OPC UA | Bestellt das Feld von Morgen

Wenn es nach den Machern des OPC UA Standards geht, sollen proprietäre Netzwerk Protokolle bald der Vergangenheit angehören. Immer mehr Hersteller von Kommunikationstechnik bieten schon Produkte mit herstellerunabhängiger OPC UA Anbindung an. Wie der aktuelle Stand der Zukunftstechnologie ist und welche Produktneuheiten hierzu auf den Markt kommen, erfahren Sie hier.

Inhalt

• OPC UA – offen für alle
• Produkte mit OPC UA-Anbindung
• Neuigkeiten zu OPC UA
  • PI verkündet OPC UA Companion Spezifikation für Profinet
  • Technische Arbeiten an OPC UA Safety abgeschlossen
  • Ein Kommunikationsstandard für Auto ID-Geräte
  • OPC UA TSN Etablierung schreitet voran – Video
• Häufig gestellte Fragen 

OPC UA – offen für alle 

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) wurde entwickelt, um die Protokoll-Vielfalt unter den Feldbussen in die Historie zu schicken. Das wird mehr und mehr notwendig, weil das I IoT (Industrial Internet of Things) die Kommunikation in der Industrie 4.0 Fabrik so komplex macht, dass Netzwerke mit hunderten von Knoten im Feld an der Tagesordnung sind.

Maschinen und Anlagen müssen in der digitalen Produktionshalle mit vielen verschiedenen Netzwerkkomponenten wie Steuerungen, Sensoren, Aktoren etc. über die verschiedenen Feldbusse kommunizieren. Gateways und Switches sorgen für den reibungslosen Austausch, doch Inbetriebnahme und Wartungsaufwand steigen enorm. Und je mehr Akteure im Feld arbeiten, desto fehleranfälliger wird das Gesamtkonstrukt.

Der offene Standard OPC UA wird zusammen mit dem ebenfalls offenen Netzwerkstandard TSN (Time Sensitive Networking) die Feldbustechnik revolutionieren. Mit OPC UA over TSN werden die proprietären Feldbusse auf bis auf vereinzelte spezifische Anwendungen verschwinden, in denen sie dann noch ihre jeweiligen Vorteile ausspielen können.

Produkte mit OPC UA Anbindung

Immer mehr Hersteller bieten ihre Produkte mit OPC UA Schnittstelle an und machen diese damit kommunikationsfähiger. Wir stellen Ihnen hier die Neuentwicklungen vor:

CAQ System

Drehgeber

Edge Computing

Gateway

IO-Link-Master

IO-Modul

PLC-Steuerung

RFID Interface

Servosysteme

Sicherheitsbremse

Sicherheitssteuerung

Temperiergerät

Im Fokus von Regloplas steht die Vernetzung der Temperiergeräte und ihre Integration in den Datenaustausch der industriellen Fertigung. Die Temperiergeräte der neuesten Generation lassen sich über das Kommunikationsprotokoll OPC UA mit Spritzguss- und anderen Kunststoffmaschinen vernetzen und über OPC UA an die zentralen Leit-, PPS-, MES- oder ERP-Systeme der Kunststofffertigung anbinden.

Damit sind die Voraussetzungen für einen durchgängigen Datenaustausch in der hoch automatisierten, digitalisierten Kunststoffverarbeitung geschaffen. Die Integration gilt nicht nur für die bedarfsgerechte Steuerung, sondern auch für die Visualisierung und Datenauswertung: Ein zentrales Dashboard schafft Transparenz im Prozess. Es erlaubt z. B. die Anpassung von Parametern an die aktuellen Anforderungen und visualisiert alle relevanten Prozessdaten.

Jedes Temperiergerät verfügt über einen eigenen OPC Client Server und ist damit uneingeschränkt integrationsfähig z. B. in die PPS-, MES oder ERP-Systeme des Anwenders. Darüber hinaus ist die standardisierte Schnittstelle kompatibel mit weiteren industrieüblichen Protokollen und Bussystemen wie Ethernet/IP, Profibus, Profinet, Modbus, Powerlink. Die Kommunikation kann auch standortübergreifend über Cloud Plattformen erfolgen. 

