für ihre industrie 4.0 kommunikation

1. Was ist OPC?

In den 90iger Jahren wurde Vernetzung in der IT mehr und mehr zum Standard. Auch in der Industrie begann die Vernetzung von Geräten, Steuerungen und Rechnersystemen. Was man schon damals als große Chance erkannte, brachte eine Menge Detailprobleme mit sich. Jeder Hersteller von intelligenter Hardware wählte eigene Spezifikationen und Protokolle für die Kommunikation. Die Verbindungspartner in den höheren Ebenen konzentrierten sich dann auf einzelne unterstütze Treiber mit höherer Verbreitung. Eine ganzheitliche und breite Kommunikation mit der Feldebene war damit aufgrund der inhomogenen Techniken undenkbar.

1994 hat sich dann ein breiter Zusammenschluss aus Hard- und Softwareherstellern dem Problem angenommen und hat einen übergeordneten Standard definiert: Die OPC Foundation. Die erarbeitete OPC Spezifikation löste das Problem ganzheitlich, indem sie sehr genau definierte, wie Daten zwischen Datenquellen und den Datenkonsumenten ausgetauscht werden sollten. Nun konnten sich Hersteller von Geräten und Softwarehersteller komplett auf die Implementierung des Standards konzentrieren und hatten im Ergebnis Zugriff auf einen breiten Markt an Kommunikationspartnern.

Die Abkürzung OPC steht dabei für “Open Platform Communications”.

1.1 OPC UA kurz erklärt

 OPC Unified Architecture (OPC UA) hat sich als Standard für Datenaustausch in der Industrie 4.0-Kommunikation und für das IIoT (Industrial Internet of Things) etabliert und ist eine Weiterentwicklung der Vorgängerstandards OPC Classic. OPC UA ist plattformunabhängig, erweiterbar, sicher und beinhaltet die Möglichkeit, Daten von Maschinen nicht nur zu transportieren, sondern auch maschinenlesbar zu beschreiben. In dieser Einführung fassen wir wichtigste Funktionen und Fachbegriffe zusammen, um Ihnen einen Einblick in diesen einzigartigen Industriestandard zu geben.

Eine umfangreichere Erläuterung zu OPC UA finden Sie in unserem Beitrag „Was ist OPC UA?“. 

1.2 OPC UA als Kommunikationsstandard der Industrie 4.0

Der Kern und das Bestreben von Industrie 4.0 ist die Vernetzung von Systemen unter dem Stichwort der industriellen Konnektivität, so dass zu jeder Zeit jeder Teilnehmer des industriellen Prozesses über die Informationen verfügt, die er benötigt, um sich optimal auf die Produktion einzustellen und sich entsprechend selbst zu steuern.

Mit OPC UA steht genau die Technologie bereit, die es ermöglicht Informationen auf breiter Basis an alle Beteiligten standardisiert und mit semantischen Datenmodell zu verteilen. OPC UA wird damit zum Treibstoff für Industrie 4.0, nicht ausschließlich, aber mit sehr großem Anteil.

1.3 OPC Teilspezifikationen

In der ursprünglichen OPC Classic Spezifikation wurden schrittweise Ergänzungen zum Standard geschaffen, die auf spezielle Anwendungsbereiche ausgelegt waren. So gab es unter anderem:

• OPC DA (OPC Data Access) für den Datenzugriff
• OPC A&E (Alarm&Events) zur Standardisierung von Alarmierungen
• OPC HDA (Historical Data Access) zur standardisierten Bereitstellung historischer Daten

In der neuen OPC UA Spezifikation wurde diese alle unter einer Spezifikation zusammengefasst und als Teile definiert. Folgende OPC Teilspezifikationen gibt es:

1. Concepts
2. Security Model
3. Address Space Model
4. Services
5. Information Model
6. Mappings
7. Profiles
8. Data Access
9. Alarms and Conditions
10. Programs
11. Historical Access
12. Discovery
13. Aggregates
14. PubSub
15. Safety

Ausführlichere Informationen zu den OPC UA Teilspezifikationen finden Sie in unserem Beitrag zu OPC UA.

