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 Austausch von Informationen und Daten von Maschinen untereinander oder zu IT-Systemen geht, nähern sich ihre Interessen an. Zur Lösung der Anforderungen beider Sichtweisen steht OPC UA als Technologie zur Verfügung. OPC UA ist also sowohl für die Geräte‑, Maschinen- und Anlagenbauer interessant, als auch für Fertigungsunternehmen und Betreiber.
Wir von iT Engineering Software Innovations kennen beide Sichtweisen aus jahrzehntelanger Erfahrung und können auch Sie bei der Umsetzung unterstützen!
Geräte‑, Maschinen‑, und Anlagenbauer | Fertigungsunternehmen/ Betreiber | |
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Herausforderungen |
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Lösungsstrategien |
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Hürden |
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Forderungen |
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Lösung | Ihr Partner |
Definition von OPC UA
OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) ist ein offener Schnittstellenstandard für die Industrie‑4.0‑Kommunikation und spezifiziert in der IEC/DIN EN 62541. OPC UA zeichnet sich durch Interoperabilität aus, der Fähigkeit zur Zusammenarbeit von verschiedenen Systemen durch die 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 – standardisierte Informationsmodelle
Companion Specifications sind domänenspezifische Informationsmodelle, bei denen die 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 und verwaltet die Standardisierung von OPC UA und damit auch in Zusammenarbeit mit Branchenverbänden die Companion Specifications.
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
Unsere Empfehlung: 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 (Companion Specification) ist umati eine universelle Schnittstelle, die Werkzeugmaschinen und Anlagen sicher, naht- und mühelos in kunden- und anwenderspezifische IT-Ökosysteme integrieren kann. Ein Standard nicht nur in Deutschland, sondern für Anwender in der ganzen Welt – zur Erschließung neuer Potenziale für die Produktion der Zukunft.
Wir von iT Engineering Software Innovations waren auch an der Definition dieser Schnittstelle beteiligt!
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 dazu. 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.
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).
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.
Der Werkzeugkasten für OPC UA
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:
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

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:
stark eingeschränkte Funktionalitäten für kleinste Geräte wie Sensoren und Aktoren
Basisfunktionalitäten, zusätzlich UA-Security und Methodenaufrufe
alle Funktionalitäten
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
Literaturempfehlungen
VDMA-Leitfaden „Industrie 4.0 Kommunikation mit OPC UA“
VDMA-Leitfaden „Industrie 4.0 Security – Handlungsempfehlungen für den Mittelstand“
„Praxishandbuch OPC UA: Grundlagen – Implementierung – Nachrüstung – Praxisbeispiele“, Miriam Schleipen (Hrsg.), Vogel Communications Group
Anforderungen von Geräte-/ Maschinen-/ Anlagenbauern und Betreibern, die OPC UA erfüllen kann
IT-Sicherheit
Schutz von Daten vor unberechtigtem Zugriff oder Manipulation (Urheberrechte wahren, Schäden verhindern)
→ Bei der Entwicklung des Informationsmodells festlegen, welche notwendigen Informationen im Hinblick auf die Interoperabilität ausgetauscht werden dürfen.
→ Vergabe von Zugriffsrechten
Menschen unterstützen
Fabriken effizient betreiben und flexibel umbauen
Grundsätzliche Ziele:
- Steigerung der Gesamtanlageneffektivität
- Realisierung einer kundenindividuellen Massenproduktion
Maschinen einfach in Anlage integrieren
Maschinen mit einheitlichen Schnittstellen und Informationsmodellen zur einfachen Integration in Anlagen
→ Die Konzepte wie Plug & Work bzw. Plug & Produce ermöglichen eine einfache Integration von Maschinen und Anlagen in Systeme.
Strukturiert auf Maschinen- und Zelleninformationen zugreifen
Einheitliche Bereitstellung von Anlageninformationen für eine maschinen- und zellenübergreifende Kommunikation
Interoperabel und sicher auf Services und Daten von Steuerungen und Feldgeräten zugreifen
Einheitliche, sichere Schnittstellen bei allen Komponenten, unter Berücksichtigung der Aspekte zur IT-Sicherheit
Fazit
Betreiber und Integratoren fordern die Interoperabilität und wünschen sich einheitliche Schnittstellen, um Plug & Work bzw. Plug & Produce zur Reduzierung des Engineerings für Systeme unterschiedlicher Hersteller zu ermöglichen.
Nutzen in der 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
Vorteile für Geräte-/ Maschinen-/ Anlagenbauer und Betreiber
Hinweis & Ausblick
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 Internet Protokoll (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 (Companion Specifications) ausgewählt oder selbst erstellt werden. Zuvor sollte der Geräte- und Maschinenbauer prüfen, ob es nicht bereits ein 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.
Alternativ dazu können mehrere Maschinenbauer und Endanwender einer Branche ein gemeinsames standardisiertes Informationsmodell (auf Basis der Device Integration) in Form einer Companion Specification erarbeiten. Bei der Entwicklung ist die Durchführung von Konformitätstests (mithilfe von CTT, Unified Architecture Compliance Test Tool) für die Client- und Server-Applikationen wichtig. Die Zertifizierung von Companion Specifications erfolgt durch von der OPL Foundation zertifizierte Zertifizierungslabore (Certification Test Lab). Geprüft und garantiert werden Übereinstimmung, Interoperabilität, Zuverlässigkeit/ Robustheit, Effizienz und Benutzerfreundlichkeit mit den Anforderungen an die OPC UA Standards.
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 sie in Form von freischaltbaren Bezahlmodellen angeboten werden.
Wir von iT Engineering Software Innovations beraten, unterstützen oder übernehmen für Sie die stufenweise Entwicklung und Implementierung von OPC UA-Schnittstellen!
Unser Angebot
Unsere Kernkompetenz als Dienstleister liegt in der Entwicklung anspruchsvoller, individueller Softwarelösungen im industriellen Umfeld. Dabei haben wir große Erfahrung im Geräte‑, Maschinen- und Anlagenbau, im Fertigungsumfeld und in der Vernetzung von Maschinen gesammelt. Durch dieses Wissen gepaart mit unserer Kernkompetenz in der Softwareentwicklung sind wir Ihr perfekter 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 und Ihren Bedarf ein.