OPC UA - Der Kommunikationsstandard für Industrie 4.0

OPC Unified Architecture (OPC UA) hat sich als der führende Kommunikationsstandard für die industrielle Digitalisierung etabliert. In diesem umfassenden Leitfaden erfahren Sie alles über die technischen Grundlagen, Sicherheitsaspekte und praktischen Anwendungen von OPC UA in modernen Manufacturing-Umgebungen. Wir zeigen, wie dieser Standard mit Ihrem MES-System zusammenarbeitet und welche messbaren Vorteile er für Ihre Produktions-KPIs liefert.

Was ist OPC UA?

OPC Unified Architecture (OPC UA) ist ein herstellerunabhängiger, plattformübergreifender Kommunikationsstandard, der von der OPC Foundation entwickelt wurde. Als Nachfolger des klassischen OPC Standards (OPC Classic) wurde OPC UA speziell konzipiert, um die nahtlose Kommunikation zwischen Geräten, Maschinen und Systemen unterschiedlicher Hersteller in industriellen Umgebungen zu ermöglichen.

Im Gegensatz zum Vorgänger ist OPC UA nicht mehr an das Windows-Betriebssystem und dessen COM/DCOM-Technologie gebunden, sondern basiert auf einer serviceorientierten Architektur (SOA), die auf offenen Internet-Standards wie TCP/IP und HTTP aufbaut. Dadurch wird OPC UA plattformunabhängig und kann auf verschiedensten Systemen – von eingebetteten Steuerungen über industrielle PCs bis hin zu Cloud-Umgebungen – implementiert werden.

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Der Standard ermöglicht nicht nur den Transport von Daten zwischen verschiedenen Systemen, sondern auch die semantische Beschreibung dieser Daten. Das bedeutet, dass OPC UA nicht nur Maschinendaten überträgt, sondern auch deren Bedeutung und Zusammenhänge – ein wesentlicher Aspekt für die intelligente Vernetzung im Rahmen von Industrie 4.0.

Kernmerkmale von OPC UA:

• Plattformunabhängigkeit: Funktioniert auf verschiedenen Betriebssystemen und Hardware-Plattformen
• Skalierbarkeit: Anwendbar von Mikrocontrollern bis zu komplexen Cloud-Systemen
• Einheitliches Datenmodell: Stellt Informationen in einem einheitlichen, erweiterbaren Format dar
• Integrierte Sicherheit: Umfassendes Sicherheitskonzept mit Authentifizierung, Verschlüsselung und Zertifikaten
• Service-orientierte Architektur: Ermöglicht komplexe Dienste und flexible Erweiterungen
• Herstellerunabhängigkeit: Offener Standard, der von allen führenden Industrieautomatisierungsunternehmen unterstützt wird

Die Architektur von OPC UA

Die Architektur von OPC UA ist in mehrere Schichten unterteilt, die eine modulare und erweiterbare Struktur ermöglichen. Diese Schichtarchitektur macht OPC UA so flexibel und zukunftssicher.

Schichtaufbau von OPC UA

1. Transportschicht: Definiert die Kommunikationsprotokolle (binäres Protokoll über TCP oder HTTPS/SOAP)
2. Sicherheitsschicht: Implementiert Authentifizierung, Verschlüsselung und Signierung
3. Codierungsschicht: Zuständig für die Serialisierung der Daten (binär oder XML)
4. Informationsmodellschicht: Definiert die Datenmodelle und semantischen Zusammenhänge
5. Service-Schicht: Stellt die Funktionalitäten und Dienste bereit

Der OPC UA Standard besteht aus insgesamt 14 Teilspezifikationen, die unterschiedliche Aspekte des Standards definieren:

1. Concepts: Überblick und Grundkonzepte
2. Security Model: Sicherheitskonzept
3. Address Space Model: Definition des Adressraummodells
4. Services: Beschreibung der Dienste
5. Information Model: Grundlegendes Informationsmodell
6. Mappings: Abbildung auf Transportprotokolle
7. Profiles: Definition von Konformitätsprofilen
8. Data Access: Zugriff auf aktuelle Daten
9. Alarms and Conditions: Alarme und Bedingungen
10. Programs: Ausführung von Programmen
11. Historical Access: Zugriff auf historische Daten
12. Discovery: Erkennung von OPC UA Servern
13. Aggregates: Aggregation von Daten
14. PubSub: Publish-Subscribe-Kommunikationsmodell

