IOT 4.0I M2M - OPC UNIFIED ARCHITECTURE - OPC FOUNDATION
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OPC Unified Architecture
Interoperabilität für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge
IoT
4.0
Industrie
M2M
Multiplatform
Multivendor
Secure
Reliable
2
Willkommen bei der OPC Foundation!
OPC-UA als internationaler Standard
für vertikale und horizontale
Kommunikation bringt semantische
Interoperabilität in die smarte Welt
der vernetzten Systeme.
Thomas J. Burke
President und Executive Director
OPC Foundation
OPC-Unified Architecture (OPC-UA) ist der Daten- OPC-UA ist ein IEC-Standard und damit prädesti-
austausch-Standard für eine sichere, zuverlässige, niert für die Kooperation mit anderen Organisationen.
Hersteller- und Plattform-unabhängige Kommuni- Die OPC Foundation koordiniert dabei als globale
kation. Sie ermöglicht einen Betriebssystem-über- Non-profit-Organisation zusammen mit Anwendern,
greifenden Datenaustausch zwischen Produkten Herstellern und Forschern die Weiterentwicklung des
unterschiedlicher Hersteller. Der OPC-UA-Standard OPC-Standards:
besteht aus Spezifikationen welche in enger Zusam-
menarbeit zwischen Herstellern, Anwendern, For- ➞ Erstellen und pflegen von Spezifikationen
schungsinstituten und Konsortien entstanden sind, ➞ Zertifizierung und Konformitätsprüfung der
um den sicheren Informationsaustausch in heteroge- Implementierungen
nen Systemen zu ermöglichen. ➞ Kooperation mit weiteren Standardisierungs
organisationen
Seit 1995 hat OPC großen Zuspruch aus der Indus-
trie und seit einiger Zeit aus weiteren Marktsegmen- Diese Broschüre gibt einen Überblick über Anforde-
ten des Internet of Things (IoT) erfahren. Mit der Ein- rungen aus IoT, M2M (Machine to Machine) und In-
führung von Serviceorientierten Architekturen (SOA) dustrie 4.0 und zeigt Lösungen, technische Details
in industriellen Automatisierungssystemen sorgte die und Umsetzungen mit OPC-UA.
OPC-UA-Architektur ab 2007 für eine skalierbare,
plattformunabhängige Lösung welche die Vorteile Die breite Zustimmung von Vertretern aus For-
von Web Services und integrierter Security mit einem schung, Industrie und Verbänden zeigt, dass OPC-
einheitlichen Datenmodell kombiniert. UA eine Schlüsseltechnologie als Daten- und Infor-
mationsaustausch-Standard ist.
Ihr
Thomas J. Burke
President und Executive Director
OPC Foundation
thomas.burke@opcfoundation.org
www.opcfoundation.org
3
Inhalt
4 OPC-UA: INDUSTRIELLE OPC-UA LÖSUNGEN
INTEROPERABILITÄT IM IOT
36 SKALIERBARKEIT:
ANFORDERUNG INDUSTRIE 4.0 –
7 OPC-UA IM SENSOR
LÖSUNG OPC-UA Alexandre Felt, AREVA GmbH
ZITATE 37 SKALIERBARKEIT:
8 IT und Industrie OPC-UA IM CHIP LEVEL
12 Verbände – Organisationen – Lehre Prof. Jasperneite, Fraunhofer-Anwendungs-
zentrum Industrial Automation (IOSB-INA),
14 OPC-UA AUF EINEN BLICK Lemgo
16 OPC-UA TECHNOLOGIE IM DETAIL 38 SMART METERING:
Karl-Heinz Deiretsbacher, Siemens AG und VERBRAUCHSINFORMATIONEN
Dr. Wolfgang Mahnke, ABB VOM ZÄHLER BIS IN IT-ABRECHNUNGS
SYSTEME
23 OPC-UA SICHERHEITSANALYSE Carsten Lorenz, Honeywell
DURCH DAS BSI
39 HORIZONTAL:
OPC FOUNDATION OPC-UA ERMÖGLICHT M2M UND IOT
25 Organisation Silvio Merz, Zweckverband Wasser und
26 Spezifikationen, Informationen und Events Abwasser Vogtland
28 Laborzertifizierung
29 OPC-UA: Integration in Produkte 40 ENERGIE:
OPC-UA ZUR ÜBERWACHUNG VON
KOOPERATIONEN UND MULTIPLIKATOREN OFFSHORE WINDFARMS
31 AutomationML Eike Grünhagen, Adwen GmbH
32 MDIS – Offshore Öl & Gas
33 AIM-D – RFID und andere AutoID Systeme 41 VERTIKAL:
34 PLCopen – Client und Server im Controller OPC-UA VON DER PRODUKTION
35 MES-DACH – MES Datenprofile BIS IN DAS SAP
Roland Essmann, Elster GmbH
42 CLOUD:
OPC-UA FÜR IOT BIS IN DIE CLOUD
Clemens Vasters, Microsoft Corporation
43 VERFÜGBARKEIT:
OPC-UA IM TUNNELLEITSYSTEM
Bernhard Reichl, ETM
4
OPC-UA: Industrielle Interoperabilität im IoT
Die Digitalisierung ist ein wichtiges und hochattrakti- überwacht und Ersatzteile an Flughäfen geschickt,
ves Wachstumsfeld. Es gilt, die Integration neuer IT- um individuelle Servicereparaturen mit möglichst ge-
Technologien in Produkte, Systeme, Lösungen und ringen Standzeiten durchzuführen.
Services voranzutreiben – und das über die gesamte
Wertschöpfungskette, vom Design über die Produk- INTERNET
tion bis hin zur Wartung. Zudem erschließen sich Das Internet der Dinge und Dienste benötigt im Kern
neue Geschäftsmöglichkeiten wie die Digitalisierung ebenfalls Fernzugriff auf Geräte (Remote Device Ac-
der Produkte und Systeme, die Erweiterung des ver- cess). Somit ist M2M integraler Bestandteil von IoT,
tikalen Softwareportfolios und das Angebot neuer aber im Kontext von IoT ist Kommunikation nicht nur
digitaler Services. auf den Datenaustausch mit intelligenten Geräten
IoT bezeichnet eine Reihe von Technologien, die die beschränkt. Es umfasst auch einfachste Sensoren
Einbindung von bislang nicht angeschlossenen Ge- und Aktuatoren (z.B. Wearables wie Fitnessarmbän-
räten in ein IP-basiertes Netzwerk unterstützen. Die- der aus dem Konsumerbereich) deren Daten zu-
se Technologien sind wichtige Treiber des digitalen nächst aggregiert und vorverarbeitet werden, und
Wachstums. Im Mittelpunkt steht die Standardisie- die anschliessend über Gateways (z.B. Smartphone)
rung der sogenannten „Machine-to-Machine“ mit zentralen Cloud-Servern kommunizieren. Unter
(M2M)-Kommunikation. In diesen Standardisie- dem Begriff IoT entwickelt sich mittlerweile ein hoch-
rungsbemühungen sind viele Firmen und Konsortien komplexes Netzwerk intelligenter Systeme. Eine
wie die OPC Foundation mit OPC-UA bereits seit ähnliche Entwicklung sehen wir heute bei industriel-
vielen Jahren stark engagiert. len Anlagen: Maschinen und Feldgeräte werden sich
nicht einfach nur in ein Netzwerk einklinken und Da-
MASCHINEN-INTERAKTION ten übertragen. Vielmehr werden sie über eine eige-
Mit M2M-Kommunikation wird typischerweise der ne Rechenleistung verfügen, um selbst erzeugte und
Datentransfer zwischen zwei Maschinen bezeichnet fremde Daten zu verarbeiten und zu kombinieren. Sie
beziehungsweise der Datentransfer zwischen einem werden Nutzer und andere Feldgeräte mit Informati-
mehr oder weniger intelligenten Gerät (Device) und onen versorgen, die einen echten Mehrwert bieten.
