Praxishandbuch OPC UA - Grundlagen - Implementierung - Nachrüstung - Praxisbeispiele

1 Keine Industrie 4.0 ohne OPC UA (S. 15-16)

Eine zentrale Herausforderung von Industrie 4.0 und dem IIoT (Industrial Internet of Things) ist der sichere, standardisierte Daten- und Informationsaustausch zwischen Geräten, Maschinen und Diensten auch aus verschiedenen Branchen. Bereits im April 2015 hat das RAMI 4.0 (Reference Architecture Model for Industry 4.0) [RAMI4.0] den IEC-62541-Standard OPC Unified Architecture (OPC UA) [IEC62541] als einzige Empfehlung für die Umsetzung des Kommunikationslayers gelistet. Im November 2016 hat die Plattform Industrie 4.0 einen Leitfaden veröffentlicht: «Welche Kriterien müssen Industrie-4.0-Produkte erfüllen?» [ZVEII4.0]. Produkthersteller können anhand einer Checkliste prüfen, ob ihre Produkte die Kriterien der Kategorien Industrie 4.0 «Basic», «Ready» oder «Full» erfüllen: Bereits die niedrigste Stufe listet bei dem Kriterium «I4.0-Kommunikation » die Anforderung, dass das Produkt im Netzwerk online per TCP / UDP oder IP mit mindestens dem Informationsmodell von OPC UA ansprechbar sein muss. Wer also mit dem Produktstempel «Industrie 4.0 enabled» werben will, muss OPC-UA-fähig sein (integriert oder per Gateway). Explizit wird auch die Eigenschaft der Informationsmodellierung von OPC UA hervorgehoben.

1.1 OPC UA ist kein Protokoll – sondern viel mehr

Informationsmodellierung? Viele kleinere und mittlere Unternehmen schalten hier bereits ab – schnell wird dann OPC UA mit anderen Protokollen wie MQTT verglichen, und vermeintliche Einschränkungen in Einsatzszenarien werden festgestellt: «OPC UA direkt in die Cloud geht nicht – oder?» Was also ist 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. Das deutsche BSI hat die Ergebnisse der OPC-UASicherheitsanalyse [BSI] auf seinem Web veröffentlicht und sich dabei sehr positiv über OPC UA geäußert. Der Maschinenbauer bleibt damit Herr seiner Daten bzw. er kann sie gezielt und kontrolliert verteilen und somit auch an Big Data und der Analyse seiner Daten monetär teilhaben. Um diese Daten nun auszutauschen, vereinigt OPC UA zwei Mechanismen für die Umsetzung unterschiedlicher Szenarien:

1. ein Client-Server-Modell, in dem OPC UA Clients die dedizierten Dienste des OPC UA Servers nutzen (siehe Kapitel 2). Dieser Peer-to-peer-Kontext wird genutzt für den sicheren, bestätigten Informationsaustausch – aber mit Einschränkungen in der Anzahl der Verbindungen;
2. ein Publisher-Subscriber-Modell, bei dem ein OPC UA Server konfigurierbare Untermengen von Informationen an eine beliebige Anzahl Zuhörer verfügbar macht (siehe Abschnitt 3.1). Diese Broadcast-Verteilung an viele agiert unter dem Aspekt «Fire and forget» als unbestätigter Informationsaustausch.

OPC UA bietet beide Mechanismen – wichtig aber: Sie sind losgelöst vom eigentlichen Protokoll umgesetzt! So stehen TCP und HTTPS für die Client Server und UDP und AMQP und MQTT für das Subscriber Model zur Verfügung.

Die Frage «OPC UA oder AMQP oder MQTT» stellt sich somit aus OPC-Foundation-Sicht nicht. Der eigentliche Schlüssel für Industrie 4.0 liegt jedoch auf der Bedeutung und der Beschreibung der Daten – der sogenannten Informationsmodellierung. Unbewusst liefert jeder Geräte- und Maschinenbauer bereits heute ein Informationsmodell: Daten und Schnittstellen sind bereits (über diverse Protokolle) verfügbar. Wir Menschen haben uns an die Denkweise der Computer angepasst und haben in Dokumentationen festgehalten, welche Bedeutung sich hinter den Bits & Bytes & Hexcodes verbergen. Die neue Welt der SoA-fähigen Geräte unterstützt uns Menschen nun schneller und einfacher, die «Things» zu verstehen, da diese «Dienste», aber noch wichtiger, deren Bedeutung anbieten. Gar nicht neu ist das Thema SoA (Service-orientierte Architektur) in der IT-Welt – nun wandert aber diese SoA bis in die «Things» selber vor.

1.2 Migrationsschritte zur Einführung von OPC UA

Die Einführung von SoA in den Maschinen und Geräten, basierend auf OPC UA, kann schrittweise erfolgen (siehe dazu auch Abschnitt 2.6). Erste notwendige Voraussetzung ist ein auf dem Internet-Protokoll (IP) basierendes Netzwerk. Bestehende Geräte mit einer seriellen Schnittstelle benötigen somit ggf. ein Gateway, um im Netz als IP-fähiges Gerät erkannt zu werden. OPC UA kann dann bereits als einheitliche Schnittstelle für den Maschinen-übergreifenden Informationszugriff genutzt werden. Jedes Gerät und jede Maschine bietet dann seine / ihre Daten und Dienste per OPC UA an – bereits dieser erste Schritt bedeutet einen großen Vorteil: Viele unterschiedliche Kommunikationslösungen sind somit auf einen Mechanismus vereinigt – dieser eine Standard OPC UA liefert auch noch deutlich bessere Security (siehe Abschnitt 2.3).

1.3 Das war’s?

In einem nächsten Schritt wäre es doch angenehm, wenn unterschiedliche Hersteller, die aber gleiche Geräte liefern, sich auch auf die gleichen Daten und Dienste einigten. Die Integration dieser Geräte wäre viel einfacher und würde ein Plug & Play liefern. Genau das liefert die OPC Foundation mit vielen Partnern bei der gemeinsamen Erstellung von standardisierten Informationsmodellen (Companion Specifications). Bevor also ein Geräte- und Maschinenbauer startet, sollte geprüft werden, ob es nicht schon ein standarisiertes Informationsmodell gibt. Diese Interoperabilität wird von mehr und mehr Betreibern gefordert (siehe Abschnitt 2.2). Verbände (siehe Bild 1.1) wie z.B. PLCopen, AutomationML, AIM für die AutoID-Industrie (RFID Reader, Scanner usw.), VDMA-Fachgruppen wie Spritzgussmaschinen, Robotik oder Machine Vision (und 35 weitere VDMA-Branchen) definieren bereits ihre Informationen in OPC UA Servern – einer sogenannten OPC-UA-Companion-Spezifikation.