Einführung in die Open Platform Communications (OPC)
Was ist Open Platform Communications?
Open Platform Communications (OPC) ist ein Interoperabilitätsstandard, der es mehreren Herstellern ermöglicht, industrielle Automatisierungsdaten sicher auszutauschen. Dies definiert ein Echtzeit-Übertragungsprotokoll zur Verwaltung verschiedener Geräte mit betriebsinternen Sensoren, Feldgeräten, Controllern und Anwendungen in der Fertigungsstätte sowie zwischen den OT- und firmeninternen IT-Systemen (Cloud).
OPC ist ein M2M-Kommunikationsprotokoll, das in der industriellen Automatisierungsindustrie verwendet wird. Wenn mehr industrielle Automatisierungssystemelemente kommunizieren möchten, wird es möglich, Informationen von jedem Element zu sammeln und zu analysieren, Daten aufzuschlüsseln, die Effizienz und Reaktionsfähigkeit zu verbessern und bessere Geschäftsentscheidungen zu treffen. OPC, das für Object Linking and Embedding for Process Control steht und auf OLE-, COM- und DCOM-Technologie basiert, soll als Brücke für Windows-basierte Anwendungs- und Prozesssteuerungshardware dienen. Der OPC-Server wandelt das Hardware-Kommunikationsprotokoll um, und jede Software, die eine Verbindung zur Hardware herstellen muss, wird zum OPC-Client. OPC Instructions werden von OPC-Clients und -Servern verwendet, um Befehle, die in einem Controller oder I/O-Modul ausgeführt werden, zu identifizieren, zu senden und zu steuern.
OPC UA (Unified Architecture) ist der Standard der nächsten Generation der OPC Foundation, eine Aktualisierung des ursprünglichen OPC-Interoperabilitätsstandards, der den Anforderungen und neuen Herausforderungen in der Sicherheits- und Datenmodellierung gerecht wird und gleichzeitig eine offene Plattformarchitektur mit großem Funktionsumfang bietet, die zukunftssicher, skalierbar und erweiterbar ist.
OPC UA und IIoT
OPC UA ist ein SOA-Framework (serviceorientierte Architektur), das entwickelt werden kann, um eine breite Palette von Plattformen zu unterstützen, von eingebetteten Mikrocontrollern bis hin zur Cloud-Infrastruktur. Da die Lösung plattformunabhängig und vom Sensor bis zur Cloud anpassbar ist, kann sie in Geräte integriert werden und ist somit eine Komplettlösung für IoT-basierte Anwendungen. Dies ermöglicht es auch IoT-Akteuren, Daten basierend auf domänenspezifischen Produkten zu modellieren. OPC UA ist das bevorzugte Protokoll für das IIoT, da es alle Funktionen hat, die es haben sollte. Es ist ein Industriestandard für das Datenpacken vom Netzwerkrand (Maschinen in Industrieanlagen, SPSen, pneumatische Steuerungen usw.).
OPC und IoT arbeiten beide im Hintergrund für Verbraucher, wobei die Geschäftsziele Einblicke in Produktivität, GAE und Qualität umfassen. Zudem ermöglicht eine Plattform datengesteuerte Entscheidungen und erleichtert die Entwicklung von OPC UA-Lösungen auf Basis von IIoT-Technologie. OPC UA sorgt für die einfache Verbindung entfernter Geräte mit dem IoT in der Cloud oder am Netzwerkrand, wodurch Gerätediagnose, Asset-Management und Überwachung, Berichterstellung und andere Anwendungen umgesetzt werden können. Die Lösung gewährleistet die Sicherheit durch Verschlüsselung von Daten, Authentifizierung von Benutzern und Überwachung von Vorgängen. Sie basiert auf OPC Classic durch die Bereitstellung von anfragebasierten Funktionen, die Fähigkeit, Server und andere Geräte in einem Netzwerk zu identifizieren, und einer Adressraumarchitektur, die für die Unterstützung anspruchsvollerer Datenstrukturen entwickelt wurde.