einem zentralen Computer. Als Übertragungsmedi- So könnte eine Maschine dem Servicetechniker
um diente bislang entweder ein Kabel oder ein Mo- selbstständig eine Wartungsstrategie empfehlen
bilfunknetzwerk. Für den modernen, smarten Daten- oder Informationen über seine Wartungshistorie lie-
transfer hingegen wird das Gerät – zum Beispiel ein fern – anstatt einfach nur Daten über Öldruck oder
Getränkeautomat – mit einer SIM-Karte oder einem -temperatur zu übermitteln.
entsprechenden Hardwarechip ausgerüstet; es
kommuniziert dann selbstständig über eine Punkt-
zu-Punkt Verbindung mit dem dedizierten Compu-
tersystem, um sensorische Daten – beispielsweise
den Füllstand – oder Ereignisse wie etwa eine Stö-
rung an den Betreiber zu melden. Die auf dieser Ba-
sis abgeleiteten Geschäftsmodelle sind überwiegend
logistische sowie Wartungs- und Pflegedienstleistun-
gen, speziell Condition Monitoring/vorbeugende
Wartung. Im industriellen Umfeld werden beispiels-
weise weltweit Flugzeugturbinen vom Hersteller
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KOMMUNIKATION forderungen erfüllen kann. Zusätzlich zu einem Pu-
Die Anforderungen zur Kommunikation mit Dingen blish/Subscriber-Modell zur Realisierung von One-
und mit Diensten innerhalb des IoT unterscheiden to-Many-Kommunikationsparadigmen in Low-Res-
sich erheblich von heutigen etablierten Strukturen: source-Sensornetzen ist ein sicheres, verbindungs-
Die IoT-Kommunikation mit Geräten wird nur selten orientiertes Client/Server-Kommunikationsmodell er
direkt stattfinden. Sensor- und Geräteinformationen forderlich, um eine bidirektionale Kommunikation mit
werden gesendet, und Interessenten können sie steuernden Eingriffen auf die Aktuatoren zu ermög-
abonnieren (Publish/ Subscriber). Typischerweise lichen. Weiterhin müssen die Informationen über ein
werden die „Dinge“ bzw. „Systeme“ über IP-Netze Metamodell semantisch beschrieben sein, um ihnen
(Intranet oder Internet) untereinander oder mit einer eine Bedeutung zu geben und damit eine sinnvolle
Cloud- beziehungsweise einer Big-Data-Anwendung Nutzung zu gewährleisten. Die Aggregation der In-
kommunizieren. Der Kundennutzen entsteht erst formation über viele Ebenen fügt zusätzliche Meta-
durch die Kombination intelligenter Geräte und Sys- daten hinzu, daher ist es von zentraler Bedeutung
teme mit den Diensten, die Plattformbetreiber als durchgängig auf einen einzigen Standard zu setzen.
Service zur Verfügung stellen. Die Skalierbarkeit und Integrationsfähigkeit über alle
Ebenen hinweg ist ebenso eine Voraussetzung wie
OPC-UA INTEROPERABILITÄT Hersteller- und Plattformunabhängigkeit. OPC-UA
Die IoT-Vision lässt sich nur realisieren, wenn die bietet hier einen umfassenden Lösungsansatz, der
Vernetzung der zentralen Komponenten auf einem alle Anforderungen für den „Remote Device Access“
einheitlichen, globalen Kommunikationsstandard in allen vertikalen Ebenen abdeckt.
beruht, der die komplexen an ihm gestellten An
IoT 4.0
Industrie
M2M
Remote Device Access (mit OPC-UA) als gemeinsame Schnittmenge von M2M, IoT und Industrie 4.0
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OPC-UA – Wegbereiter der
4. industriellen (R)Evolution
HERAUSFORDERUNG terbar (plug-and-produce) ohne Engineering oder
Zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit moderner In- manuelles Einrichten. Über die gesamte Produk-
dustriestaaten muss die Herausforderung gemeistert tions- und Produktlebenszeit und durch die gesamte
werden bei immer kürzer werdenden Produktzyklen Wertschöpfungskette werden die virtuellen Abbilder
die Effizienz zu steigern. Energie und Ressourcen innerhalb der produzierten Waren mitgeführt und re-
müssen effektiv eingesetzt, das Time-to-Market ver- präsentieren immer den aktuellen Zustand des rea-
kürzt, komplexere Produkte mit hohen Innovations- len Produkts. Solche „smarten“ Produkte sind im In-
zyklen schneller erzeugt und die Flexibilität durch in- ternet of Things miteinander vernetzt und reagieren
dividualisiere Massenfertigung erhöht werden. mit erlernten Verhaltensmustern auf interne und ex-
terne Ereignisse.
VISION
Die 4. industrielle (R)Evolution (Industrie 4.0) ist ge- ANFORDERUNGEN
trieben von modernen Informations- und Kommuni- Um die Vision von Industrie 4.0 erfolgreich umsetzen
kations-Technologien (IKT), die immer mehr Einzug in zu können, bedarf es einiger Anstrengungen, da die
die Industrieautomatisierung halten. In verteilten, in- Anforderungen sehr vielfältig sind. Um die Komplexi-
telligenten Systemen verschmelzen physikalische tät zu reduzieren, wird eine umfassende Modularisie-
reale Systeme und virtuelle, digitale Daten zu Cyber rung, eine breite Standardisierung und eine durch-
Physical Systems (CPS). Diese CPS werden vernetzt gängige Digitalisierung benötigt. Diese Anforderungen
und bilden „smarte“ Objekte, die bis hin zur „smarten sind nicht neu, sie sind auch nicht revolutionär son-
Fabrik“ zusammen gestellt werden. Mit zunehmen- dern die Folge einer permanenten Weiterentwick-
der Rechenleistung und Kommunikationskapazität lung. Diese Evolution ist ein langjähriger Prozess, der
organisieren sich Produktionseinheiten selbst, sie schon lange begonnen hat und es existieren bereits
besitzen (self-contained) alle nötigen Informationen Lösungen für viele der nachfolgend skizzierten An-
bzw. können sich diese selbständig beschaffen. Die forderungen, die unter anderem auch die zentralen
Systeme sind vernetzt und autonom, sie rekonfigu- Grundbausteine für Industrie 4.0 sind.
rieren und optimieren sich selbst und sie sind erwei-
OPC-UA IST DIE KOMMUNIKATIONSTECHNOLOGIE DER RAMI 4.0
Ansatz für die Realisierung eines
Communication Layers
➞O PC UA: Basis IEC 62541
Ansatz
für die Realisierung des
Information Layers
➞ IEC Common Data Dictionary
(IEC 61360 Series/ISO13584-42)
➞ Merkmale, Klassif. und Werkzeuge nach eCl@ss
➞ Electronic Device Description (EDD)
➞ Field Device Tool (FDT)
Ansatz für die Realisierung von Functional
und Information Layer
➞ Field Device Integration (FDI) als
Integrationstechnologie
Ansatz für das durchgängige Engineering
➞ AutomationML
Quelle: www.zvei.org, July 2015 ➞ ProSTEP iViP Copyright © ZVEI, SG2
➞e Cl@ss (Merkmale)7
Anforderung Industrie 4.0 – Lösung OPC-UA
Industrie 4.0-Anforderung OPC-UA-Lösung
Unabhängigkeit der Kommunika Die OPC Foundation ist eine herstellerunabhängige Non-Profit Organisation. Eine Mitgliedschaft ist
tionstechnologie von Hersteller, für den Einsatz der OPC-UA Technologie oder die Erstellung von OPC-UA Produkten nicht erforder-
Branche, Betriebssystem, lich. OPC hat die größte Verbreitung im Bereich der Automatisierung, ist aber technologisch
Programmiersprache branchenneutral. OPC-UA ist auf allen Betriebssystemen lauffähig; es gibt auch Realisierungen auf
Chip Ebene ohne Betriebssystem. OPC-UA ist in allen Sprachen umsetzbar – derzeit sind Stacks in
Ansi C/C++, .NET und Java verfügbar.
