OPC UA – Kommunikations­standard

Die Industrie 4.0 hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung in der Welt der industriellen Automatisierung ausgelöst. In diesem Kontext hat sich der OPC UA-Kommunikationsstandard als ein zentraler Baustein für die Vernetzung und Kommunikation in modernen Fertigungs- und Produktionsumgebungen etabliert.

OPC UA, was für „Open Platform Communications Unified Architecture“ steht, ist ein offener sowie plattformunabhängiger Kommunikationsstandard, der speziell für die Anforderungen der Industrie 4.0 entwickelt wurde. Die Bedeutung von OPC UA für die Industrie 4.0 kann kaum überschätzt werden. Als Grundlage für die Interoperabilität sowie Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten innerhalb einer Fabrik oder sogar über Unternehmensgrenzen hinweg ermöglicht der Standard die nahtlose Integration von Maschinen, Sensoren, Steuerungen und anderen Systemen.

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) ist ein offener sowie plattformunabhängiger Standard zur industriellen Kommunikation. Die Ursprünge reichen zurück in die 1990er Jahre, als die OPC Foundation den OPC Classic-Standard entwickelte. OPC UA ist ist dabei die Weiterentwicklung und legt den Fokus auf Interoperabilität, Sicherheit und Erweiterbarkeit.
Während OPC Classic sich auf spezifische Technologien wie COM/DCOM stützte, ist OPC UA wesentlich flexibler. Es basiert auf modernen IT-Standards wie XML, JSON und binären Codierungen, wodurch es sich leicht an verschiedene Anwendungsfälle anpassen lässt.

OPC UA Meilensteine in der Standardisierung

• 2008: Veröffentlichung des ersten OPC UA Standards.
• 2015: Einführung von OPC UA Pub/Sub.
• 2020: Zusammenarbeit mit TSN (Time-Sensitive Networking) für deterministische Netzwerke.

Unterschiede zu anderen Kommunikationsprotokollen

OPC UA unterscheidet sich von anderen Protokollen wie MQTT und Modbus durch seine umfassende Datenmodellierung und Sicherheitsfunktionen. MQTT beispielsweise ist ein leichtgewichtiges Protokoll für die Übertragung von Telemetriedaten, bietet jedoch keine umfassenden semantischen Funktionen. Modbus ist hingegen ein traditionelles Protokoll, das vor allem für die Kommunikation mit SPS-Systemen genutzt wird, aber weder Sicherheitsmechanismen noch komplexe Datenmodelle unterstützt.

OPC Foundation

Die OPC Foundation, eine weltweit anerkannte Organisation, ist verantwortlich für die Pflege und Weiterentwicklung des OPC UA Standards. Sie stellt dadurch sicher, dass der Standard aktuell bleibt und den sich wandelnden Anforderungen der Industrie gerecht wird. Hierbei arbeitet die Stiftung eng mit Industriepartnern zusammen, um den Standard kontinuierlich zu verbessern und zu erweitern.

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OPC UA Plattformunabhängigkeit

Der Standard ist in verschiedenen Programmiersprachen implementierbar (bspw. C, C++, Java, Python) und unterstützt zudem nahezu alle Betriebssysteme, darunter Windows, Linux und Embedded-Plattformen. Hierdurch ist der Standard sehr flexibel uns ermöglicht den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen und der kompletten Automatisierungspyramide. Deswegen findet es Einsatz bei kleinen Sensoren bis hin zu großen Rechenzentren.

Sichere Kommunikation mit OPC UA

Die Sicherheit ist eines der Hauptmerkmale. Fortschrittliche Verschlüsselungsstandards wie TLS sowie Authentifizierungsmechanismen (bspw. Zertifikate, Benutzername/Passwort) gewährleisten die Integrität sowie Vertraulichkeit der Datenübertragung.

Interoperabilität und Skalierbarkeit

Der Standard ermöglicht die nahtlose Integration von Geräten verschiedener Hersteller. Zudem bietet es eine skalierbare Architektur. Hierdurch ermöglicht es den Einsatz in Anwendungen von der einfachen Maschinensteuerung bis hin zur Integration komplexer Produktionslinien.

Datensemantik und Informationsmodelle

Ein Alleinstellungsmerkmal ist die Fähigkeit, Daten mit semantischer Bedeutung zu versehen. Hierfür nutzt der Standard sogenannte Informationsmodelle, die es ermöglichen, Maschinen, Geräte und Prozesse zu standardisieren und ihre Daten in einer einheitlichen Weise darzustellen.

