmen oder auch die Benutzerauthentifizierung der sicherere Datenaustausch über OP CUA abgesichert.
- Nach der Freigabe des Prototyps haben wir den ESP32 über einen Bootloader auf das automatische Laden über die serielle Schnittstelle von Updates vorbereiten und durch signed Updates/einen Secure Boot vor Angriffen oder Infektionen von Malware gesichert. Zudem wurde in diesem Schritt die notwendige Infrastruktur gelegt.
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Ausblick in die Zukunft
- In naher Zukunft werden wir die serielle Kommunikation der Hardware über USB zum Device umsetzen, um die Hardwareherstellung in der Produktion von 2mag implementieren zu können.
- Im darauffolgenden Schritt werden wir ermöglichen durch die Programmierung einer eigenen Schnittstelle unabhängig der OP CUA Standards mit der Elektronik zu kommunizieren. Hierfür werden wir über einen MQTT Client eine Schnittstelle zu den elektronischen Geräten aufsetzen, über die der MQTT Client Statusmeldungen und Informationen der elektronischen Geräte anfordert. Die Daten werden dann mithilfe eines Brokers für 2mag in einem Dashboard kategorisiert dargestellt.