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Adressraummodell von OPC UA

Das Adressraummodell ist ein zentrales Element von OPC UA. Es beschreibt, wie Daten, Objekte und ihre Beziehungen zueinander organisiert und dargestellt werden. Im Gegensatz zum hierarchischen Modell von OPC Classic verwendet OPC UA ein objektorientiertes Modell, das als volles Mesh-Netzwerk von Knoten (Nodes) aufgebaut ist.

Jeder Node kann verschiedene Attribute, Methoden und Ereignisse besitzen und mit anderen Nodes in Beziehung stehen. Dieses Konzept ermöglicht eine viel umfassendere und flexiblere Darstellung von komplexen Datenstrukturen und Systemen.

Die wichtigsten Node-Klassen sind:

• Object: Repräsentiert physische oder logische Komponenten
• Variable: Enthält Datenwerte
• Method: Funktionen, die aufgerufen werden können
• ObjectType: Definiert Objekttypen
• VariableType: Definiert Variablentypen
• ReferenceType: Definiert Beziehungstypen zwischen Nodes
• DataType: Definiert Datentypen
• View: Definiert Teilmengen des Adressraums

OPC UA vs. OPC Classic: Die wichtigsten Unterschiede

OPC UA stellt eine grundlegende Weiterentwicklung gegenüber OPC Classic dar. Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Unterschiede:

Die Migration von OPC Classic zu OPC UA wird durch spezielle Wrapper und Proxies unterstützt, die eine Kommunikation zwischen beiden Welten ermöglichen. Dies erleichtert den schrittweisen Übergang zu OPC UA in bestehenden Anlagen.

Sicherheitskonzept von OPC UA

Das Sicherheitskonzept von OPC UA wurde von Grund auf entwickelt, um den hohen Anforderungen moderner industrieller Anwendungen gerecht zu werden. Es basiert auf bewährten Sicherheitsstandards und -technologien und wurde vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) als sicher eingestuft.

Sicherheitsebenen

Das OPC UA Sicherheitskonzept umfasst mehrere Ebenen:

1. Transportebene: Sichere Kommunikationskanäle über TCP oder HTTPS
2. Kommunikationsebene: Verschlüsselung und Signierung von Nachrichten
3. Anwendungsebene: Authentifizierung und Autorisierung von Anwendungen und Benutzern

Sicherheitsmechanismen

Folgende Sicherheitsmechanismen werden in OPC UA implementiert:

• Authentifizierung: Verwendung von X.509-Zertifikaten zur Identifikation von Clients und Servern
• Verschlüsselung: Symmetrische und asymmetrische Verschlüsselung der Kommunikation
• Signierung: Digitale Signaturen zur Sicherstellung der Datenintegrität
• Sitzungsverwaltung: Sichere Sitzungen mit Zeitbegrenzung und Überwachung
• Zugriffsrechte: Feingranulare Kontrolle des Zugriffs auf Nodes und Dienste
• Audit-Logging: Protokollierung sicherheitsrelevanter Ereignisse

Die Sicherheitsoptionen in OPC UA sind flexibel konfigurierbar, sodass ein Kompromiss zwischen Sicherheit und Performance gefunden werden kann, der den jeweiligen Anforderungen entspricht. Dabei gilt jedoch: Je höher die Sicherheitsanforderungen, desto höher ist auch der Overhead für die Kommunikation.

BSI-Sicherheitsanalyse

Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) hat eine umfassende Sicherheitsanalyse von OPC UA durchgeführt. Das Ergebnis dieser Analyse bestätigt, dass OPC UA unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten entwickelt wurde und keine systematischen Sicherheitslücken enthält. Die Studie ist öffentlich verfügbar und bietet wertvolle Einblicke in die Sicherheitsarchitektur von OPC UA.

