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OPC Unified Architecture (OPC UA)

Was ist OPC UA?

Erfahren Sie in diesem Artikel alles Wichtige zum Thema OPC UA: Was Sie über OPC UA in der Industrie 4.0, die OPC UA Spezifikationen und die OPC UA Sicherheit wissen sollten

Was ist OPC UA?

Der OPC Standard zielte auf die damals verfügbaren Techniken ab und war daher sehr auf Microsoft Technologien ausgelegt. Lange Zeit war das für die industrielle Umgebung akzeptabel, da die Softwaresysteme nahezu ausschließlich darauf basierten. Mit der starken Verbreitung von Internettechnologien wurde dies zunehmend zum Problem und zum Hindernis für eine freie Ausbreitung der Anwendungsfelder. Die OPC Foundation reagierte darauf und spezifizierte eine komplett neue Spezifikation, welche die gleiche Zielsetzung verfolgte aber technologisch ein anderes Fundament hatte. Die neue Spezifikation wurde OPC Unified Architecture (OPC UA) genannt und stand für eine breite Unterstützung von verschiedenen Plattformen und Architekturen.

OPC UA vs. OPC Classic

Die alte OPC Spezifikation “OPC Classic” baute auf den Microsoft COM (Componente Object Model) auf. Ein Objektmodell, das mit seinen Objekten und Methoden sehr hilfreich war, um die komplexe Aufgabe abzubilden. COM spielte sich immer auf einem Microsoft Betriebssystem ab, da es in dessen Kern verankert war. Verteilte OPC Kommunikation wurde über das zugehörige DCOM (Distributed COM) realisiert. Bei DCOM kommunizierten dann zwei Microsoft Betriebssysteme. Aber COM/DCOM machten es aufgrund der Microsoft-Beschränkungen für andere Architekturen nahezu unmöglich an der Kommunikation teilzunehmen.

Der OPC UA Standard hat diese Ebene vollständig ausgetauscht. Die Kommunikation läuft hier über die Standard Internettechnologien TCP/IP und http. Mit diesen Technologien als Basis wird es jeder Plattform möglich, OPC Daten zu konsumieren oder bereitzustellen, wenn sie diese Internettechnologien beherrscht. Und das sind heute fast alle intelligenten Hardware- und Softwaresysteme. Von der Steuerung über Sensoren bis hin zum Mobiltelefon.

1. OPC UA in der Industrie 4.0

Industrie 4.0 war eines der Zukunftsprojekte, die im „Aktionsplan Hightech-Strategie 2020“ der Bundesregierung im Jahr 2010 beschlossen wurden. Dies veranlasste die Wirtschaftsverbände BITKOM, VDMA und ZVEI im Jahr 2013 zur Gründung der gleichnamigen Plattform Industrie 4.0.

Im Jahr 2015 entwickelte die Plattform Industrie 4.0 das Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0, kurz RAMI 4.0, zur Standardisierung des Modells zur Realisierung von Industrie-4.0-Anwendungen. Als wichtiger Bestandteil der Gesamtarchitektur von RAMI 4.0 wird OPC UA als einziger Standard zur Realisierung der Kommunikationsschicht empfohlen. So wurde deutlich gemacht, dass es keine Industrie 4.0 ohne OPC UA geben wird.

2. Von OPC zu OPC UA

OPC Foundation

Mit dem unaufhaltsamen Einzug der Informationstechnologie in den 90er Jahren stieg auch der Bedarf an Daten aus der Maschinenwelt. Automatisierungsanbieter, wie Fisher-Rosemount, Intellution, Opto 22 und Rockwell Software gründeten eine Arbeitsgruppe, um allgemeine Standards für den Datenzugriff zu entwickeln. So wurde die OPC Foundation im Jahr 1996 als formelle Organisation gegründet. Hier wurde sich um die Schlüsselaspekte der Interoperabilität (Vereinbarkeit der offenen Anbindung durch den OPC Standard), Konformität, Validierung und Zertifizierung der OPC-Technologie gekümmert.

Der bestehende Standard OPC Classic bot zum damaligen Zeitpunkt schon separate Spezifikationen für den Austausch von Prozessdaten, Alarmen und historischen Daten. Er arbeitete auf höheren Schichten und nicht auf der Feldebene der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation. Einige Einschränkungen bei OPC Classic waren die Plattformabhängigkeit (Microsoft DCOM), die Anfälligkeit für Angriffe, Dateninkonsistenzen und unzureichend gestaltete Datenmodelle.

