Plug & produce met OPC UA en PackML

Ja, er is een duidelijke analogie met plug & play. En nee, het is niet weer een volgende marketingkreet. Het plug & produce van dit artikel is een serieus metamodel van het Platform Industrie 4.0. Het bevat uitgewerkte spelregels met verwijzingen naar open standaarden. Een uitgewerkt voorbeeld op basis van OPC UA en PackML vonden we afgelopen SPS IPC Drives op de stand van Lenze. Hier stond een zichzelf organiserende productielijn voor het verpakken van consumentenproducten.

// Factory Facts //

In 2017 ontwikkelde Platform Industrie 4.0 het metamodel RAMI 4.0 voor plug & produce
Met plug & produce kan productie zelforganiserend worden
Lenze ontwikkelde een verpakkingsvariant op basis van OPC UA en Pack ML

“Het idee is deels natuurlijk wel ontleend aan plug & play,” geeft Systems Engineer Konrad Cop van Lenze toe terwijl hij met zijn tablet alvast de demo opstart. “De manier waarop je een USB-apparaat ergens inprikt om er vervolgens na 2 seconden mee aan de slag te kunnen omdat de apparaten precies van elkaar weten wat ze zijn en wat ze kunnen, is de manier waarop we met machines ook moet werken. Om dit voor elkaar te krijgen, is een eenduidige beschrijving nodig. Met plug & produce is dat niet anders. Hier zijn het echter drives, motion controllers en sensoren die je inprikt en de machine tot een ‘black box met skills’ moeten maken.“ Hier stopt de vergelijking wat Cop betreft. De consequenties van plug & produce strekken immers veel verder dan een muis of printer die je aan een laptop hangt. Inzet zijn zelforganiserende productienetwerken van machines, productielijnen en uiteindelijk zelfs hele fabrieken die onderling zelf regelen wat ze van elkaar nodig hebben om een bepaald product te kunnen maken.

Lenze plug n produce v2 klein

De plug & produce verpakkingslijn zoals Lenze die op de SPS demonstreerde © Lenze

Eerst onderhandelen, dan verpakken

Dat regelen wat ze nodig hebben, gebeurt in de demo van Lenze op basis van onderhandelen. Zowel in verticale richting, dus tussen machines en de MES-laag, als horizontaal tussen de machines zelf. En geheel volgens wat je van een moderne onderhandeling mag verwachten, ziet het er hetzelfde uit als een gesprek in een Whatsapp-groep. Cop: “We hebben in deze opstelling voor het gemak 5 machinemodules bedacht voor het verpakken van verschillende consumentenproducten. Van links naar rechts zijn die modules een infeed conveyor, een pick & place-robot, een flow wrapper, een palletiseerrobot en een outfeed conveyor. Wil de gebruiker nu een x-aantal producten van een bepaald type maken, dan horen daarbij bepaalde ‘skills’ of vaardigheden van de verschillende machinemodules. Voor beide conveyors is dit ‘convey’, voor de eerste robot ‘pick & place’, voor de tweede ‘pallatiseer’ en voor de flow wrapper ‘wrap’. Op hun beurt zijn ook de modules onderverdeeld in skills. Zo bestaat de robot uit een manipulator en een grijper. De manipulator heeft als skill ‘beweeg toolpoint van A naar B’ en de grijper kan natuurlijk grijpen. De benodigde skillsets worden gegenereerd vanuit het recept dat volgt uit de bestelling van de operator. Het is de MES-laag die, nadat alle machinemodules de vraag of ze online zijn positief beantwoord hebben, controleert of ook alle benodigde skills aanwezig zijn. Dit controleren noemen we ‘verticaal onderhandelen’, omdat er telkens sprake is van een vraag vanuit MES met een terugmelding vanuit een ondergelegen laag. Is het verticale deel afgerond, dan wordt er horizontaal onderhandeld. Hierbij zijn het de machinemodules onderling die als in cascade bij hun buren kijken of de mechanische interfacing klopt. Tot slot is er ook nog een haalbaarheidsonderhandeling over de te hanteren massa’s. Zijn alle onderhandelingen succesvol afgerond, dan zal de MES-laag de opdracht geven met produceren aan te vangen.”

