OPC UA auf dem Weg zum globalen Standard der Gerätekommunikation

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Die fortschreitende Automatisierung erfordert immer mehr heterogene Systeme. Neuartige Fragestellungen und Aufgaben können nur bewältigt werden, indem die Kommunikationsteilnehmer die relevanten Informationen flexibel und direkt miteinander austauschen können.
UHF-RFID, aber auch andere AutoID-Technologien, sind ohne Zweifel Schlüsseltechnologien für die Umsetzung der Integrated-Industry-Philosophie. Umso wichtiger ist es, dass diese Technologien möglichst einfach in Gesamtlösungen integriert werden können.
2006 wurde nach drei Jahren Entwicklung und einem Jahr Prototyping der erste Entwurf von OPC UA von der OPC Foundation verabschiedet. Mit der Standardisierung in der IEC-Norm 62541 wurde im Jahr 2009 das Kommunikationsprotokoll OPC UA als neuer De-facto-Standard in der Automatisierungsbranche eingeführt. Alle führenden Automatisierungshersteller stehen bereits hinter OPC UA.
Der Standard ist gegenüber dem alten OPC vor allem plattform- und programmiersprachenunabhängig und bietet höhere Sicherheit. Er verfügt über eine integrierte 128- oder 256-Bit-Verschlüsselung und beinhaltet außerdem die Authentifizierung und Autorisierung sowie eine Sicherung der Datenintegrität durch Signaturen.
OPC UA ist skalierbar, von der Cloud-basierten Server- bis zu einer minimalistischen Chip-Implementierung ist alles möglich. Mit demselben Protokoll können RFID-Systeme mit einigen wenigen Datenpunkten genauso vernetzt werden wie Leitsysteme mit über 100.000 Datenpunkten.

Serviceorientiert

OPC UA folgt einer serviceorientierten Architektur (SOA), womit sich Dienste zwischen IT-Systemen strukturieren und nutzen lassen. Wie üblich setzt sich das Kommunikationsprotokoll aus mehreren Schichten zusammen. Die abstrakte Beschreibung von Services bildet die funktionelle Grundlage. Diese Services werden mithilfe der Transportschicht durch ein Protokoll aufgerufen, das die Daten der Netzwerkteilnehmer wie Embedded-Geräte, Backend-Systeme, Visualisierungssysteme oder RFID-Reader serialisiert beziehungsweise deserialisiert und über das Netzwerk sendet.
Auf diese Weise können verschiedenste Netzwerkteilnehmer unabhängig vom Betriebssystem Daten miteinander austauschen. Entscheidend für den Aufbau zukunftsfähiger Kommunikationsstrukturen ist hierbei die Möglichkeit, dass die einzelnen Kommunikationsteilnehmer sowohl als Server wie auch als Client agieren können. Daher können sie Daten anfordern oder auch zur Verfügung stellen. Dies bildet die Grundlage für eine künftige autarke, bidirektionale Kommunikation von Teilsystemen. Der Funktionsumfang umfasst hierbei das Aufrufen von Funktionen, das Ändern von Konfigurationsparametern, aber auch eine Event-gesteuerte Kommunikation. Hierzu können die Kommunikationspartner untereinander Events subscriben und somit festlegen, über welche Ereignisse – beispielswiese neuer RFID-Transponder wurde erkannt – sie informiert werden möchten.
Objektorientiert
Dank des objektorientierten Ansatzes von OPC UA können besonders leicht herstellerspezifische Eigenschaften der einzelnen Geräte erhalten bleiben, ohne dass der Standard verletzt wird. OPC UA definiert, wie kommuniziert wird, aber nicht was. Daher ist OPC UA vollkommen anwendungs- und geräteneutral. Welche Funktionen und Variablen ein Gerät zur Verfügung stellt, wird zur Laufzeit ermittelt, sofern nicht im Vorfeld bekannt.
Das komplette Datenmodell eines Kommunikationsteilnehmers kann abgefragt werden. Hierbei werden nicht nur Funktionen und Variablen ermittelt, sondern ebenso die verwendeten Datentypen (Metadaten). So können auch unbekannte Kommunikationsteilnehmer sehr einfach in die Infrastruktur integriert werden.
Damit eine solche Integration noch einfacher gelingt, können die Datenmodelle von Gerätegruppen oder branchentypischen Anwendungen bereits in sogenannten Companion Specifications vordefiniert werden. Diese Spezifikationen beinhalten den wesentlichen Funktionsumfang inklusive der Datentypbeschreibung der einzelnen Variablen, Übergabe- und Rückgabeparameter.
Der Vorteil einer solchen Companion Specification liegt auf der Hand. Je mehr Hersteller dieser Empfehlung folgen und ihre Kommunikationsschnittstellen entsprechend umsetzen, desto schneller können verschiedene Geräte, auch unterschiedlicher Hersteller, in neue Anwendungen integriert werden. Dies spart Zeit und erhöht den Investitionsschutz von Kunden.
Darüber hinaus lassen sich diese Spezifikationen gerätespezifisch beziehungsweise herstellerspezifisch individuell dank des objektorientierten Ansatzes von OPC UA erweitern. Hersteller können also ihre einzigartigen Features beibehalten und dennoch auf eine gemeinsame breit akzeptierte Kommunikationsbasis aufsetzen.
Da diese einzigartigen Funktionen dank der in OPC UA vorgesehenen Möglichkeiten zur Laufzeit von anderen Kommunikationsteilnehmern abgefragt werden können, ist eine Verwendung denkbar einfach.

