Was ist OPC UA?

Definition

Was ist OPC UA?

OPC UA steht für OPC Unified Architecture und ist ein herstellerunabhängiger und plattformübergreifender Kommunikationsstandard für den Datenaustausch zwischen Maschinen, Geräten und Softwareanwendungen in der Industrie.

Mithilfe von OPC UA können komplexe Daten aus Maschinensteuerungen und anderen Quellen in einem standardisierten Format bereitgestellt und durch verschiedenste Anwendungen abgerufen und weiterverarbeitet werden. Andersherum bietet OPC UA eine Schnittstelle zur Steuerung von Prozessen, indem Daten an eine Maschinensteuerung oder ein anderes Gerät übermittelt werden.

OPC UA basiert auf einem Client-Server-Modell:

• Ein OPC UA Server stellt Daten aus einer oder mehreren Quellen (z.B. industrielle Steuerungen) zur Verfügung.
• Anwendungen wie z.B. MES (Manufacturing Execution System), ERP-Systeme (Enterprise Resource Planning) oder Cloud-Plattformen nutzen eine OPC UA Client-Software, um die benötigten Daten aus dem OPC UA Server gezielt abzurufen oder selbst Daten auf den OPC UA Server zu schreiben

Moderne Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und andere Industriegeräte in der Automatisierungstechnik  implementieren oft eigene OPC UA Server und bieten damit native Unterstützung für OPC UA. Ein Beispiel sind S7-1500-Steuerungen von Siemens. Aber auch Daten von älteren Maschinen und Anlagen können mithilfe eines externen OPC UA Servers im OPC UA-Format bereitgestellt und weiterverarbeitet werden.

Heute hat sich OPC UA als einer der wichtigsten Standards in der industriellen Automatisierung etabliert. OPC UA wird eingesetzt, um den Datenaustausch zwischen Geräten und Anwendungen auf verschiedenen Ebenen zu ermöglichen – unabhängig von Faktoren wie Hersteller oder Betriebssystem.

OPC UA wurde 2008 veröffentlicht und ist eine Weiterentwicklung des klassischen OPC-Standards. Seitdem wird OPC UA von der OPC Foundation ständig weiterentwickelt und um neue Spezifikationen erweitert.

Merkmale

Die wichtigsten Merkmale des OPC UA-Standards

OPC UA wurde von der OPC Foundation entwickelt, um industriespezifische Anforderungen an den Datenaustausch zwischen verschiedensten Systemen zu erfüllen – von kleinen Sensoren bis hin zu IT-Software und Cloud-Plattformen. Dabei mussten vor allem Kriterien wie Kompatibilität und Sicherheit berücksichtigt werden. 

OPC UA zeichnet sich durch folgende Kerneigenschaften aus:

Plattformunabhängigkeit: 
Im Gegensatz zum klassischen OPC Standard ist OPC UA nicht mehr auf das Windows-Betriebssystem angewiesen. Zuvor mussten OPC Server und OPC Clients auf Windows-Rechnern installiert werden und die Kommunikation zwischen Server und Client war nur über Microsofts COM-/DCOM-Schnittstelle möglich. Bei OPC UA dagegen findet der Datenaustausch über die gängigen Internetprotokolle TCP und HTTPS statt. Dadurch kann OPC UA-Software prinzipiell auf beliebigen Systemen installiert werden, die eine Internetkommunikation unterstützen.

Flexibilität und Skalierbarkeit:
OPC UA ermöglicht die einheitliche Kommunikation mit verschiedensten Industriesystemen – von kleinsten Geräten bis hin zu großen verteilten Anlagen. Neue Geräte oder Softwaresysteme können dadurch schnell und mit vergleichsweise wenigen Anpassungen in eine OPC UA-basierte Infrastruktur integriert werden. Dies reduziert nicht nur den IT-Aufwand für individuelle Lösungen, sondern bietet auch größeren Innovationsspielraum durch die Beseitigung von Kompatibilitätsproblemen.

Komplexe Informationsmodellierung:
Im Gegensatz zum klassischen OPC Standard, wo einzelne Variablen als Tags bereitgestellt werden, unterstützt OPC UA eine umfassendere Informationsmodellierung. Diese basiert auf sogenannten „Nodes“ und setzt auf Konzepte aus der objektorientierten Programmierung. Reale Objekte können damit nicht nur als Sammlungen von Datenpunkten repräsentiert werden, sondern lassen sich auch mit Eigenschaften, Beziehungen und hierarchischen Strukturen modellieren. Außerdem lassen sich Methoden definieren, die durch OPC UA Clients aufgerufen werden können, um gezielt mit Geräten und Maschinen zu interagieren.