Over OPC UA en pack ML

Cop legt uit dat het onderhandelen een typische OPC UA-aangelegenheid is, en de productie zelf gebeurt volgens PackML. PackML is een in de verpakkingsindustrie veel voorkomende standaard die voor de communicatie tussen machinebesturingen onderling gebruikmaakt van machine states en packtags. Het onderhandelen wordt echter niet ondersteund. Daarom is op elk onderdeel zowel OPC UA-server als clientsoftware geïnstalleerd, zodat de onderhandeling in een aparte administratieve schil (AAS) kan worden afgehandeld. Hierin zijn zowel de benodigde onderhandelingsinformatie als de skills gedefinieerd. Het is belangrijk je te realiseren dat OPC UA hiervoor ‘slechts’ de technische fundatie biedt, maar dat de skills en onderhandelingsinformatie afzonderlijk gespecificeerd dient te worden.
Cop “Het werken met skills en onderhandelen is typerend voor OPC UA en heeft als voordeel dat je high level machineonderdelen op elkaar kunt afstemmen, een voorwaarde voor plug & produce. Maar omdat verschillende sectoren en toepassingen verschillende skills nodig hebben, zijn er nog de nodige gaten te overbruggen. De zogenoemde ‘companion specifications’ voor robots en vision zijn afgelopen Automatica door de VDMA gepresenteerd. En de brancheorganisatie voor kunststof en rubber Euromap heeft voor spuitgieten zelfs Time Sensitive Networking (TSN) al geregeld. Andere sectoren waar we ons als Lenze op richten, denk aan textiel maar ook aan printing & converting, zijn echter nog niet zo ver. En ook in sectoren als de automotive en intralogistiek is het lastiger. Hier heb je te maken met grote bedrijven die in de loop der jaren hun eigen standaarden hebben ontwikkeld.” Komen zij daarmee niet in aanmerking voor plug & produce? Cop: “Tot op bepaalde hoogte natuurlijk wel. Want hoewel we de companion specs niet voor hen kunnen schijven – dat is echt aan de betreffende sectoren zelf – kunnen en zullen we ze uiteraard wel helpen met vergaande digitalisering en het zetten van de strategische stappen richting echte plug & produce.”

Platform Industrie 4.0: @ your service

Eigenlijk zegt de naam het al. Platform Industrie 4.0 is een platform dat valt onder het Duitse ministerie van economische zaken en energie en het ministerie van onderwijs. Feit dat beide verantwoordelijke ministers leiding aan het platform geven, geeft aan dat het niet ‘zomaar een clubje’ is. Uiteraard zijn ook de bazen van de grote Duitse automatiseerders (zoals Siemens en SAP), onderzoeksinstellingen (Frauenhofer) en brancheverenigingen (ZVEI) vertegenwoordigd.

Vorig jaar bracht het platform onder auspiciën van ZVEI het document ‘Industrie 4.0 Plug & Produce voor adaptieve fabrieken: praktijkvoorbeelden, definities en implementatie’ uit.
Hierin wordt in het “Reference Architecture Model Industrie 4.0” – kort RAMI 4.0 genoemd – geïnventariseerd welke industriestandaarden geschikt zijn voor 4.0 en adaptieve fabrieken. Minstens zo belangrijker: aan de hand van praktijkvoorbeelden worden de verschillende standaarden getoetst en geëvalueerd. Dit is gedaan door een metamodel voor AAS (Asset Administration Shell) te ontwikkelen, en dit naast bestaande standaarden as OPC UA, MQTT en NAMUR MTP te leggen. Het metamodel en de vergelijking vind je hier.

Overigens tekende onlangs – tijdens een bezoekje van onze koning aan Duitsland - het Nederlandse Smart Industrie een samenwerkingsovereenkomst met Platform Industrie 4.0. Hier kan je lezen wat de samenwerking inhoudt en kijken hoe de handtekening van Ineke Dezentjé eruit ziet.