OPC UA

Was ist OPC UA?

OPC UA steht für OPC Unified Architecture. Es ist ein erweiterbarer, plattformunabhängiger Standard, der den sicheren Austausch von Informationen in industriellen Systemen ermöglicht. OPC UA wurde 2008 von der Open Platform Communications (OPC) Foundation veröffentlicht, die den Interoperabilitätsstandard, die Protokolle und Spezifikationen für die Datenkommunikation, hauptsächlich in der industriellen Automatisierung, regelt und pflegt.

OPC UA ist kompatibel mit Windows, macOS, Android und Linux. Es kann auch in eingebetteten Systemen und Bare-Metal-Systemen eingesetzt werden, die kein Betriebssystem verwenden. OPC UA funktioniert auf PCs, in cloudbasierten Infrastrukturen, auf speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS; engl.: PLC), Mikrocontrollern und cyberphysischen Systemen (CPS).

Das Ziel von OPC UA ist es, die Interoperabilität zwischen Hardwaregeräten und Unternehmensplanungs- und Automatisierungssoftware zu verbessern, indem ein Rahmen für Industrieunternehmen geschaffen wird, um unterschiedliche Technologien zusammenzuführen.

Unterschiede zwischen OPC UA und OPC Classic

OPC Classic, der Vorgänger von OPC UA, stützt sich auf Microsoft-Technologien, während OPC UA plattformunabhängig ist.

OPC Classic verfügt über keine integrierten Sicherheitsfunktionen für die Zugriffskontrolle, Authentifizierung und Verschlüsselung. OPC UA ermöglicht die Datenverschlüsselung an der Datenquelle und gewährleistet eine sichere Übertragung, ohne sich auf Netzwerk-Firewalls im Kern des Systems zu verlassen. Dies bedeutet, dass die Sicherheit von Beginn der Datenübertragung an gewährleistet ist und nicht erst dann, wenn die Daten die Firewall eines Netzwerks erreichen. OPC UA wendet eine plattformübergreifende Sicherheit auf Basis der Public-Key-Infrastruktur (PKI) und unter Verwendung von digitalen Zertifikaten nach Industriestandard x.509 an.

Im Gegensatz zu OPC UA unterstützt OPC Classic keine dynamische Informationsmodellierung, die es Herstellern ermöglicht, den Anforderungen ihrer Branche gemäß eigene Datenmodelle zu definieren.

In OPC UA stellen die sogenannten OPC Classic-Spezifikationen Funktionsmodule zur Verfügung, die ad hoc abgefragt werden können. Diese Spezifikationen sind OPC DA (Data Access), OPC AE (Alarms and Events), OPC Security, OPC Batch, OPC Command, OPC XML, OPC Data Exchange (DX) und OPC HAD (History Access Data). Sie werden üblicherweise unter dem Begriff OPC Classic oder einfach OPC zusammengefasst. In OPC UA werden sie als Profile bezeichnet. Zum Beispiel ist der OPC DA-Standard ein OPC UA DA-Profil.

Diese Profile bilden eine Ebene, die über der Basisebene von OPC UA liegt, auf der gemeinsame Dienste laufen. Alle OPC UA-Profile verwenden dieselbe gemeinsame Codebasis, während in einer OPC Classic-Konfiguration jeder Standard seine eigene Codebasis hat, was in Systemen, in denen mehr als eine OPC Classic-Spezifikation eingesetzt ist, zu Doppelungen führt.

Wie funktioniert OPC UA?

Welche Spezifikationen sind im OPC-UA-Standard enthalten?

Der OPC-UA-Standard selbst tut nichts. Der Standard ist eine Sammlung von Spezifikationen (OPC UA-Protokolle), die Richtlinien für die Kommunikation zwischen Servern und Clients definieren, einschließlich Regeln für verschiedene Funktionen und Datenstrukturen.

OPC UA hat die folgenden Spezifikationen: Overview and Concepts, Security Model, Address Space Model, Services, Information Model, Mappings, Profiles, Data Access, Alarms and Conditions, Programs, Historical Access, Discovery and global Services, Aggregates, PubSub, Safety und Alias Names. Jede Spezifikation wurde entwickelt, um ein häufiges Problem in den Kommunikationsnetzen industrieller Systeme zu lösen.

Die Spezifikation „Alarms and Conditions“ bietet beispielsweise eine Lösung für die Herausforderung, zu standardisieren, wie Ereignis- und Alarminformationen von Feldgeräten an Anwendungen weitergegeben werden. Die Spezifikation „Historical Access“ befasst sich mit der Herausforderung der Standardisierung des Zugriffs auf historische Daten in Prüfprozessen. Die Spezifikation „Programs“ enthält unter anderem Informationen darüber, wie Entwickler Rückgabecodes in ihrem Code behandeln sollten.

Wo wird OPC UA eingesetzt?

