Nutzung von OPC UA in IIoT-Lösungen

Das 2008 veröffentlichte Protokoll OPC UA ist zu einem der wichtigsten Standards für die Gewährleistung der Interoperabilität zwischen digitalen Systemen geworden. Diese Lösung ist vollständig auf Konzepte wie das IIoT abgestimmt.

Ein wesentlicher Vorteil ist die vollständige Kompatibilität von OPC UA mit OPC Classic und dessen Funktionen. Während OPC Classic nur auf Windows-Systemen läuft, unterstützt OPC UA mehrere Plattformen, darunter Apple, Android, Linux und Windows, und bietet daher eine deutlich breitere Kompatibilität.

Sowohl OPC Classic als auch OPC UA haben mehrere gemeinsame Kernfunktionen, beispielsweise die Erkennung von lokalen und von Netzwerk-Servern, eine hierarchische Datendarstellung sowie auf Zugriffsberechtigungen basierende, gesteuerte Lese-/Schreibvorgänge. OPC UA ist darüber hinaus mit einer großen Auswahl an Hardware kompatibel, darunter traditionelle Computer, speicherprogrammierbare Steuerungen, Mikrocontroller, und cloudbasierte Server.

Der Austausch von Nachrichten bei OPC UA erfolgt sowohl auf Geräteebene als auch Systemen höherer Ebenen mit zwei Hauptformaten: Binary UA und XML. Diese Formate definieren, wie Nachrichten kodiert und dekodiert werden.

Binary UA wird meistens auf der Ebene der einzelnen Betriebsmittel genutzt, da es weniger Verarbeitungsleistung benötigt und höhere Performance bietet. Es wurde zum effizienten Kodieren und Dekodieren und unter sorgfältiger Beachtung der Datengröße für die Optimierung der Geschwindigkeit entwickelt.

XML wird dagegen für den Informationsaustausch auf höherer Ebene verwendet. Clients, die das OPC UA-Protokoll nutzen, können auf XML basierende Nachrichten interpretieren, die robuste Fähigkeiten zur Serialisierung und Deserialisierung bereitstellen. XML ist dadurch leistungsfähiger, wenn komplexe Daten zu handhaben sind.

Beim Thema Sicherheit arbeitet OPC Classic mit den COM- und DCOM-Protokollen von Microsoft. OPC UA führt sein eigenes umfassendes Sicherheits-Framework ein, in das Public Key Infrastructure (PKI) und X.509-Zertifikate nach Industriestandard integriert sind. Darüber hinaus unterstützt es Authentifizierung, Verschlüsselung, Autorisierung und weitere fortschrittliche Sicherheitsmaßnahmen zur Gewährleistung von Integrität und Vertraulichkeit der Daten.

OPC UA verwendet zwei Transportprotokolle, um die Kommunikation zwischen Client und Server zu definieren: OPC TCP und SOAP/HTTP(s). OPC TCP ist ein dediziertes Protokoll, d. h., dass nur OPC UA-Clients die gesendeten Informationen interpretieren können. Die Kommunikation zwischen Client und Server verläuft in beide Richtungen mit sicheren Datenpaketen in einer binären Struktur.

Über SOAP übertragene Nachrichten nutzen HTTP(s). Im Gegensatz zu OPC TCP bietet dieser Ansatz breitere Möglichkeiten für die Dateninterpretation und sogar einen Zugriff über einen Standard-Webbrowser. Dieses Verfahren findet breite Anwendung in industriellen Umgebungen.

Das Protokoll OPC UA ermöglicht plattformübergreifende Interoperabilität und gewährleistet gleichzeitig Sicherheit und Skalierbarkeit. Es wird weithin als entscheidender Standard für eine erfolgreiche IIoT-Systemintegration angesehen.

Die Kommunikation über OPC UA ist transparent und verringert dadurch erheblich die Herausforderungen bei der Integration zwischen unterschiedlichen Herstellern. Infolgedessen wird von den Herstellern zunehmend verlangt, alle relevanten Informationen unter Verwendung dieses Protokolls zur Verfügung zu stellen.

OPC UA stellt ein klares und effizientes Verfahren für die Integration der Daten von Feldgeräten in Systeme höherer Ebenen bereit. Für direkte Verbindungen zwischen Geräten wird zwar auch MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) häufig verwendet, OPC UA bleibt jedoch ein Eckpfeiler für den strukturierten und sicheren Datenaustausch in industriellen Umgebungen.

Eine der größten Herausforderungen beim IIoT besteht darin, wie die für Analysen gesammelten Daten genutzt werden können, um daraus verwertbare Erkenntnisse zu gewinnen. Die OPC Foundation hat anhand von Beispielen gezeigt, wie OPC UA mit Programmierschnittstellen (APIs) angewendet wird, und ähnliche Ansätze können auch mit IIoT-Services wie Netilion implementiert werden.

Netilion Connect ist ein API-basierter Konnektivitäts-Service, der ein OPC-Server-Add-on umfasst und dadurch für eine einfache und unkomplizierte Integration mit OPC UA-Clients sorgt. Über einen OPC UA-Server können Daten nahtlos in andere Lösungen wie MES oder SCADA integriert werden.

Wenn ein OPC UA-Server als Konnektivitätsschicht für Client-Anwendungen genutzt wird, bietet dies mehrere Vorteile. Da keine lokale Installation erforderlich ist, senkt dies die Anfangskosten für Infrastruktur ebenso wie den laufenden Wartungsaufwand. Alles, was benötigt wird, ist ein Internetanschluss, d. h. die Bereitstellung ist schnell und kostengünstig.

Bei der Datenerfassung wird üblicherweise JSON zum Programmieren und JavaScript für die Implementierung verwendet. IT und Automatisierung wachsen immer mehr zusammen, und somit halten auch Programmiersprachen immer weiter Einzug in industrielle Umgebungen.