OPC UA Client-Server-Modell

Das Client-Server-Modell ist das ursprüngliche Kommunikationsmodell von OPC UA und bildet die Grundlage für den Datenaustausch zwischen Anwendungen und Geräten.

OPC UA Server

Ein OPC UA Server ist eine Anwendung, die Daten, Methoden und Ereignisse für Clients bereitstellt. Der Server definiert den Adressraum, der die verfügbaren Daten und Funktionen repräsentiert, und implementiert die OPC UA-Dienste, die von Clients genutzt werden können.

OPC UA Server können in verschiedenen Formen implementiert werden:

• Embedded Server: Direkt in Geräten oder Steuerungen implementiert
• Standalone Server: Eigenständige Anwendung auf einem PC oder Server
• Gateway Server: Verbindet bestehende Systeme mit OPC UA

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OPC UA Client

Ein OPC UA Client ist eine Anwendung, die auf die von einem OPC UA Server bereitgestellten Daten und Dienste zugreift. Clients können Daten lesen und schreiben, Methoden aufrufen, Ereignisse abonnieren und den Adressraum durchsuchen.

Typische OPC UA Clients sind:

• HMI/SCADA-Systeme: Zur Visualisierung und Steuerung von Prozessen
• MES-Systeme: Zur Produktionsplanung und -überwachung
• Analysetools: Zur Auswertung von Prozessdaten
• ERP-Systeme: Zur Integration von Produktionsdaten in die Unternehmensplanung

OPC UA Dienste

OPC UA definiert eine Reihe von Diensten (Services), die von Clients genutzt werden können, um mit Servern zu interagieren:

• Discovery Services: Zum Auffinden von OPC UA Servern
• SecureChannel Services: Zum Aufbau sicherer Kommunikationskanäle
• Session Services: Zur Verwaltung von Benutzersitzungen
• NodeManagement Services: Zur Verwaltung von Nodes im Adressraum
• View Services: Zum Navigieren im Adressraum
• Attribute Services: Zum Lesen und Schreiben von Node-Attributen
• Method Services: Zum Aufrufen von Methoden
• Monitored Item Services: Zur Überwachung von Datenänderungen
• Subscription Services: Zum Abonnieren von Datenänderungen und Ereignissen

OPC UA PubSub-Modell

Als Ergänzung zum Client-Server-Modell wurde mit der Spezifikation Part 14 das Publish-Subscribe-Modell (PubSub) eingeführt. Dieses Modell ermöglicht eine effizientere Kommunikation in Szenarien mit vielen Teilnehmern und ist besonders für IoT-Anwendungen und Cloud-Integration geeignet.

Grundkonzept des PubSub-Modells

Im PubSub-Modell senden Publisher Daten (Nachrichten), ohne zu wissen, welche Subscriber diese Daten empfangen. Subscriber abonnieren bestimmte Arten von Daten, ohne zu wissen, von welchen Publishern diese stammen. Diese Entkopplung von Sendern und Empfängern ermöglicht eine höhere Skalierbarkeit und Flexibilität.

Kommunikationsmuster

OPC UA PubSub unterstützt zwei Kommunikationsmuster:

1. Broker-basierte Kommunikation: Publisher senden Nachrichten an einen zentralen Broker, der sie an die entsprechenden Subscriber weiterleitet. Typische Broker-Protokolle sind MQTT und AMQP.
2. Broker-lose Kommunikation: Publisher senden Nachrichten direkt an eine Multicast-Gruppe, aus der die Subscriber die relevanten Nachrichten auswählen. Dies wird typischerweise über UDP-Multicast implementiert.

Vorteile des PubSub-Modells

• Skalierbarkeit: Effiziente Kommunikation mit vielen Teilnehmern
• Einfachere Netzwerkkonfiguration: Weniger Verbindungen und Ports erforderlich
• Loose Coupling: Unabhängigkeit von Publishern und Subscribern
• Effizienz: Geringerer Overhead durch optimierte Protokolle
• Cloud-Integration: Nahtlose Integration mit Cloud-Diensten und IoT-Plattformen

OPC UA Companion Specifications

Die OPC Foundation arbeitet mit verschiedenen Branchenverbänden und Standardisierungsorganisationen zusammen, um spezifische Informationsmodelle für bestimmte Anwendungsbereiche zu entwickeln. Diese als Companion Specifications bezeichneten Erweiterungen definieren standardisierte Datenmodelle für spezifische Industriezweige oder Gerätetypen.