Skalierbarkeit zur durchgängigen OPC-UA skaliert von 15 kB footprint (Fraunhofer Lemgo) über Single- und Multicore-HW mit ver-
Vernetzung vom kleinsten Sensor schiedensten CPU-Architekturen (Intel, ARM, PPC, etc.). OPC-UA wird in Embedded-Feldgeräten,
über embedded Geräte und wie RFID-Readern, Protokollwandlern etc., und in allen SPS-Steuerungen und SCADA/HMI- Pro-
SPS-Steuerungen bis PC und dukten sowie MES/ERP-Sytemen, eingesetzt. Cloud-Projekte in Amazon und Microsoft-Azure wur-
SmartPhone sowie Großrechner den bereits erfolgreich durchgeführt.
und Cloudanwendungen.
Horizontale und vertikale Kommu
nikation über alle Ebenen.
Sicherheit der Übertragung sowie OPC-UA verwendet X.509-Zertifikate, Kerberos bzw. User/Passwort zur Authentifizierung von Appli-
Authentifizierung auf Anwender- und kationsinstanzen und Benutzern. Eine signierte und verschlüsselte Übertragung sowie ein Rechte-
Anwendungsebene konzept auf Datenpunktebene mit Auditfunktionalität sind im Stack bereits vorhanden.
SOA Transport über etablierte OPC-UA ist unabhängig vom Transport, derzeit gibt es zwei Protocol-Bindings, optimiertes TCP-
Standards wie TCP/IP für den basiertes Binärprotokoll für High-Performance Anwendungen, HTTP/HTTPS Webservice mit binär
Austausch von Live- und oder XML kodierten Nachrichten. In Vorbereitung sind weitere Protocol Bindings für die Publish/
historischen Daten, Kommandos Subscribe Kommunikation. Die Stacks garantieren den konsistenten Transport aller Daten. Neben
und Ereignissen (Event/Callback) Live- und Echtzeitdaten sind historische Daten und deren mathematische Aggregation OPC-UA
standardisiert. Auch Methodenaufrufe mit komplexen Argumenten sind möglich genauso wie Alar-
me und Events.
Abblidung beliebig komplexer OPC-UA bietet ein voll vernetztes (nicht nur hierarchisch sondern full-meshed-network) objektorien-
Informationsinhalte zur Modellierung tiertes Konzept für den Namensraum, inklusive Metadaten zur Objektbeschreibung. Über die Refe-
virtueller Objekte als Repräsentanten renzierung der Instanzen untereinander und ihrer Typen sowie über ein durch Vererbung beliebig
der realen Produkte und deren erweiterbares Typmodell, sind beliebige Objektstrukturen erzeugbar. Da Server ihr Instanz- und Typ-
Produktionsschritte. system offenlegen, können Clients durch dieses Netz navigieren und sich alle erforderlichen Informa-
tionen beschaffen, selbst für Typen, die ihnen vorher unbekannt waren. Dies ist die Voraussetzung
für Plug-and-Produce ohne den Einsatz vorab projektierter Geräte.
Ungeplante, Ad-hoc- Kommunika- OPC-UA definiert verschiedene „Discovery“-Mechanismen welche je nach Level einsetzbar sind:
tion für Plug-and-Produce-Funktion local (innerhalb eines Knotens), subnet (in einem Subnetz), global (in einem Enterprise). Diese dienen
mit Beschreibung der Zugangs- der Bekanntmachung von OPC-UA-fähigen Teilnehmern und deren Funktionen / Eigenschaften.
daten und der angebotenen Subnetzübergreifende Aggregation und intelligente, konfigurationslose Verfahren (z. B. Zeroconf)
Funktion (Dienste) zur selbstorgani- werden verwendet, um Netzteilnehmer zu identifizieren und zu adressieren.
sierten (auch autonomen) Teilnahme
an einer „smarten“, vernetzten
Orchestration/Kombination von
Komponenten
Integration ins Engineering und Die OPC Foundation arbeitet bereits erfolgreich mit anderen Organisationen (PLCopen, BACnet,
semantische Erweiterung FDI, AIM, etc.) zusammen und ist derzeit in weiteren Kooperationen aktiv, wie z. B. MES D.A.CH,
ISA95, MDIS (Öl und Gas Industrie), etc. Weiterhin gibt es eine Kooperation mit AutomationML, um
die Interoperabilität zwischen Engineering-Tools zu optimieren.
Prüfbarkeit der Konformität zum OPC-UA ist bereits IEC-Standard (IEC 62541); es existieren Tools und Testlabore, welche die Kon-
definierten Standard formität prüfen und zertifizieren. Zusätzliche Test-Veranstaltungen (Plugfeste) erhöhen die Qualität
und sichern die Kompatibilität. Für Erweiterungen/Ergänzungen wie z.B. Companion Standard, Se-
matik und Kommunikationsmodelle werden die Testsuites permanent ausgeweitet und erweitert.
Zusätzlich werden Prüfungen zur Datensicherheit und funktionalen Sicherheit von externen Prüfstel-
len durchgeführt.8 ZITATE – MARKTFÜHRER AUS IT UND INDUSTRIE
»OPC-UA ist eine essenzielle Komponente der inter- »Fertigung in der digitalen Welt braucht einen hoch
netbasierten Produkte die Kunden in der Fertigungs- integrierten und intelligenten Ansatz, der es erlaubt
industrie heutzutage benötigen und es wird immer auf individuelle Kundenanforderungen schnell zu re-
mehr als wichtiger Teil von Unternehmens-IoT Sze- agieren, die Fertigungsprozesse flexibel und effizient
narien und Geschäftsmodellen gesehen. Im Einklang zu gestalten und die Mitarbeiter mit den richtigen In-
mit unserer Verpflichtung zu Offenheit und Zusam- formationen bestmöglich zu unterstützen. SAP setzt
menarbeit engagiert sich Microsoft bei der Entwick- hierbei auf Standards wie beispielsweise OPC-UA,
lung von OPC-UA voll zu unterstützen.« die einen einfachen, skalierbaren und sicheren Infor-
mationsaustausch mit verschiedensten Systemen in
Matt Vasey, Director of IoT Business Development, Microsoft,
OPC board member
der Fabrik gewährleisten.«
Veronika Schmid-Lutz, Chief Product Owner Manufacturing, SAP AG,
OPC board member
OPC-UA in der IT Welt
»Die im Kontext von Industrie 4.0 und dem Internet
der Dinge (IoT) beschriebene Vernetzung von Ma-
schinen, Produkten, deren Komponenten und digita-
len Diensten stellt hohe Anforderungen an zukünftige
»Oracle hat schon lange den Wert von starken Da- Protokolle und Standards. Diese müssen „Plug &
ten- und Kommunikationsstandards erkannt, um da- Play“-Szenarien unterstützen, die eine dynamische
rauf aufbauend sichere, erweiterbare und plattfor- Integration in Wertschöpfungsketten und -netzwer-
munabhängige Lösungen zu entwickeln, welche ken ermöglichen. Dazu wird die Fähigkeit der Kom-
wiederum helfen, Marktanteile und Geschäftsent- ponenten zur Selbstbeschreibung ihre Funktion und
wicklung positiv zu beinflussen. Wir sehen Java und Integration benötigt. OPC-UA liefert neben der Re-
OPC-UA als mächtige Kombination für Entwickler, gelung eines sicheren Datenaustauschs auch die
die Systeme in sicherer, erweiterbarer und plattfor- Möglichkeit der semantischen Beschreibung von
munabhängiger Art und Weise integrieren wollen. Funktionen. Damit verfügt OPC-UA über eine we-
Die Oracle Java Plattform stellt eine universelle Pro- sentliche Eigenschaft, die eine Weiterentwicklung zur
grammierumgebung von Embedded Systemen bis Unterstützung der Industrie 4.0-Szenarien relativ ein-
zur Cloud zur Verfügung, die in Verbindung mit dem fach macht. Die Plattformunabhängigkeit entspricht
OPC-UA Informationsmodell, eine hohe Flexibilität, HPs Ansatz von offenen Systemen.«
einfache Integration, sowie ein starkes Sicherheits