Die Entwicklung vom Papier zu den OPC UA Companion Specifications

Infografik Was ist OPC UA?

.Im Jahr 2008 hat die OPC Foundation die gesamte Funktionalität von OPC Classic in ein erweiterbares Framework integriert, das plattformunabhängig ist. Es wurde eine serviceorientierte Architektur eingeführt, die nun als OPC UA – Open Platform Communication Unified Architecture – bekannt ist. Diese Architektur hat sich als die nächste Generation von OPC classic herauskristallisiert und kann sowohl in der Produktionshalle als auch im Unternehmen selbst eingesetzt werden. Sie bietet einen einfacheren Weg, um Objekte, die in der Fabrikhalle vorhanden sind, zu modellieren und sie für existente Unternehmenssysteme verfügbar zu machen. OPC UA hat sich zum unangefochtenen Industrie 4.0 Standard entwickelt.

OPC UA (Open Platform Communication Unified Architecture) ist als sicherer und zuverlässiger Mechanismus für den Informationsaustausch zwischen Unternehmenssystemen entwickelt worden. Einzusetzen auf verschiedenen Hardware-Plattformen und Betriebssystemen, was die Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller ermöglicht.

3. OPC UA Merkmale

OPC UA basiert auf einer erweiterbaren mehrschichtigen Architektur, um nachfolgende Designziele zu erreichen:

 

    1. Funktionale Äquivalenz: Aufbauend auf der OPC Classic Spezifikation
    2. Plattformunabhängigkeit: Von kleinen eingebetteten Mikrocontrollern bis hin zu Cloud-basierten Systemen
    3. Sichere Kommunikation: Grundsätzlich eingebaute Sicherheit und Firewall-freundlich
    4. Erweiterbares Design: Ergänzung neuer Funktionen ohne Beeinträchtigung bestehender Anwendungen möglich
    5. Umfassende Informationsmodellierung: Industrielle vertikale Interoperabilitätsanforderungen

4. OPC UA Informationsmodell

Industrie 4.0-Anwendungen erfordern die Modellierung komplexer mehrschichtiger Strukturen. Diese Strukturen werden benötigt, um Informationen und nicht ausschließlich Daten darzustellen. Dies ist mit den objektorientierten Fähigkeiten von OPC UA und seinem Informationsmodellierungsrahmen möglich. Die Regeln und Bausteine, die erforderlich sind, um ein Informationsmodell mit OPC UA zu modellieren und darzustellen, sind in einem Informationsmodellierungs-Framework definiert. OPC UA definiert bereits mehrere generische Kernmodelle, die in vielen Branchen eingesetzt werden können.

Für die Szenarien, in denen generische Modelle nicht ausreichen, können darauf auch kunden- bzw. branchenspezifische Informationsmodelle aufgebaut und über Standardmechanismen offengelegt werden:

 

    • Durchsuchen von Modellinstanzen und deren Referenzen
    • Lesen/Schreiben von aktuellen und historischen Daten
    • Benachrichtigung über Datenänderungen und Ereignisse
    • Ausführen von Methoden

5. OPC UA Client Server

Alle genannten Arten des Zugriffs auf das Informationsmodell sind möglich, wenn der Client/Server-Kommunikationsmechanismus über die vom OPC UA Server unterstützten Dienste verwendet wird. In diesem Fall empfängt der OPC UA Server Anfragen vom OPC UA Client, verarbeitet diese Anfragen und sendet die Antwort mit den Ergebnissen zurück an den Client.

6. OPC UA Spezifikationen

OPC UA integriert als plattformunabhängige, serviceorientierte Architekturspezifikation alle Funktionen der bestehenden OPC Classic Spezifikationen und bietet zudem einen Migrationspfad zu einer sichereren und skalierbaren Lösung mit Erweiterungen in diesem Bereich. Bei OPC Classic wurden schrittweise Ergänzungen zum Standard geschaffen, die auf spezielle Anwendungsbereiche ausgelegt waren:

  • OPC DA (OPC Data Access) für den Datenzugriff
  • OPC A&E (Alarm&Events) zur Standardisierung von Alarmierungen
  • OPC HDA (Historical Data Access) zur standardisierten Bereitstellung historischer Daten

Die OPC UA Spezifikation fassen diese Bereiche alle unter einer Spezifikation zusammen und sind als Teilspezifikationen definiert. Diese beschreiben, welche Schnittstellen von Server und Client für diese Funktion bereitgestellt werden müssen, um diese zu unterstützen.