Zertifikatsmanagement mit OPC UA

Das integrierte Zertifikatsmanagement erlaubt eine zuverlässige Authentifizierung von Geräten sowie Nutzern. Dadurch erhöht sich die Sicherheit und die Vertrauenswürdigkeit von Systemen, insbesondere in groß angelegten IoT-Netzwerken.

Während sich OPC DA hauptsächlich auf Echtzeitdaten fokussierte, bietet OPC UA eine umfassendere Architektur mit Unterstützung für Echtzeitdaten, historische Daten, Ereignisse und Alarme. Der Standard ist plattformunabhängig und kann auf verschiedenen Betriebssystemen und Entwicklungsumgebungen genutzt werden. OPC DA hingegen ist stärker an Windows gebunden. Im Gegensatz dazu ist MQTT ein leichtgewichtiges Protokoll für IoT-Anwendungen. MQTT ermöglicht dadurch nachrichtenbasierte Kommunikation und eine lose Kopplung. Zudem erzeugt MQTT einen geringen Ressourcenbedarf und einen geringen Kommunikationsaufwands. Somit eignet sich MQTT besonders gut für ressourcenbeschränkte Geräte.

• Vielseitigkeit und Funktionsumfang: Es ist ein umfassendes Kommunikationsprotokoll, das nicht nur Echtzeitdatenübertragung ermöglicht, sondern auch Historiendaten, Alarminformationen, Ereignisse und komplexe Strukturen unterstützt. Es bietet eine breite Palette von Funktionen, die über die reine Datenübertragung hinausgehen.
• Plattformunabhängigkeit: Der Integration von OPC UA kann auf verschiedenen Betriebssystemen und Plattformen erfolgen. Dadurch erhöht sich die Flexibilität.
• Sicherheit: Der Standard legt großen Wert auf Sicherheit und bietet verschiedene Sicherheitsmechanismen, wie Verschlüsselung und Authentifizierung, um die Integrität und Vertraulichkeit der übertragenen Daten zu gewährleisten.
• Interoperabilität: OPC UA ermöglicht die nahtlose Kommunikation zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller. Dadurch ermöglicht es den Einsatz und die Integration in heterogenen Umgebungen.

• Echtzeitdatenübertragung: OPC DA konzentriert sich hauptsächlich auf die Echtzeitübertragung von Prozessdaten. Es ist ein älteres Protokoll und eignet sich gut für Anwendungen, bei denen schnelle und kontinuierliche Datenaktualisierung erforderlich ist.
• Windows-Orientierung: OPC DA wurde ursprünglich für Windows entwickelt und ist eng mit diesem Betriebssystem verbunden. Ein plattformübergreifender Einsatz ist somit nicht vorgesehen.
• Begrenzte Funktionalität: Im Vergleich zu OPC UA bietet OPC DA weniger Funktionen. Es konzentriert sich hauptsächlich auf die Übertragung von aktuellen Prozessdaten, während andere Aspekte wie Sicherheit, Historiendaten und Ereignisse weniger stark berücksichtigt werden.

• Leichtgewichtiges Protokoll: MQTT ist ein leichtgewichtiges M2M (Machine-to-Machine) Kommunikationsprotokoll, das auf dem Publish-Subscribe-Muster basiert. Es eignet sich gut für ressourcenbeschränkte Geräte und Netzwerke.
• Nachrichtenorientierung: Im Gegensatz zu OPC, das auf dem Konzept von Variablen und Attributen basiert, ist MQTT nachrichtenorientiert. Es ermöglicht die Übertragung von Nachrichten und Statusaktualisierungen.
• Skalierbarkeit: MQTT ist skalierbar und kann in großen Netzwerken mit vielen Geräten eingesetzt werden. Es eignet sich gut für IoT-Anwendungen, in denen eine große Anzahl von Geräten miteinander kommunizieren muss.
• Geräteinteraktion: MQTT eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen Geräte miteinander interagieren müssen, um Informationen auszutauschen oder Befehle zu empfangen. Es ist nicht nur auf die Übertragung von Prozessdaten beschränkt.

Der OPC (Open Platform Communications) Standard setzt sich aus einer Reihe von Standards und Spezifikationen zusammen.

Mit unserem Know-How erörtern wir mit Ihnen die passende OPC UA Lösung für Ihren Anwendungsfall:

OPC UA findet in einer breiten Palette von Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen Anwendung. Vom Automobilsektor bis zur Lebensmittelproduktion ermöglicht der Standard die reibungslose Kommunikation zwischen Geräten und Systemen. In der Fertigungsautomatisierung erleichtert es die Integration von Maschinen in die übergeordneten Systeme, um Produktionsprozesse zu optimieren und den Datenaustausch zu ermöglichen.

