OPC UA und Konnektivität

OPC UA ist die Abkürzung für Open Platform Communications Unified Architecture.
Es ist der Standard für den sicheren und zuverlässigen Datenaustausch, insbesondere für die industrielle Automatisierung in verschiedenen Branchen. Die Spezifikation ist plattformunabhängig und sorgt für einen durchgängigen Informationsfluss zwischen Produkten, Anlagen, Geräten, Maschinen, Systemen und ganzen Fabriken. Sie ist 100 Prozent interoperabel.

Kurz: OPC UA ist weltweit einer der wichtigsten Kommunikationsstandards für den vernetzten, schlanken und damit auch schnellen Datenaustausch im industriellen Umfeld. Damit ermöglicht OPC UA das Industrial Internet of Things (IIoT), Manufacturing X und Industrie 4.0.

1990er Jahre: Die Vereinfachung verschiedener proprietärer Kommunikationsprotokolle war das ursprüngliche Ziel von Open Platform Communications (OPC). Die Entwickler von OPC wollten den Datenfluss vereinheitlichen und einen offenen Standard anbieten. Dies galt vor allem für die industrielle Produktion. Ziel der Entwickler war es, die Integration unterschiedlicher Systeme zu vereinfachen und damit die industrielle Automatisierung insgesamt zu optimieren. Kurz: den Datenfluss und die Vernetzung der Geräte zu harmonisieren. Das Ergebnis war ein Kommunikationsprotokoll für Daten in der Industrie. Tatsächlich war es die Zusammenarbeit von Industrieanbietern, Fertigungsunternehmen und Softwareentwicklern, die die Entwicklung von OPC so erfolgreich machte. Das ist auch heute noch so und liegt in der Philosophie der OPC Foundation begründet.

Als der Standard 1996 erstmals veröffentlicht wurde, war es das Ziel, SPS-spezifische Protokolle – wie Modbus oder Profibus – zu einer standardisierten OPC-Schnittstelle zu abstrahieren, die es HMI/SCADA-Systemen ermöglicht, mit einem „Vermittler“ zusammenzuarbeiten, der generische SPS-Lese-/Schreibanfragen in gerätespezifische Anfragen umwandelt und umgekehrt. Als Ergebnis wurden zahlreiche OPC-fähige Produkte auf den Markt gebracht.

OPC Classic: Ursprünglich war der OPC Standard auf das Betriebssystem Windows beschränkt. Daher wurde der Begriff OPC von Object Linking and Embedding (OLE) für Process Control abgeleitet. Diese Spezifikationen, die heute als OPC Classic bekannt sind, haben sich in zahlreichen Branchen durchgesetzt, darunter die Fertigungsindustrie, die Gebäudeautomatisierung, die Öl- und Gasindustrie, erneuerbare Energien und Versorgungsunternehmen. Seit mehr als 30 Jahren bildet der OPC-Standard die Grundlage für die nahtlose Kommunikation zwischen verschiedenen Automatisierungssystemen und Geräten unterschiedlicher Hersteller. Er steht für die Verbindung von OT und IT.

In den 2000er Jahren hat sich die industrielle Produktion verändert, da zunehmend serviceorientierte Architekturen für Fertigungssysteme entwickelt wurden. Daraus ergaben sich neue Anforderungen an OPC in Bezug auf Sicherheit und Datenmodellierung. Aus diesem Grund wurden die OPC UA Spezifikationen von der OPC Foundation in Zusammenarbeit mit den Mitgliedsunternehmen entwickelt. Die neuen Spezifikationen bieten eine offene, zukunftssichere, skalierbare und erweiterbare Architektur mit zahlreichen zusätzlichen Funktionen. Die Abkürzung UA steht für Unified Architecture.

Die aktuelle OPC UA Spezifikation wurde erstmals 2008 veröffentlicht. Es handelt sich dabei um einen offenen, plattformunabhängigen Kommunikationsstandard für den Austausch von Daten und Informationen zwischen verschiedenen Systemen und Servern im Bereich der Automatisierung. OPC UA ist die neueste Spezifikationsgeneration der OPC Foundation. OPC UA ist ein Standard der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC). Er ist in der IEC 62541 beschrieben.

Im Wesentlichen wurde OPC UA entwickelt, um die Unzulänglichkeiten früherer OPC Standards zu überwinden und eine zuverlässige, sichere und interoperable Kommunikation zu ermöglichen. Dazu gehört auch das Tunneling, denn mit OPC UA kann auf das Tunneling verzichtet werden. Durch den Einsatz eines OPC Wrappers ist der OPC Classic Server dennoch in der Lage, über das Netzwerk hinweg zu kommunizieren und die Daten anderen Servern und Systemen zur Verfügung zu stellen.

