Was ist OPC UA?

Definition

Was ist OPC UA?

OPC UA steht für OPC Unified Architecture und ist ein offener Kommunikationsstandard für den industriellen Datenaustausch.

Mithilfe von OPC UA können komplexe Daten aus industriellen Steuerungen und anderen Quellen in einem standardisierten Format bereitgestellt und durch verschiedenste Anwendungen abgerufen und weiterverarbeitet werden. Darüber hinaus bietet OPC UA eine Schnittstelle zur Steuerung von Prozessen.

OPC UA basiert auf einem Client-Server-Modell:

• Ein OPC UA Server stellt Daten aus einer oder mehreren Quellen (z.B. industrielle Steuerungen) zur Verfügung.
• IT-Anwendungen wie z.B. MES (Manufacturing Execution System), ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning) oder Cloud-Plattformen nutzen eine OPC UA Client-Software, um die benötigten Daten aus dem OPC UA Server gezielt abzurufen, selbst Daten zu übermitteln oder auf andere Weise mit der Quelle zu interagieren.

Viele moderne Industriegeräte und Maschinen implementieren eigene OPC UA Server und bieten damit native Unterstützung für OPC UA. Aber auch Daten aus älteren Anlagen können mithilfe eines externen OPC UA Servers im OPC UA-Format bereitgestellt und weiterverarbeitet werden.

OPC UA wurde 2008 veröffentlicht und ist eine Weiterentwicklung des klassischen OPC Standards. Mehr zur Bedeutung von OPC und OPC UA erfahren Sie im letzten Abschnitt dieses Beitrags.

Merkmale

Die wichtigsten Merkmale des OPC UA-Standards

OPC UA wurde von der OPC Foundation entwickelt, um industriespezifische Anforderungen an den Datenaustausch zwischen verschiedensten Systemen zu erfüllen. Daraus resultierend zeichnet sich der OPC UA-Kommunikationsstandard durch einige zentrale Kerneigenschaften aus:

Plattformunabhängigkeit: 
Im Gegensatz zum klassischen OPC Standard ist OPC UA nicht mehr auf das Windows-Betriebssystem angewiesen. Zuvor mussten OPC Server und OPC Clients auf Windows-Rechnern installiert werden und die Kommunikation zwischen Server und Client war nur über Microsofts COM-/DCOM-Modell möglich. Bei OPC UA dagegen findet der Datenaustausch über die gängigen Internetprotokolle TCP und HTTPS statt. Dadurch kann OPC UA-Software auf beliebigen Systemen installiert werden, die eine Internetkommunikation unterstützen.

Flexibilität und Skalierbarkeit:
OPC UA ermöglicht die einheitliche Kommunikation mit verschiedensten Industriesystemen – von kleinsten Geräten bis hin zu großen verteilten Anlagen. Neue Systeme können dadurch schnell und mit vergleichsweise wenigen Anpassungen in eine OPC UA-basierte Infrastruktur integriert werden. Dies reduziert nicht nur den IT-Aufwand für individuelle Lösungen, sondern bietet auch größeren Innovationsspielraum durch die Beseitigung von Kompatibilitätsproblemen.

Komplexe Informationsmodellierung:
Im Gegensatz zum klassischen OPC Standard, wo einzelne Variablen als Tags bereitgestellt werden, unterstützt OPC UA eine umfassende Informationsmodellierung. Diese basiert auf sogenannten „Nodes“ und setzt auf Konzepte aus der objektorientierten Programmierung. Reale Objekte und ihr Zustand können digital repräsentiert werden. Außerdem lassen sich Methoden definieren, die durch OPC UA Clients aufgerufen werden können, um gezielt mit Geräten und Maschinen zu interagieren.

Technologiekompatibilität und Zukunftssicherheit:
Der OPC UA-Standard wird von der OPC Foundation kontinuierlich weiterentwickelt, um den sich wandelnden Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. Eine wichtige Anforderung dabei ist die Kompatibilität mit aktuellen wie auch zukünftigen Technologien, um die Zukunftssicherheit von Investitionen in industrielle Automatisierungstechnologien zu gewährleisten. Viele Definitionen in Bereichen wie Datenmodellierung und Datentransport wurden deshalb bewusst abstrakt gehalten, um eine nahtlose Integration neuer Technologien und Innovationen zu ermöglichen.

Sicherheit:
Der OPC UA-Standard definiert verschiedene Mechanismen, um die Sicherheit im industriellen Datenaustausch zu gewährleisten. Neben HTTPS-Verschlüsselung beim Datentransport und Benutzerauthentifizierung wird auch ein Austausch von Zertifikaten zwischen OPC Client und OPC Server unterstützt.

Informationsmodell & Spezifikationen

Informationsmodell und Spezifikationen

Mithilfe von OPC UA können verschiedenste Komponenten, Geräte und Anwendungen miteinander kommunizieren, wobei die Grenzen der klassischen Automatisierungspyramide überwunden werden. Dies erfordert eine konsistente Strukturierung von Informationen, d.h. Daten müssen in einem Sensor auf die gleiche Weise repräsentiert werden wie in einer Visualisierungssoftware.

In den folgenden Abschnitten erklären wir, wie OPC UA Server den gezielten Datenzugriff auf bzw. die Steuerung von industriellen Geräten durch OPC UA Client-Anwendungen ermöglichen.

OPC UA-Informationsmodell

Im Gegensatz zum klassischen OPC-Standard verfügt OPC UA über ein komplexes, node-basiertes Informationsmodell. Dieses ist in der Lage, reale Objekte digital zu beschreiben und neben Werten auch Einheiten, Hierarchien, Beziehungen und Konfigurationsparameter bereitzustellen.