Technologiekompatibilität und Zukunftssicherheit:
Der OPC UA-Standard wird von der OPC Foundation kontinuierlich weiterentwickelt, um den sich wandelnden Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. Eine wichtige Anforderung dabei ist die Kompatibilität mit aktuellen wie auch zukünftigen Technologien, um die Zukunftssicherheit von Investitionen in industrielle Automatisierungstechnologien zu gewährleisten. Viele Definitionen in Bereichen wie Datenmodellierung und Datentransport wurden deshalb bewusst abstrakt gehalten.

Sicherheit:
Der OPC UA-Standard definiert verschiedene Mechanismen, um die Sicherheit im industriellen Datenaustausch zu gewährleisten. Neben HTTPS-Verschlüsselung beim Datentransport und Benutzerauthentifizierung wird auch ein Austausch von Zertifikaten zwischen OPC UA Client und OPC UA Server unterstützt.

Informationsmodell & Spezifikationen

Informationsmodell und Spezifikationen

Mithilfe von OPC UA können verschiedenste Komponenten, Geräte und Anwendungen miteinander kommunizieren, wobei die Grenzen der klassischen Automatisierungspyramide überwunden werden. Dies erfordert eine konsistente Strukturierung von Informationen, d.h. Daten müssen in einem Sensor auf die gleiche Weise repräsentiert werden wie in einer Visualisierungssoftware.

In den folgenden Abschnitten erklären wir, wie OPC UA Server den gezielten Datenzugriff auf bzw. die Steuerung von industriellen Geräten durch OPC UA Client-Anwendungen ermöglichen.

OPC UA-Informationsmodell

Im Gegensatz zum klassischen OPC-Standard verfügt OPC UA über ein komplexes, node-basiertes Informationsmodell. Dieses ist in der Lage, reale Objekte digital zu beschreiben und neben Werten auch Einheiten, Hierarchien, Beziehungen und Konfigurationsparameter bereitzustellen.

Reale Objekte werden im OPC UA-Informationsmodell als „Nodes“ repräsentiert. Diese werden bestimmten Typen zugeordnet und verfügen über Eigenschaften, die ausgelesen werden können, z.B. die Temperaturmessung eines Sensors.

Mithilfe von Referenzen werden Beziehungen zu anderen Nodes angezeigt. Angelehnt an die objektorientierte Programmierung können Methoden definiert werden, um mit einer Node zu interagieren (Lesen und Schreiben von Datenpunkten, Steuerung von Anlagen, …).

Definitionen von Objekttypen (und den dazugehörigen Attributen und Methoden) werden unter einer „Domain“ zusammengefasst. Das OPC UA-Basis-Informationsmodell der OPC Foundation kann von anderen Organisationen erweitert werden, indem eigene Typendefinitionen unter einer neuen Domain bereitgestellt werden. Auf diese Weise lassen sich erweiterte Informationsmodelle für bestimmte Gerätetypen (z.B. Pumpen, Scanner etc.) oder Branchen schaffen, die jedoch stets auf dem Basismodell aufbauen. OPC UA Server können diese Informationsmodelle optional implementieren.

OPC UA-Clients navigieren Domains und die dazugehörigen Adressräume, um mit bestimmten Nodes zu interagieren und die gewünschten Informationen abzurufen.

Der OPC UA-Standard basiert auf einer Service-orientierten Architektur: Ein OPC UA Server implementiert Informationsmodelle und stellt Dienste (Methoden wie Lesen und Schreiben) bereit, die von einem OPC UA Client genutzt werden können.

OPC UA-Spezifikationen

OPC UA setzt sich aus verschiedenen Teilspezifikationen zusammen. Diese definieren die Funktionen und Dienste, die ein OPC UA Server implementiert und für OPC UA Clients bereitstellt.

Ein OPC UA Server muss nicht alle Teilspezifikationen implementieren.

Zu den wichtigsten Teilspezifikationen gehören die folgenden:

Data Access: Ermöglicht einem OPC UA Client das Auffinden von Nodes sowie das Lesen und Schreiben von Daten.

Historical Access: Ermöglicht den Abruf oder das Aktualisieren von historischen Daten, die in einem OPC Server gespeichert sind. Dabei können Zeiträume spezifiziert oder verschiedene statistische Parameter angewandt werden.

Alarms & Conditions: Ermöglicht den Empfang und die Verarbeitung von Alarmmeldungen und Ereignis-Logs durch OPC UA Clients.

PubSub: Beschreibt die Implementierung eines Publish-Subscribe-Modells in der OPC UA-Kommunikation. Hierbei werden die Kommunikationsteilnehmer in Publisher und Subscriber aufgeteilt, welche nicht direkt miteinander kommunizieren, sondern Informationen bei einem zentralen Broker veröffentlichen (Publisher) oder abrufen (Subscriber).

