OPC UA-Lösungen

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!

Geräte‑, Maschinen‑, und Anlagen­bauerFertigungsunternehmen/ Betreiber
Heraus­for­de­rungen
    • Stetiges Ziel zur Kosten- und Prozess­op­ti­mie­rung
      → Kosten­druck
    • Stetiges Ziel zur Produkt­in­no­va­tion durch Wettbewerb 
      → Innovationsdruck
    • Stetiges Ziel der Optimie­rung der Produktion & der Gesamtanlageneffizienz
      → Kostendruck 
    • Anfor­de­rung, immer indivi­du­eller zu produzieren
      → Individualisierung
Lösungs­stra­te­gien
    • Erfül­lung der Anfor­de­rungen der Ferti­gungs­un­ter­nehmen (Kunden)
    • Anbieten von service­ori­en­tierten, software­ba­sierten Funktionen und Daten­diensten über Bezahl-/ Lizenz­mo­delle (neue Geschäftsmodelle)
    • Condi­tion Monito­ring (Zustands­über­wa­chung)
    • Predic­tive Mainten­ance (voraus­schau­ende Instandhaltung) 
    • Selbstoptimierung 
    • Kunden stärker in den Produk­ti­ons­pro­zess einbinden
Hürden
    • Schutz von Unter­neh­mens- bzw. maschi­nen­spe­zi­fi­schem Know-how 
    • Sicherer, kontrol­lier­barer Zugriff auf Infor­ma­tionen und Daten
    • Konfron­ta­tion mit unter­schied­li­chen, abstrakten Industrie‑4.0‑Konzepten (neuen Techno­lo­gien) als ein konti­nu­ier­li­cher Prozess auf dem Weg zur Produktion der Zukunft
Forde­rungen
    • Möglich­keit der Diffe­ren­zie­rung trotz Öffnung von Schnittstellen
    • Zentrale Heraus­for­de­rung: herstel­ler­un­ab­hän­giger Austausch von Daten über eine feldbus­un­ab­hän­gige Kommunikationstechnik 
    • Plug & Work bzw. Plug & Produce
Lösung
OPC UA
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iT Enginee­ring Software Innovations 
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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 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.

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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
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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.

Bild von Wolfram Schäfer

Wolfram Schäfer

Geschäfts­führer IT Enginee­ring Software Innovations

Kontakt

Vorteile von OPC UA für Maschinenbauer

    • OPC UA steht als offener Kommu­ni­ka­ti­ons­stan­dard kostenlos zur Verfügung
    • OPC UA ermög­licht herstel­ler­un­ab­hän­gigen und inter­ope­ra­blen Informationsaustausch
    • OPC UA ermög­licht standar­di­sierte, robuste, zellen­über­grei­fende Industrie‑4.0‑Kommunikation
    • OPC UA bietet sehr hohe, durch­gän­gige Skalier­bar­keit vom Sensor bis in IT-Enterprise-Ebene
    • OPC UA reduziert den Aufwand für Integra­tion von Geräten und Maschinen in Anlagen
    • OPC UA schafft IT-sichere Industrie‑4.0‑Kommunikation
    • OPC UA bietet Diffe­ren­zie­rungs­po­ten­ziale und Wettbe­werbs­vor­teile durch Entwick­lung neuer Dienste
    • OPC UA befähigt zur Umset­zung neuer Kunden­sze­na­rien und Geschäftsmodelle
 
 

Vorteile von OPC UA für die Fertigung

      • OPC UA befähigt den Maschinen- und Anlagenbau, seine Produktion digital zu vernetzen

     

      • Maschinen können durch die verein­fachte Integra­tion von Kompo­nenten herstel­ler­un­ab­hängig per Plug & Work bzw. Plug & Produce umgestaltet werden

     

      • nach Bedarf können Daten­ana­lyse- und Optimie­rungs­sys­teme einge­bunden werden

     

      • OPC UA stellt einen Kommu­ni­ka­ti­ons­kanal zwischen bislang getrennten Kommu­ni­ka­ti­ons­in­seln dar

     

      • OPC UA 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.

Logo umati - universal machine tool interface

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

OPC UA-fähige Lösung 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.

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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.

Grafik zeigt OPC UA Kommunikationsarten

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).

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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. 

Grafik zeigt OPC UA Migrationsschritte

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 über eine Certi­fi­cate Authority 

Basis­dienste: Infor­ma­ti­ons­mo­dell erkunden, Varia­blen lesen und schreiben, Wertän­de­rungen und Ereig­nisse abonnieren, Methoden (Software­funk­tionen) aufrufen 
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 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

Embedded UA Server Profile

Basis­funk­tio­na­li­täten, zusätz­lich UA-Security und Methodenaufrufe

Micro Embedded Device Server Profile

einge­schränkte Funktionalität 


Standard UA Server Profile

alle Funktionalitäten 

Diese Anfor­de­rungen kann OPC UA erfüllen

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

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

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

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

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.

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.

Grafik zeigt Industrie 4.0 Kommunikation mit OPC UA

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.

iT Engineering Software
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72124 Pliezhausen

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