OPC UA-Lösungen
Die Technologie für Interoperabilität im Fertigungsumfeld
OPC UA ist die Technologie für Interoperabilität im Fertigungsumfeld. 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 hier eine gute Grundlage für die Entwicklung von OPC UA Diensten. Wir kennen Werkzeuge, verstehen die Technologie und können die passenden Lösungen für Sie 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!
Definition von 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 62541spezifiziert. 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.
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.
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 dieser Schnittstelle beteiligt!
OPC UA-fähige Lösungen mithilfe der IIoT Building Blocks
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 und ‑Output nutzen kann. Um individuelle Architekturen abzubilden, können mehrere OPC UA Server einer Maschine einzeln angebunden werden.
Vorteile von OPC UA für die Fertigung
- OPC UA befähigt den Maschinen- und Anlagenbau, seine Produktion digital zu vernetzen
- Maschinen und Anlagen können durch die vereinfachte Integration von Komponenten herstellerunabhängig per Plug & Work bzw. Plug & Produce nach Bedarf umgestaltet und Datenanalyse- und Optimierungssysteme eingebunden werden
- OPC UA stellt einen zusätzlichen Kommunikationskanal zwischen bislang getrennten Kommunikationsinseln dar; dabei dient OPC UA zur Übermittlung von Informationen für neue Industrie‑4.0‑Dienste und nicht als Ersatz für bestehende Protokolle
- OPC UA bietet einen standardisierten und durchgängigen Austausch von Informationen über alle Schichten der Automatisierungssysteme hinweg
kann man die beiden Abschnitte zu Vorteilen zusammenfassen oder Unterschiede zwischen Fertigung und Maschinenbau stärker rausstellen?
Vorteile für Geräte-/ Maschinen-/ Anlagenbauer und Betreiber
- steht als offener Kommunikationsstandard kostenlos zur freien Verfügung
- ermöglicht herstellerunabhängigen und interoperablen Informationsaustausch
- ermöglicht standardisierte, robuste, zellenübergreifende Industrie‑4.0‑Kommunikation
- bietet sehr hohe, durchgängige Skalierbarkeit vom Sensor bis in IT-Enterprise-Eben
- reduziert Aufwand für Integration von Geräten und Maschinen in Anlagen
- schafft IT-sichere Industrie‑4.0‑Kommunikation
- bietet Differenzierungsmerkmale und Wettbewerbsvorteile durch Entwicklung neuer Dienste
- befähigt zur Umsetzung neuer Kundenszenarien und Geschäftsmodelle
Wir unterstützen Sie bei der Entwicklung von OPC UA-Lösungen und übernehmen u.a. die Festlegung der Anforderungen, die Auswahl geeigneter Technologien, Infrastrukturen und OPC UA-Profilen.
Wolfram Schäfer
Geschäftsführer IT Engineering Software Innovations
Charakterisierung von OPC UA
OPC UA ist ein Framework für industrielle Interoperabilität: Geräte- und Maschinenbauer beschreiben die objektorientierten Informationen ihres Systems und definieren auch die Zugriffsrechte mit integrierter IT Security. Kernfunktionalitäten von Maschinen und Anlagen sind bei unterschiedlichen Herstellern auf die gleiche 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.
In der Kommunikation kommen zwei Mechanismen zum Einsatz
Client-Server-Modell (HTTPS, TCP)
Der Server stellt 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 (AMQP, MQTT, UDP/ TCP)
Der Server stellt 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 der Auswahl, Implementierung und Bedienung von SDKs und der Open Source Bibliotheken!
OPC UA Werkzeugkasten
Kommunikation über Internet Protokoll (IP) Netzwerkinfrastruktur, IPv4 und IPv6 kompatibel, zukünftig auch echtzeitfähig durch Time-Sensitive Networking (TSN)
Aspekte: Vertraulichkeit, Integrität, Authentizität und Autorisierung;
Sicherheitsmechanismen mit digitalen Zertifikaten und Zugriffsrechten, Möglichkeit zur Verwaltung einer unternehmensweiten Public-Key-Infrastruktur (PKI, public key infrastructure) über eine Certificate Authority (CA)
Basisdienste: Informationsmodell erkunden (Browse), Variablen lesen und schreiben (Read/ Write), Wertänderungen und Ereignisse abonnieren (Subscribe), Methoden (Softwarefunktionen) aufrufen (Method Call);
Basismodelle: Grundlegende Typen und Objekte eines OPC UA Servers
Spezifische Informationsmodelle, bei denen Daten, Beschreibungen, Regeln, Funktionen, Objekte, Methoden und Ereignisse für bestimmte Branchen oder Maschinenarten ausgearbeitet und definiert sind.
