OPC UA-Lösungen

OPC UA ist der Schlüssel für eine effiziente Kommunikation in der modernen Fertigung. Mit unserem Expertenwissen und den richtigen Werkzeugen unterstützen wir Sie bei der Modellierung von OPC UA Informationsmodellen.

Die Technologie für Interoperabilität in der Fertigung

OPC UA ist die Technologie, um Interoperabilität im Fertigungsumfeld herzustellen. Um eine Plug-and-Play-Schnittstelle zwischen einzelnen Kommunikationsteilnehmern zu ermöglichen, müssen entsprechende Dienste und Services von der Datenquelle bereitgestellt werden. Kommerzielle SDK´s oder Open Source Bibliotheken bieten eine gute Grundlage für die Entwicklung von OPC UA Diensten. Wir kennen Werkzeuge, verstehen die Technologie und können die passenden Lösungen entwickeln.

Unterschiedliche Herausforderungen – eine Lösung

Hersteller von Geräten, Maschinen und Anlagen und deren Kunden (Fertigungsunternehmen und Maschinenbetreiber) stehen vor unterschiedlichen Herausforderungen und haben verschiedene Anforderungen. Wenn es aber um den Datenaustausch von Maschinen untereinander oder zu IT-Systemen geht, nähern sich ihre Interessen an.

Zur Lösung der Anforderungen beider Seiten steht OPC UA als Technologie zur Verfügung. OPC UA ist ein Kommunikationsstandard sowohl für Geräte-, Maschinen- und Anlagenbauer als auch für Fertigungsunternehmen und Betreiber. Wir kennen beide Sichtweisen aus jahrzehntelanger Erfahrung und können Sie bei der Umsetzung unterstützen!

Kurz erklärt: OPC UA

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) ist ein offener Schnittstellenstandard für die Industrie-4.0-Kommunikation und in der IEC/DIN EN 62541 spezifiziert. OPC UA zeichnet sich durch Interoperabilität aus, der Fähigkeit zur Zusammenarbeit verschiedener Systeme durch Einhaltung gemeinsamer Standards.

Das Informationsmodell

Das Informationsmodell („Betriebsanleitung“) beschreibt die Nutzung von Komponenten, Maschinen und Anlagen durch den Menschen oder durch andere Geräte. Es beschreibt, wie Daten und Informationen im Adressraum der OPC UA Server verwaltet werden. Das Informationsmodell kann je nach Anwendung und OPC UA Server individuell strukturiert werden. Wenn Informationsmodelle weiteren Regeln folgen und von bestimmten Interessensgruppen (z. B. Branchenverbänden) definiert werden, nennt man diese Companion Specifications.

Das Informationsmodell besteht aus einem Netz von unterschiedlichen Objekten aus Nutzdaten und aus Meta- und Laufzeit-Informationen. Die Objekte enthalten z. B. Geräteinformationen, Prozessvariablen oder Fähigkeiten von Maschinen, die von anderen Geräten oder Benutzern abgefragt werden können. Der Zugriff auf Objekte erfolgt lesend oder schreibend. Der Aufruf sog. Methoden (aufrufbare Softwarefunktionen) ermöglicht Aktionen, wie z. B. „Einschalten“. Über sog. Ereignisse kann über Änderungen informiert werden.

Companion Specifications

Companion Specifications sind domänenspezifische, standardisierte Informationsmodelle, bei denen Daten, Beschreibungen, Regeln, Funktionen, Objekte, Methoden und Ereignisse für bestimmte Branchen oder Maschinenarten bereits ausgearbeitet und definiert sind. I. d. R. wird die Entwicklung solcher Companion Specifications von den entsprechenden Verbänden oder mehreren Herstellern gemeinsam vorangetrieben. Im Rahmen der Entwicklung werden entsprechende Konformitätstests und eine Zertifizierung durchgeführt.

