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© pichetw dreamstime.com Komponenten | 30 Juli 2015

OPC UA: Wie die Geräte miteinander kommunizieren

Die Kommunikation zwischen Sensorik, Embedded Ger√§ten und Backendsystemen ist f√ľr die Umsetzung von Integrated Industry-Anwendungen ein entscheidender Baustein.
Harting engagiert sich daher im Rahmen seiner AIM Mitgliedschaft f√ľr die Definition und Einf√ľhrung neuer Kommunikationsstandards. Die fortschreitende Automatisierung erfordert immer mehr heterogene Systeme. Neuartige Fragestellungen und Aufgaben k√∂nnen nur bew√§ltigt werden, in dem die Kommunikationsteilnehmer die relevanten Informationen flexibel direkt miteinander austauschen k√∂nnen. UHF RFID, aber auch andere AutoID Technologien, sind ohne Zweifel Schl√ľsseltechnologien f√ľr die Umsetzung der Integrated Industry-Philosophie. Umso wichtiger ist es, dass diese Technologien m√∂glichst einfach in Gesamtl√∂sungen integriert werden k√∂nnen. 2006 wurde nach drei Jahren Entwicklung und einem Jahr Prototyping der erste Entwurf von OPC UA von der OPC Foundation verabschiedet. Mit der Standardisierung in der IEC-Norm 62541 wurde im Jahr 2009 das Kommunikationsprotokoll OPC UA als neuer De-facto-Standard in der Automatisierungsbranche eingef√ľhrt. Alle f√ľhrenden Automatisierungshersteller stehen bereits hinter OPC UA.
Bild 1: Auto ID OPC UA Bild 2: Network ----- Alle Bilder mit Zoomfunktion.
Der Standard ist gegen√ľber dem alten OPC vor allem Plattform- und Programmiersprachenunabh√§ngigkeit und bietet h√∂here Sicherheit. Es verf√ľgt √ľber eine integrierte 128 oder 256 bit-Verschl√ľsselung und beinhaltet au√üerdem die Authentifizierung und Autorisierung sowie Datenintegrit√§t durch Signaturen. OPC UA ist skalierbar, von der Cloud basierten Server- bis zu einer minimalistischen Chip-Implementierung ist alles m√∂glich. Mit demselben Protokoll k√∂nnen RFID-Systeme mit einigen wenigen Datenpunkten genauso vernetzt werden wie Leitsysteme mit √ľber 100.000 Datenpunkten. OPC UA folgt einer Serviceorientierten Architektur (SOA), womit sich Dienste zwischen IT-Systemen strukturieren und nutzen lassen. Wie √ľblich, setzt sich das Kommunikationsprotokoll aus mehreren Schichten zusammen. Die abstrakte Beschreibung von Services bildet die funktionelle Grundlage. Diese Services werden mithilfe der Transportschicht durch ein Protokoll aufgerufen, das die Daten der Netzwerkteilnehmer wie Embedded Ger√§te, Backend Systeme, Visualisierungssysteme oder RFID-Reader serialisiert beziehungsweise deserialisiert und √ľber das Netzwerk sendet. Auf diese Weise k√∂nnen verschiedenste Netzwerkteilnehmer unabh√§ngig vom Betriebssystem, Daten miteinander austauschen. Entscheidend f√ľr den Aufbau zukunftsf√§higer Kommunikationsstrukturen ist hierbei die M√∂glichkeit, dass die einzelnen Kommunikationsteilnehmer sowohl als Server wie auch als Client agieren k√∂nnen. Daher k√∂nnen sie Daten anfordern oder auch zur Verf√ľgung stellen. Dies bildet die Grundlage f√ľr eine k√ľnftige autark, bidirektional Kommunikation von Teilsystemen. Der Funktionsumfang umfasst hierbei sowohl das aufrufen von Funktionen, das √§ndern von Konfigurationsparametern, wie aber auch eine Event gesteuerte Kommunikation. Hierzu k√∂nnen die Kommunikationspartner untereinander Events subscriben und somit festlegen √ľber welche Ereignisse ‚Äď beispielswiese neuer RFID Transponder wurde erkannt ‚Äď sie informiert werden m√∂chten. Dank des objektorientierten Ansatzes von OPC UA k√∂nnen besonders leicht, herstellerspezifischen Eigenschaften der einzelnen Ger√§te erhalten bleiben, ohne dass der Standard verletzt wird. OPC UA definiert wie kommuniziert wird, aber nicht was. Daher ist OPC UA vollkommen Anwendungs- und Ger√§teneutral. Welche Funktionen und Variablen ein Ger√§t zur Verf√ľgung stellt wird zur Laufzeit ermittelt, sofern nicht im Vorfeld bekannt. Das komplette Datenmodell eines Kommunikationsteilnehmers kann abgefragt werden. Hierbei werden nicht nur Funktionen und Variablen ermittelt, sondern ebenso die verwendeten Datentypen (Methadaten). So k√∂nnen auch unbekannte Kommunikationsteilnehmer sehr einfach in die Infrastruktur integriert werden. Damit eine solche Integration noch einfacher gelingt, k√∂nnen die Datenmodelle von Ger√§tegruppen oder branchentypischen Anwendungen bereits in sogenannten Companion Specifications vordefiniert werden. Diese Spezifikationen beinhalten den wesentlichen Funktionsumfang inklusive der Datentypbeschreibung der einzelnen Variablen, √úbergabe- und R√ľckgabeparameter. Der Vorteil einer solchen Companion Specification liegt auf der Hand. Je mehr Hersteller dieser Empfehlung folgen und ihre Kommunikationsschnittstellen entsprechend umsetzen, desto schneller k√∂nnen verschiedene Ger√§te, auch unterschiedlicher Hersteller, in neue Anwendungen integriert werden. Dies spart Zeit und erh√∂ht den Investitionsschutz von Kunden. Dar√ľber hinaus k√∂nnen diese Spezifikationen ger√§tespezifisch bzw. herstellerspezifisch individuell dank des objektorientierten Ansatzes von OPC UA erweitert werden. Hersteller k√∂nnen also ihre einzigartigen Features beibehalten und dennoch auf eine gemeinsame breit akzeptierte Kommunikationsbasis aufsetzen. Da diese einzigartigen Funktionen dank der in OPC UA vorgesehenen M√∂glichkeiten, zur Laufzeit von anderen Kommunikationsteilnehmern abgefragt werden k√∂nnen, ist eine Verwendung denkbar einfach. Harting erkannte das Potential von OPC UA bereits fr√ľh und pr√§sentierte bereits auf der Hannover Messe 2013 seinen leistungsstarken UHF RFID Reader Ha-VIS RF-R500 mit integriertem OPC UA Server ‚ÄĎ wenn auch noch mit minimalistischem Funktionsumfang.