Johannes Diemer, Manager Industrie 4.0, Hewlett-Packard GmbH
level, bietet.«
Scott Armour, VP Global Java Business Unit, Oracle9
»Eines der grundlegenden Konzepte des industriel- »ABB bietet für die meisten Produkte eine klassi-
len Internets der Dinge (Industrial Internet of Things, sche OPC Schnittstelle an oder benutzt klassisches
IIoT) besteht in der Vernetzung von Industriesyste- OPC zur Datenintegration. Weil OPC-UA nicht nur
men, die Datenanalysen und -aktionen kommunizie- den Datenaustausch erlaubt sondern Informations-
ren, um Leistung und Effizienz zu steigern. Die Imple- modellierung ermöglicht sowie eine sichere, Platt-
mentierung des IIoT wird einen Paradigmenwechsel form-unabhängige Kommunikation bietet, sehen wir
bei der Art und Weise erfordern, wie Unternehmen ein hoahes Potential und unterstützen es uneinge-
Industriesysteme entwerfen und erweitern. Daher ist schränkt. Unsere Kunden werden vom reduzierten
die Integration in bestehende Automatisierungs Integrationsaufwand und neuen Anwendungsszena-
systeme bzw. Systeme von Drittanbietern über gän- rien durch die Verwendung von OPC-UA profitieren.«
gige, sichere Kommunikationsprotokolle von höchs-
Thoralf Schulz, Global Technology Manager for Control Technologies, ABB
ter Bedeutung. OPC-UA wird dieser Herausforderung
gerecht, indem ein weit verbreiteter und sicherer In-
dustriestandard für die Interoperabilität zwischen un-
terschiedlichen Verarbeitungselementen und IT-Ge-
räten in Produktionshallen angeboten wird. NI hat
OPC-UA in sein Portfolio von Embedded-Geräten
aufgenommen, um die Vernetzungsfähigkeit von
Cyber-Physical Systems im Entwicklungsprozess
des IIoT anzukurbeln.« OPC-UA in der Industrie
James Smith, Director for Embedded Systems Product Marketing,
National Instruments
»OPC ist das erfolgreichste und verbreiteste standar- »OPC-UA wird die allgemeine Basis für die techni-
disierte Interface für Automatisierungssysteme. Yo- sche und semantische Interoperatiblität zwischen
kogawa ist seit Begin Mitglied der OPC Foundation M2M und M2H (Machine to Human) Kommunikation
und hat wesentliche Beiträge für die Erstellung des bieten, welche essentiell ist für das Entstehen des
OPC Interfaces geleistet – Yokogawa unterstützt und IoT. Durch gemeinsame, industrielle Interoperabi
gestaltet auch OPC-UA aktiv mit.« litätsstandards schaffen wir eine skalierbare und
zuverlässige Plattform für GE und andere, um das
Nobuaki Konishi, Yokogawa, President OPC Council Japan,
OPC board member
industrielle Internet auszubauen, und dessen Mög-
lichkeiten für unsere Kunden anbieten zu können.«
Danielle Merfeld, Global Research Technology Director, General Electric10 ZITATE – ANBIETER UND ANWENDER AUS DER INDUSTRIE
»Mit OPC-UA steht der Industrie ein zukunftweisen- »OPC-UA hat das Potential die Basis für eine schnel-
der und herstellerunabhängiger Kommunikations- le, herstellerübergreifende Implementierung von In-
standard zur Verfügung. Seine Skalierbarkeit ermög- dustrie 4.0 und der in diesem Zusammenhang benö-
licht die horizontale und vertikale Vernetzung von tigten internetbasierten Dienste zu sein. Damit alle
Anlagen, Maschinen und Prozessen. Bosch Rexroth diese Chance nutzen und davon profitieren können,
setzt konsequent auf diesen international anerkann- ist es notwendig, proprietäre Lösungen dieser Vision
ten, offenen Standard als Schlüsseltechnologie und unterzuordnen.«
bietet für seine Produkte umfangreiche Dienste und Dr.-Ing. Reinhold Achatz, Head of Corporate Function Technology,
semantische Informationsmodelle an. Wir entwickeln Innovation & Sustainability, ThyssenKrupp AG
die Funktionalität stetig weiter, damit unsere Kunden
auch in Zukunft Rexroth-Produkte bestmöglich in
ihre Automatisierungsumgebung integrieren können
– für die optimale Umsetzung von Industrie 4.0.«
Dr. Ing. Thomas Bürger, Entwicklungsbereichsleiter Automationssysteme,
Bosch Rexroth AG
Vorreiter in der Automation
»Siemens ist ein weltweit agierender Technologieko-
nzern und Weltmarkführer auf dem Gebiet der Auto-
matisierungstechnik. In dieser Position beobachten
wir die zunehmende Digitalisierung aller Industrie-
zweige nicht nur, wir gestalten sie aktiv mit.
Als Gründungsmitglied der OPC Foundation setzen
wir uns deshalb dafür ein, die Automatisierung vor-
anzutreiben und weiterzuentwickeln sowie das Zu-
sammenwirken von Technologien unterschiedlicher
»Industrie 4.0 vernetzt die Automatisierungswelt mit Systemanbieter zu verbessern. Dieses Engagement
der IT- und Internetwelt und wird die daraus entste- trägt Früchte: In vielen unserer Innovationen kom-
henden Synergien praktisch nutzbar machen. Ver- men bereits heute OPC-Standards zur Anwendung
netzung bedeutet Kommunikation, Kommunikation – in der Netzwerkmanagementlösung Sinema Ser-
benötigt Sprachen und darüber ausgelöste Funktio- ver genauso wie im Simatic HMI (Human Machine
nen und Dienste. OPC-UA bietet genau hierfür eine Interface) oder im flexiblen, modularen Motorenma-
weltweit akzeptierte, äußerst leistungsfähige und an- nagementsystem Simocode pro. Eine besonders
passbare Standardbasis.« hohe Bedeutung auf dem Weg zur Industrie 4.0
messen wir dem Standard OPC-UA bei. Siemens
Hans Beckhoff, Managing Director, Beckhoff Automation GmbH
gehört zu den ersten Unternehmen weltweit, deren
Produkte entsprechend zertifiziert sind.«
Thomas Hahn, Siemens AG, OPC board member11
»Schneider Electric bewertet das Industrial Internet »Standardisierte Schnittstellen wie OPC-UA sind für
of Things als eine Evolution, nicht als Revolution. In die Anbindung von intelligenten, Plug and Produce-
der Welt der intelligenten, vernetzten Produkte, in fähigen Komponenten in der Produktion der Zukunft
der Systeme als Teil größerer Systeme von Syste- unerlässlich. Damit können wir künftig modulare und
men betrieben werden, ist ein einheitlicher Daten- skalierbare Produktionsanlagen deutlich einfacher an
transport wichtig. Noch wichtiger ist es die Daten in übergeordnete Systeme wie MES oder ERP anbin-
einen Kontext bringen zu können. Mit OPC-UA kön- den. Bereits 2014 zeigten wir eine OPC-UA Testim-
nen wir effiziente und effektive Systeme und Applika- plementierung in unserer Fertigung während der
tionen erzeugen, die genau das können – und das OPC Jahreskonferenz. Auch das Transportsystem
hilft unseren Kunden das volle Potential von Industry Multi-Carrier-System und unsere Automatisierungs-
4.0 auszuschöpfen.« plattform CPX können über OPC-UA in kommende
Industrie 4.0 HOST-Umgebungen eingebunden wer-
John Conway, VP Strategy & Partnerships, Schneider Electric
den.«
Prof. Dr. Peter Post, Leiter Corporate Research and Technology, FESTO
Global Player der Industrie
»OPC-UA erweist sich als guter Kandidat für die Um- »Eine der größten Herausforderungen der digitalen
setzung der für Industrie 4.0 geforderten Funktionali- Fabrik ist die horizontale und vertikale Kommunika-
