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.
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.
Modelle
Mit Hilfe von Modellen legt OPC UA grundlegende Regeln für die Freigabe von Daten für jede Anwendung oder jedes Gerät, das diese Daten nutzen möchte, fest. OPC UA selbst ist ein informationszentriertes Datenmodell. Es umfasst ein generisches Objektmodell mit einem erweiterbaren Typensystem mit eingebauten Modellen für den Datenzugriff. Diese eingebauten Modelle definieren Funktionen wie Alarm- und Ereignisinformationen, Informationen über historische Daten, Details zum Datenzugriff, Gerätebeschreibungen und zur Ausführung von Programmen.
Auf Daten kann auch über benutzerdefinierte Modelle zugegriffen werden, die als Begleitmodelle bezeichnet werden. Diese werden in verschiedenen Branchen wie dem Spritzgießmaschinenbau oder der Robotertechnik eingesetzt.
Datenfluss und Verbindungen
OPC UA unterstützt die Kommunikation zwischen Komponenten auf fünf Ebenen in Industrieunternehmen: Unternehmen, Management, Betrieb, Steuerung und Feld (herstellerspezifische Geräte).
Geräte stellen ihre Daten über OPC UA zur Verfügung, was den Transport dieser Informationen über ein Netzwerk zu einer verbrauchenden Anwendung unter Verwendung von Standard-Webdiensten ermöglicht. Die Daten werden mittels IP-basierten Protokollen und SOAP transportiert, wobei Low-End-Server auch UA TCP verwenden können. Die Verwendung von Standard-SOAP-Webdiensten über HTTP ermöglicht es Nicht-OPC UA-Clients, von einem OPC UA-Server veröffentlichte Daten anzufordern.
Überbrückungs- und Gateway-Software, bekannt als OPC UA Wrapper, ermöglicht den Datenfluss auf herstellerspezifischer Hardware zwischen OPC UA-Ebenen. OPC UA Wrapper können auch verwendet werden, um von OPC Classic zu OPC UA zu migrieren, oder wenn ein OPC-Server UA unterstützt, ein OPC-Client jedoch nicht.
Serviceorientierte Architektur (SOA)
OPC UA basiert auf dem SOA-Client-Server-Kommunikationsrahmen. In OPC UA gibt es OPC-UA-Server und OPC-UA-Clients.
Ein OPC-UA-Server versorgt einen OPC-UA-Client mit Anwendungen und Steuerungssystemen, z.B. MES und SCADA, und mit sicherem Zugriff auf industrielle Automatisierungsdaten unter Verwendung von OPC-UA-Informationsmodellen, die die Art und Weise festlegen, wie Daten organisiert, gespeichert und gesammelt werden. Der Begriff OPC-UA-Server bezieht sich auf den OPC-UA-Softwarestandard auf der Maschine, nicht auf die Hardware selbst, die ein virtueller Server sein kann.
Ein OPC-UA-Client ist ein Client, der ein OPC UA-Informationsmodell unterstützen kann. OPC-UA-Clients fragen über OPC-UA-Server Daten von Komponenten in einem System ab und schreiben Daten in diese Komponenten.
SOA-Systeme wie OPC UA integrieren unterschiedliche Anwendungen über ein Netzwerk und verbinden Geräte auf verschiedenen Netzwerkknoten.
Knoten
Ein Knoten ist die Grundeinheit von Daten im OPC-UA-Adressraum, der OPC-UA-Servern eine Standardmethode zur Darstellung von Objekten für OPC-UA-Clients bietet. Knoten sind Informationseinheiten (z. B. eine eindeutige Temperatur) und bestehen aus Attributen, dem eigentlichen Datenwert und einem oder mehreren Verweisen auf andere Knoten, die sich jeweils in einem eigenen Adressraum befinden. Eine eindeutige Temperatur nimmt daher mehrere Adressen in einem Adressraum ein.