2. Der OPC Server

Die Umsetzung der OPC Spezifikation erfolgt im OPC Server. Der OPC Server ist eine Software. Die Software läuft je nach Ausprägung entweder auf einem zentralen Rechner-System oder aber auf den intelligenten Geräten, die als Datenquelle dienen, selbst. Im OPC Server werden zwei zentrale Schnittstellen implementiert. Die OPC Schnittstelle und der Gerätetreiber.

2.1 Die Implementierung der OPC Schnittstelle

Damit ein OPC Server als valider Teilnehmer bei der OPC Kommunikation agieren kann, muss er die Spezifikation der OPC Foundation genau umsetzen. Bei OPC UA betrifft dies die einzelnen Teile. Nicht jeder Teil muss umgesetzt werden. Der am häufigsten umgesetzte und im Sprachgebrauch mit OPC verbundene Teil ist Data Access, also der Datenzugriff.

2.2 Die Gerätetreiber

Damit ein OPC Server seine Kernaufgabe erfüllen kann und Daten einer bestimmten Datenquelle bereitstellen kann, muss er das spezielle Protokoll der Geräte oder die spezielle Logik, um Daten eines Systems zu lesen und zu schreiben, implementieren. Genau an dieser Stelle leistet der OPC Server die wertvolle Arbeit, jene komplexen Eigenheiten der Datenquelle vor den Daten-Konsumenten zu verbergen und ihnen die Last dieser Implementierung zu nehmen.

Die Eigenheiten des jeweiligen Treibers finden sich dann oftmals in der Konfiguration des OPC Servers wieder, in der die Parameter der Kommunikation zum Gerät oder dem jeweiligen Daten-liefernden System vorgenommen werden.

2.3 OPC Server vom Hardwarehersteller oder Dritt-Anbieter?

Nicht jedes System oder jede Hardware stellt einen OPC Server bereit oder einen qualitativ nicht ausreichenden. An dieser Stelle lösen OPC Server von Dritt-Anbietern wie Kepware diese Aufgabe, indem Sie die zwei wichtigsten Aufgaben übernehmen:

1. Qualitativ hochwertige, getestete und umfassende Implementierung des OPC Standards für höchste Kompatibilität.
2. Vielfältige, hochwertige und getestete Umsetzung von Treibern zur Anbindung von diversen Hard- und Softwaresystemen über einen zentralen und zuverlässigen OPC Server.

OPC Server wie der KepServerEx füllen damit die Ebene zwischen Daten-Konsument und Datenquelle mit der OPC Server als Kommunikationsumsetzer aus.

3. Der OPC Client

Ein OPC Server stellt Daten bereit. Die Softwaresysteme, welche sich das zu Nutzen machen und auf diese Daten zugreifen werden “OPC Client” genannt. Ein OPC Client implementiert seinerseits die von der OPC Foundation definierte Schnittstelle, nur aus Daten-Konsumenten-Sicht. Durch den hohen Anspruch der OPC Spezifikation an Kompatibilität hat ein OPC Client eine sehr breite Basis an Datenquellen, die er nutzen kann, denn jeder erreichbare OPC Server kann von ihm angebunden und genutzt werden.

Die genaue Ausprägung eines OPC Clients hängt dabei ganz von seinem Anwendungszweck ab. So können OPC Clients zum Beispiel folgende Anwendungen sein: ERP Systeme, Datenlogger, Visualisierungssysteme, Qualitätsdatenerfassungen, Prozessleitsysteme, MES Systeme und viele andere mehr.

