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Labor-Schnittstelle LADS Von OPC UA zu LADS: Ein Kommunikationsstandard entsteht

Autor / Redakteur: Patrick Kraus* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Laboratorien sind komplexe Arbeitsumgebungen, in denen eine Vielzahl von Systemen gesteuert werden müssen. Hierdurch ergeben sich für die Vernetzung durch unterschiedliche Schnittstellen diverse Herausforderungen. Eine Spectaris-Arbeitsgruppe will nun auf Grundlage des Industriestandards OPC UA eine Standard-Schnittstelle für das Labor entwickeln.

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Abb.1: Heute erfordert der Datenaustausch im Labor großen Aufwand, da Vernetzung und Automatisierung aufgrund inkompatibler Schnittstellen kaum möglich sind.
Abb.1: Heute erfordert der Datenaustausch im Labor großen Aufwand, da Vernetzung und Automatisierung aufgrund inkompatibler Schnittstellen kaum möglich sind.
(Bild: infoteam Software AG)

Wir kennen es aus dem täglichen Leben, aus dem privaten Umfeld, aus der Arbeit: „Aber ich habe dir doch gesagt, dass …“ gehört zu dem Phänomen ebenso wie der Ausruf „Da haben wir wohl aneinander vor­beigeredet“. Die Rede ist von Kommunikation oder präziser dem vergeblichen Versuch davon. Niklas Luhmann, deutscher Soziologe und Gesellschaftstheoretiker, kam in seiner Systemtheorie gar zu dem Schluss, das Zustandekommen von Kommunikation sei unwahrscheinlich. Ein Blick in deutsche und internationale Labore scheint diese These auf den ersten Blick zu bestätigen – zumindest was die Fähigkeit der Geräte und Softwaresysteme betrifft, sobald sie untereinander vernetzt interagieren sollen.

Die effiziente Vernetzung von Geräten, automatisierten Systemen und Prozessen sorgt für die entscheidenden Wettbewerbsvorteile im immer stärker umworbenen Labormarkt, bestätigt Birgit Ladwig, Fachverbandsleiterin bei Spectaris, dem deutschen Industrieverband für Optik, Photonik, Analysen- und Medizintechnik. Sie verweist auf eine Studie von McKinsey [1], nach der Qualitätslabore durch Digitalisierung und Automatisierung bis zu 50 Prozent der Kosten und bis zu 70 Prozent der Lieferzeit einsparen könnten.

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Die Findung einer branchenweiten Lösung für Kommunikations- protokolle und Datenstandards bindet idealerweise nicht nur Hersteller, sondern auch Anwender wie BASF ein.

Dr. Tatjana Levy, Senior Manager Functional Support Analytics & Digitalization, BASF SE

Neben der erheblichen Verringerung des Dokumentations- und Prüfaufwands durch eine automatisierte Erfassung von Messergebnissen spielten weitere Faktoren eine wichtige Rolle. So führe die Eliminierung menschlicher Fehler sowie eine geringere Varianz bei der Durchführung von Testabläufen nicht nur zu einer besseren Qualität, sondern auch zu einer besseren Planbarkeit von Personal, Abläufen und Materialverbrauch. All das lasse sich auch auf andere industrielle und forschende Labore aus den Bereichen der Analytik, der Biotechnologie und der Prozessindustrie übertragen, so Ladwig. „In allen Branchen spielen nahtlose Verzahnung, der Faktor Zeit und höchst verlässliche Analyseergebnisse eine entscheidende Rolle für die kontinuierliche Qualitätssicherung – im besten Fall nahe an der Echtzeit.“

Heterogene Labore hemmen durchgängige Vernetzung

Heutige Laborinfrastrukturen setzen sich meist aus vielen hochspezialisierten Geräten verschiedener Hersteller zusammen. Unterschiedliche Schnittstellen und Datenformate erschweren die Vernetzung dieser Systeme sowie deren Einbindung in existierende IT-Infrastrukturen. Dies ist jedoch die zentrale Voraussetzung für eine durchgehende Digitalisierung und effiziente Automatisierung. Alexander Brendel, Director Life Science bei Info­team Software, geht noch einen Schritt weiter und weist auch auf den notwendigen Datenaustausch mit ERP-Systemen oder LIMS hin: „Wir werden in Zukunft immer häufiger modulare Middleware-Lösungen sehen, die zwischen der Labor- und der Managementebene eine Vielzahl von Anwendungen bereitstellen. Solche Lösungen bilden komplexe Prozesse und Aufgaben ab, steuern Laborgeräte und stellen aufbereitete Daten für höhere IT-Systeme zur Verfügung.“

