OPC UA Information Model Design : OPC UA Informationsmodellierung für Cyber-Physical Production Systems

Abstract

Produzierende Unternehmen sind heutzutage mit einem Paradigmenwechsel konfrontiert. Die klassische Massenproduktion wird vermehrt durch individuelle Produktion (Mass Customization) abgelöst. Dieser Trend in Kombination mit der immer größer werdenden Produktvielfalt und kürzeren Produktlebenszyklen führt zu sinkenden Losgrößen. Dies stellt herkömmliche Produktionsanlagen und im speziellen die Automation besondere Anforderungen um flexibel auf die Anforderungen des Marktes reagieren zu können. Zusätzlich gibt es durch den vermehrten Einsatz von Informationsund Kommunikationstechnologie (IKT) eine Vielzahl von neuen Möglichkeiten, um die Produktivität und Flexibilität zu steigern. Das Schlagwort in diesem Zusammenhang sind sogenannte Cyber-Physical Systems (CPS). CPS verbinden physische Objekte mit virtuellen Objekten. Ein spezielles Merkmal ist, dass diese Komponenten in vernetzen Systemen, welche global über das Internet verbunden sein können, miteinander kommunizieren. Umgelegt auf die Produktionstechnik führt der Einsatz von CPS zu Cyber-Physischen Produktions Systemen (CPPS), welche die anfangs genannten Herausforderungen meistern können. Um diese Kommunikation zwischen CPS realisieren zu können, benötigt diese gewisse Eigenschaften. Die Kommunikation muss einheitlich und mit Bedeutung (Semantik) erfolgen. Im Produktionsumfeld gibt es eine Vielzahl von Kommunikationslösungen. Die bekanntesten sind OPC UA, MTConnect und MQTT. Aktuell gibt es nur einen Kommunikationsstandard, der die Anforderungen von CPS erfüllen kann. OPC Unified Architecture (OPC UA) ist die Weiterentwicklung des klassischen OPC Standards und wird als Lösung für diese Kommunikation gesehen. Dies zeigt, dass OPC UA auf zwei wesentlichen Konzepten aufbaut. Einerseits definiert es einen Kommunikationskanal, über den Daten übertragen werden können, anderseits besitzt es eine erweiterbares Metamodell, mit dem die Datenstruktur (Semantik) beschrieben werden kann. Obwohl OPC UA schon seit einigen Jahren im Einsatz ist, ist die weite Verbreitung noch nicht gegeben. Dies ist einerseits den fehlenden Modellen, anderseits der Komplexität des Standards geschuldet (aktuell 13 Teile in der Spezifikation). Um die Modellierung von Informationsmodellen zu vereinfachen beschreibt diese Arbeit einen systematischen Ansatz, der Entwickler bei diesem Prozess unterstützen soll. Der Ansatz basiert auf Model Driven Architecture (MDA), einem standardisierten Framework zur modellgetriebenen Softwareentwicklung. Grundidee ist es, die Beschreibung des Systems von der zu implementierenden Technologie zu trennen. Dazu gibt es drei Abstraktionsstufen, welche dabei helfen sollen. In der Arbeit wird dieses Prinzip für die Entwicklung von OPC UA Informationsmodellen erweitert. Diese Erweiterung erlaubt es den kompletten Entwicklungsprozess vom Engineering, über das Design bis hin zur Implementierung von OPC UA Informationsmodellen zu unterstützen. Kern des OPC UA Information Model Design sind UML Modelle, welche für die jeweiligen Phasen ausgewählt wurden. Im OPC UA Information Model Design werden Komponenten und Use-Case Diagramme für die Beschreibung der Systemanforderungen verwendet. Für das plattformunabhängige Design werden Klassenund Zustandsdiagramme verwendet. Somit kann sowohl das statische als auch das dynamische Verhalten des Systems abgebildet werden. Um auf die plattformspezifische Technologie, in diesem Fall OPC UA, zu kommen bedarf es einer Transformation der Modelle, d.h. es müssen Modellelemente von UML auf Elemente von OPC UA gemappt werden. Dieses Mapping und die anschließende Transformation werden ebenfalls behandelt. Für die Transformation wird Atlas Transformation Language (ATL) verwendet, welche erlaubt Elemente der Metamodelle miteinander in Zusammenhang zu bringen. Um eine möglichst einfache und vollständige Transformation zwischen den Modellen zu ermöglichen, wird das OPC UA Metamodell und das UML Metamodell erweitert. Da UML eine generische Beschreibungsund Modellierungssprache ist, müssen die Fähigkeiten an OPC UA durch Restriktionen angepasst werden. Ergebnis der Transformation ist ein OPC UA Informationsmodell, welches durch Instanziierung in einen OPC UA Server integriert werden kann und den Adressraum des Servers bildet. Als Evaluierung werde in dier Arbeit die mit dem OPC UA Information Model Design erstellten OPC UA und UML Modelle gegenübergestellt und der Mehrwert durch Abstraktion aufgezeigt. Die visuelle Größe und strukturelle Komplexität von Unified Modelling Language (UML) Modellen ist deutlich geringer. Auch bei einigen Design Qualitätsmerkmalen ist UML vorteilhatft.