Industrielle Anwendung

Bedeutung von OPC UA für die Industrie

Open Platform Communications (OPC) (auch „OPC Classic“), der Vorgänger von OPC UA, leistete mit seiner Einführung im Jahr 1996 einen entscheidenden Beitrag für die Industrie: OPC machte es möglich, auf die Daten von Maschinen verschiedener Hersteller zuzugreifen und diese für verschiedene Anwendungen verwertbar zu machen. Dies bot Möglichkeiten zur Datenvisualisierung und Steuerung von Prozessen, die zuvor nur mit hohem Aufwand oder der Festlegung auf einen einzelnen Anbieter möglich waren.

Auch OPC UA folgt noch immer diesem Grundgedanken. Die UA-Spezifikation behebt die vorhandenen Probleme mit dem klassischen OPC-Standard und erweitert ihn um zahlreiche Funktionen und Eigenschaften, die OPC UA zu einem essenziellen Bestandteil der industriellen IoT-Kommunikation machen.

Dank seiner Interoperabilität, Flexibilität und Skalierbarkeit findet der OPC UA-Standard breite Anwendung in so gut wie allen Industriebranchen. Hersteller moderner Industriegeräte implementieren eigene OPC UA Server, um die Integration in bestehende Infrastrukturen zu erleichtern. Und auch viele Anbieter von IT-Software integrieren OPC UA Client-Funktionalität in ihre Anwendungen.

OPC UA-Anwendungsfälle in der Industrie

Eines der Hauptziele bei der Entwicklung von OPC UA war und ist die Kompatibilität mit verschiedenen Industrien, Netzwerkstrukturen, Gerätetypen und Softwareanwendungen.

Die Tatsache, dass mit OPC UA sowohl Sensoren in der Feldebene als auch Cloud-Plattformen auf Konzernebene einen einheitlichen Daten-Standard nutzen können, eröffnet in der Praxis viele Möglichkeiten. Die klassische Automatisierungspyramide, nach der die Kommunikation zwischen Feldgeräten und ERP bzw. Cloud oft mehrere Ebenen durchläuft, wird mit OPC UA an vielen Stellen umgangen. So ermöglicht beispielsweise auch unsere Cloud-Plattform manubes eine direkte Übermittlung von Auftragsdaten an Steuerungen über OPC UA.

Gleichzeitig werden Infrastrukturen und Schnittstellen vereinfacht, was den Wartungs- und Konfigurationsaufwand reduziert.

Produktionssteuerung und -überwachung

Viele grundlegende Prozesse und Datentransfers in der industriellen Produktion basieren heutzutage auf OPC UA. Gängige Softwaresysteme wie MES und ERP-Systeme bieten OPC UA Client-Funktionalität, während Maschinen und Geräte entweder selbst OPC UA Server implementieren oder an externe OPC UA Server angebunden werden.

Das macht es einerseits möglich, Daten aus Steuerungen und anderen Quellen mit geeigneter Software zu erfassen, zu visualisieren und anderweitig zu verarbeiten (siehe auch Produktionsüberwachung). Gleichzeitig können Auftragsdaten und andere Parameter an Steuerungen und ähnliche Feldgeräte übermittelt werden, um Prozesse zu steuern und zu automatisieren.

Einsammeln von Daten verschiedener Standorte in der Cloud

Auch bei der Aggregation von Daten über Standortgrenzen hinweg spielt OPC UA eine Rolle.

Daten einzelner Standorte werden dabei oft zentral gesammelt und an eine übergeordnete Cloud-Plattform auf Unternehmensebene übermittelt. Sowohl die lokale Zusammenführung von Daten als auch die Übermittlung an die Cloud kann über OPC UA erfolgen.

Nutzung in Edge-Architekturen

Dank seiner Plattformunabhängigkeit kann OPC UA auch auf Sensoren, Edge-Geräten und Edge Gateways eingesetzt werden. Damit ist der Standard auch für das Edge Computing relevant, bei dem Daten dezentral und in der Nähe der Quelle verarbeitet werden.

Vor allem die Flexibilität und Skalierbarkeit, aber auch die unterschiedlichen Sicherheitsmechanismen und einheitlichen Informationsmodelle sind Gründe, warum OPC UA in vielen Edge-Infrastrukturen zum Einsatz kommt.

OPC UA in der industriellen Produktion

Insbesondere in der Fertigung kommt OPC UA eine essenzielle Bedeutung zu: Moderne Produktionsumgebungen beinhalten verschiedenste Sensoren, Geräte und Maschinen, die als potenzielle Datenquellen für Manufacturing Execution Systems (MES), Enterprise Resource Planning (ERP), Predictive Maintenance-Lösungen oder Cloud-Plattformen genutzt werden können.