Doch die tägliche Arbeit in der Softwareentwicklung für Laborgeräte und Laborinfrastruktur sieht anders aus – viele Labore sind von Digitalisierung und Vernetzung noch weit entfernt. Mitarbeiter übertragen Messergebnisse und Daten teilweise von Hand oder bestenfalls per USB-Stick. Wer bereits einen Schritt weiter ist, der musste viel Zeit investieren: „Nahezu jeder Gerätehersteller nutzt eigene Schnittstellen und eigene Kommunikationsprotokolle“, erklärt Brendel. Das führt dazu, dass Software individuell an die vorhandene Infrastruktur der jeweiligen Labore angepasst werden muss. Ein großer Aufwand und zudem ein kontinuierlicher Prozess, denn bei Änderungen an der Infrastruktur müssen in der Regel auch Schnittstellen, Treiber und Protokolle manuell angepasst und eventuell sogar neu validiert werden.

„Modulare Middleware-Lösungen bietet zwar auch heute schon enorme Vorteile, um die Arbeiten im Labor zu vereinfachen. Wenn wir jetzt aber den Schritt hin zu einem herstellerübergreifenden, industrietauglichen, zukunftssicheren und offenen Kommunikationsstandard schaffen, dann lassen sich heterogene Infrastrukturen noch viel schneller vernetzen und ohne größeren Aufwand verändern. So schaffen wir den wichtigen Schritt hin zur durchgängigen Vernetzung von der Labor- bis zur Management­ebene.“ Der Gewinn an Zeit ließe sich in die Entwicklung von Softwaresystemen reinvestieren, die die eigentliche Laborarbeit unterstützen und verbessern und letztlich wieder neue Freiräume schaffen.

Übergreifender Standard als gemeinschaftliche Aufgabe

In den fast 40 Jahren, in denen infoteam nun Software entwickelt, sind besonders in der Industrieautomation viele erfolgreiche Standards und Normen entstanden, die sich zu grundlegenden Erfolgspfeilern entwickelt haben. Dazu zählt unter anderem die von infoteam maßgeblich mitentwickelte IEC 61131 für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Auch im Laborumfeld sieht Alexander Brendel seit etlichen Jahren wichtige Teilerfolge mit Standards wie JCAMP, AnIML, Allotrope oder SiLA. „Sie sind jedoch sehr spezifisch, nur proprietär verfügbar, teilweise nicht zertifiziert und ohne moderne Sicherheitsfeatures aufgebaut oder konzentrieren sich rein auf den Datenaustausch, nicht aber auf die Steuerung von Laborgeräten“, analysiert er im Hinblick auf die notwendige Industrietauglichkeit. Brendel ist deshalb der festen Überzeugung, dass ein weltweiter Standard für Steuerung und Datenaustausch nur als gemeinschaftliche Teamarbeit realisierbar ist, wenn Laborbetreiber, Hersteller und Dienstleister gleichermaßen profitieren sollen.

Diese Teamarbeit leistet seit 2016 die Spectaris-Arbeitsgruppe „Vernetzte Laborgeräte“. 30 Mitglieder des Verbands haben sich bereits der interdisziplinären und unternehmensübergreifenden Arbeitsgruppe angeschlossen, um gemeinsam die industrietaugliche Standardisierung von Schnittstellen im Labor voranzutreiben. Weitere Unterstützer und Experten sind jederzeit herzlich willkommen.

Industriestandard OPC UA als Lösung für Labore?

Das Ziel der Spectaris-Arbeitsgruppe ist die Schaffung eines hersteller­übergreifenden, offenen Standards, der umfassend die verschiedenen Branchen und ihre Geschäftsabläufe abbildet, nachhaltig anwendbar ist und auch künftigen Anforderungen der Digitalisierung und Automatisierung gerecht wird. Im industriellen Umfeld gibt es mit OPC UA bereits einen solchen Standard, der sich weltweit für Steuerung und Datenaustausch etabliert hat und aus jahrzehntelanger Erfahrung in der Industrieautomation hervorgegangen ist. Mehr als 750 namhafte Hersteller engagieren sich für OPC UA, in Tausenden Produkten über verschiedenste Industriezweige hinweg kommt der Standard zum Einsatz. OPC UA ist wohldefiniert, sehr gut adaptierbar, praxiserprobt und wird kontinuierlich weiterentwickelt.