Wichtige Companion Specifications

• OPC UA for Machinery (umati): Für Werkzeugmaschinen und Fertigungsanlagen
• OPC UA for Robotics (AutomationML): Für Robotik und Automatisierung
• OPC UA for Analyzer Devices (ADI): Für Analysegeräte in der Prozessindustrie
• OPC UA for FDI: Für Feldgeräteinformation in der Prozessautomation
• OPC UA for Euromap 77: Für Spritzgussmaschinen
• OPC UA for PackML: Für Verpackungsmaschinen
• OPC UA for PLCopen: Für standardisierte SPS-Programmierung
• OPC UA for AutoID: Für Auto-ID-Systeme wie RFID

Vorteile der Companion Specifications

Die Companion Specifications bieten zahlreiche Vorteile für Hersteller und Anwender:

• Standardisierte Semantik: Einheitliche Bedeutung von Daten und Funktionen
• Plug-and-Produce: Einfache Integration von Geräten verschiedener Hersteller
• Reduzierter Engineering-Aufwand: Weniger Anpassungen bei der Integration
• Verbesserte Interoperabilität: Nahtlose Zusammenarbeit von Systemen unterschiedlicher Hersteller
• Zukunftssicherheit: Langfristige Unterstützung durch Branchenverbände

OPC UA in der Praxis: Performance und KPI-Optimierung

OPC UA ist nicht nur ein technischer Standard, sondern ein strategisches Werkzeug zur Verbesserung der Produktions-KPIs (Key Performance Indicators) in Manufacturing-Umgebungen.

Einfluss auf wichtige Manufacturing-KPIs

Performance-Aspekte von OPC UA

OPC UA bietet verschiedene Mechanismen zur Optimierung der Performance:

• Binäre Codierung: Effizienter als XML-Codierung, besonders für ressourcenbeschränkte Geräte
• Datenkomprimierung: Reduzierung des Datenvolumens für Netzwerke mit begrenzter Bandbreite
• Subscriptions mit Deadband: Reduzierung der Datenübertragung durch Filtering
• Aggregation von Daten: Zusammenfassung von Daten zur Reduzierung des Kommunikationsaufwands
• Browsing mit Filtern: Effiziente Navigation im Adressraum
• Optimierte Sicherheitseinstellungen: Anpassung an die tatsächlichen Sicherheitsanforderungen

Bei der Implementierung von OPC UA ist es wichtig, die richtigen Parameter für die jeweilige Anwendung zu wählen, um eine optimale Balance zwischen Performance, Funktionalität und Sicherheit zu erreichen.

Integration mit MES und Cloud-Systemen

OPC UA spielt eine zentrale Rolle bei der vertikalen Integration von Produktionssystemen mit übergeordneten MES- und ERP-Systemen sowie mit Cloud-Plattformen.

OPC UA und MES-Integration

Manufacturing Execution Systems (MES) benötigen Echtzeitdaten aus der Produktion, um ihre Aufgaben effektiv erfüllen zu können. OPC UA bietet hierfür eine standardisierte Schnittstelle mit folgenden Vorteilen:

• Einheitlicher Datenzugriff: Konsistente Schnittstelle zu verschiedenen Produktionssystemen
• Semantische Datenmodelle: Verständnis der Bedeutung der Daten
• Bidirektionale Kommunikation: Nicht nur Datenerfassung, sondern auch Steuerung
• Historische Daten: Zugriff auf vergangene Produktionsdaten
• Ereignisbasierte Kommunikation: Effiziente Benachrichtigung bei Zustandsänderungen
• Skalierbarkeit: Unterstützung für kleine und große Produktionsumgebungen

Cloud-Integration mit OPC UA

Für die Integration mit Cloud-Plattformen bietet OPC UA verschiedene Optionen:

