Definition, Funktionen und Chancen von OPC UA
OPC steht für „Open Platform Communications“ und ist ein Datenaustauschstandard für die industrielle Kommunikation. UA steht für „Unified Architecture“ und beschreibt die Möglichkeit, den Kommunikationsstandard plattformunabhängig auf Basis unterschiedlicher Betriebssysteme einzusetzen.
Dieser offene Schnittstellenstandard ist unabhängig vom Hersteller oder Systemanbieter der Anwendung, von der Programmiersprache, in der die jeweilige Software programmiert wurde und, wie bereits erwähnt, vom Betriebssystem, auf dem die Anwendung läuft. OPC UA ist damit eines der wichtigsten Kommunikationsprotokolle für Industrie 4.0 und das IIoT (Industrial Internet of Things).
Wie funktioniert OPC UA?
Server-/Client-Architektur
Die Server/Client-Architektur ist das traditionelle Kommunikationsmodell in OPC UA. Es basiert auf der Idee, dass es eine passive Serverkomponente gibt, die Daten an andere Anwendungen liefert, die dabei als Clients fungieren. Die Client-Anwendungen können über einige standardisierte Dienste auf Daten und Informationen vom Server zugreifen.
Das Server/Client-Modell beinhaltet auch ein Abonnentenmodell. Bei diesem Mechanismus kann jeder Client eine beliebige Anzahl von Abonnements beim Server erstellen. Durch diese Abonnements kann ein Client Daten lesen, wenn der Server eine Benachrichtigung veröffentlicht hat.
Mit der Spezifikation von 2019 hat die OPC Foundation zusätzliche Funktionen einer Publish/Subscribe-Architektur (PubSub-Modell) hinzugefügt. Aufgrund der Eigenschaften von IIoT-Systemen und in Bezug auf Echtzeitfähigkeit und Skalierbarkeit musste der Kommunikationsstandard in diesem Bereich verbessert werden. Das PubSub-Modell unterscheidet sich grundsätzlich vom Server/Client-Modell, im OPC UA-Kontext gibt es jedoch Ähnlichkeiten. Im PubSub-Modell gibt es eine Publisher-Komponente, die Datensätze definiert, die Variablen oder Notifier enthalten. Der Publisher veröffentlicht dann eine Nachricht, die Datenänderungen oder Benachrichtigungen enthält. Diese Nachrichten werden in einem Netzwerk veröffentlicht, wo Abonnenten sie abhören und herausfiltern können, was sie benötigen.
Dieses Modell ist skalierbar, da es theoretisch eine beliebige Anzahl von Herausgebern und Abonnenten geben kann. Sie sind alle mit demselben Netzwerk verbunden, aber nicht miteinander, was die Hauptverbesserung gegenüber dem Server/Client-Modell darstellt.
Vor- und Nachteile des Kommunikationsstandards
Nachteile von OPC UA
Aktuell sind noch einige Maschinen und Anlagen im Feld, die über keine native OPC UA Implementierung verfügen. Für solche Anlagen empfiehlt es sich, diese im Rahmen eines Retrofit-Ansatzes mit zusätzlicher Hardware aufzurüsten. Dadurch können Daten über vorhandene Protokolle der Anlagen und Maschinen, wie beispielsweise Modbus RTU, abgefragt werden. Anschließend werden die Daten angepasst und können in Form eines OPC UA Servers anderen Netzwerkteilnehmern und Cloud-Systemen zur Verfügung gestellt werden. So lassen sich alte wie auch neue Anlagen ohne großen Aufwand miteinander verbinden und über eine OPC UA Schnittstelle Daten austauschen. Die Industrierouter der TK600 Serie , sowie die Welotec Edge Gateways der 500er und 600er Serie bieten diese Funktionen zur Erfassung von Daten und zur Konvertierung, sowie Bereitstellung von Daten in Form einer OPC UA Schnittstelle.
Vorteile von OPC UA
OPC UA bietet durch die standardisierte Kommunikation die Möglichkeit, Daten nicht nur auf horizontaler, sondern auch auf vertikaler Ebene zu teilen. Gerade im Hinblick auf den Datenaustausch in vertikaler Richtung ist eine standardisierte Kommunikationsmöglichkeit zwischen IT und OT ein wesentlicher Ansatz für Industrie 4.0.
Auf horizontaler Ebene bedeutet dies, dass Maschinen und Anlagen über OPC UA in die Lage versetzt werden, über eine einheitliche Schnittstelle Daten sicher untereinander auszutauschen. Diese Kommunikation erfolgt dabei völlig unabhängig vom Hersteller der verbauten Steuerung oder SPS.
Vertikal betrachtet schafft OPC UA die Möglichkeit, Daten aus der untersten Schicht für höhere Ebenen wie MES oder ERP bereitzustellen. Darüber hinaus ermöglicht eine Kombination aus OPC UA und MQTT, erfasste und vorverarbeitete Daten direkt an ein Cloud-System wie Microsoft Azure weiterzuleiten. Damit ergibt sich die Möglichkeit, Daten auf allen Ebenen einer bestehenden Unternehmensstruktur auszutauschen und zu nutzen.
Chancen durch OPC UA im Kontext von Industrie 4.0
Auch wenn OPC UA lange vor dem Konzept Industrie 4.0 definiert wurde, gilt es als eines der führenden Kommunikationsprotokolle für die Umsetzung von IIoT-Projekten.