Darüber hinaus sind viele Aspekte, die heute erst in das öffentliche Bewusstsein treten, beispielsweise Cyber-Security, bereits umfassend abgebildet.

Die Verwendung etablierter Kommunikationsstandards wie OPC UA erleichtert den späteren Transfer von R&D zur Produktion.

Dr. Dirk Hebel, Head of Product Management, Infors HT

Die Spectaris-Arbeitsgruppe hat sich deshalb nach intensiver Prüfung dazu entschlossen, OPC UA als Basistechnologie für die Vernetzung von Geräten, Systemen und Prozessen im Labor zu verwenden. Dies ermöglicht nicht nur die Vernetzung im Labor, sondern erlaubt zugleich die Anbindung an die industrielle Infrastruktur. So ist sichergestellt, dass auch zukünftige Erweiterungen einfach und robust in die vor Ort vorhandenen Lösungen integriert werden können, ohne Kompromisse in Bezug auf die Automatisierungsmöglichkeiten eingehen zu müssen.

Mit OPC UA zum Laboratory Agnostic Device Standard

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) definiert zunächst das serviceorientierte Grundgerüst sowie Basisdienste wie zum Beispiel Security Management, Session Management oder Event Management. Domainspezifische Erweiterungen werden über so genannte Companion Specifications definiert. Die Tätigkeit der Arbeitsgruppe konzentriert sich daher unter anderem auf die Erarbeitung einer Companion Specification, die auf die Anforderungen im Labor­umfeld zugeschnitten ist und als OPC UA Companion Specification registriert werden kann – der so genannte Laboratory Agnostic Device Standard (LADS).

Mit LADS baut die Konnektivität der Laborgeräte auf dem Industriestandard OPC UA auf. Damit besteht die einzigartige Gelegenheit, dass die Welten Labor und Produktion zusammenwachsen. Proprietäre Standards werden aussterben.

Dr. habil. Michael Maiwald, Fachbereichsleiter Prozessanalytik, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Auf der Ebene der Automatisierung von Geräten, Systemen und Prozessen setzt die Arbeitsgruppe diesen generalisierenden (agnostischen) Ansatz konsequent um, indem unabhängig vom Gerätetyp stets dasselbe Informationsmodell verwendet wird, das speziell auf die Anforderungen des Labors zugeschnitten ist. Für einen Zugriff auf gerätespezifische Eigenschaften profitieren Gerätehersteller von der offenen, flexiblen und modularen OPC-UA-Struktur und können zusätzliche OPC-UA-Dienste mit Zugriffsmöglichkeiten auf diese Eigenschaften bereitstellen.

Referenzimplementierung bis Ende 2022 geplant

Ein wichtiger Aspekt für eine langfristige erfolgreiche Etablierung und Akzeptanz des zu erarbeitenden Standards ist eine hohe Qualität der auf den Standard aufsetzenden Produkte. Daher schließt die Entwicklung auch die Bereitstellung einer Referenzimplementierung ein, die laut Zeitplan bis Ende 2022 verfügbar sein soll. Über diese Implementierung können Gerätehersteller und Softwareentwickler ihre Produkte gemäß dem Standard zertifizieren und auf Konformität testen. Diese Zertifizierung stellt sicher, dass alle vernetzten Komponenten die angestrebte Interoperabilität bei gleichzeitig reduzierten Aufwänden für alle Beteiligten er­reichen, und trägt dazu bei, dass das Zustandekommen von Kommunikation eben doch möglich ist. Ein Widerspruch zu Luhmann? Nein, denn Luhmann nennt drei wesentliche Punkte, mit denen die Gesellschaft Kommunikation ermöglichen kann, und der erste ist: gemeinsame Sprache.

Literatur

[1] McKinsey & Company: „Digitalization, automation, and online testing: The future of pharma quality control“

* P. Kraus, infoteam Software AG, 91088 Bubenreuth

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