Was ist OPC UA?

OPC steht für „Open Platform Communications“ und ist ein Datenaustauschstandard für die industrielle Kommunikation. UA steht für „Unified Architecture“ und beschreibt die Möglichkeit den Kommunikationsstandard plattformunabhängig auf Basis von verschiedenen Betriebssystemen zu nutzen.

Dieser offene Schnittstellenstandard ist unabhängig vom Hersteller oder Systemanbieter der Anwendung, von der Programmiersprache, in der die jeweilige Software programmiert wurde, und wie schon erwähnt vom Betriebssystem, auf dem die Anwendung läuft. OPC UA ist somit eines der wichtigsten Kommunikationsprotokolle für die Industrie 4.0 und das IIoT (Industrial Internet of Things).

Wie funktioniert OPC UA?

Server- / Client-Architektur

Die Server- / Client-Architektur ist das traditionelle Kommunikationsmodell in OPC UA. Es basiert auf der Idee, dass es eine passive Server-Komponente gibt, die Daten für andere Anwendungen, die dabei als Client agieren, bereitstellt. Die Client-Anwendungen können über einige wenige standardisierte Dienste auf Daten und Informationen des Servers zugreifen.

Das Server- / Client-Modell enthält auch ein Abonnentenmodell. Bei diesem Mechanismus kann jeder Client eine beliebige Anzahl von Abonnements für den Server erstellen. Durch diese Subscriptions (Abonnements) kann ein Client Daten auslesen, wenn der Server eine Notification veröffentlicht hat.

Publish / Subscribe Mechanismus

Mit der Spezifikation aus dem Jahr 2019 hat die OPC Foundation zusätzliche Funktionen einer Publish- / Subscribe-Architektur (PubSub-Modell) hinzugefügt. Auf Grund der Eigenschaften von IIoT-Systemen und mit Bezug auf die Echtzeitfähigkeit und Skalierbarkeit, musste der Kommunikationsstandard in diesem Bereich verbessert werden. Das PubSub-Modell unterscheidet sich grundlegend vom Server-/ Client-Modell, aber im OPC UA Kontext gibt es Ähnlichkeiten. Im PubSub-Modell gibt es eine Publisher-Komponente, die Datasets definiert, die Variablen oder Notifier enthalten. Der Publisher veröffentlicht dann eine Nachricht, die Datenänderungen oder Benachrichtigungen enthalten. Diese Nachrichten werden in einem Netzwerk veröffentlicht, in dem die Abonnenten sie abhören und das herausfiltern können, was sie benötigen.

Dieses Modell ist skalierbar, da es theoretisch eine beliebige Anzahl von Publishern und eine beliebige Anzahl von Subscribern geben kann. Sie sind alle mit demselben Netzwerk verbunden, aber nicht untereinander, was die wichtigste Verbesserung gegenüber dem Server/Client-Modell darstellt.

Vorteile und Nachteile des Kommunikationsstandards

Nachteile von OPC UA

Zurzeit sind noch einige Maschinen und Anlagen im Feld, die keine native OPC UA-Implementierung besitzen. Für solche Systeme ist es empfehlenswert, diese durch zusätzliche Hardware mit einem Retrofit-Ansatz aufzurüsten. Dies ermöglicht die Abfrage der Daten über bestehende Protokolle der Anlagen und Maschinen wie zum Beispiel Modbus RTU. Anschließend werden die Daten angepasst und können in Form eines OPC UA Servers für andere Netzwerkteilnehmer und Cloud-Systeme zu Verfügung gestellt werden. Hierdurch können alte, sowie neue Systeme ohne viel Aufwand miteinander verbunden werden und über eine OPC UA-Schnittstelle Daten austauschen. Die Industrie Router TK600, sowie die Edge Gateways der 500 und 600 Serie der Welotec GmbH bieten diese Funktionen zum Erfassen der Daten und für die Konvertierung, als auch Bereitstellung der Daten in Form einer OPC UA Schnittstelle.

Vorteile durch OPC UA

OPC UA bietet mit der standardisierten Kommunikation die Möglichkeit nicht nur auf horizontaler, sondern auch auf vertikaler Ebene Daten zu teilen. Besonders im Hinblick auf den Datenaustausch in vertikaler Richtung ist eine standardisierte Kommunikationsmöglichkeit zwischen IT und OT ein essenzieller Ansatz für die Industrie 4.0.

Auf horizontaler Ebene bedeutet dies, dass durch das Kommunikationsprotokoll Maschinen und Anlagen über eine einheitliche Schnittstelle untereinander Daten sicher austauschen können. Diese Kommunikation ist hierbei komplett unabhängig von dem Hersteller der Steuerung bzw. PLC, die verbaut wurde.

Vertikal gesehen, wird die Möglichkeit geschaffen Daten von der untersten Schicht für übergeordneten Ebenen wie MES oder ERP bereitzustellen. Außerdem ist durch eine Kombination aus OPC UA und MQTT die Weiterleitung aufgenommener und vorverarbeiteter Daten direkt in ein Cloud-System wie Microsoft Azure umsetzbar. Hierdurch ergibt sich die Option Daten auf allen Ebenen einer bestehenden Firmenstruktur auszutauschen und zu nutzen.

Chancen durch OPC UA im Kontext Industrie 4.0

Auch wenn OPC UA lange vor dem Begriff der Industrie 4.0 definiert wurde, gilt es als eines der führenden Kommunikationsprotokolle für die Umsetzung von IIoT-Projekten.

Bei der intelligenten Vernetzung von Fabriken und Maschinen ist eine gemeinsame Sprache notwendig. Der Kommunikationsstandard kann genau das liefern und bildet somit ein wichtiges Instrument für die Realisierung von Industrie 4.0. Für die Umsetzung einer Großzahl von Projekten im Bereich Industrie 4.0 kann das OPC UA Client- / Server-Modell genutzt werden, um in einem typischen SCADA-Szenario „synchron“ zu kommunizieren. Das „PubSub“-Modell ermöglicht eine noch bessere Skalierbarkeit und verbessert die Kommunikationsleistung, wodurch es zu einem guten Kandidaten für die Echtzeitkommunikation wird und speziell für die Umsetzung von IIot-Projekten sehr empfehlenswert ist.