Neuigkeiten zu OPC UA

Die Akteure der OPC UA Standard Entwicklung beschäftigen sich in Arbeitskreisen, Organisationen oder herstellerübergreifend in den Unternehmen mit dem Voranbringen der Technologie. Wie? Das zeigen nachfolgende Beiträge: 

PI verkündet OPC UA Companion Spezifikation für Profinet

02.06.2020 | Profibus + Profinet International verkündet die erste OPC UA Companion Spezifikation für Profinet. Sie beschreibt ein standardisiertes OPC UA Objektmodel für die Geräte des Kommunikationsstandards. Somit können diese Profinet Geräte unterschiedlichster Hersteller einheitlich Gerätedaten z. B. an Asset-Management-Systeme übergeben.

Durch die Standardisierung lassen sich die Informationen einfacher herstellerübergreifend einsammeln. Dies sei laut PI erst der Anfang der Strategie von PI zur vertikalen Integration.

Viele Industrie 4.0 Anwendungen basieren darauf, in der Betriebsphase einer Anlage Daten aus dem Shopfloor in IT-Systeme und Cloud zu übertragen, wo sie ausgewertet werden. Im einfachsten Fall sind das Geräteinformationen wie Seriennummer oder Firmware eines Geräts. Wenn Netzwerk- oder Gerätediagnosedaten ermittelt werden können, kann das auch wesentlich weiter gehen.

Aufwand und Kosten zur Datengewinnung reduzieren

Daraus lassen sich Wartungs- und Diagnosepläne erstellen oder Verfügbarkeitsaussagen ableiten. PI möchte einen offenen Standard für Profinet-Devices definieren. Er soll die vielfältigsten Informationen in standardisierten Objektmodellen festlegen, die Hersteller in ihre Geräte einfach integrieren und Anlagenbetreiber sowie Systemintegratoren nutzen können. Das reduziere zudem Aufwand und Kosten für die Datengewinnung.

Ethernet APL | Aktueller Stand, Anwendungen und Umsetzung

Dabei spielt es bei der Implementierung keine Rolle, ob sich der OPC Server direkt auf dem Gerät befindet oder ein überlagertes Edge Gateway bzw. eine Steuerung die Daten für mehrere Profinet-Devices aggregiert. Der Nutzer erhält in jedem Fall eine homogene Abbildung der Information. Profinet kommt dabei die grundlegende Eigenschaft zu Gute, dass neben dem Echtzeitverkehr parallel weitere TCP/IP-Kanäle betrieben werden können.

Technische Arbeiten an OPC UA Safety abgeschlossen

16.12.2019 | Bereits frühzeitig hat sich Profibus + Profinet International (PI) für OPC UA als offenen herstellerübergreifenden Standard für die Maschine-Maschine-Kommunikation ausgesprochen. Um jedoch die Technologie abzurunden, fehlte es bisher an einem Standard für fehlersichere Kommunikation auf dieser Ebene. Dies löst die Spezifikation „OPC Unified Architecture Part 15: Safety“, eine gemeinschaftliche Entwicklung von der OPC Foundation und PI. Die technischen Arbeiten sind nun abgeschlossen.

Schon seit Einführung der Feldbusse war die Modularisierung von Anlagen eine treibende Kraft hinter der Technologie. Einzelne Maschinen konnten so unabhängig voneinander entwickelt und erst auf der Anlage gemeinsam in Betrieb genommen werden. Mit OPC UA steht nun eine Technologie in den Startlöchern, die unabhängig von den verwendeten Feldbussen innerhalb der Maschine eine herstellerübergreifende Vernetzung zwischen den Maschinengestattet.

Allerdings hatte OPC UA bisher keine Möglichkeit, fehlersichere Daten zu übertragen, wie man es von den Feldbussen mit Profisafe gewohnt ist. Sicherheitsfunktionen mussten daher konventionell mit direkter Verkabelung oder Koppler erfolgen. Dies erhöht den Aufwand und reduziert die Flexibilität.

Die technischen Arbeiten zu OPC UA Safety sind nun vollendet. Als nächster Schritt wird die Entwicklung einer Test-Spezifikation und eines Softwaretools für den automatischen Test gestartet. Dazu gehört auch die Etablierung eines Zertifizierungs- und Abnahmeverfahrens analog zu Profisafe. Dies ist die Voraussetzung für eine einfache und schnelle Sicherheitszertifizierung von Produkten, die OPC UA Safety implementieren.

Fallbeispiele zur Demonstration

Zum anderen werden Fallbeispiele erstellt, um die neuartigen Features von OPC UA Safety zu demonstrieren. Hierzu gehört die vereinfachte Verwaltung von sicheren Adressen für Serienmaschinen und die Möglichkeit, während der Laufzeit über ein und dieselbe Verbindung mit unterschiedlichen Partnern kommunizieren zu können. Weiterhin wird ein OPC UA Mapper für Pub/Sub spezifiziert, um Sicherheitsfunktionen mit hohen Anforderungen an die Reaktionszeit realisieren zu können.