Reale Objekte werden im OPC UA-Informationsmodell als „Nodes“ repräsentiert. Diese werden bestimmten Typen zugeordnet und verfügen über Eigenschaften, die ausgelesen werden können, z.B. die Temperaturmessung eines Sensors.

Mithilfe von Referenzen werden Beziehungen zu anderen Nodes angezeigt. Angelehnt an die objektorientierte Programmierung können Methoden definiert werden, um mit einer Node zu interagieren (Lesen und Schreiben von Datenpunkten, Steuerung von Anlagen, …).

Definitionen von Objekttypen (und den dazugehörigen Attributen und Methoden) werden unter einer „Domain“ zusammengefasst. Das OPC UA-Basis-Informationsmodell der OPC Foundation kann von anderen Organisationen erweitert werden, indem eigene Typendefinitionen unter einer neuen Domain bereitgestellt werden. Auf diese Weise lassen sich erweiterte Informationsmodelle für bestimmte Gerätetypen (z.B. Pumpen, Scanner etc.) oder Branchen schaffen, die jedoch stets auf dem Basismodell aufbauen. OPC UA Server können diese Informationsmodelle optional implementieren.

OPC UA-Clients navigieren Domains und die dazugehörigen Adressräume, um mit bestimmten Nodes zu interagieren und die gewünschten Informationen abzurufen.

Der OPC UA-Standard basiert auf einer Service-orientierten Architektur: Ein OPC UA Server implementiert Informationsmodelle und stellt Dienste (Methoden) bereit, die von einem OPC UA Client genutzt werden können.

OPC UA-Spezifikationen

OPC UA setzt sich aus verschiedenen Teilspezifikationen zusammen. Diese definieren die Funktionen und Dienste, die ein OPC UA Server implementiert und/oder für OPC UA Clients bereitstellt.

Ein OPC UA Server muss nicht alle Teilspezifikationen implementieren.

Zu den wichtigsten Teilspezifikationen gehören die folgenden:

Data Access: Ermöglicht einem OPC UA Client das Auffinden von Nodes sowie das Lesen und Schreiben von Daten.

Historical Access: Ermöglicht den Abruf oder das Aktualisieren von historischen Daten, die in einem OPC Server gespeichert sind. Dabei können Zeiträume spezifiziert oder verschiedene statistische Parameter angewandt werden.

Alarms & Conditions: Ermöglicht den Empfang und die Verarbeitung von Alarmmeldungen und Ereignis-Logs durch OPC UA Clients.

PubSub: Beschreibt die Implementierung eines Publish-Subscribe-Modells in der OPC UA-Kommunikation. Hierbei werden die Kommunikationsteilnehmer in Publisher und Subscriber aufgeteilt, welche nicht direkt miteinander kommunizieren, sondern Informationen bei einem zentralen Broker veröffentlichen (Publisher) oder abrufen (Subscriber).

Industrielle Anwendung

Bedeutung von OPC UA für die Industrie

Open Platform Communications (OPC) (auch „OPC Classic“), der Vorgänger von OPC UA, leistete mit seiner Einführung im Jahr 1996 einen entscheidenden Beitrag für die Industrie: OPC machte es möglich, auf die Daten von Maschinen verschiedener Hersteller zuzugreifen und diese für verschiedene Anwendungen verwertbar zu machen. Dies bot Möglichkeiten zur Datenvisualisierung und Steuerung von Prozessen, die zuvor nur mit hohem Aufwand oder der Festlegung auf einen einzelnen Anbieter möglich waren.

Auch OPC UA folgt noch immer diesem Grundgedanken. Die UA-Spezifikation behebt die vorhandenen Probleme mit dem klassischen OPC-Standard und erweitert ihn um zahlreiche Funktionen und Eigenschaften, die OPC UA zu einem essenziellen Bestandteil der industriellen IoT-Kommunikation machen.

Dank seiner Interoperabilität, Flexibilität und Skalierbarkeit findet der OPC UA-Standard breite Anwendung in so gut wie allen Industriebranchen. Hersteller moderner Industriegeräte implementieren eigene OPC UA Server, um die Integration in bestehende Infrastrukturen zu erleichtern. Und auch viele Anbieter von IT-Software integrieren OPC UA Client-Funktionalität in ihre Anwendungen.

OPC UA in der industriellen Produktion

Insbesondere in der Fertigung kommt OPC UA eine essenzielle Bedeutung zu: Moderne Produktionsumgebungen beinhalten verschiedenste Sensoren, Geräte und Maschinen, die als potenzielle Datenquellen für Manufacturing Execution Systems (MES), Enterprise Resource Planning (ERP), Predictive Maintenance-Lösungen oder Cloud-Plattformen genutzt werden können.

Die Verwendung von OPC UA standardisiert die Kommunikation zwischen all diesen Komponenten und stellt damit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur intelligenten Fabrik („Smart Factory“) dar.

Auch manubes, unsere innovative Cloud-Plattform für das industrielle Produktionsmanagement, setzt zur Kommunikation mit verschiedensten industriellen Systemen auf den OPC UA-Standard. Durch Unterstützung für OPC UA und andere Industriestandards wie MQTT und REST wird sichergestellt, dass Produktionsdaten lückenlos erfasst und in die manubes-Cloudumgebung übermittelt werden können. Dort stehen mit den manubes-Designtools umfangreiche Möglichkeiten zur Strukturierung, Automatisierung und interaktiven Visualisierung einer Produktion zur Verfügung.