Für Geräte-, Maschinen und Anlagenhersteller hat die Verwendung einer Companion Specification den großen Vorteil, selbst keine grundlegende Entwicklungsarbeit durchführen zu müssen. Betreiber haben durch die Companion Specification die Gewissheit, dass die Spezifikation geprüft ist und i. d. R. mit anderen Geräten, Maschinen und Anlagen gut harmoniert. Die OPC Foundation ist ein Industriekonsortium, das die Standardisierung von OPC UA verwaltet sowie in Zusammenarbeit mit Branchenverbänden die Companion Specifications erstellt.

Ausgewählte Companion Specifications:

AutoID: Informationsmodell für Automatische Informationssysteme, wie z. B. RFID, Barcode, NFC, Reader, Scanner …
PLCopen: Informationsmodell bildet IEC 61131-3 auf OPC UA ab
CNC Systems: Informationsmodell für CNC Systeme, des Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken (VDW)
Robotik: Informationsmodell mit standardisierter Schnittstelle zwischen Roboter und dessen Produktionsumgebung, des VDMA
FDI (Field Device Integration): Informationsmodell zur Integration von Feldgeräten
umati (universal machine tool interface): Informationsmodell als universelle Schnittstelle für Werkzeugmaschinen, des VDW und des VDMA
EUROMAP77: Informationsmodell für Kunststoff- und Gummimaschinen, des VDMA
AutomationML (Automation Markup Language)
ISA-95

Ihr Partner für OPC UA-Lösungen

„Wir unterstützen Sie bei der Entwicklung von OPC UA-Lösungen und übernehmen die Festlegung der Anforderungen, die Auswahl geeigneter Technologien, Infrastrukturen und OPC UA-Profilen.“

Wolfram Schäfer
GeschäftsführeriT Engineering Software Innovations GmbH

Vorteile von OPC UA

Vorteile für Maschinenhersteller

OPC UA ist ein offener und kostenloser Kommunikationsstandard, der herstellerunabhängigen und interoperablen Informationsaustausch ermöglicht. Er bietet eine standardisierte und robuste Kommunikation für Industrie 4.0, die vom Sensor bis zur IT-Enterprise-Ebene skalierbar ist. OPC UA reduziert den Integrationsaufwand für Geräte und Maschinen, gewährleistet IT-Sicherheit und schafft Wettbewerbsvorteile durch neue Dienste. Zudem eröffnet OPC UA Möglichkeiten zur Umsetzung innovativer Kundenszenarien und Geschäftsmodelle.

Vorteile für die Fertigung

OPC UA befähigt den Maschinen- und Anlagenbau, seine Produktion effizient digital zu vernetzen. Durch die vereinfachte Integration von Komponenten können Maschinen herstellerunabhängig per Plug & Work oder Plug & Produce flexibel umgestaltet werden. Zudem lassen sich nach Bedarf Datenanalyse- und Optimierungssysteme nahtlos einbinden. OPC UA schafft dabei einen Kommunikationskanal zwischen bislang getrennten Kommunikationsinseln und bietet einen standardisierten, durchgängigen Informationsaustausch über alle Schichten der Automatisierungssysteme.

umati – die universelle Schnittstelle für Werkzeugmaschinen

umati wurde durch renommierte Partner aus der Werkzeugmaschinenindustrie unter dem Dach des VDW gegründet. Auf Basis eines standardisierten OPC UA Informationsmodells ist umati eine universelle Schnittstelle, die Werkzeugmaschinen und Anlagen sicher, naht- und mühelos in kunden- und anwenderspezifische IT-Ökosysteme integrieren kann. Der Standard wird nicht nur in Deutschland, sondern Anwendern weltweit zur echten, offenen Interoperbilität verhelfen und dient somit der Erschließung neuer Potenziale für die Produktion der Zukunft.

Als umati Corporate-Partner sind wir an der Definition und Weiterentwicklung der universellen Schnittstelle beteiligt!