Herstellerspezifische Erweiterungen mit Funktionen, die über den Standard hinausgeben, z. B. zur Energie- und Taktzeitoptimierung
OPC UA ist modular aufgebaut und kann als Framework für Interoperabilität der Industrie‑4.0‑Kommunikation verstanden werden. Vergleichbar mit einem Werkzeugkasten besteht das Framework aus folgenden Elementen:
Beispielhafte Architekturvarianten
- OPC UA Server
- Externer Software OPC UA Server für mehrere SPSen
- Externer Middleware OPC UA Server/ externes Gateway
- Externer aggregierender Software OPC UA Server
OPC UA Profile
OPC UA bietet verschiedene Profile mit unterschiedlichen Funktionalitäten, die für die Implementierung ausgewählt und genutzt werden können:
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
Eine Klasse ist ein abstraktes Modell bzw. ein Bauplan für eine Reihe von ähnlichen Objekten. Von diesen Klassen können neue Klassen abgeleitet werden, welche die Eigenschaften und Methoden der Elternklassen übernehmen.
Vorteil: Sicherstellung von Softwarequalität durch Kapselung von Eigenschaften
Standard UA Server Profile
Basisfunktionalitäten, zusätzlich UA-Security und Methodenaufrufe
OPC UA Profile
OPC UA bietet verschiedene Profile mit unterschiedlichen Funktionalitäten, die für die Implementierung ausgewählt und genutzt werden können:
stark eingeschränkte Funktionalitäten für kleinste Geräte wie Sensoren und Aktoren
Basisfunktionalitäten, zusätzlich UA-Security und Methodenaufrufe
alle Funktionalitäten
Folgende Anforderungen kann OPC UA erfüllen
IT-Sicherheit
Schutz 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
Effizienter Betrieb und flexibler Umbau von Fabriken
Grundsätzliche Ziele:
- Steigerung der Gesamtanlageneffektivität
- Realisierung einer kundenindividuellen Massenproduktion
strukturierter Zugriff auf Maschinen- und Zelleninformationen
einheitliche Bereitstellung von Anlageninformationen für eine maschinen- und zellenübergreifende Kommunikation
Menschen unterstützen
Unterstützung des Menschen durch eine einheitliche Schnittstelle im Produktionsumfeld und damit eine Reduzierung der Komplexität
einfache Integration von Maschinen in Anlagen
Maschinen mit einheitlichen Schnittstellen und Informationsmodellen können einfacher in Anlagen integriert werden. Konzepte wie Plug & Work bzw. Plug & Produce ermöglichen eine einfache Integration von Maschinen und Anlagen in bestehende Systeme.
interoperabler und sicherer Zugriff auf Services und Daten von Steuerungen und Feldgeräten
einheitliche, sichere Schnittstellen bei allen Komponenten, unter Berücksichtigung der Aspekte zur IT-Sicherheit
Betreiber und Integratoren fordern Interoperabilität und wünschen sich einheitliche Schnittstellen, um Plug & Work bzw. Plug & Produce zu ermöglichen und somit den Aufwand des Engineerings für Systeme unterschiedlicher Hersteller zu reduzieren.
Für die Erfüllung der Kategorie Industrie 4.0 „Basic“ und um damit dem Status „Industrie 4.0 enabled“ gerecht zu werden, müssen Geräte, Maschinen- und Anlagen mindestens mit dem Informationsmodell von OPC UA ansprechbar sein. Hersteller, die kein OPC UA anbieten, werden in Zukunft einen Wettbewerbsnachteil haben.
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.
Unser Angebot
Unsere Kernkompetenz als Dienstleister liegt in der Entwicklung anspruchsvoller, individueller Softwarelösungen im industriellen Umfeld. Dabei verfügen wir über große Erfahrung im Geräte‑, Maschinen- und Anlagenbau, im Fertigungsumfeld und in der Vernetzung von Maschinen.
Aufgrund dieses Wissens, gepaart mit unserer Kernkompetenz in der Softwareentwicklung, sind wir der perfekte Partner von der Beratung, über die Unterstützung bis zur vollständigen Implementierung von OPC UA-Schnittstellen – abgestimmt auf Ihr Anwendungsszenario. Wir stellen uns völlig flexibel auf Ihre Anforderungen ein.