Vernetzte Fabrik

Durchbruch in der Datenvisualisierung mit OPC UA und Virtual Reality

In einer Zeit, in der Digitalisierung und Vernetzung in der Industrie immer wichtiger werden, ist es entscheidend, Maschinendaten effizient zu kommunizieren und zu visualisieren. Die Kombination von OPC UA und Virtual Reality (VR) bietet hier großes Potenzial und ermöglicht nicht nur eine verbesserte Überwachung und Steuerung von Maschinen, sondern eröffnet auch neue Lösungen für Schulungen, Wartung und die Verbesserung von Produktionsprozessen.
Datenflussvisualisierung von einem Roboter (blau) und eines Förderbandes (orange) in einer Fertigungszelle
Datenflussvisualisierung von einem Roboter (blau) und eines Förderbandes (orange) in einer FertigungszelleBild: ISW Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universität Stuttgart

Die Implementierung von OPC UA als Kommunikationsstandards ermöglicht eine nahtlose und standardisierte Datenbereitstellung von Maschinen und Anlagen, etwa als Grundlage für Analysen und vermehrt auch für das Training von KI-Algorithmen, für Predictive Maintenance oder Qualitätskontrollen. Durch die Integration von OPC-UA-Servern in Verbindung mit Virtual-Reality-Anwendungen, können diese Daten dreidimensional und interaktiv dargestellt werden. Ein Instandhaltungsmitarbeiter könnte dann mithilfe einer VR-Brille in Echtzeit durch die Produktionsstätte navigieren und den Status jeder Maschine überprüfen. Im Falle einer potenziellen Störung kann er direkt in die virtuelle Umgebung hineinblicken, um relevante Daten und Diagnoseinformationen abzurufen.

Die Visualisierung von OPC-UA-Daten in einer virtuellen Umgebung verbessert nicht nur die Überwachung, sondern auch die Interpretation komplexer Zusammenhänge, die an sich nicht sichtbar sind, z.B. Datenflüsse von kommunizierenden Bauteilen oder Anlagen. Eine immersive Visualisierung kann den Instandhaltungsprozess effizienter gestalten und Stillstandszeiten reduzieren. Der Einsatz von Virtual Reality zur Datenvisualisierung steigert nicht nur die Effizienz, sondern verbessert auch die Sicherheit und die Entscheidungsfindung.

VR in der Industrie

Virtual Reality ermöglicht es Nutzern, in eine computergenerierte Umgebung einzutauchen und mit ihr zu interagieren. Hierfür werden spezielle VR-Brillen oder Headsets verwendet, die visuelle und akustische sowie teilweise haptische Eindrücke vermitteln. Sensoren erfassen die Bewegungen des Nutzers und übertragen sie in die virtuelle Realität, um ein authentisches Erlebnis zu schaffen. In den vergangenen Jahren hat sich die VR-Technologie kontinuierlich weiterentwickelt, insbesondere hinsichtlich Leistungssteigerungen und Softwareverbesserungen. Das eröffnet auch in der Industrie ein breites Spektrum neuer Anwendungen.

Die Integration führt zu einer interaktiven Erfahrung, die letztendlich zu einer Steigerung der Benutzerbeteiligung führt. Dieser Aspekt ist vor allem für das Digital Prototyping von Interesse. Dort ermöglicht es VR, digitale 3D-Prototypen auf immersive Weise zu visualisieren und mit ihnen zu interagieren. Diese realistische Darstellung des Modells verbessert den Entscheidungsprozess und ermöglicht eine effiziente Zusammenarbeit. Darüber hinaus kann VR gut für Trainingslösungen eingesetzt werden, etwa für realistische Simulationen, mit denen Mitarbeiter komplexe Aufgaben in einer sicheren und kontrollierten virtuellen Umgebung üben können. In simulierten Umgebungen können Mitarbeiter praxisnah geschult werden, ohne physischen Gefahren ausgesetzt zu sein.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Einblendung von Echtzeitdaten in der VR. Die dynamische Darstellung von Live-Daten wie Anlagenstatus, Leistungskennzahlen und Umgebungsbedingungen erweist sich als leistungsfähiges Werkzeug und ist von hohem Wert für die Entscheidungsfindung, da sie dem Benutzer sofortige und kontextbezogene Informationen liefert. Analysen und wichtige Leistungsindikatoren werden in ein visuelles, intuitives Format umgewandelt, das den Bedienern das Verständnis komplexer Datensätze erleichtert. Durch die visuelle Darstellung von Analysen verbessert VR die Fähigkeit des Bedieners, Informationen schnell zu interpretieren und darauf zu reagieren.