OPC UA-fähige Lösungen zur industriellen Datenerfassung

Mit den IIoT Building Blocks bieten wir eine umfassende aber einfache Lösung zur Sammlung, Speicherung, Auswertung und Analyse industrieller Daten. Zentraler Bestandteil ist die Softwarekomponente Data Collector, welche den Kommunikationsstandard OPC UA als Daten-Input nutzen kann. Um individuelle Architekturen abzubilden, können mehrere OPC UA Server einer Maschine oder Anlage einzeln angebunden werden.

Charakterisierung von OPC UA

OPC UA ist ein Framework für industrielle Interoperabilität: Geräte- und Maschinenbauer beschreiben die objektorientierten Informationen ihres Systems und definieren die Zugriffsrechte mit integrierter IT Security. Kernfunktionalitäten von Maschinen und Anlagen sind bei unterschiedlichen Herstellern auf die selbe Art im Informationsmodell beschrieben. Der Maschinenbauer bleibt Herr seiner Daten bzw. kann sie gezielt und kontrolliert verteilen und somit auch an Big Data und der Analyse seiner Daten monetär teilhaben. Spezifisches Know-how von Maschinen- und Anlagenbauern kann dabei durch rollenbasierte Berechtigungen granular geschützt werden.

OPC UA ist die Plattform des weltweit größten Ökoystems für Interoperabilität. Durch OPC UA werden Geräte-, Maschinen- und Anlageninformationen in Informationsmodellen standardisiert zur Verfügung gestellt, bestehend aus Daten und Metadaten. Die Beschreibung und Übertragung von Gerätedaten und deren Fähigkeiten stehen im Vordergrund (sog. Selbstauskunftsfähigkeit). OPC UA ist der Nachfolger der klassischen OPC-Variante, erweitert um standardisierte Transportprotokolle, wie z. B. Webservices, Sicherheitsmechanismen und die semantische Beschreibung von Informationen. OPC UA ermöglicht die Übertragung von sich selbstschreibenden Informationen. Die Kommunikation kann bidirektional, synchron, asynchron oder verteilt ablaufen, sowohl in vertikaler, als auch in horizontaler Richtung, kabelgebunden oder drahtlos. Es handelt sich um eine standardisierte serviceorientierte Architektur (SOA, service-oriented architecture).

Kommunikationsmodelle

Client-Server-Modell (HTTPS, TCP)

Beim Client-Server-Modell (HTTPS, TCP) stellt der Server Daten und Dienste zur Verfügung, die der Client anfordert und in einem sicheren und bestätigten Peer-to-peer-Kontext austauschen kann. Die Anzahl der Verbindungen ist begrenzt.

Publisher-Subscriber-Modell

Beim Publisher-Subscriber-Modell (AMQP, MQTT, UDP/ TCP) stellt der Server eine definierbare Menge von Daten einer beliebigen Anzahl von Clients zur Verfügung. Der Informationsaustausch wird nicht bestätigt.

Die OPC UA-Server und -Client Funktionalitäten werden i. d. R. nicht von Grund auf, sondern auf Basis von SDKs (Software Development Kits) und mithilfe von Open Source Bibliotheken erstellt. Wir unterstützen Sie bei deren Auswahl, Implementierung und Nutzung!

OPC UA Werkzeugkasten

OPC UA ist modular aufgebaut und kann als Rahmenwerk für Interoperabilität der Industrie-4.0-Kommunikation verstanden werden. Vergleichbar mit einem Werkzeugkasten besteht das Framework aus den Komponenten:

Transport, Sicherheit, Informationszugriff, Companion Specifications und erweitertes Informationsmodell.

OPC UA Profile

OPC UA bietet verschiedene Profile mit unterschiedlichen Funktionalitäten – deren richtige Auswahl ist entscheidend für die Implementierung und Nutzung der Lösung.

