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OPC UA - Kommunikationstechnologie für Industrie 4.0

Aktualisiert: 9. Juli 2021

Wir haben in den letzten Jahren eine Flut von Innovationen im Bereich der Digitalisierung beobachten können. Die eine, mit der weitaus größten Wirkung, ist die OPC UA Kommunikationstechnologie. Nach Jahren proprietärer Feldbus Kommunikation steht nun der Weg frei für die nahtlose Verbindung unterschiedlicher Maschinen und Produktionsnetzwerke in die Welt der Informationstechnologie.


Denken wir etwa eine Dekade zurück, war es nur mit erhöhtem Aufwand möglich, beliebige Maschinendaten auszulesen. An eine Vernetzung von Maschinen und Anlagen im großen Stil war noch gar nicht die Rede. Doch mit den sich veränderten Anforderungen an die Produktionsnetzwerke, haben sich eben auch die Anforderungen jede einzelne Maschine verändert. Was hat sich verändern?

  • Heute ist jede Maschine, jedes Produkt in irgendeiner Hinsicht automatisiert.

  • Rüstzeiten als nicht wertschöpfende Tätigkeiten stören den Produktionsfluss mehr denn je.

  • Die Massenproduktion weicht einer individuellen Produktgestaltung mit Stückzahl "1".

  • Fernwartung ist das non-plus-ultra was für einen nachhaltigen Betrieb der Anlage nicht fehlen darf.

  • Es gilt die Devise: Performance messbar machen um im globalen Wettbewerb zu bestehen

Heute ist OPC UA in aller Munde. Aber was verbirgt sich nun genau dahinter? Wie kann man OPC UA umsetzen und in die Automatisierung der Maschine einbringen? Und gibt es Best Practice Ansätze?



Hardware wird zur Commodity; bei der Software bleiben die Hersteller proprietär

Alle führenden Hersteller von Komponenten für die industrielle Automatisierung bietet heute eine Verfügbarkeit von OPC UA. Es gehört zum neuen Standard, um Interoperabilität und Kommunikation im Sinne von Industrie 4.0 zu ermöglichen. Dies macht Hardware heute zu einer Commodity - nur unwesentlich lassen sich Merkmale zur Unterscheidung zwischen den Herstellern ausmachen.


Einer horizontalen und auch vertikalen Vernetzung sind somit schon einmal die Voraussetzung gegeben - aber zum guten Schluss ist auch eine durchgängige Engineering-Lösung notwendig. Aber bedingt durch die unterschiedlichen Hardware Hersteller, gibt es eben auch unterschiedliche Engineering Plattformen - hier hat sich bislang nicht sehr viel hinsichtlich eines Open Source Ansatzes getan. Für den Kunden ist es unausweichlich, einen kostenpflichtigen Zugang für die Arbeit in einer der Engineering Plattformen zu nutzen.


Darüber hinaus enttäuschen die Plattformen selbst dahingehend, das sie sich bislang nur unzureichend der IT Welt geöffnet haben. Mehrheitlich zeichnen sie sich in erster Linie durch die Performance in der industriellen Automatisierung (OT) aus. Sie bieten wenig Features auch die IT Aspekte moderner Industrie 4.0 Lösungen zu bedienen. Aber dazu später noch mehr.


Die wesentlichen Aspekte von OPC UA: Verwaltungsschale, Security, Semantische Selbstbeschreibung

Eines wird sofort klar - OPC UA bietet mehr als nur die nahtlose Kommunikation zwischen Netzwerk-Partnern und gilt daher nicht umsonst als eine "Technologie". Mit Meta-Informationen zu jedem Datenpunkt bzw. zur Maschine selbst hat man mit OPC UA weitaus größere Möglichkeiten Details in einem Smarten Netzwerk zu teilen. Allem voran die sogenannte Verwaltungsschale.


Die Verwaltungsschale ist das digitale Abbild eines Gegenstands und stellt die Schnittstelle für I4.0-Kommunikation zur Verfügung. Das Ziel ist es dabei das Asset über seinen Lebenszyklus minimal aber hinreichend zu beschreiben. Inhaltliche, beschreibende oder funktionale Aspekte sind in Teilmodellen beschrieben. Diese können zum Beispiel Aspekte wie Identifikation, Security, Energiemanagement oder auch verschiedene Prozessfähigkeiten wie Bohren sein. Die Verwaltungsschale kann bei intelligenten Produkten Teil des Assets sein, bei nicht intelligenten Produkten kann sie sich nur in einer Cloud-Anwendung oder auf einer Edge-Komponente befinden.


Für den sicheren Daten-Austausch bietet OPC UA umfassende Security Features, was nicht zuletzte eine optimale Vorausetzung für die horizontale und vertikale ist. Auf den Ebenen "Application Layer" und "Transport Layer" werden die Sicherheitsmerkmale abgebildet.

Auf der Anwendungsebene (Application Layer) gibt es mehrere Sicherheitsmechanismen. Der Benutzer kann durch eine Username/Passwort-Kombination oder ein Benutzerzertifikat identifiziert werden.