täten bezüglich der Kommunikation in Automatisie- tion mit allen seinen Geräten. Hohe Kosten können
rungssystemen und der Interaktion zwischen entstehen heute wenn z. B. ein MES System Daten
Industrie 4.0 Komponenten mittels definierter Objek- von unterschiedlichen unterlagerten Systemen sam-
te und deren Semantik. Durch die internationale Un- melt. OPC-UA verbindet nicht nur die Systeme
terstützung der Automatisierungsanbieter findet das sondern senkt die Kosten: Es bietet sichere stan-
Protokoll bereits heute, in unzähligen Geräten von dardisierte Schnittstellen und liefert auch die Bedeu-
der Sensorebene bis zu Manufacturing Execution tung der Daten. Wir haben daher frühzeitig OPC-UA
(MES) und Enterprise Resource Planning Systemen in unser Echtzeit Datenbank Produkt AicVision integ-
(ERP), seine Verwendung. Akzeptanz und eine zu- riert um integrierte Lösungen für die digitale Fabrik
kunftsweisende Technologiebasis sind der Garant für anzubieten.«
einen internationalen und sich weiter entwickelnden
Peizhe Wang, CEO AIC
Standard – OPC-UA bietet diese Basis.«
Roland Bent, Geschäftsführer, Phoenix Contact12 ZITATE – VERBÄNDE UND ORGANISATIONEN
»OPC-UA repräsentiert einen maßgeblichen Schritt »Kommunikation bezieht sich nicht auf den Aus-
in Richtung wirklich offener Kommunikationsstan- tausch von Daten – es geht um den einfachen und
dards, ohne die es keine Industrie 4.0 oder Internet sicheren Zugriff auf Informationen. Genau das ist der
of Things geben würde. OPC-UA geht einher mit Schlüssel der Kooperation zwischen PLCopen und
OMACs wichtigsten Initiativen, nämlich durch Stan- OPC Foundation. Die OPC-UA Technologie ermög-
dards und Funktionalität zwischen Maschinen, Steu- licht die transparente Kommunikation unabhängig
erungsplattformen und Management Systemen eine vom Netzwerk – das ist die Basis eines neuen Kom-
Brücke zu schlagen.« munikationszeitalters im Bereich der Industriellen
Steuerungen.«
John Kowal, Board member OMAC & PMMI
(B&R Industrial Automation Corp)
Eelco van der Wal, Managing Director PLCopen
Kooperationen mit Organisationen
»Die Implementierung von Zukunftskonzepten wie
Internet der Dinge und Industrie 4.0 verlangt zuver-
lässige Daten über den Lauf bewegter Objekte in
Produktion und Logistik. Dafür müssen in vermehr-
»Die Komplexität industrieller Systeme steigt ständig. tem Umfang Systeme für die automatische Identifi-
Zu ihrer Beherrschung werden in Entwurf und Be- kation, für die Erhebung von Umgebungsdaten –
trieb Methoden und Technologien benötigt, die eine also Sensoren – und für die Echtzeitortung installiert
Modularisierung und Strukturierung ermöglichen. Die werden. OPC-UA bietet die richtige Grundlage, um
OPC Technologie und ihr neuester Vertreter OPC-UA diese Systeme schnell in vorhandene IT-Landschaf-
haben sich in diesem Bereich bestens bewährt. Sie ten zu integrieren. Der mit der OPC Foundation ge-
ist weit verbreitet und kann als ein Eintrittspunkt für meinsam entwickelte OPC AIM Companion Stan-
die Kombination von Entwurf und Betrieb, wie sie in dard wird dabei große Fortschritte bringen.«
der Industrie 4.0 angedacht wird, dienen.«
Wolf-Rüdiger Hansen, Geschäftsführer, AIM-D e.V
Deutschland – Österreich – Schweiz
apl. Prof. Dr.- Ing. habil. Arndt Lüder, Otto-v.-Guericke Universität,
Magdeburg, Fakultät Maschinenbau, 4. Vorstand AutomationML e.V.ZITATE – FORSCHUNG UND LEHRE 13
»Für neue Möglichkeiten der Integration zwischen »OPC-UA bietet eine sichere, zuverlässige, interope-
Industrie- und Gebäudeautomation kooperieren rable und plattformunabhängige Basis für das MDIS
BACnet und OPC-UA bereits: Energiedaten sind Informationsmodell. Durch vereinfachte Kommunika-
durch BACnet semantisch definiert und können tionsverbindungen bei steigender Datenqualität wird
bequem und interoperabel per OPC-UA an Enter- echter Mehrwert für die Betreiberfirmen der Öl und
prise-Systeme bereitgestellt werden: Eine idea- Gasindustrie geschaffen.«
le Standardisierung vom Sensor bis in die IT-Ab
Paul Hunkar, DS Interoperability, OPC Berater des MDIS Netzwerks
rechnungssysteme.«
Frank Schubert, Mitglied Advisory Board der BACnet Interest Group Europe
Vordenker aus Forschung und Lehre
»Eine entscheidende Komponente bei der Realisie-
rung des Industrie 4.0 Gedanken ist eine offene und
standardisierte Kommunikationsplattform. Erst durch
diese werden Szenarien, welche eine Ebenen- und
»Das Industrie 4.0 Paradigma erfordert Standards Unternehmensübergreifende Kommunikation benö-
auf mehreren Ebenen, um modulare Produktions- tigen, möglich. OPC-UA bietet durch sein plattform-
anlagen gemäß Plug & Play aufbauen zu können. sowie sprachenunabhängige Technologie eine ge-
OPC-UA ist ein wichtiger Standard, der uns hilft, eignete und vielversprechende Basis. Seit Jahren
die Kommunikation zwischen Anlagenteilen herstel wird am Lehrstuhl für Automatisierung und Informati-
lerunabhängig und sicher zu gestalten. Durch den onssysteme (AIS) OPC-UA eingesetzt. Besonders in
industriegetriebenen Standardisierungsprozess ist der Forschung sind die offene Architektur sowie die
eine hohe Akzeptanz seitens industrieller Anwender breite Software und Hardware Unterstützung ent-
für OPC-UA als plattform- und herstellerunabhängi- scheidende Vorteile. Ein Beispiel hierfür ist die Kom-
ge Kommunikationstechnologie über alle Ebenen der munikation zwischen einem nicht Echtzeit fähigen
Automatisierungspyramide erkennbar. Die Informati- high-level Agenten auf einer PC Plattform und einem
onsmodelle innerhalb des OPC-UA Standards bieten Echtzeit fähigen low-level Agenten auf einer SPS.
darüber hinaus die Grundlage zur Realisierung einer Hiermit lassen sich Rechenzeit und Geschwindigkeit
semantischen Interoperabilität.« optimal verteilen.«
Prof. Dr. Dr. Detlef Zühlke, Direktor Innovative Fabriksysteme Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser, Lehrstuhl Automatisierung und
DFKI Kaiserslautern Informationssysteme, Technische Universität München14 OPC-UA AUF EINEN BLICK
OPC-UA auf einen Blick –
Sicherer, zuverlässiger und plattform
unabhängiger Informationsaustausch
SICHERER, ZUVERLÄSSIGER miertes, binäres Protokoll für den Datenaustausch
UND PLATTFORMUNABHÄNGIGER über einen bei IANA eingetragenen Port 4840. Web-
INFORMATIONSAUSTAUSCH service und HTTP werden optional zusätzlich unter-
OPC-UA ist die aktuelle Technologiegeneration der stützt. Zusätzliche Protokoll-Varianten wie Multicast
OPC Foundation für sicheren, zuverlässigen und her- oder Message Queuing sind einfach ergänzbar ohne
stellerunabhängigen Transport von Rohdaten und bestehende Kommunikationskonzepte zu brechen.
vorverarbeiteten Informationen von der Sensor- und Die integrierten Verschlüsselungsmechanismen sor-
Feldebene bis hinauf zum Leitsystem und in die Pro- gen für sichere Kommunikation über das Internet.