OPC UA wird in industriellen Systemen eingesetzt, zum Beispiel in der Öl- und Gasindustrie, in der Landwirtschaft, in der Medizin und Pharmaindustrie, in kritischen Dienstleistungssystemen wie Stromnetzen und Kläranlagen und in IoT-Systemen wie Smart-City-Anwendungen.

Zu den gängigen OPC UA-Anwendungen gehören Gerätediagnosen, Asset Management, Produktionsmanagement, Qualitätskontrollen, Datenerfassung, Unternehmensberichterstattung, Datensicherheit, Datenintegration für GUI-Schnittstellen, Unterstützung von Mitarbeitern an entfernten Standorten und Ereignisüberwachung.

Beispiele aus der Praxis sind die Überwachung der Betriebszeit von Sicherheitskameras, das Versenden von Warnmeldungen bei defekten Sensoren, die Kontrolle der Temperatur im Büro, die Fernverwaltung automatisierter Maschinen, die Schätzung der Arbeitslast, die Verknüpfung eingebetteter Geräte und die Unterstützung von Mitarbeitern an entfernten Standorten.

OPC UA unterstützt auch das industrielle Internet der Dinge (IIoT). OPC UA kann beispielsweise verwendet werden, um Daten von eingebetteten Geräten wie Temperatursensoren in die Cloud zu übertragen, um beispielsweise die Nutzung und die Effizienz von Anlagen zu analysieren.

Die Verwendung von OPC-UA-Objekten zum Abrufen von Daten bietet eine effiziente Möglichkeit für Systeme, kleine Mengen kontextspezifischer Informationen für externe Mitarbeiter abzurufen, wenn diese sie für eine bestimmte Aufgabe benötigen. Alternativ können Objekte abgefragt werden, um alle Daten für den gesamten Betrieb eines Werks anzuzeigen, z. B. um grafische Benutzeroberflächen für ERP-Systeme, Anwendungen zur Ressourcenzuweisung und Buchhaltungssysteme zu erstellen.

Wenn eine Synchronisierung zwischen Geräten an entfernten Standorten und Systemen zur Ressourcenplanung und Fertigungssteuerung erforderlich ist, ermöglicht OPC UA den vertikalen Datenaustausch zwischen heterogenen Treibern und High-Level-Anwendungen.

OPC UA stärkt industrielle Sicherheitsanwendungen. OPC-UA-Ereignisverwaltungsprotokolle können eine Anlage im Falle eines Cyberangriffs auf Feldgeräte automatisch herunterfahren und betroffene Netzwerke isolieren oder einen eingeschränkten Zugriff auf bestimmte Netzwerke erlauben, um die Geschäftskontinuität zu gewährleisten, während der Angriff untersucht wird.

Vorteile von OPC UA

Dezentralisierung

Historisch gesehen hat die Automatisierungspyramide in industriellen Systemen eine hierarchische Struktur, die den Informationsfluss von Low-Level-Geräten wie Controllern, Sensoren oder Messgeräten zu High-Level-ERP-Anwendungen beschreibt. In der umgekehrten Richtung gibt es einen Kontrollfluss von ERP-Anwendungen auf hoher Ebene zu Geräten auf niedriger Ebene. Low-Level-Komponenten sind über MES-Netzwerke durch SPS und HMIs verbunden.

OPC UA hebt diese Pyramidenstruktur auf, indem es die Systemkomponenten dezentralisiert und die Verwendung von flexibleren Datenmodellierungsstrukturen in einem Mesh-Netzwerk ermöglicht. OPC UA erreicht dies durch die Definition konsistenter Datenstrukturen, die von allen Komponenten verwendet werden. So können zum Beispiel eine ERP-Anwendung und ein Feldsensor das gleiche Informationsmodell verwenden.

OPC UA ermöglicht es Business-Intelligence-Anwendungen, Rohdaten aus einer Vielzahl von Echtzeit-, Ereignis- und historischen Datenquellen zu beziehen.

Plattformunabhängigkeit

In der Vergangenheit liefen industrielle Systeme auf Windows-basierter Software. OPC UA ist plattformunabhängig; Industriesysteme können Software von jedem Hersteller und mit jedem Betriebssystem integrieren. OPC UA kann in eingebetteten Systemen und in der Cloud eingesetzt werden.

Skalierbarkeit

OPC UA ist zukunftssicher. Es ermöglicht Unternehmen die Entwicklung skalierbarer SCADA-Systeme, sodass vorhandene Anlagenausrüstung ohne zusätzliche Konfiguration in neue Softwaremodule integriert werden kann. Ein Beispiel hierfür ist die Gas- und Ölindustrie, in der Daten von Kalibrier-, Mess- und Durchflussmesssensoren aus der Ferne erfasst werden können, sodass Inspektoren vor Ort die Installation nicht mehr überprüfen müssen.