Auf dem Transport Layer macht TLS (Transport Layer Security) den Datenaustausch sicher. Für Webdienste wird WS Secure Conversation verwendet, um die Kompatibilität mit .NET und anderen SOAP-Implementierungen sicherzustellen. Für die binäre Variante wir das sogenannte UA Secure Conversation genutzt. Die Authentifizierung verwendet ausschließlich x509-Zertifikate.


Bei der semantischen Selbstbeschreibung wird zwischen "Objekten", "Variablen", "Methoden" und "Events". Was das bedeutet wird an Hand eines konkreten Beispiels schnell ersichtlich. So kann z.B. an der Schnittstelle eine Roboters folgende Information ausgetauscht werden: "Ich bin ein Roboter (Objekt), mit Werkzeugen (Variablen) zum drehen und schweißen (Methoden) und bin gerade am schweißen (Events)." Jeder andere Netzwerkteilnehmer erkennt sofort Typ und Zustand einer Maschine.


In der Erweiterung wird die semantische Selbstbeschreibung dann mittels einer Companion Sepcification weiter standardisiert. Über die OPC Foundation haben sich Maschinenhersteller und Industrieverbände dazu verständig die Art der semantischen Selbstbeschreibung zu vereinheitlichen. Bereits heute bestehen für den Bereich der Werkzeug- und Kunststoffverarbeitungsmaschinen einheitliche Spezifikationen zur Verfügung.


Die Herausforderungen im Engineering

So einleuchtend die einzelnen zuvor genannten Features auch sind - es bedarf entsprechender Engineering Leistung diese auch umzusetzen. Häufig führt jedoch eine unzureichende Standardisierung und Kommentierung in der Programmierung zu zeitaufwändigen Recherchen. Diesem Dilemma kann man nur begegnen, wenn man den richtigen strategischen Weg für OPC UA wählt. Denn nicht zuletzt kann hier der strategische Ansatz auch gleich mit möglichen, zukünftigen Geschäftsfeld-Entwicklungen verknüpft werden.


Eine Fragen, die man in diesem Kontext betrachten sollte: Was verlangen die Kunden? Kann der Aftermarket Service durch eine Schnittstelle einen Mehrwert bei der Wartung und Instandhaltung generieren? Wie kann ich zusätzliche Features an der Maschine bereitstellen?


Für die Einführung eines neuen Informationssystems bedarf es eben neben einer übergeordneten Zielstellung auch einer geeigneten Detaillierung und Unterteilung. Die grundlegenden Dimensionen dabei sind: das Konzept, die Schnittstellen, die Produktivität, die Zukunftssicherheit und die Kosten der Lösung. Eine Möglichkeit zur Orientierung bieten u.a. sogenannte User Stories, also eine konkret an den Kundenbedürfnissen angelehnte Anforderungsanalyse.


Edge IoT: Lösungen für die Umsetzung

Gerade weil Kunden sich häufig die Möglichkeit wünschen selbst mit einer Maschinen-Schnittstelle zu arbeiten, ist ein direkter Zugang auf die Steuerung, dem Herzstück einer jeden Maschine nicht sinnvoll. Um Schäden durch unzureichende Kenntnis von der Maschine abzuhalten bietet sich der Aufbau einer Edge IoT Lösung an. Damit trenne ich die Echtzeit-Automatisierung (OT) mit denen der IT-Vernetzung. Eine solche Lösung ist anwenderfreundlich, und kann zusätzlich in wenigen Schritten durch intuitive GUIs zu einer umfassenden Administrationsplatform entwickelt werden.


Zwei Ansätze, die für eine unterschiedliche Ausprägung dieser Lösungsarchitektur stehen und über den Lean.IQ Marktplatz zur Verfügung stehen:

  1. Thin Edge: Auf eine Gateway an der Maschine läuft ein einfach gestalteter Edge Client. Dieser lässt sich durch eine Cloud Plattform individuell verwalten und gibt sofortigen Zugriff auf alle relevanten Daten. Vereinfachte Logik kann genauso berücksichtigt werden, wie auch das Intervall, mit dem die Daten zur Verfügung gestellt werden.

  2. Edge Software Framework: Bei größeren Anforderungen an eine Datenvorverarbeitung oder ggf. auch Visualisierung an der Maschine bietet ein umfangreiches Software Framework zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten. Gerade wenn für Maschine keine Internetverbindung bereitgestellt werden kann, gibt es so eben die Möglichkeit weitere Features bereitzustellen. Im zusammenspiel mit einer Cloud Plattform können sich diese Features durchaus auch Ergänzen.

Im Lean.IQ Ansatz haben wir in beiden Fällen Wert auf einen Open Source Ansatz gelegt. Darüber hinaus stellen wir auch sicher, dass wir sämtliche Anforderungen von OPC UA abbilden können. Im Speziellen bietet das Edge Software Framework ein umfangreiches Toolset zur Abbildung von beliebigen Companion Specifications - über einen No-Code Ansatz lässt sich ein Informationsmodell in kurzer Zeit zusammenstellen.



LeanIQ - OPC UA
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