2024 OPC UA steht für die Schnittstelle zwischen Clients und Servern sowie Servern und Servern, einschließlich des Zugriffs auf Echtzeitdaten, der Überwachung von Alarmen und Ereignissen, des Zugriffs auf historische Daten und anderer Anwendungen. Es ist die Grundlage für künstliche Intelligenz (KI) in Unternehmen, Simulation und Digital Twin. Kurz gesagt ist OPC UA die Weiterentwicklung der Spezifikation aus den 1990er Jahren.

Seit seiner Veröffentlichung im Jahr 1996 wird der Industriestandard von der OPC Foundation vorangetrieben. Unternehmen wie Microsoft, Rockwell Automation, Siemens, ABB, Honeywell, Mitsubishi Electric und Schneider Electric gehörten zum Gründerkreis der Initiative.

Von Anfang an war die Foundation eine Non-Profit-Organisation, die sich gemeinsam mit Partnern auf die Entwicklung von Standards für die Interoperabilität in der industriellen Automatisierung konzentrierte. Weltweit arbeiten Unternehmen aktiv an den Spezifikationen mit. Die Arbeit an den Companion Specifications findet hauptsächlich in den Expertenkreisen der Arbeitsgruppen statt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Soft- und Hardware-Spezialisten rund um den Globus das IoT vorantreiben, indem sie an Standards arbeiten und diese dann mit anderen teilen.

Mittlerweile gehören auch zahlreiche Endanwender zu den Mitgliedern. Beispiele sind L’Oréal, Airbus, Procter & Gamble und die Renault Gruppe. Die Endanwender profitieren davon, dass große Anbieter von IoT-Cloud-Lösungen wie Google und Microsoft OPC UA in ihre Lösungen integrieren.

Um erste Schritte in Richtung OPC UA zu machen, bieten viele Unternehmen OPC UA Test Tools an. Damit können Fertigungsunternehmen OPC UA Test Server und OPC UA Test Clients betreiben, um die Produktionsumgebung zu simulieren.

Im Jahr 2018 startete die OPC Foundation zudem die OPC UA Field Level Communications (FLC) Initiative. Die Initiative arbeitet an Kommunikationsschnittstellen für Feldgeräte wie Sensoren, Aktoren und Steuerungen, damit diese Geräte nahtlos in OPC UA Netzwerke integriert werden können. Zu diesem Zweck wurde die OPC UA FX (Field eXchange) Spezifikation fertiggestellt.

Darüber hinaus wurde eine Multi-Vendor-Demo mit Steuerungen und Netzwerkinfrastrukturkomponenten realisiert, um die herstellerübergreifende Interoperabilität von Automatisierungskomponenten für unterschiedlichste Anwendungsfälle in der Fabrik- und Prozessautomation zu demonstrieren.

Einem Bericht des Marktforschungsunternehmens „Fortune Business Insights“ zufolge ist der Weltmarkt für OPC-Server-Software in fünf Regionen unterteilt. Dazu gehören Europa, Nordamerika, Südamerika, der Nahe Osten und Afrika sowie die Asien-Pazifik-Region. Aufgrund der frühzeitigen Einführung von fortschrittlichen Machine-to-Machine-Technologien und -Lösungen hatte Nordamerika im Jahr 2022 mit 32 Prozent den größten Anteil an diesem Markt, gefolgt von der Region Asien-Pazifik mit 25 Prozent und Europa mit 24 Prozent.

TCP/IP und Web-Protokolle sorgen dafür, dass die Datenkommunikation über OPC UA zu 100 Prozent plattformunabhängig ist. Was ist neu seit 2008? Egal ob das Betriebssystem des Servers Windows, Linux, UNIX oder MacOS ist, der OPC Server kann über alle Protokolle angesprochen werden. Dies gilt auch für proprietäre Systeme mit TCP/IP Stack. Die Datenkommunikation funktioniert also unabhängig vom Hersteller oder Typ des Betriebssystems oder der Hardwareplattform. In der Praxis bedeutet dies, dass Embedded Systeme, Geräte und Steuerungen unabhängig vom Betriebssystem als Server fungieren können. Spezielle Anpassungen oder Konfigurationen sind nicht erforderlich.

Die vollständige Interoperabilität wird durch die Verwendung eines einheitlichen Datenmodells und Kommunikationsprotokolls erreicht, das von allen Systemen, die OPC UA unterstützen, verstanden wird. Damit ist die Grundlage für die Verbindung von Operational Technology (OT) und Information Technology (IT) geschaffen.

