IoT-Basics: Was ist OPC UA?

| Autor / Redakteur: Stefan Hoppe / Jürgen Schreier

Das Ergebnis ist eine dezentrale Intelligenz (Bild 7), die eigenständig Entscheidungen trifft und Informationen an ihre Nachbarn übermittelt bzw. Stati und Prozesswerte für den eigenen Prozess abfragt, um einen ungestörten Prozessablauf zu gewährleisten. Die Geräte "reden" hier direkt miteinander: z.B. meldet das Wasserwerk 1 eine abnehmende Wasserqualität (verursacht z.B. durch das Düngen von Feldern) an die eigene Pumpe. Diese kann nun den Job "Hochbehälter füllen" an ein anderes Pumpwerk delegieren. Mit den standardisierten FUNCTIONBLOCKS der PLCopen initiieren die Geräte, als UA Clients, eigenständig die Kommunikation aus der SPS heraus zu anderen Prozessteilnehmern.

Als UA-Server antworten sie gleichzeitig auf deren Anfragen bzw. auf Anfragen übergeordneter Systeme (SCADA, MES, ERP). Die Geräte sind per Mobilfunkrouter verbunden. Eine physikalische Verbindungsunterbrechung führt dabei nicht zu einem Informationsverlust, da Informationen automatisch im UA-Server für eine Zeit gepuffert werden und abrufbar sind, sobald die Verbindung wiederhergestellt wurde. Dies ist eine sehr wichtige Eigenschaft, für die früher ein hoher, proprietärer Engineering-Aufwand betrieben werden musste.

Für die Integrität dieser zum Teil sensiblen Kommunikation wurden, neben einer geschlossenen Mobilfunkgruppe, auch die in OPC UA integrierten Sicherheitsmechanismen, wie Authentifizierung, Signierung und Verschlüsselung, genutzt. Der herstellerunabhängige Interoperabilitätsstandard OPC UA eröffnete dem Endanwender die Möglichkeit, die Auswahl einer Zielplattform der geforderten Technologie unterzuordnen, um so den Einsatz proprietärer bzw. nicht anforderungsgerechter Produkte zu umgehen. Der Ersatz einer proprietären Lösung durch eine kombinierte OPC-UA-Client/Server-Lösung erbrachte hier eine Einsparung der Lizenz-Initialkosten von mehr als 90 Prozent je Gerät.

Anwendung vertikal: IoT-Plattform

Microsoft hat die Bedeutung von OPC UA im Kontext von Industrie 4.0 frühzeitig erkannt und OPC UA in die Azure Cloud integriert (Bild 9). Neue OPC-UA-Server (1), die die Pub/Sub-Funktionalität unterstützen, können bereits direkt Telemetrie-Daten per JSON/AMQP in die Azure Cloud spielen. Für die OPC-UA-Server mit Client-Server(TCP)-Kanal steht ein Gateway (2) zur Verfügung – hier werden die UA-Daten als UA via AMQP gewandelt weitergeleitet. Auch der Rückkanal "Control & Command" (3) ist konfigurierbar.

Roadmap und Ausblick auf Weiterentwicklungen

OPC UA entwickelt sich weiter. Aktuell lassen sich die im Folgenden beschriebenen Trends vorhersehen.

Trend: Informationsmodelle

Andere Verbände wie die AutoID-Industrie (RFID Reader, Scanner, …), VDMA-Fachgruppen wie Spritzgussmaschinen, Robotik oder Machine Vision (und 35 weitere Automatisierungsbranchen) definieren bereits ihre Informationen in OPC-UA-Servern – einer sogenannten OPC UA Companion Specification. Als Anbieter einen solchen Branchenstandard zu erfüllen bedeutet nicht gleich austauschbar zu sein: Jeder kann seine eigenen Hersteller-speziellen Dienste weiterhin parallel anbieten.

Intelligente Geräte sollten unbedingt parallel mehrere Informationsmodelle unterstützen können: neben der dedizierten Funktionalität eben auch die für Energiedaten oder MES-Schnittstellen usw. Zur Reduzierung des Engineerings wird die Bedeutung dieser Branchen- und Cross-Branchen- Informationsmodelle in Zukunft stark steigen: Hersteller, die hier nicht den Standard unterstützen, werden bald nicht mehr verkaufen können.