Für die intelligente Vernetzung von Fabriken und Maschinen ist eine gemeinsame Sprache erforderlich. Das Kommunikationsprotokoll kann genau das bereitstellen und bildet somit ein wichtiges Werkzeug für die Realisierung von Industrie 4.0. Für die Umsetzung einer Vielzahl von Projekten im Bereich Industrie 4.0 kann das OPC UA Client/Server-Modell verwendet werden, um in einem typischen SCADA-Szenario „synchron“ zu kommunizieren. Das „PubSub“-Modell ermöglicht eine noch bessere Skalierbarkeit und verbessert die Kommunikationsleistung, was es zu einem guten Kandidat für Echtzeitkommunikation macht und insbesondere für die Umsetzung von IIot-Projekten sehr zu empfehlen ist.
Mit der Spezifikation von 2019 hat die OPC Foundation zusätzliche Funktionen einer Publish/Subscribe-Architektur (PubSub-Modell) hinzugefügt. Aufgrund der Eigenschaften von IIoT-Systemen und in Bezug auf Echtzeitfähigkeit und Skalierbarkeit musste der Kommunikationsstandard in diesem Bereich verbessert werden. Das PubSub-Modell unterscheidet sich grundsätzlich vom Server/Client-Modell, im OPC UA-Kontext gibt es jedoch Ähnlichkeiten. Im PubSub-Modell gibt es eine Publisher-Komponente, die Datensätze definiert, die Variablen oder Notifier enthalten. Der Publisher veröffentlicht dann eine Nachricht, die Datenänderungen oder Benachrichtigungen enthält. Diese Nachrichten werden in einem Netzwerk veröffentlicht, wo Abonnenten sie abhören und herausfiltern können, was sie benötigen.
Dieses Modell ist skalierbar, da es theoretisch eine beliebige Anzahl von Herausgebern und Abonnenten geben kann. Sie sind alle mit demselben Netzwerk verbunden, aber nicht miteinander, was die Hauptverbesserung gegenüber dem Server/Client-Modell darstellt.
Vor- und Nachteile des Kommunikationsstandards
Nachteile von OPC UA
Aktuell sind noch einige Maschinen und Anlagen im Feld, die über keine native OPC UA Implementierung verfügen. Für solche Anlagen empfiehlt es sich, diese im Rahmen eines Retrofit-Ansatzes mit zusätzlicher Hardware aufzurüsten. Dadurch können Daten über vorhandene Protokolle der Anlagen und Maschinen, wie beispielsweise Modbus RTU, abgefragt werden. Anschließend werden die Daten angepasst und können in Form eines OPC UA Servers anderen Netzwerkteilnehmern und Cloud-Systemen zur Verfügung gestellt werden. So lassen sich alte wie auch neue Anlagen ohne großen Aufwand miteinander verbinden und über eine OPC UA Schnittstelle Daten austauschen. Die Industrierouter der TK600 Serie , sowie die Welotec Edge Gateways der 500er und 600er Serie bieten diese Funktionen zur Erfassung von Daten und zur Konvertierung, sowie Bereitstellung von Daten in Form einer OPC UA Schnittstelle.
Vorteile von OPC UA
OPC UA bietet durch die standardisierte Kommunikation die Möglichkeit, Daten nicht nur auf horizontaler, sondern auch auf vertikaler Ebene zu teilen. Gerade im Hinblick auf den Datenaustausch in vertikaler Richtung ist eine standardisierte Kommunikationsmöglichkeit zwischen IT und OT ein wesentlicher Ansatz für Industrie 4.0.
Auf horizontaler Ebene bedeutet dies, dass Maschinen und Anlagen über OPC UA in die Lage versetzt werden, über eine einheitliche Schnittstelle Daten sicher untereinander auszutauschen. Diese Kommunikation erfolgt dabei völlig unabhängig vom Hersteller der verbauten Steuerung oder SPS.
Vertikal betrachtet schafft OPC UA die Möglichkeit, Daten aus der untersten Schicht für höhere Ebenen wie MES oder ERP bereitzustellen. Darüber hinaus ermöglicht eine Kombination aus OPC UA und MQTT, erfasste und vorverarbeitete Daten direkt an ein Cloud-System wie Microsoft Azure weiterzuleiten. Damit ergibt sich die Möglichkeit, Daten auf allen Ebenen einer bestehenden Unternehmensstruktur auszutauschen und zu nutzen.
Chancen durch OPC UA im Kontext von Industrie 4.0
Auch wenn OPC UA lange vor dem Konzept Industrie 4.0 definiert wurde, gilt es als eines der führenden Kommunikationsprotokolle für die Umsetzung von IIoT-Projekten.
Für die intelligente Vernetzung von Fabriken und Maschinen ist eine gemeinsame Sprache erforderlich. Das Kommunikationsprotokoll kann genau das bereitstellen und bildet somit ein wichtiges Werkzeug für die Realisierung von Industrie 4.0. Für die Umsetzung einer Vielzahl von Projekten im Bereich Industrie 4.0 kann das OPC UA Client/Server-Modell verwendet werden, um in einem typischen SCADA-Szenario „synchron“ zu kommunizieren. Das „PubSub“-Modell ermöglicht eine noch bessere Skalierbarkeit und verbessert die Kommunikationsleistung, was es zu einem guten Kandidat für Echtzeitkommunikation macht und insbesondere für die Umsetzung von IIot-Projekten sehr zu empfehlen ist.