Knoten werden durch eine eindeutige Knoten-ID referenziert: durch einen Namespace-URI (eindeutiger Ressourcenbezeichner), einen Datentyp und den Bezeichner selbst. Jeder Knoten gehört zu einem bestimmten Namespace. Der Namespace-URI befindet sich in einer separaten Namespace-Tabelle auf dem OPC-UA-Server. Die Namespace-Tabelle speichert separate URIs für Informationsmodelle, die von einzelnen Organisationen verwendet werden, die ihre eigenen Anforderungen an das Aussehen und Verhalten von Daten haben. Dies ermöglicht es OPC UA, seine Dienste zu erweitern, ohne das zugrunde liegende Design des Standards zu verändern.
In OPC UA haben die Knoten mehrere Klassen, die die Erstellung von Varianten des Basisknotens ermöglichen. Es gibt acht Kernknotenklassen in OPC UA, darunter Objekte (physische Einheiten), Methoden (Funktionen, die bei Abfragen Daten speichern) und Variablen (tatsächliche Daten).
Objektknotenklassen in OPC UA sind der Schlüssel zur Erstellung komplexer Daten und zur Unterscheidung zwischen ähnlichen, aber unterschiedlichen Objekten, z. B. einem Temperatursensor für eine Klimaanlage und einem Temperatursensor für einen Heizkessel.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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- https://opcfoundation.org/about/what-is-opc/
- https://opcfoundation.org/about/opc-technologies/opc-ua/
- https://github.com/uaf/uaf#:~:text=The%20Unified%20Architecture%20Framework%20(UAF,reliable%20and%20scalable%20industrial%20communication.
- https://opcfoundation.org/developer-tools/specifications-unified-architecture
- https://www.opc-router.de/was-ist-opc-ua/#OPC-Spezifikationen
- https://opcconnect.opcfoundation.org/2017/12/a-beginners-guide-to-opc/
- https://www.ge.com/digital/documentation/ifix/version61/Subsystems/OPCUASVR/OPCUASVR.htm#opcua_limitations_of_the_opc_ua_server.htm
- https://www.linkedin.com/pulse/how-opc-ua-works-its-role-industrial-iot-kudzai-manditereza/
- https://opcfoundation.org/resources/case-studies/
- https://www.youtube.com/watch?v=E2XJfmAEdqw
- https://www.youtube.com/watch?v=f5oPEVhZFug
- http://wiki.opcfoundation.org/index.php/UA_Overview
- https://profinetuniversity.com/industrial-automation-ethernet/opc-ua-profinet/#:~:text=Historically%2C%20the%20two%20protocols%20have,%2C%20MES%2C%20and%20SCADA%20systems.
- https://cdn2.hubspot.net/hubfs/1803671/OPC_FAQ_V2/Beginners_Guide_to_OPC_V2.pdf?utm_campaign=OPC%20FAQs%20Guide%202019&utm_medium=email&_hsmi=69152458&_hsenc=p2ANqtz-_sDEjA0vNuQxKV-BqI7PyIIyjFiSAsNEjy7k2J4UEVwH0fAlskkvH7ZoRvqSzUmXYa5a3CXnJXi1KcEvp-87B1fn2VCg&utm_content=69152458&utm_source=hs_automation
- https://www.youtube.com/watch?v=OQC_kVYisS8
- https://www.prosysopc.com/opc-ua/
- https://www.ni.com/en-za/innovations/white-papers/12/why-opc-ua-matters.html#section--969889117
- https://www.matrikonopc.com/portal/
- https://www.manufacturingtomorrow.com/article/2020/07/iiot-protocols-comparing-opc-ua-to-mqtt/15534
- https://blog.paessler.com/monitoring-converged-industrial-it-infrastructure
- https://www.paessler.com/it-explained/mqtt
- https://blog.paessler.com/showdown-in-industry-4.0
- https://blog.paessler.com/why-opc-ua-will-revolutionize-industrial-automation-in-the-coming-years
- https://www.paessler.com/industrial-it-monitoring