Trend: Service-orientierte Architektur (SoA)

Die Informationsmodelle der Branchen basieren meistens nicht mehr auf dem Bit/Byte-Property-Austausch, sondern auf den Diensten mit komplexen Parametern. Ein UA Client, der keine Methoden oder komplexen Parameter unterstützt, wird mit UA-Servern zunehmend wenig kommunizieren können. Die DKE-Organisation listet OPC UA als einzige SoA-Lösung. Unabhängig von SoA: Die Automatisierungspyramide zur Organisation einer Fabrik bleibt sicherlich weiterhin bestehen – die Kommunikationspyramide ist mit OPC UA aber aufgehoben: Geräte können Daten direkt oder parallel an das MES (Manufacturing Execution System) oder die ERP-Ebene (ERP = Enterprise Resource Planning) liefern – auch die Logik muss nicht immer in der SPS vor Ort laufen, sondern kann (heute für unkritische Abläufe) in der Cloud laufen.

Trend: OPC UA im Chip

OPC UA wird in immer kleinere Geräte und Sensoren «wachsen». Kleinste OPC-UA-Softwarelösungen benötigen heute mit limitierter (aber auslesbarer) Funktionalität 35 kB RAM und 240 kB Flash. Die ersten Chips mit integriertem OPC UA sind am Markt verfügbar, und so wächst OPC UA weiter in die Sensorwelt hinein. Schon jetzt wachsen die Anwendungen von OPC UA aus dem Kernbereich der Automatisierung in andere Branchen wie industrielle Großküchengeräte.

Trend: OPC UA mit TSN

Der Roboterhersteller KUKA ist 2015 der OPC-Foundation beigetreten, um diesen Standard aktiv mitgestalten zu können: Aus Sicht von KUKA muss auch eine schnellere, echtzeitfähige Kommunikation per OPC UA machbar sein, um mit einer einzigen Kommunikationslösung komplett zu skalieren: von der horizontalen Robotersteuerung zur Roboterhandsteuerung, aber auch bis in die MES- und IT-Ebene. Hier zeigt sich ein weiterer wesentlicher Vorteil: OPC UA ist eben nicht «nur Protokoll», sondern eine Architektur, die sich auf die Anforderungen des Marktes erweitern lässt: Die Anforderung nach harter Echtzeit mit der Kombination Time Sensitive Network (TSN) und OPC UA ist in einer Arbeitsgruppe bereits gestartet, die Umsetzung und Markteinführung wird allerdings noch Zeit benötigen.

Literatur

[I.1] Normenreihe: IEC 62 541 OPC unified architecture. Genf: International Electrotechnical Commission (IEC), 2015-2016

[I.2] Leitfaden: Welche Kriterien müssen Industrie-4.0-Produkte erfüllen? Frankfurt am Main: ZVEI e.V., November 2016

[I.3] Sicherheitsanalyse OPC UA. Bonn: Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), April 2016

[I.4] OPC Unified Architecture: Interoperabilität für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge. OPC Foundation Europe 2015

[I.5] Products and Services. Erlangen: AREVA GmbH

[I.6] Hoppe, Stefan: OPC Unified Architecture as a Standard Integration Platform for the (Real-Time) Enterprise. August 2015

[I.7] e2watch: Energiekosten und Umwelt – alles im grünen Bereich. Aachen: regio iT gesellschaft für Informationstechnologie mbh

[I.8] Merz, Silvio: Intelligente Wasserwirtschaft – Interaktion von Geräten. Plauen: Zweckverband Wasser und Abwasser Vogtland 2015

Über den Autor

Dipl.-Ing. Stefan Hoppe studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Dortmund. 1995 startete er bei Beckhoff Automation GmbH zunächst als Softwareentwickler und später als Senior-Produkt-Manager für die Automatisierungssoftware TwinCAT. Seit 2009 wurde er von Microsoft jährlich neu mit dem MVP (Most Valuable Professional) Award für Embedded Software ausgezeichnet. Seit 2010 war er als Präsident von OPC Europe innerhalb der OPC Foundation tätig. Im Jahr 2014 wurde er zum Vorstandsmitglied und 2017 zum Vizepräsidenten der OPC Foundation berufen.

Dieser Beitrag stammt aus den dem Fachbuch „Industrie 4.0: Potenziale erkennen und umsetzen“ von Thomas Schulz (Hrsg.) Das Buch bietet dem Professional einen praxisorientierten und umfassenden Einblick in die Digitalisierung der Fertigung und der Produktion. Das Buch „Industrie 4.0“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal Industry of Things

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