Die Verwendung von OPC UA standardisiert die Kommunikation zwischen all diesen Komponenten und stellt damit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur intelligenten Fabrik („Smart Factory“) dar.

Auch manubes, unsere innovative Cloud-Plattform für das industrielle Produktionsmanagement, setzt zur Kommunikation mit verschiedensten industriellen Systemen auf den OPC UA-Standard. Durch Unterstützung für OPC UA und andere Industriestandards wie MQTT und REST wird sichergestellt, dass Produktionsdaten lückenlos erfasst und in die manubes-Cloudumgebung übermittelt werden können. Dort stehen mit den manubes-Designtools umfangreiche Möglichkeiten zur Strukturierung, Automatisierung und interaktiven Visualisierung einer Produktion zur Verfügung.

OPC UA vs. OPC Classic

Was sind die Vorteile von OPC UA gegenüber dem Vorgänger OPC Classic (OPC DA)?

Auch der klassische OPC-Standard ermöglichte bereits den standardisierten Austausch von Daten zwischen Geräten und Anwendungen verschiedener Hersteller. Zum Zeitpunkt seiner Entwicklung bestand die dringende Notwendigkeit, SCADA- und HMI-Systeme mit unterschiedlichen Arten von Anlagen zu verbinden.

Aufgrund der diversen System- und Protokolllandschaft waren dazu jedoch zahlreiche einzelne Treiber notwendig. OPC Classic löste dieses Problem durch die Etablierung eines einheitlichen Datenformats.

Der klassische OPC-Standard wird oft auch als OPC DA bezeichnet. OPC DA steht für OPC Data Access – die Hauptspezifikation des klassischen OPC-Standards, die den Zugriff auf Echtzeitdaten aus Maschinensteuerungen und anderen Quellen ermöglicht.

Insbesondere aus heutiger Sicht weist der alte Standard jedoch einige Probleme und Beschränkungen auf, die mit OPC UA behoben werden:

Beschränkung auf das Windows-Betriebssystem vs. Plattformunabhängigkeit

Zum Zeitpunkt der OPC-Entwicklung in den 1990er Jahren erfolgte die Datenvisualisierung und Prozesssteuerung weitestgehend über Windows-PCs. Durch die Nutzung der DCOM-Schnittstelle setzte OPC Classic voraus, dass sowohl OPC Clients als auch OPC Server auf Windows-Systemen betrieben wurden.

Bei OPC UA ist dies nicht mehr der Fall. OPC UA Server können unabhängig vom Betriebssystem und damit auch auf Kleinstgeräten wie Sensoren und Edge-Geräten betrieben werden.

Komplexe DCOM-Konfiguration vs. standardisierte Protokolle

Auch im Bereich Sicherheit erwies sich die Abhängigkeit des klassischen OPC Standards von der DCOM-Schnittstelle oft als Hindernis. DCOM ermöglicht die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Windows-Diensten, ist jedoch in der Praxis schwer zu konfigurieren. Dies führte dazu, dass Sicherheitseinstellungen oft nicht vorgenommen werden konnten. Auch die Kommunikation über Firewalls hinweg erwies sich als Problem und erforderte ein sogenanntes Tunneling.

OPC UA dagegen basiert nicht mehr auf DCOM und verwendet gängige Netzwerkprotokolle wie TCP und HTTPS. Damit lässt sich der Standard leicht in typische Netzwerkinfrastrukturen integrieren und auch die Kommunikation über Firewalls stellt kein Problem mehr dar.

Verschlüsselung und Benutzerauthentifizierung

Die DCOM-Architektur, auf der der klassische OPC-Standard basiert, bietet zwar einige grundlegende Sicherheits- und Authentifizierungsmechanismen, jedoch keine integrierte Sicherheitsarchitektur speziell für OPC-Verbindungen.

OPC UA dagegen implementiert eine ganze Reihe an Sicherheitsmechanismen: Verschlüsselung auf Basis moderner Standards, Authentifizierung mit Benutzerdaten und Zertifikaten, rollenbasierte Zugriffsrechte und Sicherheitsrichtlinien für jeden OPC UA-Endpunkt.

Informationsmodellierung

Auch im Bereich der Informationsmodellierung gehen die Möglichkeiten mit OPC UA weit über die des Vorgängerstandards hinaus. Der klassische OPC Standard stellt Daten in Form von Tags ohne zusätzlichen Kontext und Struktur bereit. Mit OPC UA können reale Objekte mit ihren Hierarchien, Beziehungen, Eigenschaften und Methoden modelliert werden.

Während der klassische OPC-Standard auf die damaligen Anwendungsfälle zugeschnitten war, soll OPC UA einen flexiblen, skalierbaren und zukunftsfähigen Kommunikationsstandard bieten, der zahlreiche Geräte und Datenquellen unterstützt.