Nano Embedded Device Server Profile: stark eingeschränkte Funktionalitäten für kleinste Geräte wie Sensoren und Aktoren
Micro Embedded Device Server Profile: eingeschränkte Funktionalität
Embedded UA Server Profile: Basisfunktionalitäten, zusätzlich UA-Security und Methodenaufrufe
Standard UA Server Profile: alle Funktionalitäten

Diese Anforderungen kann OPC UA erfüllen

IT-Sicherheit gewährleisten

Im Sinne des Schutzes der Daten vor unberechtigtem Zugriff oder Manipulation (Urheberrechte wahren, Schäden verhindern). Bei der Entwicklung des Informationsmodells wird festgelegt, welche notwendigen Informationen im Hinblick auf die Interoperabilität ausgetauscht werden dürfen.
→ Vergabe von Zugriffsrechten

IT-Sicherheit gewährleisten

OP CUA leistet eine einheitliche Bereitstellung von Anlageninformationen für eine maschinen- und zellenübergreifende Kommunikation.

Strukturierten Zugriff auf Maschineninformationen emöglichen

Dabei sind die grundsätzlichen Ziele die Steigerung der Gesamtanlageneffektivität sowie die Realisierung einer kundenindividuellen Massenproduktion.

Menschen unterstützen

Durch eine einheitliche Schnittstelle im Produktionsumfeld wird die Komplexität reduziert und der Mensch dadurch entlastet.

Maschinen einfach in Anlagen integrieren

Maschinen mit einheitlichen Schnittstellen und Informationsmodellen können einfacher in Anlagen integriert werden. Konzepte wie Plug & Work bzw. Plug & Produce ermöglichen die Integration von Maschinen und Anlagen in bestehende Systeme mit reduziertem Aufwand.

Interoperablen und sicheren Datenzugriff ermöglichen

Der Zugriff auf Services und Daten von Steuerungen und Feldgeräten kann durch einheitliche, sichere Schnittstellen bei allen Komponente sicher und interoperabel erfolgen.

Vorgehen bei der Migration von OPC UA

Bei der Umsetzung von OPC UA-Lösungen dienen die Anforderungen der Industrie-4.0-Kommunikation und die Funktionalitäten des OPC UA-Werkzeugkastens als Grundlage. Dabei kann die Einführung in sinnvolle Teilelemente zerlegt werden und schrittweise erfolgen. Grundvoraussetzung für die Kommunikation über OPC UA ist das Vorhandensein eines IP-basierten Netzwerks (über Ethernet oder eine drahtlose Technologie). Damit kann OPC UA sofort als einheitliche Schnittstelle für den maschinenübergreifenden Informationsaustausch genutzt werden.

Im ersten Schritt kann OPC UA als einheitliche Kommunikationsschnittstelle für den Informationszugriff verwendet werden. Dafür können relevante Parameter manuell eingebunden werden, z. B. für den Einsatz eines Condition-Monitoring-Systems zur Reduzierung von Stillstandzeiten. Die IT-Sicherheit sollte bereits beim Aufbau bedacht und eine entsprechende Security Policy mit der Definition von Zugriffsrechten und der Verwaltung von Zertifikaten festgelegt werden.

Im zweiten Schritt können standardisierte Informationsmodelle ausgewählt oder selbst erstellt werden. Zuvor sollte der Geräte- und Maschinenbauer prüfen, ob es nicht bereits eine entsprechende Branchenspezifikation gibt – die OPL Foundation oder eigene Verbände sind hier die Anlaufstellen. Falls dies nicht der Fall ist, kann ein eigenes Informationsmodell erstellt werden.

Im dritten Schritt kann ein erweitertes Informationsmodell erstellt werden, das herstellerspezifische Erweiterungen enthält. Es werden Beschreibung von über die Standardfunktionen hinausgehende Informationen eingefügt, wie z. B. Leistungsdaten, Effizienz etc. Jeder Hersteller kann somit spezielle Dienste anbieten und diese als Differenzierungsmerkmal und Wettbewerbsvorteil nutzen. Durch einen geschützten Zugriff können als freischaltbare Bezahlmodelle angeboten werden.