Harting und OPC UA

Harting erkannte das Potenzial von OPC UA bereits früh und präsentierte auf der Hannover Messe 2013 einen UHF-RFID-Reader mit integriertem OPC-UA-Server, wenn auch noch mit minimalistischem Funktionsumfang.
Selbstverständlich beschränkte sich Harting nicht auf den RFID-Reader, sondern setzte OPC UA zur Kommunikation bereits in verschiedensten Anwendungen ein. Das Unternehmen engagiert sich rund um das Thema Integrated Industry, hat dieses auch bereits eindrucksvoll mit dem Gewinn des SAP-Awards im Jahr 2014 zeigen können, und erweitert konsequent seine Produktpalette im Bereich Embedded-Geräte.
Getrieben von der Motivation, dass ein akzeptiertes, standardisiertes Kommunikationsinterface zu AutoID-Geräten die Arbeit von System-Integratoren deutlich effizienter gestalten wird, brachte Harting das Thema OPC UA vor gut einem Jahr in einen der Arbeitskreise des AIM-Deutschland ein. Gemeinsam mit den führenden Vertretern der Branche beschloss der Verband, in Kooperation mit der OPC-Foundation eine Companion Specification für AutoID-Geräte zu definieren.
Zur Hannover Messe 2015 wurde hierzu ein neuer Kommunikationsstandard für Auto-ID-Geräte auf Basis von OPC UA vorgestellt. Viele Industrieunternehmen, inklusive Siemens und Harting, haben im Rahmen einer vom AIM-Verband geleiteten Arbeitsgruppe intensiv an der sogenannten „Companion Specification“ gearbeitet und entwickeln diese auch kontinuierlich weiter. Dieser neue Standard definiert unter anderem, wie die bereits durch die GS1 standardisierten EPCs (Electronic Product Code) per RFID und OPC UA abgefragt werden können. Damit wird ein Hauptkritikpunkt an Industrie 4.0 entkräftet: ein Mangel an Standardisierung.
Diese Companion Specification führt die unterschiedlichen AutoID-Technologien also auf eine gemeinsame Kommunikationsschnittstelle beziehungsweise auf ein gemeinsames Datenmodell zurück. Die technologischen Unterschiede gehen hierbei dank der Flexibilität von OPC UA nicht verloren. Beispielsweise beinhalten alle AutoID-Technologien eine Scan-Methode, die neue Barcodes oder RFID-Transponder identifiziert.
Wie diese Daten dann im Einzelnen interpretiert werden, ist selbstverständlich je nach Technologie unterschiedlich, lässt sich aber schnittstellentechnisch dennoch hervorragend allgemeingültig beschreiben. Für den Systemintegrator beziehungsweise den Endkunden bedeutet dies, dass deutlich schneller unterschiedliche AutoID-Geräte, verschiedene Hersteller beziehungsweise verschiedene Technologien in eine Gesamtinfrastruktur eingebunden werden können. Gleichzeitig werden andere wichtige Aspekte von OPC UA, etwa die erhöhte Sicherheit oder die Möglichkeit, Server- und Client-Funktionalität in einem Gerät zu vereinen, mit integriert.
Künftig wird also ein Wechsel der Geräte-Hardware deutlich einfacher möglich sein. Dies ist insbesondere für Systemintegratoren interessant, die je nach Kundenanforderung das für diese Situation beste Gerät am Markt verwenden wollen. Eine aufwändige Einarbeitung in eine andere gerätespezifische Schnittstelle entfällt und bereits existierende Programme oder Schnittstellen zu Backend-Systemen können wiederverwendet werden. Von der SPS-Anbindung bis zur SAP-Schnittstelle kann eine einheitliche Technik genutzt werden, um mit AutoID-Geräten zu interagieren.  
Die Harting-Technologiegruppe schafft mit ihrem Engagement eine weitere Grundlage, Integrated Industry erfolgreich und effizient umzusetzen. OPC UA hilft hierbei, die Herausforderungen der voranschreitenden Automatisierung zu meistern und die Chancen, die hierin liegen, zu nutzen. Interoperabilität, die sicher, zuverlässig und herstellerneutral über alle Teilsysteme funktioniert, ist hierbei ein entscheidendes Erfolgskriterium. jbi

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