Die Verbindung von OT und IT in OPC UA bezieht sich auf die Integration von Daten. OT umfasst Steuerungs- und Automatisierungssysteme, Feldsensoren, Aktoren und andere Geräte, die in industriellen Umgebungen zur Überwachung und Steuerung von Prozessen eingesetzt werden. IT hingegen umfasst Netzwerke, Server, Datenbanken, ERP-Systeme, Softwareanwendungen und andere Technologien, die in Unternehmensnetzwerken zur Speicherung, Analyse und Verwaltung von Daten eingesetzt werden.

Durch den Einsatz von OPC UA können Daten aus der OT sicher, schnell und nahtlos in die IT-Umgebung integriert werden. Alle Prozesse und die Konnektivität der Prozessdaten in der Fertigung werden durch diese Vernetzung verbessert. Entscheidungen können auf Basis von Echtzeitdaten und Datenanalysen fundierter getroffen werden. Die Plattformunabhängigkeit und Interoperabilität von OPC UA ist ein Garant für die Steigerung der betrieblichen Effizienz. Da die Daten nicht isoliert sind, können Unternehmen diese vom Edge bis in die Cloud kontrollieren.

Um die Kommunikation von der Feldebene bis in die Cloud zu unterstützen, hat die OPC Foundation Informationsmodelle für den semantischen Informationsaustausch (IMS) entwickelt. Dazu gehören spezifische Strukturen und Konzepte wie beispielsweise Daten modellieren und Typen definieren. Diese Modelle dienen als Grundlage für den semantischen Informationsaustausch zwischen verschiedenen Komponenten in einem OPC UA Netzwerk.

OPC UA bietet zwei Kommunikationsmodelle:

1. Client/Server (z.B. über TCP oder WebSockets)
2. Publish/Subscribe (z.B. über UDP oder MQTT)

Da OPC UA unabhängig von einem bestimmten Transportprotokoll funktioniert (OPC UA ist ein IEC Standard), definiert der Standard zwar die Spezifikation von Datenstrukturen, Protokollen und Kommunikationsmechanismen. Das Transportprotokoll wird jedoch nicht festgelegt. Das bedeutet, dass OPC UA die Semantik und das Verhalten der zu übertragenden Daten festlegt und gleichzeitig verschiedene Transportprotokolle unterstützt. Damit ist OPC UA der erste herstellerübergreifende Multi-Cloud-Standard.

Auf Basis dieser IMS haben IT-Unternehmen OPC UA Cloud Libraries entwickelt. Ihr Ziel ist es, die Integration von OPC UA in Cloud Computing-Umgebungen zu vereinfachen. Sie ermöglichen es Entwicklern, Cloud-native Anwendungen zu erstellen, die nahtlos mit OPC UA-fähigen Geräten und Systemen kommunizieren können. Dies bedeutet, dass semantische Informationen und Live-Daten aus der Peripherie direkt in Cloud-Umgebungen genutzt werden können.

Diese OPC UA Cloud Bibliotheken sind im Wesentlichen Software Development Kits (SDKs), die speziell für die Integration von OPC UA in Cloud-basierte Anwendungen entwickelt wurden. Sie bieten Funktionen, um Verbindungen zu OPC UA Servern herzustellen und Daten über das OPC UA Protokoll auszutauschen, wie z.B. Authentifizierungsmethoden, Datenmodelle, Skalierbarkeitsmethoden, die Bereitstellung von Application Programming Interfaces (APIs) und Integrationen mit Cloud Services wie Datenbanken, Speicherlösungen oder Analyseplattformen.

Im Jahr 2017 wurde erstmals der OPC UA Publisher/Subscriber (Pub/Sub) veröffentlicht. Dies geschah im Rahmen der OPC UA Spezifikation Version 1.04, die eine neue Methode zur Datenübertragung enthält. Neu ist, dass neben der Client/Server Kommunikation nun auch die Publisher/Subscriber Kommunikation möglich ist.

Die Publisher/Subscriber Methode erlaubt die asynchrone Verteilung von Daten und Ereignissen über das Netzwerk. Auf diese Weise kann eine skalierbare Kommunikation in verteilten Systemen realisiert werden. Diese Methodik ist für bestimmte Anforderungen von Vorteil. Geräte und Software können auch ohne Client/Server-Kommunikation miteinander kommunizieren. Die Kommunikation findet nun direkt zwischen Publisher und Subscriber statt. Dies beschleunigt die Kommunikation.