duktionsplanungssysteme. Mit OPC-UA ist jede Art
von Information zu jedem Zeitpunkt und an jedem SERVICEORIENTIERTE ARCHITEKTUR
Ort für jede autorisierte Anwendung und jede autori- OPC-UA definiert generische Dienste und folgt dabei
sierte Person verfügbar. dem SOA-Designparadigma, bei dem ein Dienstan-
bieter Anfragen (requests) erhält, diese bearbeitet
PLATTFORM- UND und die Ergebnisse mit der Antwort (response) zu-
HERSTELLERUNABHÄNGIG rück sendet. Im Unterschied zu klassischen Webser-
OPC-UA ist unabhängig vom Hersteller oder Sys- vices, die ihre Dienste über eine WSDL beschreiben,
temlieferanten, der die jeweilige Anwendung produ- und somit bei jedem Dienstanbieter unterschiedlich
ziert bzw. liefert. Die Kommunikation ist unabhängig sein können, sind bei OPC-UA bereits generische
von der Programmiersprache in der die jeweilige Dienste definiert. Eine WSDL ist somit nicht erforder-
Software programmiert wurde. Und es ist unabhän- lich, denn die Dienste sind standardisiert. Dadurch
gig vom Betriebssystem auf dem die Anwendung sind sie kompatibel und interoperabel, ohne das der
arbeitet. Es ist ein offener Standard ohne irgendeine Aufrufer ein spezielles Wissen über den Aufbau oder
Abhängigkeit oder Bindung zu proprietären Techno- das Verhalten eines speziellen Dienstes wissen
logien oder einzelnen Herstellern. muss. OPC-UA definiert verschiedene Gruppen von
Diensten für unterschiedlich Aufgaben (Lesen/Sch-
STANDARDISIERTE KOMMUNIKATION ÜBER reiben/Melden/Ausführen, Navigieren/Suchen, Ver-
INTERNET & FIREWALLS bindung/Sitzung/Sicherheit). Die Flexibilität entsteht
OPC-UA erweitert den vorhergehenden OPC über das Informationsmodell von OPC-UA. Aufset-
„Classic“ Industriestandard um einige wichtige Funk- zend auf ein Basismodell können beliebig komplexe,
tionen wie Plattformunabhängigkeit, Skalierbarkeit, objektorientierte Erweiterungen vorgenommen wer-
Hochverfügbarkeit und Internetfähigkeit. OPC-UA den, ohne das dadurch die Interoperabilität beein-
basiert nicht länger auf der DCOM-Technologie von trächtigt wird.
Microsoft, es wurde aufbauend auf einer Service-
Orientierten-Architektur (SOA) neu konzipiert. OPC- SCHUTZ VOR UNERLAUBTEM ZUGRIFF
UA kann daher sehr einfach adaptiert werden. OPC-UA Technologie verwendet bewährte Sicher-
Bereits heute verbindet OPC-UA die Enterpriseebe- heitskonzepte, die Schutz vor unerlaubtem Zugriff
ne bis hinunter in die eingebetteten Systeme der bieten genauso wie Schutz vor Sabotage und Modi-
Automatisierungskomponenten – unabhängig von fikation von Prozessdaten sowie Schutz vor unacht-
Microsoft, UNIX oder irgendeinem anderen Betrieb- samer Bedienung. Die OPC-UA Sicherheitskonzepte
system. OPC-UA verwendet ein TCP-basiertes, opti- beinhalten Anwender- und Anwendungsauthentifika-15
Vereinheitlichtes OPC-UA Objekt
OPC-UA
Object Method
Variables Methods Service Set
Attribute (Programs)
_____ _____( )
Service Set
_____ _____( )
(Data Access,
_____ _____( )
Historical
Data Access)
Events
N
N Subscription
N Service Set
(Alarms &
Conditions)
tion, die Signierung von Nachrichten und die Ver- kombiniert dabei alle klassischen OPC Funktionalitä-
schlüsselung der übertragenen Daten selbst. OPC- ten und erlaubt die Beschreibung von komplexen
UA-Sicherheit basiert auf anerkannten Standards, Prozeduren und Systemen in einheitlichen objektori-
die auch für sichere Kommunikation im Internet ver- entierten Komponenten. Informationskonsumenten,
wendet werden, wie beispielsweise SSL, TLS und die lediglich die Basisregeln unterstützen, können
AES. Die Sicherheitsmechanismen sind Teil des auch ohne Kenntnis der Zusammenhänge der kom-
Standards und verpflichtend für die Hersteller. Der plexen Strukturen eines Servers, die Daten verarbei-
Anwender darf die verschiedenen Sicherheitsfunktio- ten.
nen entsprechend seines Use-Cases frei kombinie-
ren, somit entsteht skalierbare Sicherheit in Abhän- ANWENDUNGSBEREICHE
gigkeit der spezifischen Anwendung. Die universelle Anwendbarkeit der OPC-UA Techno-
logie ermöglicht die Implementierung völlig neuer
ERREICHBARKEIT UND ZUVERLÄSSIGKEIT vertikaler Integrationskonzepte. Durch Kaskadierung
OPC-UA definiert eine robuste Architektur mit zuver- von OPC-UA Komponenten wird die Information si-
lässigen Kommunikationsmechanismen, konfigurier- cher und zuverlässig von der Produktionsebene bis
baren Timeouts und automatischer Fehlererkennung. hin ins ERP System oder der Cloud transportiert.
Die Fehlerbehebungsmechanismen stellen auto- Eingebettete OPC-UA Server auf der Feldgeräteebe-
matisch die Kommunikationsverbindung zwischen ne und integrierte OPC-UA Clients in ERP Systemen
OPC-UA Client und OPC-UA Server ohne Datenver- auf der Enterpriseebene werden direkt miteinander
lust wieder her. OPC-UA bietet Redundanzfunktio- verbunden. Die entsprechenden OPC-UA Kompo-
nen, die sowohl in Client- und Serveranwendungen nenten können dabei geografisch verteilt und durch
integrierbar sind, und somit die Implementierung von Firewalls voneinander getrennt sein. OPC-UA er-
hochverfügbaren Systemen mit maximaler Zuverläs- möglicht anderen Standardisierungsgremien die
sigkeit ermöglichen. OPC-UA-Dienste als Transportmechanismus für ihre
eigenen Informationsmodelle zu nutzen. Die OPC
VEREINFACHUNG DURCH Foundation kooperiert heute bereits mit vielen ver-
VEREINHEITLICHUNG schiedenen Gruppen aus unterschiedlichen Bra-
OPC-UA definiert einen integrierten Adressraum und chen, u.a. PLCopen, AIM, BACnet, ISA und FDI. Es
ein Informationsmodell in welchem Prozessdaten, werden Zusatzspezifikationen erarbeitet, die gemein-
Alarme und historische Daten zusammen mit Funkti- same, semantische Definitionen von Informations-
onsaufrufen repräsentiert werden können. OPC-UA modellen beinhalten.16 OPC-UA TECHNOLOGIE IM DETAIL
OPC-UA Technologie im Detail
Die Kommunikation bei Industrie 4.0 basiert nicht nur ZIELSETZUNG BEI DER KONZIPIERUNG
auf reinen Daten, sondern auf dem Austausch se- OPC-UA wurde für die Unterstützung unterschied-
mantischer Informationen. Darüber hinaus spielt die lichster Systeme konzipiert: von der SPS in der Pro-
Übertragungssicherheit eine herausragende Bedeu- duktion bis zu den Servern des Unternehmens. Die-
tung. Diese beiden Aufgabenstellungen sind Kern- se Systeme sind durch eine große Vielfalt hinsichtlich
punkte der OPC Unified Architecture. OPC-UA ent- Größe, Leistung, Plattformen und funktionellen Fä-
hält eine umfassende Beschreibungssprache und higkeiten charakterisiert.
die erforderlichen Kommunikationsdienste für Infor- Um die Zielsetzung zu erreichen wurden für OPC-UA
mationsmodelle und ist damit universell nutzbar. folgende Grundbestandteile spezifiziert:
Karl-Heinz Deiretsbacher, ➞ Transport – für die Mechanismen zum Daten
Technology&Innovation,
Siemens AG
EINFÜHRUNG austausch zwischen OPC-UA Anwendungen.