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Diese erste Spezifikation stellt die Basis für weiterreichende Informationsmodelle dar. Als nächstes hat sich die Arbeitsgruppe die Modellierung von Energiemanagementdaten in OPC UA auf Basis von Profienergy zum Ziel gesetzt. Weitere Anforderungen sind bereits in der Klärungsphase. Die Arbeitsgruppen arbeiten zudem eng in übergreifenden OPC-Spezifikationen zusammen wie Base Network Information Model und Device Integration.

Ein Kommunikationsstandard für Auto ID

30.07.2019 | 2016 hat der AIM-D Verband in Kooperation mit der OPC Foundation einen neuen Kommunikationsstandard für Auto ID-Geräte herausgebracht. Auf der letzten SPS IPC Drives in Nürnberg zeigte sich, das dieser Standard von vielen Geräteherstellern und ihren Anwendern über das gesamte Auto ID-Spektrum angenommen wird. Harting war von Beginn an mit im Boot der Entwicklung.

Motiviert von Siemens und Harting entschloss sich der AIM Arbeitskreis Systemintegration im Jahr 2014 für die Definition eines neuen, zukunftsträchtigen technologie- und herstellerunabhängigen Kommunikationsstandard für die Auto ID (Automatische Identifikation und Datenerfassung) Branche. Bislang galt, dass viele Geräte über proprietäre Schnittstellen kommunizierten. Zudem galten für unterschiedliche Technologien oft unterschiedliche Kommunikationsstandards. Sprich, ob Barcode oder UHF, RFID hatte einen Einfluss auch bei der Programmierung der Kommunikationsschnittstelle der anzubindenden Software. Diese Gegebenheiten waren historisch gewachsen.

Auto ID als Basistechnologie für Industrie 4.0

Behälter, Leiterplatten, Automobilkarossen, Krankenhausbetten und vieles mehr sind dank Auto ID-Technologie heute automatisch zu identifizieren – und zwar in der Regel komplett passiv ohne Wartungsarbeiten am Objekt. Mit UHF RFID (auch RAIN RFID genannt) erhält das Objekt selbst noch ein Gedächtnis. Informationen wie das Fertigungsdatum und die Firmware Version einer Leiterplatte können direkt, in diesem Beispiel an der Leiterplatte abgespeichert werden, ohne Stromzufuhr, drahtlos abrufbar oder aktualisierungsfähig.

Die Auto ID-Technologie ist heute ein selbstverständliches Werkzeug, um eine Gesamtlösung, z. B. ein automatisch arbeitendes Lagerlogistikzentrum, zu realisieren. Kommunikationsbarrieren sind unerwünscht. Welche Auto ID-Technologie für welchen Zweck eingesetzt wird, soll ebenfalls der Anwendungsfall entscheiden und nicht die Kommunikationsschnittelle vom Auto ID-Gerät. Zudem werden klassische Kommunikationsstrukturen wie die Automatisierungspyramide aufgebrochen. Ein RFID-Reader kommuniziert heute direkt mit einem ERP-System wie auch mit einer SPS an der Produktionsstraße.

Motiviert von diesen Ideen und Anforderungen entschloss sich der AIM Arbeitskreis eine Kommunikationsschnittstelle auf Basis von OPC UA zu definieren. OPC UA ist einer der Standards für die Realisierung von modernen Kommunikationsarchitekturen und wird auch in den RAMI Spezifikationen der Bundesregierung zum Thema Industrie 4.0 gelistet. Zudem wird OPC UA bereits von vielen SPS‘en und Softwaresystemen unterstützt. Eine Kommunikation zur Maschine und zum Datenbanksystem in der Cloud ist so einfach zu realisieren. OPC UA ist der Kommunikationsstandard der Automatisierungsbrache. Es gibt nahezu keinen Anbieter für diese Branche und nahezu keinen Maschinenhersteller, der nicht heute bereits eine OPC UA Schnittstelle anbietet.

Dank objektorientierter Struktur eignet sich OPC UA sehr gut, um einen gemeinsamen Kommunikationsstandard für die verschiedensten Auto ID-Technologien zu entwickeln. Gemeinsamkeiten wie eine Scan Methode für die einfache Erkennung einer ID können so in übergeordneten Klassen definiert werden. Spezifische Ausprägungen können in hieraus abgeleiteten Klassen für die einzelnen Auto ID-Technologien umgesetzt werden. Durch diesen Mechanismus können auch auf dem Standard aufsetzend herstellerspezifische Erweiterungen eingepflegt werden, ohne die gemeinsame Grundfunktionalität in Frage zu stellen.