3.1 OPC Testclient

Um OPC Kommunikation grundlegend zu testen, eigenen sich sogenannte OPC Test Clients. Ein solcher Testclient implementiert die OPC Spezifikation als OPC Client und kann damit auf beliebige OPC Server zugreifen. Der Testclient verzichtet aber auf komplexe Anwendungslogik und zeigt abgerufene Daten auf einfachste Weise schnell und transparent an. Dadurch wird gerade beim Aufbau einer OPC Infrastruktur der Test der einzelnen Komponenten stark vereinfacht. Der Kepware OPC Server liefert bei seiner Installation einen kostenfreien OPC Testclient mit.

3.2 Connectivity Suite – OPC Client im OPC Server

Beim Kepware OPC Server gibt es eine Besonderheit, die Connectivity Suite. Diese Suite ist ein OPC Client im OPC Server. Die Connectivity Suite kann dafür genutzt werden, als Client Daten eines OPC Classic OPC Servers abzurufen, und dann im OPC UA Format wieder bereit zu stellen. Damit fungiert er als Umsetzer zwischen OPC Classic und OPC UA. Aber auch die Konsolidierung mehrerer kleiner OPC UA Server mit beschränkter Funktionalität in einen zentralen Leistungsfähigen OPC UA Server ist damit möglich. Lesen Sie hier mehr über den OPC Tunnel zur OPC Kommunikation durch Firewalls sowie weitere Anwendungsfälle mit der Connectivity Suite.

4. Ich möchte OPC für die Kommunikation in meinem Unternehmen nutzen – wie mache ich das?

4.1 Einsatz im Unternehmen: Ab wann ist es sinnvoll?

Der Einsatz von OPC macht für Applikationen Sinn, in denen die Datenquelle logisch von der konsumierenden Software abgekoppelt werden soll. Und dieser Schritt ist für viele Anwendungen schon in kleinster Ausbaustufe sinnvoll. Wird diese Abhängigkeit nicht aufgelöst, muss eine Software immer mit der zugehörigen Datenquelle als Ganzes betrachtet werden. Dies schafft Unflexibilität und mangelnde Herstellerunabhängigkeit.

Durch die Abkopplung von Feldebene (Geräte, Daten-liefernde Systeme) und der Software-Ebene durch OPC UA sichert man sich schon von Start an eine hohe Flexibilität bei der Auswahl der Komponenten auf beiden Seiten. Zudem ist die Infrastruktur maximal erweiterbar durch neue OPC UA Datenquellen auf der einen Seite, aber auch durch weitere OPC UA Client Anwendungen auf der anderen Seite. Sogar der OPC UA Server als Bindeglied kann bei Bedarf getauscht werden. Die Investitionssicherheit ist vollends gegeben.

4.2 Einsatz im Unternehmen: Was brauche ich dafür?

Der erste wichtige Schritt ist die Festlegung auf OPC UA als Standard-Kommunikationsebene. Ist diese getroffen, können alle weiteren Entscheidungen und die Komponenten-Auswahl darauf ausgerichtet werden.

Bei der Auswahl von Datenquellen und Daten-Konsumenten ist dann die Vorgabe zu machen, dass eine OPC UA Unterstützung gegeben sein muss bzw. eingerichtet werden kann.

Bei Maschinen, Geräten, Steuerungen und ähnlichen Datenquellen ist entweder ein OPC UA Server bereits integriert, oder aber die OPC UA-Fähigkeit wird erreicht durch die Anbindung mit einem der über 160 Treiber des Kepware OPC Servers.

Die Auswahl der Software-Systeme sollte unbedingt darauf ausgerichtet werden, dass datenkonsumierende Applikationen einen integrierten OPC UA Client besitzen. Ist dies nicht der Fall, kann geprüft werden, ob die OPC Daten über Gateways zur Verfügung gestellt werden können (siehe OPC Router).