Leiter des OPC-UA Technical Der Trend in der Automatisierung geht dahin, auch Verschiedene Transport Protokolle existieren für
Advisory Boards
die Semantik der Kommunikationsdaten zu standar- unterschiedliche Anforderungen (optimiert für
disieren. Normen wie ISA 88 (auch IEC 61512, Char- Geschwindigkeit und Durchsatz = UA TCP mit UA
genverarbeitung), ISA 95 (auch IEC 62264, MES Binary; firewall-friendly = HTTP + Soap).
Ebene), oder das Common Information Model (CIM) ➞ Meta Modell – spezifiziert die Regeln und Grund-
mit der IEC 61970 für Energiemanagement sowie bausteine um ein Informationsmodell über OPC-
IEC 61968 für Energieverteilung definieren die Se- UA zu veröffentlichen. Es beinhaltet auch ver-
mantik der Daten in denen von ihnen adressierten schiedene Einstiegsknoten und Basis Typen.
Domänen. Dies passiert zunächst unabhängig ➞ Services – realisieren die Schnittstelle zwischen
von der Spezifikation, wie die Daten übertragen wer- einem Server als Anbieter von Information und
den. den Clients als Nutzer dieser Information.
Mit OPC-UA – auch veröffentlicht als IEC 62541 – Auch die Informationsmodelle sind schichtenweise
können beliebig komplexe Informationsmodelle aus- aufgebaut. Jeder höherwertige Typ basiert auf be-
getauscht werden – und zwar sowohl die Instanzen stimmten Basisregeln. Somit können Clients, die nur
Dr. Wolfgang Mahnke, als auch die Typen (die Metadaten). Damit ergänzt es die Basisregeln kennen und implementieren trotz-
Software Architect R&D Fieldbus
ABB Automation GmbH
die oben genannten Standards und ermöglicht eine dem auch komplexe Informationsmodelle bearbei-
Interoperabilität auf semantischer Ebene. ten. Sie verstehen dann zwar nicht die Zusammen-
hänge, können aber z.B. durch den Adressraum
navigieren und Datenvariablen lesen oder schreiben.
Binary Hybrid Webservices
Vendor Specific Extensions
UA Binary UA XML
Collaboration Models
UA Secure WS Secure
Conversation Conversation
DA AC HA Prg
UA TCP SOAP
Base Services
HTTPS HTTP
Transport Meta Model TCP / IP
4840 443 443 80
Schichtenmodell von OPC-UA OPC-UA Transport-Profile17
INTEGRIERTES ADRESSRAUMMODELL
Das Objektmodell erlaubt es, Produktionsdaten, Um die Interoperabilität von Clients und Servern zu
Alarme, Events und historische Daten in einen einzi- fördern, ist der OPC-UA Adressraum hierarchisch
gen OPC-UA Server zu integrieren. Damit kann bei- aufgebaut; die oberen Ebenen sind für alle Server
spielsweise ein Messgerät für Temperatur als ein standardisiert. Alle Knoten im Adressraum sind über
Objekt mit seinem Temperaturwert, Alarmparame- die Hierarchie erreichbar, können aber untereinander
tern sowie entsprechenden Alarmgrenzen darge- zusätzliche Referenzen haben, so dass der Adress-
stellt werden. raum ein zusammenhängendes Netzwerk von Kno-
OPC-UA integriert und vereinheitlicht die unter- ten bildet.
schiedlichen Adressräume und die Schnittstellen Im Adressraum von OPC-UA sind nicht nur Instan-
zum Zugriff, sodass OPC-UA Anwendungen nur zen (Instanzraum), sondern auch die Typen der Ins-
noch eine Schnittstelle zum Navigieren benötigen. tanzen (Typraum) enthalten.
Root
Field Bus Sensor Bus Areas
“Located In“
reference
Pressure Valve Temp Area 1
Xmitter Xmitter
Area 2
Current Value Hi Limit Lo Limit
Area 3
Hi Alarm Lo Alarm
Einheitlicher Adressraum18 OPC-UA TECHNOLOGIE IM DETAIL
INTEGRIERTE SERVICES ➞ Session Service Set
OPC-UA definiert die notwendigen Dienste (Servi- Dient zum Erstellen einer anwenderspezifischen
ces) um durch den Namensraum zu navigieren, Vari- Verbindung zu einer Applikation.
ablen zu lesen oder zu beschreiben, oder sich für
Datenänderungen und Events anzumelden. ➞ NodeManagement
Service Set
Die OPC-UA Services werden in logischen Gruppie- Damit können Knoten (Nodes) im Adressraum
rungen, so genannten Service Sets, organisiert. Ser- hinzugefügt, geändert oder gelöscht werden.
vice Request und Response werden durch Aus-
tausch von Nachrichten zwischen Clients und ➞ View
Service Set
Servern übermittelt. Der Client kann damit durch den Adressraum
Der Austausch der OPC-UA Nachrichten erfolgt ent- (oder Teilen davon) browsen, also in der Hierar-
weder über ein OPC-spezifisches binäres Protokoll chie auf und ab navigieren oder Verweisen zwi-
auf TCP/IP oder als Web Service. Anwendungen schen Knoten folgen. Es erlaubt dem Client auch
werden meist beide Schnittstellenarten zur Verfü- die Struktur des Adressraums zu erkunden.
gung stellen, so dass der Anlagenbetreiber die am
besten geeignete Art wählen kann. ➞ Attribute
Service Set
OPC-UA stellt insgesamt 9 Basis Service Sets zur Diese Services werden vom Client zum Lesen
Verfügung. Im Folgenden sind die einzelnen Sets mit und Schreiben von Werten (Attributen) benötigt.
einer kurzen Beschreibung aufgelistet. Da nicht alle
Server alle Service Sets verwenden, kann über ihre ➞ Method
Service Set
Profile abgefragt werden, welche Services sie unter- Erlaubt das Aufrufen von Methoden, welche in
stützen. Profile werden hier nicht näher betrachtet. einem Knoten im Adressraum enthalten sind.
➞ SecureChannel Service Set ➞ MonitoredItem
Service Set
Der Client kann damit die Sicherheitskonfigurati- Mit diesem Dienst kann eingestellt werden, wel-
on des Servers abfragen und einen Kommunika- che Attribute aus dem Adressraum für einen Cli-
tionskanal einrichten, bei dem die Vertraulichkeit ent auf Wertänderungen überwacht werden sol-
und die Vollständigkeit (Integrität) der ausge- len oder an welchen Events der Client interessiert
tauschten Meldungen garantiert ist. ist.
Diese Services werden nicht direkt in der OPC-
UA Applikation implementiert sondern vom ver- ➞ Subscription
Service Set
wendeten Kommunikations-Stack zur Verfügung Damit können für MonitoredItems Mitteilungen
gestellt. erzeugt, verändert oder gelöscht werden.
➞ Query
Service Set
Diese Services erlauben dem Client Knoten nach
bestimmten Filterkriterien aus dem Adressraum
auszuwählen.19
PLATTFORM-UNABHÄNGIGKEIT PERFORMANCE
Im Gegensatz zu „Classic OPC“, das auf der DCOM Die OPC-UA Services können auf unterschiedliche
Technologie basiert und deshalb zwangsläufig an die Technologien abgebildet werden. Zurzeit gibt es im
Windows Plattform und dort unterstützte Sprachen Wesentlichen zwei Abbildungen: UA-TCP und
gebunden ist, wurde OPC-UA von Beginn an für den HTTPS. Der Einsatz von UA-TCP über moderne
Einsatz auf beliebigen Plattformen und Programmier- Ethernet Technologien sichert sehr gute Perfor-
sprachen konzipiert. mancewerte. Aber auch die Services selbst sind für
hohen Datendurchsatz konzipiert. Mit einem einzel-
Tool or API ner Leseaufruf kann z.B. auf tausende von Werten
Language
zugegriffen werden. Subscription Services ermögli-
Dependent Proxy /
(e.g. .NET) Stubs chen die Notifizierung bei Änderung und Überschrei-
tung von Schwellwerten.