1. OPC UA PubSub mit MQTT: Effiziente Übertragung von Daten an Cloud-Plattformen über MQTT
2. OPC UA PubSub mit AMQP: Alternative zu MQTT mit erweiterten Enterprise-Features
3. OPC UA über Websockets: Direkte Integration in Web-Anwendungen
4. OPC UA Gateways: Spezialisierte Gateways für die Cloud-Integration, wie z.B. AWS IoT Greengrass oder Azure IoT Edge

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Viele Cloud-Anbieter bieten spezielle Integrationen für OPC UA:

• Microsoft Azure: Azure IoT Edge mit OPC Publisher
• AWS: AWS IoT Greengrass mit OPC UA Connector
• Google Cloud: IoT Core mit OPC UA Integration
• Siemens MindSphere: OPC UA Connector
• ABB Ability: OPC UA Integration

Architekturmuster für die Integration

Je nach Anforderungen können verschiedene Architekturmuster für die Integration von OPC UA mit MES und Cloud-Systemen verwendet werden:

1. Direct Integration: Direkte Verbindung zwischen OPC UA Servern und MES/Cloud
2. Edge Computing: Vorverarbeitung der Daten am Netzwerkrand
3. Industrial IoT Gateway: Spezialisierte Gateways für die Integration
4. Hybrid Approach: Kombination von direkter Integration und Edge Computing

Die Wahl des richtigen Architekturmusters hängt von Faktoren wie Datenmenge, Latenzanforderungen, Sicherheitsrichtlinien und vorhandener Infrastruktur ab.

OPC UA over TSN für Echtzeit-Anwendungen

Für Anwendungen mit strengen Echtzeitanforderungen wurde OPC UA um TSN (Time-Sensitive Networking) erweitert, eine Reihe von IEEE-Standards für deterministische Kommunikation in Ethernet-Netzwerken.

Was ist TSN?

TSN ermöglicht deterministische Kommunikation mit garantierten Latenz- und Jitter-Werten über Standard-Ethernet. Dies wird durch spezielle Mechanismen wie Zeitsynchronisation, Scheduling und Priorisierung von Datenströmen erreicht.

Vorteile von OPC UA over TSN

Die Kombination von OPC UA mit TSN bietet mehrere Vorteile:

• Deterministische Kommunikation: Garantierte Übertragungszeiten für kritische Daten
• Konvergentes Netzwerk: Ein einziges Netzwerk für Echtzeit- und nicht-Echtzeit-Daten
• Standardisierte Technologie: Basierend auf offenen Standards statt proprietärer Lösungen
• Skalierbarkeit: Von kleinen Systemen bis hin zu großen, komplexen Anlagen
• Zukunftssicherheit: Unterstützung für zukünftige Anwendungen und Anforderungen

Anwendungsbereiche

OPC UA over TSN eignet sich besonders für Anwendungen mit hohen Echtzeitanforderungen:

• Motion Control: Präzise Steuerung von Bewegungen in Maschinen und Robotern
• Synchronisierte Fertigung: Koordination mehrerer Maschinen in Echtzeit
• Safety-Anwendungen: Sicherheitskritische Anwendungen mit schnellen Reaktionszeiten
• Distributed Control: Verteilte Steuerungssysteme mit enger Koordination

Implementierungsstrategien für OPC UA

Die erfolgreiche Implementierung von OPC UA erfordert eine durchdachte Strategie, die zu den spezifischen Anforderungen und Rahmenbedingungen des Unternehmens passt.

Implementierungsansätze

1. Greenfield-Implementierung: Implementierung von OPC UA in neuen Anlagen
2. Brownfield-Implementierung: Integration von OPC UA in bestehende Anlagen
3. Hybrid-Implementierung: Kombination von OPC UA mit bestehenden Protokollen

Schritte zur Implementierung

Ein typischer Implementierungsprozess umfasst folgende Schritte:

1. Analyse und Planung:
   • Bestandsaufnahme der bestehenden Systeme
   • Definition der Anforderungen und Ziele
   • Auswahl der geeigneten OPC UA Komponenten und Funktionen
   • Entwicklung einer Architektur
2. Pilotprojekt:
   • Implementierung in einem begrenzten Bereich
   • Validierung der Architektur und Technologie
   • Sammlung von Erfahrungen und Best Practices
3. Skalierung und Rollout:
   • Ausweitung auf weitere Bereiche
   • Standardisierung der Implementierung
   • Schulung der Mitarbeiter
4. Betrieb und Weiterentwicklung:
   • Überwachung und Optimierung
   • Erweiterung der Funktionalität
   • Anpassung an neue Anforderungen

Auswahl der richtigen Werkzeuge und Komponenten

Für die Implementierung von OPC UA stehen verschiedene Werkzeuge und Komponenten zur Verfügung:

• OPC UA Stacks und SDKs: Entwicklungswerkzeuge für eigene OPC UA Anwendungen
• OPC UA Server: Für die Bereitstellung von Daten
• OPC UA Clients: Für den Zugriff auf OPC UA Daten
• OPC UA Gateways: Für die Integration bestehender Systeme
• OPC UA Toolkits: Für die Entwicklung von OPC UA Anwendungen
• OPC UA Testing Tools: Für die Validierung der Implementierung

Digitalisierung der Produktion

Der schnelle Weg in die Digitalisierung

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Best Practices für die Implementierung

• Standardisierung: Entwicklung einheitlicher Patterns für die Implementierung
• Modularität: Aufteilung in überschaubare, wiederverwendbare Module
• Sicherheit von Anfang an: Integration von Sicherheitskonzepten von Beginn an
• Performance-Optimierung: Anpassung der Parameter für optimale Performance
• Dokumentation: Umfassende Dokumentation der Implementierung
• Schulung: Ausbildung der Mitarbeiter im Umgang mit OPC UA
• Kontinuierliche Verbesserung: Regelmäßige Überprüfung und Optimierung

Zukunft von OPC UA

OPC UA entwickelt sich kontinuierlich weiter, um den steigenden Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. Mehrere Trends und Entwicklungen prägen die Zukunft von OPC UA:

Aktuelle Entwicklungen

• Field Level Communications (FLC): Erweiterung von OPC UA für die Feldebene
• OPC UA Safety: Integration von funktionaler Sicherheit in OPC UA
• OPC UA Pub/Sub over 5G: Nutzung von 5G für die drahtlose Kommunikation
• Semantic Interoperability: Erweiterung der semantischen Beschreibung
• Cloud Integration: Verbesserte Integration mit Cloud-Plattformen
• Edge Computing: Optimierte Lösungen für Edge-Anwendungen
• KI und Machine Learning: Integration von KI-Methoden in OPC UA

Standardisierungsbemühungen

OPC UA wird zunehmend in internationale Standards integriert:

• IEC 62541: OPC UA als internationaler Standard
• ISO/IEC 21823-4: IoT-Interoperabilität mit OPC UA
• IEC/IEEE 60802: TSN-Profile für industrielle Automatisierung

Industrielle Initiativen

Verschiedene Industrieinitiativen treiben die Weiterentwicklung und Verbreitung von OPC UA voran:

• Open Industry 4.0 Alliance: Förderung der Interoperabilität in der Industrie 4.0
• Industrial Digital Twin Association (IDTA): Integration von OPC UA in Digital Twins
• NAMUR Open Architecture (NOA): Nutzung von OPC UA in der Prozessindustrie
• 5G-ACIA: Integration von OPC UA in 5G-Netzwerke

Fazit

OPC UA hat sich als der führende Kommunikationsstandard für die industrielle Digitalisierung etabliert und bildet eine wesentliche Grundlage für Industrie 4.0 und IIoT-Anwendungen. Seine Plattformunabhängigkeit, das umfassende Sicherheitskonzept, die semantische Datenmodellierung und die kontinuierliche Weiterentwicklung machen OPC UA zu einer zukunftssicheren Technologie für die industrielle Kommunikation.

Die erfolgreiche Implementierung von OPC UA kann zu erheblichen Verbesserungen in Produktivität, Qualität und Flexibilität führen, wie die Auswirkungen auf wichtige Manufacturing-KPIs zeigen. Die Integration von OPC UA mit MES- und Cloud-Systemen ermöglicht eine nahtlose vertikale Integration der Produktionssysteme.