OPC UA auf dem Weg zu einer industriellen Automatisierung:
Vor der Entwicklung von OPC verfügte jeder OEM-Hersteller über Anwendungen, die eigene Treiber verwendet und Daten in vollständigen Datenpfaden aufbewahrt haben. Dies führte zu einer Reihe von Problemen für die Hersteller, da jeder Anbieter seine eigenen Daten erzeugte, die sie nicht zum Erstellen von Berichten verwenden konnten. Für die Berichtserstellung mussten sie einzigartige Lösungen von diesen verschiedenen Anbietern entwickeln. Da die Daten also in einem exklusiven Format eingesperrt waren, war die Kombinationsflexibilität eingeschränkt. Die Daten wurden in verschiedenen SPS-Modellen, MMS, CNC-Maschinen, ERPs usw. gespeichert. Darüber hinaus wurde bei den Anlagen jedes Mal, wenn ein neues System hinzugefügt wurde, das Problem der Änderung der Verwaltung übersehen. Anstatt ein neues Produkt zu entwickeln, um die Technologie ohne exklusives Format zu regulieren und die weitverbreitete Konnektivität zu erleichtern, wurde OPC als Lösung für diese Bedenken eingerichtet. Ein Namensraum wird erstellt, wenn ein OPC-Server eine Gruppe von Variablen innerhalb einer Verzeichnisbaum-ähnlichen Hierarchie beschreibt. Jede Variable verfügt über verschiedene Datentypen, z. B. eine Ganzzahl, einen booleschen Wert, einen reellen Wert, eine Zeichenfolge und einen Standardwert. Ein TCP-basiertes Binärprotokoll wird verwendet, um einen oder mehrere OPC-Clients mit dem OPC-Server zu verbinden.
Die OPC Unified Architecture (UA) wurde beschrieben und wird von den Erstanwendern des Programms getestet und implementiert. Sie kann in Java, Microsoft.NET oder C implementiert werden, sodass frühere OPC-Versionen keine Microsoft Windows-basierte Plattform benötigen. Um eine MES- und ERP-Unterstützung auf höherer Ebene zu bieten, kombiniert UA die Funktionen aktueller OPC-Schnittstellen mit neuen Technologien wie XML und Webservices.
Die Plattform Industrie 4.0 hat OPC UA eingehend untersucht und als Schlüsseltechnologie für die Implementierung der „Kommunikationsschicht“ des „Referenzarchitekturmodells Industrie 4.0“ validiert. (RAMI4.0). Das OPC UA-Protokoll ist gemäß der Serie IEC 62541 standardisiert. Es ist zu beachten, dass die OPC UA-Spezifikation die neueste ist, die nicht auf Microsoft COM-Technologie basiert und somit plattformübergreifende Kompatibilität ermöglicht.
Das OPC UA-Paradigma, wie in der vorhergehenden Abbildung dargestellt, beschreibt, wie Clients auf Informationen auf dem Server zugreifen. Die OPC UA-Schicht umfasst eine detaillierte Beschreibungssprache sowie die für Informationsmodelle erforderlichen Kommunikationsdienste. Diese Systeme zeichnen sich durch ihre Größe, Leistung, Plattformen und Funktionsmerkmale wie Client-Server und PubSub aus.
Abbildung: OPC UA-Schichtenmodell (Quelllink: opcfounadation.org)
OPC UA kann in bestehende Industrial Ethernet-Netzwerke integriert und auf bestehender PROFINET-Infrastruktur ausgeführt werden, ohne die Qualität zu beeinträchtigen. Das Ziel von OPC UA ist es, die Interoperabilität auf Geräte- und Unternehmensanwendungen auszuweiten, und vor Kurzem wurde Publish/Subscribe in der ursprünglichen Client/Server-Kommunikationsinfrastruktur eingeführt. Die Spezifikation zielt auch darauf ab, die Notwendigkeit für einen eigenständigen Windows-PC zu beseitigen, indem die Integration eines Servers mit einem Edge-Gerät ermöglicht wird.
Standards von OPC, die in industriellen Automatisierungssystemen verwendet werden
Ziel war es, die Kommunikationsprotokolle von SPS zu abstrahieren. Dabei handelt es sich um kleine Spezialrechner, die in der industriellen Automatisierung häufig eingesetzt werden. Durch die Abstraktion dieser verschiedenen Protokolle wurde eine standardisierte Schnittstelle geschaffen, die als eine Art Vermittler diente, der Lese-/Schreibanfragen zwischen MMS-Software, die Mitarbeiter zur Steuerung von Maschinen über SPSen verwenden, und SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), einer beliebten Computerarchitektur für die industrielle Prozesssteuerung, umwandelte.