Today, manufacturing companies are confronted with a paradigm shift. Classic mass production is increasingly being replaced by individual production (mass customization). This trend in combination with the ever-increasing variety of products and shorter product life cycles leads to decreasing batch sizes. This places special demands on conventional production systems and especially on automation in order to be able to react flexibly to the requirements of the market. In addition, the increased use of information and communication technologies (ICT) offers a variety of new possibilities to increase productivity and flexibility. The buzzword in this context are so-called Cyber-physical Systems (CPS). CPS connect physical objects with virtual objects. A special feature is that these components communicate with each other in networked systems that can be globally connected via the Internet. Applied to production engineering, the use of CPS leads to Cyber-Physical Production Systems (CPPS), which can master the challenges mentioned above. In order to realize this communication between CPS, it needs certain properties. Communication must be uniform and with meaning (semantics). In the production environment there are a multitude of communication solutions. The best known are OPC Unified Architecture (OPC UA), MTConnect and MQTT. Currently, there is only one communication standard that can meet the requirements of CPS. OPC UA is the further development of the classic OPC standard and is seen as a solution for this communication. This shows that OPC UA is based on two essential concepts. On the one hand, it defines a communication channel via which data can be transferred, and on the other hand, it has an extensible metamodel which allow to describe the data structure (semantics). Although OPC UA has been in use for several years, it is not yet widely used. This is due to the lack of models and the complexity of the standard (currently 13 parts in the specification). To simplify the modelling of information models, this thesis describes a systematic approach to support developers in this process. The approach is based on Model Driven Architecture (MDA), a standardized framework for model-driven software development. The basic idea is to separate the description of the system from the technology to be implemented. There are three levels of abstraction that are supposed to help. In this work, this principle is applied for the development of OPC UA Information models extended. This extension allows to support the complete development process from engineering to design to implementation of OPC UA information models. The OPC UA Information Model Design is based on Unified Modelling Language (UML) models selected for the respective phases. The OPC UA Information Model Design uses components and use case diagrams to describe system requirements. Class and state diagrams are used for the platform-independent design. Thus, both the static and dynamic behavior of the system can be mapped. To access the platform-specific technology, in this case OPC UA, the models need to be transformed, i.e., model elements must be mapped from UML to elements of OPC UA. This mapping and the subsequent transformation are also discussed. For the transformation ATLAS transformation language (ATL) is used, which allows to link elements of metamodels. To enable a simple and complete transformation between the models, the OPC UA metamodel and the UML metamodel are extended. Since UML is a generic description and modeling language, the capabilities of OPC UA must be aligned through restrictions. Result of the transformation is an OPC UA information model, which can be integrated into an OPC UA server by instantiation and forms the address space of the server. The work also compares the OPC UA and UML models created with the OPC UA Information Model Design and shows the added value through abstraction.