Services
Binding
INFORMATIONSMODELLE MIT OPC-UA
Abstract UA Model
Specification DAS OPC-UA META MODELL
➞ Wichtig: Das OPC-UA Modell beschreibt,
Dienste sind unabhängig vom Modell wie Clients auf Informationen im Server zu-
greifen. Es spezifiziert in keiner Weise wie
➞ Auf
der untersten Ebene sind das abstrakte diese Information im Server zu organisieren
OPC-UA Modell und die Services. Darin enthalten ist. Sie könnte z.B. in einem unterlagerten
ist das gesamte Adressraummodell, verschiedene Gerät oder in einer Datenbank liegen.
Objekt- und Variablenstrukturen, Alarme, und
mehr.
Das OPC-UA Objektmodell definiert einen Satz von
➞ Auf
der nächsten Ebene (Services Binding) wird einheitlichen Knotentypen, mit denen Objekte im Ad-
spezifiziert, wie die Services auf bestimmte Proto- ressraum dargestellt werden können. Dieses Modell
kolle abzubilden sind. Zurzeit gibt es eine Abbil- repräsentiert Objekte mit ihren Variablen (Daten/
dung für TCP (UA-TCP) und für HTTP (OPC-UA Eigenschaften), Methoden, Events und ihren Bezie-
WebServices). In Zukunft – wenn sich neue Tech- hungen zu anderen Objekten.
nologien etablieren – können weitere Abbildungen Die Eigenschaften der Knoten werden durch OPC-
spezifiziert werden ohne das OPC-UA Modell und UA definierte Attribute beschrieben. Attribute sind
die Services zu ändern. Die Abbildungen basieren die einzigen Elemente eines Servers, die Datenwerte
ausschließlich auf standardisierten Basisprotokol- haben. Die Datentypen der Attribute können einfach
len die auf allen bekannten Plattformen bereits oder auch komplex sein.
existieren. OPC-UA ermöglicht die Modellierung beliebiger Ob-
jekt- und Variablentypen und Beziehungen zwischen
➞ Die
folgenden Ebenen sind Realisierungen für diesen. Die Semantik wird vom Server im Adress-
dedizierte Plattformen und Sprachen. Die OPC raum angezeigt und kann von Clients (beim Navigie-
Foundation selbst bietet drei solche Realisierun- ren) erfasst werden. Typdefinitionen können standar-
gen an, nämlich für Java, .NET und AnsiC/C++. disiert oder herstellerspezifisch sein. Jeder Typ wird
Die letzte Variante enthält eine Plattform-Adapti- von der Organisation identifiziert, die für seine Defini-
onsschicht. tion verantwortlich ist.20 OPC-UA TECHNOLOGIE IM DETAIL
GENERISCHE OPC-UA 2. ALARMS AND CONDITIONS (AC)
INFORMATIONS-MODELLE Dieses Informationsmodell definiert, wie Zustände
Modelle für allgemein gültige Information (z.B. Alar- (Dialoge, Alarme) gehandhabt werden. Eine Zu-
me oder Automatisierungsdaten) sind bereits durch standsänderung löst ein Event aus. Clients können
OPC-UA spezifiziert. Andere Informationsmodelle sich für solche Events anmelden und auswählen,
leiten sich davon ab um die allgemeinen Definitionen welche der verfügbaren Begleitwerte sie als Teil des
weiter zu spezialisieren. Clients, die gegen die allge- Eventreports erhalten wollen (z.B. Meldungstext,
meinen Modelle programmiert sind, können daher in Quittierverhalten).
gewissen Umfang auch die spezialisierten Modelle
bearbeiten. 3. HISTORICAL ACCESS (HA)
HA ermöglicht dem Client Zugriff auf historische Va-
1. DATA ACCESS (DA) riablenwerte und Events. Er kann diese Daten lesen,
Data Access, kurz DA, beschreibt die Modellierung schreiben oder ändern. Die Daten können sich in ei-
von Automatisierungsdaten. Es beinhaltet unter an- ner Datenbank, in einem Archiv oder in einem ande-
derem die Definition von analogen und diskreten Va- ren Speicher befinden. Vielfältige Aggregatfunktio-
riablen, Engineering Units und Quality Codes. Daten- nen erlauben eine Vorverarbeitung im Server.
quellen sind Sensoren, Regler, Positionsgeber etc.
und können entweder über direkt am Gerät liegende 4. PROGRAMS
I/O’s oder über serielle Verbindungen und Feldbusse Ein ‚Program‘ repräsentiert eine komplexe Aufgabe,
auf entfernten Geräten angeschlossen werden. wie den Betrieb und die Bedienung von Batch Pro-
zessen. Jedes Programm stellt sich durch einen Zu-
standsautomaten dar; die Zustandsübergänge lösen
Meldungen an den Client aus.
Boiler 1
Pipe1001 FC1001
FT1001 Measurement
Signal
DataItem
ControlOut
Valve1001 Signal
FlowTo
DataItem Setpoint
Drum1001 LC1001
LI1001 Measurement Executes
Signal
FlowTo
DataItem
Signal ControlOut
Pipe1002
FT1002 Setpoint Executes
Signal
DataItem CC1001
Input1
Signal
Executes
Signal
Input2
Input3
ControlOut ControlModule
Beispielhafte UA-Modellierung eines Kessels21
TECHNOLOGIE-SPEZIFISCHE
INFORMATIONS-MODELLE Zurzeit gibt es oder entstehen folgende
Etliche Standardisierungsgremien der Leittechnik/ Companion Standards:
Automatisierungstechnik erstellen technologie-spe-
zifische Informationsmodelle. IEC61804 (EDDL), ISA ➞O
PC-UA for Devices
SP 103 (Field Device Tool), ISA-S88, ISA-S95, und (IEC 62541-100)
IEC-TC57-CIM seien als Beispiele genannt. Diese
Spezifikationen sind wichtig, da sie jeweils die Be- ➞O
PC-UA for Analyser Devices
zeichnungen von Einheiten, Relationen und Arbeits-
abläufen bestimmter Wissensgebiete vereinheitli- ➞O
PC-UA for Field Device Integration
chen.
Schon frühzeitig hat die OPC Foundation bei der ➞O
PC-UA for Programmable Controllers
Entwicklung des neuen Standards auf die Zusam- based on IEC61131-3
menarbeit mit anderen Organisationen gesetzt. In
gemeinsamen Arbeitsgruppen mit diesen Organisati- ➞O
PC-UA for Enterprise and Control
onen werden Abbildungsregeln für deren Informati- Systems based on ISA 95
onsmodelle auf OPC-UA spezifiziert (= Companion
Standards). ➞O
PC-UA for Machine Tool Connectivity
(MTConnect)
➞O
PC-UA for AutoID (AIM)
➞O
PC-UA for BACnet (Building Automation)
INDUSTRIE 4.0: AUSBLICK
OPC-UA ist ein ausgereifter Standard, durch den Obwohl bereits verschiedene wichtige Informati-
die Anforderungen von Industrie 4.0 bzgl. seman- onsmodelle existieren, gibt es hier noch Hand-
tischer Interoperabilität gelöst werden können. lungsbedarf:
OPC-UA stellt Protokoll und die Services bereit ➞W ie geben sich z.B. ein „Temperatursensor“
(das „Wie”), um reichhaltige Informationsmodelle oder eine „Ventilsteuerung“ zu erkennen?
(das “Was”) zu publizieren und komplexe Daten ➞W elche Objekte, Methoden, Variablen und
zwischen unabhängig entwickelten Anwendun- Ereignisse definieren die Schnittstelle für
gen auszutauschen. Konfiguration, Initialisierung, Diagnose und
Laufzeit.Sie können auch lesen