4.3 Einsatz im Unternehmen: Was bedeutet das für mein Unternehmen?

Soll der OPC UA Ansatz nachhaltig verfolgt werden, müssen Abteilungen unternehmensweit zusammenarbeiten. Schon bei der Planung muss die Digitalisierung und der Industrie 4.0 Ansatz verfolgt werden und durch OPC UA als festen Baustein eingeplant werden. Beim Einkauf gehört die Vorgabe “OPC UA Fähigkeit” in jede Lieferbedingung im Automatisierungsbereich. Und bei der Realisierung von Projekten gehört die OPC UA Kommunikation genauso zur Abnahme, wie die Warenproduktion selbst.

Die Umsetzung von Industrie 4.0 im Unternehmen bekommt durch OPC UA als Standard-Kommunikationsebene einen starken Schub. Daten können jetzt zwischen einer Vielzahl neuer Teilnehmer ausgetauscht werden, wodurch die Idee von Industrie 4.0 von Grund auf realisiert wird.

4.4 Einsatz im Unternehmen: Vorteile und Nutzen

Die Vorteile und Nutzenaspekte von OPC UA sind weitreichend:

• Herstellerunabhängigkeit: Die Nutzung von OPC als Kommunikationsstandard gewährleistet die Unabhängigkeit von speziellen Lieferaten und Anbietern und ermöglicht den Zugriff auf verschiedenste Steuerungssysteme.
• Erweiterbarkeit: Durch die Nutzung von OPC können in einem bestehenden System schnell und einfach weitere Treiber und Protokolle angebunden werden.
• Investitionssicherheit: Die einfache und schnelle Möglichkeit zur Erweiterung bestehender Systeme um zusätzliche Komponenten gewährleistet langfristige Wachstumsmöglichkeiten.
• Flexibilität: Der OPC Standard bietet durch die einfachen Erweiterungsmöglichkeiten ein hohes Maß an Flexibilität.
• Definierte strukturelle Vorgaben: Der OPC Server liefert Daten und gleichzeitig die Definition der Zugriffsmechanismen. Bezüglich der Protokolle oder Formatierungen ist somit keine Abstimmung mit anderen Systemen notwendig.
• Industrie 4.0 Fähigkeit: OPC ermöglicht einen sicheren und standardisierten Datenaustausch, wodurch die Basis für die Umsetzung von Industrie 4.0 geschaffen wird (siehe auch OPC UA Sicherheitskonzept).
• Testfähigkeit: Die Datenanbindung kann unabhängig von Client (MES, Visu, ERP, etc.) getestet und abgenommen werden. So wird die Komplexität in Projekten verringert und die Komponenten können einzeln geprüft werden.

Nicht nur aus diesen Gründen etabliert sich OPC UA auf der ganzen Welt zum beliebtesten Kommunikationsstandard in der Automatisierung und wird mit den Companion Specifications in immer neue Bereiche transportiert.

5. Anwendungsbeispiele

Bereits vor 20 Jahren hat STIHL mit der Datenerfassung und Visualisierung in der Produktion begonnen, um den Fertigungsprozess zu optimieren und die Qualität zu erhöhen. Heute dient der OPC Server von Kepware beim Motorgerätehersteller dazu, den hohen Automatisierungsgrad effektiv zu halten.

Bei X-Rite, einem Hersteller von Farbmess- und Managementprodukten, dient der OPC Server von Kepware als Knotenpunkt für die Produktionsmaschinen. Dadurch können die Systeme ohne Probleme in nahezu jede Produktionsanlage integriert werden. Das spart Zeit und Kosten für die Kunden des Herstellers.

Der Verpackungshersteller Greiner Packaging hat den OPC Server von Kepware zunächst gemietet, ausprobiert und nach einer erfolgversprechenden Testphase mit einem Wartungsvertrag gekauft. Heute verbindet der KEPServerEX bei Greiner Packaging 500 Maschinen in 11 Werken.

Weitere Informationen

Sie können den OPC Server von Kepware kostenlos und unverbindlich testen. Fordern Sie noch heute Ihre persönliche Demo an.