Aber nicht nur in der Fertigung: Der Standard wird auch im Bereich der Gebäudeautomatisierung eingesetzt, um Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Beleuchtung zu steuern. Selbst in der Energiebranche wird es verwendet, um Stromerzeugungsanlagen zu überwachen und zu steuern, was zu einer effizienteren Energieerzeugung beiträgt.

Eine Vielzahl von Herstellern aus verschiedenen Industriezweigen hat OPC UA in ihren Produkten und Lösungen implementiert. Dazu gehören namhafte Unternehmen aus der Automatisierungstechnik, Robotik, Fertigungsindustrie und mehr. Dies verdeutlicht die weite Verbreitung und Akzeptanz als Standard für die industrielle Kommunikation.

1. Datenintegration in der Fertigung: Zusammenzuführen von Daten aus Maschinen, Sensoren und Steuerungssystemen. Diese Daten können in Systeme wie MES (Manufacturing Execution Systems) oder ERP (Enterprise Resource Planning) integriert werden, um die Effizienz zu steigern.
2. Echtzeitüberwachung und Steuerung: Der Produktionsleiter kann den Zustand von Maschinen in Echtzeit überwachen. Dadurch ermöglicht es, Störungen frühzeitig zu erkennen und Ausfallzeiten zu minimieren.
3. Produktionsplanung und -optimierung: Durch die Integration von Echtzeitdaten in Planungssoftware können Produktionsprozesse optimiert und Engpässe identifiziert werden.
4. Verknüpfung von OT und IT: Der Standard fungiert als Brücke zwischen der Betriebstechnologie (OT) und der Informationstechnologie (IT). So können Daten von der Werkhalle

Die Vorteile von OPC UA im industriellen Umfeld sind vielfältig und entscheidend für die moderne Fertigungslandschaft.

1. Interoperabilität: OPC UA ermöglicht die Kommunikation zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller, was die Flexibilität bei der Auswahl von Komponenten erhöht. Dadurch reduzieren sich Integrationskosten und das Unternehmen vermeidet Abhängigkeiten von einzelnen Anbietern.
2. Sicherheit: OPC UA bietet mehrstufige Sicherheitsmechanismen, einschließlich Verschlüsselung und Authentifizierung, die die Vertraulichkeit und Integrität der übertragenen Daten gewährleisten. Dies ist besonders wichtig in sicherheitskritischen Umgebungen, in denen Manipulation oder unbefugter Zugriff auf Daten verheerende Auswirkungen haben könnten.
3. Vereinfachte Integration: Geräte unterschiedlicher Hersteller können problemlos miteinander kommunizieren.
4. Verbesserte Effizienz: Echtzeitdaten ermöglichen schnellere Entscheidungen.
5. Standardisierte Schnittstellen: Reduktion von Entwicklungsaufwand.

Jedoch existieren auch Herausforderungen bei der Umsetzung:

1. Implementierungskosten: Anfangsinvestitionen erforderlich.
2. Komplexität: Erfordert Fachwissen für die Konfiguration und Wartung.
3. Wartung: Ständige Updates und Überwachung notwendig.

1. OPC UA over TSN: Die Kombination ermöglicht deterministische Netzwerke, die für zeitkritische Anwendungen wie Robotik entscheidend sind.
2. Cloud-Integration: Zunehmende Integration, um Datenanalyse und Fernwartung zu ermöglichen.
3. Quantencomputing und OPC UA: Zukünftige Entwicklungen könnten die Verarbeitungsgeschwindigkeit und Sicherheit durch Quantencomputing revolutionieren.
4. Globale Standardadoption: Initiativen wie die Industrie 4.0-Plattform in Deutschland und ähnliche Projekte weltweit treiben zunehmend Verbreitung voran.

Das BITMOTECOsystem kann sich bspw. über Node-RED als Client mit OPC UA Servern verbinden. Dazu muss einer der darin verfügbaren OPC UA Client-Nodes mit dem entsprechenden Endpunkt und der dazu passenden Sicherheitsrichtlinie und Verschlüsselung konfiguriert werden. Anschließend können die gewünschten Werte periodisch oder bei einer Änderung angefordert werden. Die empfangenen Werte können von Node-RED aus direkt in eine interne oder externe Datenbank, wie bspw. die InfluxDB Times Series Data Platform, übertragen werden. Alternativ können die Daten auch direkt in Node-RED oder einem ausgelagerten Analyse-Modul analysiert und/oder zusammengeführt werden. Die Ergebnisse können dann in einem Dashboard visualisiert oder anderen Netzwerkteilnehmern per MQTT auf einem Broker bereitgestellt werden.

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