Bild 3: OPC UA ----- Bild mit Zoomfunktion.
Selbstverst√§ndlich beschr√§nkte sich Harting nicht alleine auf den RFID Reader, sondern setzte OPC UA zur Kommunikation bereits in verschiedensten Anwendungen ein. Harting engagiert sich rund um das Thema Integrated Industry, hat dieses auch bereits eindrucksvoll mit dem Gewinn des SAP Awards im Jahr 2014 zeigen k√∂nnen, und erweitert konsequent seine Produktpalette im Bereich Embedded Ger√§te. Getrieben von der Motivation, dass ein akzeptiertes, standardisiertes Kommunikationsinterface zu AutoID Ger√§ten die Arbeit von System Integratoren deutlich effizienter gestalten wird, brachte Harting das Thema OPC UA, vor gut einem Jahr, in einen der Arbeitskreise des AIM Deutschland (Association for Automatic Identification and Mobility) ein. Gemeinsam mit den f√ľhrenden Vertretern der Branche beschloss der Verband in Kooperation mit der OPC Foundation eine Companion Specification f√ľr AutoID Ger√§te zu definieren. Auf der Hannover Messe 2014 gaben die OPC Foundation und AIM-D das Ziel bekannt, bereits zur Hannover Messe 2015 einen ersten Entwurf dieser Spezifikation vorstellen zu wollen. Dank der engagierten Mitarbeit aller Beteiligten wird dieses Ziel erreicht. Neben der reinen Vorstellung der neuen Companion Specification ist auf dem OPC Foundation Messestand auch eine live Demo mit verschiedenen AutoID Ger√§ten zu sehen. Ein UHF RFID Reader von Harting ist selbstverst√§ndlich mit dabei. Diese Companion Specification f√ľhrt die unterschiedlichen AutoID Technologien also auf eine gemeinsame Kommunikationsschnittstelle bzw. auf ein gemeinsames Datenmodell zur√ľck. Die technologischen Unterschiede gehen hierbei, dank der Flexibilit√§t von OPC UA nicht verloren. Beispielsweise beinhalten alle AutoID Technologien eine Scan Methode die neue Barcodes oder RFID Transponder identifiziert. Wie diese Daten dann im Einzelnen interpretiert werden, ist selbstverst√§ndlich je nach Technologie unterschiedlich, l√§sst sich aber Schnittstellentechnisch dennoch hervorragend allgemeing√ľltig beschreiben. F√ľr den Systemintegrator bzw. den Endkunden bedeutet dies, dass deutlich schneller unterschiedliche AutoID Ger√§te, verschiedene Hersteller bzw. verschiedene Technologien, in eine Gesamtinfrastruktur eingebunden werden k√∂nnen. Gleichzeitig werden andere wichtige Aspekte von OPC UA, wie die erh√∂hte Sicherheit oder die M√∂glichkeit Server und Client Funktionalit√§t in einem Ger√§t zu vereinen, mit integriert. Zuk√ľnftig wird also ein Wechsel der Ger√§tehardware deutlich einfacher m√∂glich sein. Dies ist insbesondere f√ľr Systemintegratoren interessant, welche je nach Kundenanforderung, das f√ľr diese Situation beste Ger√§t am Markt verwenden wollen. Eine Aufw√§ndige Einarbeitung in eine andere ger√§tespezifische Schnittstelle entf√§llt und bereits existierende Programme oder Schnittstellen zu Backend Systemen k√∂nnen wiederverwendet werden. Von der SPS Anbindung bis zur SAP Schnittstelle kann eine einheitliche Technik verwendet werden um mit AutoID Ger√§ten zu interagieren. Die Harting Technologiegruppe schafft mit seinem Engagement eine weitere Grundlage Integrated Industry erfolgreich und effizient umzusetzen. OPC UA hilft hierbei, die Herausforderungen der voranschreitenden Automatisierung zu meistern und die Chancen die hierin liegen zu nutzen. Interoperabilit√§t, die sicher, zuverl√§ssig und herstellerneutral √ľber alle Teilsysteme funktioniert, ist hierbei ein entscheidendes Erfolgskriterium. ----- Von Olaf Wilmsmeier, Produktmanager, ¬© Harting IT Software Development GmbH & Co. KG
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2019.02.15 09:57 V12.1.1-2