Dieser Entwicklungsschritt wurde notwendig, da immer mehr Anforderungen für hochperformante und echtzeitfähige Anwendungen an OPC UA gestellt wurden. Dies hängt vor allem mit den Fortschritten in der industriellen Kommunikation zusammen. So unterstützt OPC UA Pub/Sub moderne Netzwerktechnologien wie Time-Sensitive Networking (TSN). Vernetzte IIoT-Umgebungen erfordern Exkurs: Die Publisher/Subscriber (Pub/Sub) Methodik wird auch vom Nachrichtenprotokoll MQTT angeboten. Allerdings ist dieser Kommunikationsweg erschwert, da OPC UA Pub/Sub bereits die OPC UA Datenstrukturen kennt, was bei MQTT nicht der Fall ist.

1. Die Verschlüsselung der Datenübertragung zwischen Client und Server gewährleistet die Vertraulichkeit der übertragenen Informationen. Dazu werden asymmetrische Verschlüsselungsalgorithmen wie RSA (1977) und symmetrische Verschlüsselungsalgorithmen wie Advanced Encryption Standard (AES, 2002) verwendet. Zur Sicherung der Daten während der Übertragung werden 128- oder 256-Bit-Verschlüsselung, Nachrichtensignierung, Paketsequenzierung und Benutzerauthentifizierung verwendet.
2. OPC UA ermöglicht die Authentifizierungslösungen für Benutzern und Systemen, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Entitäten auf Ressourcen zugreifen können. Dies geschieht typischerweise über Zertifikate.
3. Neben der Authentifizierung unterstützt OPC UA auch die Autorisierung (über Rollen und Berechtigungen) von Benutzern und Systemen, um festzulegen, welche Aktionen und Ressourcen von einer bestimmten Entität verwendet werden dürfen.
4. Datensignaturen sichern die Integrität der übertragenen Informationen, um Manipulationen während der Übertragung zu erkennen.
5. OPC UA unterstützt die Protokollierung von Ereignissen und Aktivitäten, um eine vollständige Traceability von Aktionen und Operationen zu gewährleisten. Dies erleichtert die Auswertung von Sicherheitsvorfällen und die Einhaltung von Compliance-Anforderungen.

Die OPC Foundation hat mehrere Standards und Spezifikationen entwickelt und verabschiedet, die dazu beitragen, die Interoperabilität und Integration in der industriellen Automatisierung zu fördern.

1. OPC Classic (1996)

Hierbei handelt es sich um ältere Versionen des OPC-Standards, die auf dem Distributed Component Object Model (DCOM) basieren. OPC Classic umfasst verschiedene Teile, darunter Data Access, Alarm & Events und Historical Data Access, die jeweils spezifische Aspekte der Datenkommunikation und des Datenmanagements in der industriellen Automatisierung behandeln.

2. OPC UA (2008)

OPC UA ist ein offener, plattformunabhängiger Kommunikationsstandard für die industrielle Automation. Er bietet eine sichere, zuverlässige und interoperable Kommunikation zwischen verschiedenen Systemen und Geräten, unabhängig von Hersteller oder Typ.

3. OPC UA Informationsmodelle und zugehörige Spezifikationen (OPC UA für Machinery 2012)

Diese Dokumente definieren die semantische Struktur von Daten und Informationen, die in OPC UA Systemen verwendet werden, sowie spezifische Modelle und Standards für verschiedene Anwendungen und Branchen. Seit 2012 hat die OPC Foundation eine Reihe von Companion Specifications veröffentlicht, die sich auf verschiedene Branchen und Anwendungsbereiche konzentrieren, darunter die Digitalisierung in der Automobilindustrie, Digitalisierung in der Energiewirtschaft, Robotik, Gebäudeautomation, Digitalisierung im Gesundheitswesen und viele andere. Jede Companion Specification definiert spezifische Modelle, Datentypen und Funktionen, die für die jeweilige Branche oder Anwendung relevant sind.

4. OPC UA Pub/Sub (2017)

Diese Erweiterung des OPC UA Standards ermöglicht die asynchrone Verteilung von Daten und Ereignissen über ein Netzwerk. OPC UA Pub/Sub wurde entwickelt, um die Anforderungen an hochperformante und echtzeitfähige Anwendungen zu erfüllen und die Skalierbarkeit und Effizienz von OPC UA Systemen zu verbessern.

5. OPC UA für Geräte (2015)

Dies ist eine spezielle Variante von OPC UA, die für die Integration von Geräten und eingebetteten Systemen entwickelt wurde. OPC UA for Devices bietet eine einfache Implementierung von OPC UA und ermöglicht die nahtlose Integration von Geräten in OPC UA Netzwerke.

6. OPC UA über TSN (2018)

OPC UA TSN ist kein Standard, sondern die Integration von OPC UA über das Time-Sensitive Networking (TSN) Protokoll. TSN selbst steht für eine Reihe von Standards, die vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) definiert wurden, um Ethernet-Netzwerke für Echtzeitkommunikation zu optimieren.