Die OPC-Technologie umfasst eine Reihe von Standards (OPC DA, OPC HAD, OPC AE, OPC Batch, OPC DX, OPC Security, OPC XML-DA, OPC Complex Data, OPC Commands und OPC UA), die einen bestimmten Funktionssatz beschreiben. Der am weitesten verbreitete Standard ist der OPC DA (Data Access), der eine Sammlung von Funktionen für den Echtzeit-Datenaustausch mit SPSen, DCSen, MMS, CNCen und anderen Geräten definiert. Mit dem OPC HDA-Modul (Abruf historischer Daten) können Sie auf zuvor aufgezeichnete Daten und den Verlauf zugreifen. Ein weiterer Standard, OPC AE (Alarme und Situationen), bietet anfragebasierte Benachrichtigungsfunktionen für eine Vielzahl von Ereignissen, einschließlich Notfällen, Bedieneraktionen, Informationsnachrichten und andere. OPC Batch steuert den technischen Prozess auf Schritt- und Rezepturebene. Die Funktion OPC DX (Datenaustausch) verwaltet den Datenaustausch zwischen OPC-Servern über ein Ethernet-Netzwerk. Das primäre Ziel dieses Standards ist der Aufbau von Datenaustausch-Gateways zwischen Geräten und Anwendungen verschiedener Anbieter. Die Funktionen der Einrichtung von Client-Zugriffsberechtigungen auf OPC-Serverdaten werden von OPC Security definiert. Der OPC XML-DA-Standard (XML-Datenzugriff) ist ein vielseitiges, regelbasiertes Format für die Übertragung von Daten über XML, SOAP und HTTP. OPC Complex Data ist eine Sammlung von zusätzlichen OPC DA- und XML-DA-Spezifikationen, die es Servern ermöglichen, mit komplexen Datentypen wie Binärstrukturen und XML-Dokumenten zu kommunizieren. Die OPC Commands sind eine Sammlung von Programmierschnittstellen, die OPC-Clients und -Servern erlauben, Befehle, welche in einem Controller oder einem I/O-Modul ausgeführt werden, zu identifizieren, zu senden und zu steuern. OPC DA ist der am weitesten verbreitete Standard, hat jedoch einen erheblichen Nachteil. Zum Zeitpunkt seiner Entwicklung basierte er auf damals modernen Windows-Technologien wie OLE, ActiveX und COM/DCOM, aber die Branche hat sich verändert und andere Betriebssysteme und Technologien haben an Bedeutung gewonnen.
OPC-Anwendungsfälle
Nahtloser Datenaustausch über OPC UA
Intelligenz wird von überwachenden Kontrollsystemen auf lokale Elemente übertragen, während sich die Branche in Richtung horizontaler und vertikaler Integration bewegt. Dieses Wachstum schafft einen erhöhten Kommunikationsbedarf, für den der offene OPC UA-Standard, der auch für Embedded-Geräte verwendet werden kann, eine geeignete Lösung darstellt. Embedded-OPC UA ist ein Server-Gateway, das die Kontroll- und IT-Welt verbindet, indem es den Zugriff auf Prozess-, Fertigungs- und Qualitätsdaten in einer Reihe verschiedener Steuerungstypen ermöglicht.
Wasserwirtschaft mit OPC UA-fähigen Smart Devices
Dezentrale, in sich geschlossene Embedded-Controller können zusammenarbeiten, um ein intelligentes Netzwerk zur Steuerung von Trink- und Abwasseranlagen aufzubauen. OPC UA ist die geeignete Lösung für den Aufbau einer sicheren und standardisierten M2M-Kommunikation in diesen Anlagen. OPC UA wird zwischen Anlagen für M2M-Kommunikation oder IoT-Technologie für die intelligente Vernetzung von dezentralen, autonom funktionierenden und sehr kleinen Embedded-Controllern eingesetzt. Da der Controller über einen OPC UA-Server verfügt, werden diese Objekte sofort als ausgefeilte Datenstrukturen der Außenwelt ausgesetzt, was eine semantische Interoperabilität ermöglicht. Infolgedessen entsteht eine dezentrale Intelligenz, die in der Lage ist, unabhängige Entscheidungen zu treffen und Informationen an benachbarte Systeme zu übertragen.
Eine große Menge an OPC-Tool-Kits, Software und Firmenmodule steht zur Verfügung, um Design, Entwicklung und auch Projekte auf Open Platform Communications durchzuführen. Farnell arbeitet mit verschiedenen Anbietern zusammen, die eine Reihe industrieller OPC-Produkte wie OPC, OPC-Toolkit, Zubehör für Prozesssteuerung, Konverter-Schnittstellen, Software-Starter-Kits, SPSen und industrielles Computing anbieten.