Die Grafik zeigt, welche Teilspezifikationen die OPC UA Architektur beinhaltet.

Was ist OPC UA_OPC UA Teilspezifikationen

Grundsätzlich müssen von OPC Servern und OPC Clients nicht alle Spezifikationen unterstützt werden. In vielen Anwendungsfällen sind nur einzelne Spezifikationen programmiert. Sollen also OPC Server oder auch OPC Clients eingesetzt werden, sollte beachtet werden, welche Spezifikationen tatsächlich benötigt werden und welche vom Server und welche vom Client umgesetzt werden sollen.

7. OPC UA Transport

Die OPC UA Architektur unterstützt zwei Transportprotokolle – zum einen das Binärprotokoll über TCP und zum anderen die Verwendung von Webservices. Die Kommunikation über TCP bietet die beste Performance und benötigt nur wenige Ressourcen zur Implementierung. Diese minimalistische Ausrichtung ist wichtig für Micro Embedded Devices und bietet gleichzeitig die beste Interoperabilität. Das Web Service Protokoll (SOAP) wird von Java- oder .NET-Umgebungen unterstützt und ist Firewall-freundlich, da es Standard-HTTP(S)-Ports verwendet.

8. OPC UA Sicherheit

OPC UA hat den Punkt „Sicherheit“ von Grund auf implementiert (mehr dazu in unserem Beitrag Das Sicherheitskonzept von OPC UA umgesetzt im KepServerEX“) und unterstützt u.a.:

    • Sitzungsverschlüsselung auf verschiedenen Verschlüsselungsebenen
    • Nachrichtensignierung, um den Ursprung und die Integrität von Nachrichten zu verifizieren
    • Sequenzierung von Paketen zum Schutz vor Nachrichtenwiederholungsattacken

OPC UA unterstützt auch die Authentifizierung auf OPC UA Clients und Servern, sowohl auf der Anwendungs- als auch auf der Systemebene sowie eine Zugriffskontrolle auf der Benutzerebene. Darüber hinaus können alle Benutzer-, Anwendungs- und Systemaktivitäten für Audit-Anforderungen protokolliert werden.

9. OPC UA Zertifizierung

Zertifizierte OPC UA Produkte stellen sicher, dass End-Anwender ihre Systemintegrationskosten beim Einsatz von OPC-basierten Systemen minimieren können. Die Zertifizierung garantiert, dass die Produkte die Anforderungen der OPC Foundation an Interoperabilität, Zuverlässigkeit und Mindestleistung erfüllen. Basierend auf dem Grad der implementierten Funktionalität gibt es vier Profile, nach denen OPC UA Server für die Zertifizierung geprüft werden können:

 

    • Nano Embedded Device Server (geeignet für kleinste Sensoren)
    • Micro Embedded Device Server (geeignet für preiswerte Steuerungen)
    • Embedded UA Server (geeignet für leistungsfähigere SPSen und Edge Gateways)
    • Standard UA Server (vollwertige Implementierung, die alle Funktionen unterstützt)

10. Embedded OPC UA

Embedded OPC UA SDKs (Software Development Kits) sind darauf ausgerichtet, OPC UA Implementierungen zu ermöglichen, die einen sehr geringen Speicherverbrauch haben und CPU Ressourcen schonen. Dies ist besonders wichtig bei der Entwicklung einer Implementierung auf einem ressourcenbeschränkten Embedded Target wie z.B. einem ARM Cortex M4.

Fazit

In den letzten Jahren entwickelten sich immer mehr und mehr Anwendungen, die die Anbindung über OPC UA realisiert haben. IoT und IIoT, sowie Cloud-Computing und Virtual Reality wären ohne diesen Industrie 4.0 Standard kaum denkbar und die Entwicklung geht weiter. Für jedwede Art von Konnektivität ist OPC UA eine praktikable und sehr einfache Lösung, die bereits einen großen Teil der Industrieunterstützung bietet und sich in unzähligen realen Anwendungen bewährt hat.

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