Verknüpfung von OPC UA und VR

Damit die Vorteile von OPC UA und der VR-Visualiserung genutzt werden kann, müssen beiden Technologien gekoppelt werden. Meist wird ein Simulationsmodell der realen Produktionsanlage verwendet, das auf einer VR-fähigen Simulationsplattform ausgeführt wird. Im ersten Schritt müssen die Daten definiert werden, die visualisiert werden sollen. Nachdem die Datensets spezifiziert sind, wird ein OPC-UA-Server implementiert, der die Daten zyklisch von der Steuerung des realen Produktionssystems zur Verfügung stellt. Die Update-Rate kann je nach Anwendungsfall variieren. Es ist sinnvoll, zwischen IT- und OT-Daten zu unterscheiden. Die spezifischen OT-Daten werden als Livedaten mit einer Update-Rate von 50ms aktualisiert, während die IT-Daten Event-basiert oder in einer Update-Rate von 1 bis 5s aktualisiert werden. Die VR-Simulationsumgebung befindet sich auf der Client-Seite und empfängt und verarbeitet Daten, die vom übergeordneten OPC-UA-Server zur Verfügung gestellt werden. Ist diese Verbindung hergestellt, können die empfangenen Daten je nach Anwendungsfall und eigenen Präferenzen visualisiert werden. Doch wie genau wird die Verbindung zwischen einem OPC-UA-Server und einer VR-Anwendung technisch gelöst?

Um einen OPC-UA-Client in die Simulationsumgebung einzubinden, wird die Programmierschnittstelle der Anwendung genutzt und der open62541 Stack als Open-Source-Implementierung des OPC-UA-Protokolls verwendet. Im Anwendungsbeispiel kommt zudem die Unity3d Game Engine zum Einsatz. Durch die Einbettung des Stacks können die Grundfunktionen von OPC UA in der Simulationsumgebung genutzt werden. Im nächsten Schritt wird das definierte Variablen-Datenset, das als XML gespeichert ist, zur Konfiguration des Clients genutzt. Dadurch kann der OPC-UA-Client Daten vom OPC-UA-Server empfangen und interpretieren. Damit ist die Datenbasis geschaffen. Abschließend können die zyklisch übermittelten Daten des Produktionssystems für verschiedene Visualisierungsfunktionen genutzt werden. Das Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen präsentierte auf der letzten SPS-Messe ein Beispiel für die Visualisierung. Dabei wurde der gesamte Messestand in einer VR-Umgebung abgebildet und die Maschinen mit ihren OPC-UA-Servern angebunden. Die Verfahrwege der einzelnen Achsen wurden 1:1 abgebildet und der aktuelle Energieverbrauch wurde dargestellt. Die erste Abbildung dieses Artikels zeigt eine Dreiachs-CNC-Maschine mit geöffneter Steuerungsoberfläche, in der z.B. die Achswerte aus OPC UA angezeigt werden. Durch die Verknüpfung des OPC-UA-Servers der realen Maschine und der Simulation ist es zudem möglich, direkt aus der VR-Umgebung auf den OPC-UA-Server zu schreiben und die Maschine zu steuern. Beispielsweise sind Aktionen wie das Erzwingen von Maschinenstopps möglich. Ein weiteres Beispiel ist die Visualisierung von Datenflüssen. Sie ist in der zweiten Abbildung beispielhaft an einem aktiven Roboterarm und einem aktiven Förderband dargestellt. Durch die Visualisierung können komplexe Datenflüsse und Prozesse einfach dargestellt werden. Dies erleichtert den Mitarbeitern das Verständnis der Abläufe und ermöglicht eine bessere Transparenz über die gesamte Produktionskette.

ISW Institut für Steuerungstechnik der

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