Sicherheit gleich eingebaut

Kommunikationssicherheit ist zudem ein wichtiges Thema. Isolierte Kommunikationssysteme gibt es auch in Fertigung oder Logistik immer seltener. Wie bereits erwähnt, ist die vertikale wie horizontale Integration auch von Auto ID-Systemen heute entscheidend, um eine Gesamtlösung entstehen zu lassen. OPC UA bietet integriert bereits diverse Sicherheitsmechanismen.

Energieeffizientes Funknetzwerk für die Industrie 4.0 Fabrik

Dies wurde auch vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) getestet. Das BSI hat bestätigt, dass OPC UA bereits integral Mechanismen zur Umsetzung einer sicheren Datenkommunikation anbietet. Das BSI meint hierzu: „OPC UA wurde unter Sicherheitsaspekten entwickelt und enthält keine systematischen Sicherheitslücken“. Für Auto ID-Systeme ist dieser Aspekt nicht zu vernachlässigen. Schließlich arbeiten auf Grundlage der vom AutoID-System kommunizierten Daten komplette Maschinen und Prozesse weitestgehend autonom.  

Das Thema Sicherheit, nicht nur von Seiten der Kommunikation zu SPS oder Rechnersystem, haben die Mitglieder vom AIM Verband generell als wichtig erachtet. AIM Deutschland hat daher im Jahr 2018 einen eigenen Arbeitskreis Auto ID+Security gegründet. Dieser Arbeitskreis erarbeitet Handlungsempfehlungen wie die Auto ID-Technik sicher zu verwenden ist.

2016 stellte AIM Deutschland die neue OPC Unified Architecture for Auto ID Companion Specification auf der Hannover Messe vor. Die ersten am Markt verfügbaren RAIN RFID-Geräte von Siemens und Harting wurden in einer Demoapplikation auf dem Messestand der OPC Foundation vorgeführt. Eine direkte Kommunikation, zum Beispiel bis in die Microsoft Azure Cloud, ist kein Problem. Die Schnittstellenspezifikation ist für alle frei auf Anfrage unter info@aim-d.de verfügbar. So können alle SPS und Backend-Systeme diese Schnittstelle direkt integrieren.

OPC UA hat seit 2016 noch mehr an Bedeutung gewonnen. Der Beitritt des Volkswagen Konzerns in die OPC Foundation im Jahr 2018 zeigen, dass auch eine der Schlüsselbranchen Deutschlands bzw. Europas, die Automobilindustrie, OPC UA für wichtig erachtet. Am 21. Mai 2019 richtet die Automatisierungsinitiative Deutscher Automobilhersteller (AIDA) gemeinsam mit dem Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) in Kooperation mit der OPC Foundation bei Volkswagen in Wolfsburg einen OPC UA Informationstag für Automobilzulieferer aus. Dies zeigt auch, dass die Anwender der Auto ID-Technologie OPC UA einfordern.

Auto ID-Geräte mit OPC UA-Schnittstelle

Die im Jahr 2016 veröffentlichte OPC Unified Architecture for Auto ID Companion Specification ist inzwischen von vielen Auto ID-Herstellern in die Geräte integriert worden. Wie am OPC Foundation Messestand auf der SPS IPC Drives im November 2018 zu sehen war, sind inzwischen Barcode, HF und UHF Geräte mit OPC UA Schnittstelle verfügbar. Aktuell haben wir verschiedene Auto ID-Technologien, aber einen gemeinsamen Kommunikationsstandard. Eine einheitliche, sichere Datenkommunikation zu unterschiedlichsten Geräten verschiedener Hersteller ist damit Realität auf Basis von OPC UA, dem zukunftsfähigen Kommunikationsstandard in der Automatisierungsbranche.

Scada Systeme heute? Altbewährtes im Wandel der Zeit

Selbstverständlich unterscheiden sich die Auto ID-Geräte der einzelnen Hersteller auch weiterhin. Differenzierungsmöglichkeiten weisen die Geräte genügend auf. Lediglich der Datenaustausch ist vereinheitlicht. Dies vereinfacht die Einbindung der Auto ID-Technologie. Dank inbuild security erhöht sich bei richtiger Anwendung die Sicherheit der Kommunikation. Das beschleunigt den Ausbau der Automatisierung hin zu Industrie 4.0.