Erkennungsfunktionalität

OPC UA ist Plug-and-Play-fähig. Kommen neue dezentrale Anlagen zu einer Organisation hinzu oder werden neue Lieferanten beauftragt, kann OPC UA deren Netzwerke automatisch erkennen, konfigurieren und in das Unternehmensnetzwerk integrieren.

Interoperabilität

Die Interoperabilität von OPC UA ermöglicht es Endanwendern, kundenspezifische Industriesysteme mit Geräten und Software verschiedener Anbieter zu erstellen.

Nachteile von OPC UA

Gerätespezifische Einschränkungen

Einige Hersteller urheberrechtlich geschützter Software haben über gerätespezifische Einschränkungen berichtet, z. B. zwischen einem OPC-UA-Server und iFIX von General Electric und HMI-/SCADA-Komponenten, die in den Software-Automatisierungsprodukten des Unternehmens verwendet werden. Zu diesen Einschränkungen gehört die fehlende Unterstützung von bestimmten Funktionen wie „Electronic Signature“, „Enhanced Failover“ und von historischen Datenquellen.

Komplizierte Konfiguration

In der realen Welt verwaltet OPC UA typischerweise den Datenaustausch zwischen MES- und SCADA-Informationssystemen und zwischen Low-Level-Geräten. Es ist ideal für die Systemüberwachung und Berichterstattung geeignet. Obwohl es für die Interoperabilität zwischen heterogenen Geräten entwickelt wurde, wurde es als unflexibel bei der Handhabung unterschiedlicher Datenstrukturen von verschiedenen Herstellern und als kompliziert in der Einrichtung kritisiert.

OPC UA und Industrie 4.0

Im Bereich der industriellen Fertigung werden die Begriffe „Industrie 4.0“ und „vierte industrielle Revolution“ synonym verwendet, um den Trend zur zunehmenden Automatisierung zu bezeichnen, wobei der Schwerpunkt unter anderem auf der Vernetzung von Geräten, dem maschinellen Lernen und dem Internet der Dinge liegt.

Die Hauptmerkmale von OPC UA, nämlich integrierte Sicherheit, Informationsmodellierung, automatische Geräteerkennung, Skalierbarkeit, Verwendung semantischer Daten und Protokollstandardisierung, erfüllen die Anforderungen für die Konformität mit Industrie 4.0.

Eine der größten Herausforderungen für Industrie 4.0 in der Fertigung ist die Erfassung von Echtzeitdaten von Low-Level-Geräten. OPC UA ermöglicht es einem Industrieunternehmen, einen OPC UA-Server in alle seine Geräte einzubetten. Dies bedeutet, dass riesige Mengen an Echtzeitdaten an Steuersysteme und Anwendungen auf Unternehmensebene weitergeleitet werden können, um sie zu analysieren, zu sortieren und mit verschiedenen Verbraucheranwendungen auszutauschen.

Verschiedene Arbeitsgruppen tragen international dazu bei, OPC UA zum Kommunikationsstandard für Industrie 4.0-Produkte und -Dienstleistungen in bestimmten Branchen zu machen.

Eine dieser Gruppen ist die Arbeitsgruppe „ADI (Analyzer Devices) Information Modeling“. ADI wird von der OPC Foundation gesponsert und setzt sich aus Endanwendern und Anbietern der chemischen und pharmazeutischen Industrie zusammen. Eine weitere Gruppe ist die Arbeitsgruppe „OPC UA Tobacco Machine Communication (TMC)“, die am Einsatz interoperabler Fabrikanlagen für die Zigarettenherstellung arbeitet.

Um von der OPC Foundation als Industrie 4.0-kompatibel eingestuft zu werden, muss ein Produkt dem OPC UA-Standard entsprechen, entweder durch die Verwendung von integriertem OPC UA oder durch den Einsatz von Gateway-Software.

Übersicht

OPC UA provides a standard for the way servers represent data to clients using an object-oriented model. OPC UA specifies how information in industrial systems is exchanged. Vendors and organizations determine what information is exchanged. This applies to machine-to-machine information exchange, machine-to-application information exchange, and the exchange of information at the control level.

Platform-independent OPC UA eliminates the reliance of industrial manufacturing on Microsoft’s DCOM and OLE technologies.

IIoT, Industry 4.0, and M2M communications are key requirements for industrial organizations to compete globally and to establish secure, scalable products and processes faster. One of the main uses of OPC UA is shorter product development lifecycles through the more effective use of resources and automated processes to produce complex products that are self-managing.

To effect cost-effective automation on the factory floor, companies need a centralized monitoring and control information hub to analyze real-time data and to develop efficient processes. PRTG integrates with OPC UA, providing digitalization teams with multiple information views, for example device downtime, security abnormalities, factory workflows, data requests, machine failures, and new network discoveries.