Zukünftige Arbeiten des Arbeitskreises

Doch der Arbeitskreis Systemintegration beendete seine Arbeit nicht im Jahr 2016. Kontinuierlich arbeiten die Teilnehmer an der Erweiterung und Verbesserung der Schnittstellenspezifikation. Die Aufgaben sind hierbei vielfältig. Ein Kernthema ist die Vereinfachung der Schnittstelle für - aus Auto ID Sicht - einfachere Anwendungsszenarien. Dies soll die Umsetzung und die Schnittstellenintegration beschleunigen und unnötige Hürden abbauen. So kann in Zukunft ein einfaches Scannen eines einzelnen Objektes rein über Variablen erwirkt werden. Funktionsaufrufe sind nicht mehr erforderlich. Der Implementierungsaufwand reduziert sich auf das Minimum.

Ein weiteres wichtiges Thema ist die Integration von Sensordaten. Insbesondere die RAIN RFID Technik wird immer häufiger zur Übertragung von Sensorwerten genutzt. So lassen sich Objekte eindeutig identifizieren, zusätzliche Daten auslesen und der aktuelle Objektzustände abfragen. Informationen, ob das Getriebe zu heiß, die Karosserie feucht oder der Container sicher verriegelt ist, können direkt mit abgefragt werden. Oft sogar batterielos – also passiv und ohne zusätzliche Wartungsarbeiten. Die einzelnen Technologien verschmelzen hierbei immer mehr. Klassische Sensorik und Auto ID wächst zusammen.

AIM Deutschland hat auch diesen Aspekt in einem zusätzlichen Arbeitskreis „RFID+Sensorik“ im Jahr 2018 aufgegriffen. Die Ergebnisse und Empfehlungen dieses Arbeitskreises werden selbstverständlich auch bei der Erweiterung der OPC UA basierten Schnittstelle mitberücksichtigt. Zudem gibt es einen internationalen Austausch über den RAIN bzw. AIM North America Verband.

Auf der Hannover Messe 2019 ist die das neuste Release der OPC Unified Architecture for Auto ID Companion Specification von AIM Deutschland in Kooperation mit der OPC Foundation vorgestellt worden. Erste Ergebnisse der oben angesprochenen Arbeitspakete sind hier bereits enthalten.

OPC UA TSN Etablierung schreitet voran

28.11.2017 | Ausschnitte aus der OPC UA TSN Pressekonferenz: Vertreter von ABB, Hirschmann, Bosch Rexroth, B+R, Cisco, Hilscher, National Instruments, Phoenix Contact, Schneider Electric, SEW-Eurodrive, TTTech sowie die internationalen Konsortien Avnu Alliance, das Industrial Internet Consortium und die OPC Foundation erläuterten im Rahmen einer gemeinsamen Pressekonferenz auf der SPS IPC Drives in Nürnberg ihre Rolle bei der Erreichung des gemeinsamen Zieles, die Interoperabilität industrieller Geräte auf Basis von OPC UA over Time Sensitive Networking (TSN) zu gewährleisten. 

Häufig gestellte Fragen

Für was steht OPC UA?

OPC UA ist ein Kommunikationsprotokoll für die industrielle Automatisierung, die eine sichere, plattformunabhängige und herstellerunabhängige Datenübertragung ermöglicht. Es kann Informationen über Maschinenstatus, Messdaten, Prozessparameter und andere industrierelevante Daten übertragen. Die Datenübertragung erfolgt dabei semantisch und nicht mehr dimensionlos. Durch seine offene Architektur bietet das Protokoll eine nahtlose Vernetzung von Geräten unterschiedlicher Hersteller. Damit ist OPC UA für die Industrie 4.0 von entscheidender Bedeutung.

Was ist TSN?

Was bedeutet OPC UA over TSN?

OPC UA over TSN kombiniert die Fähigkeiten von OPC UA und TSN zu einer einheitlichen Kommunikationslösung für die industrielle Automatisierung. Wird OPC UA über TSN implementiert, wird OPC UA zum Datenmodell und zur Kommunikationsschicht, während TSN als Transportmedium für die Echtzeit-Datenübertragung dient. Das bedeutet: Interoperabilität, Echtzeitkommunikation, Sicherheit und Zukunftssicherheit. Insgesamt vereinfacht OPC UA over TSN die industrielle Kommunikationslandschaft erheblich und ebnet den Weg für ein einheitliches, sicheres und zuverlässiges Kommunikationssystem für die Fabrik der Zukunft.