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© pichetw dreamstime.com Komponenten | 30 Juli 2015

OPC UA: Wie die Geräte miteinander kommunizieren

Die Kommunikation zwischen Sensorik, Embedded Geräten und Backendsystemen ist für die Umsetzung von Integrated Industry-Anwendungen ein entscheidender Baustein.

Harting engagiert sich daher im Rahmen seiner AIM Mitgliedschaft für die Definition und Einführung neuer Kommunikationsstandards. Die fortschreitende Automatisierung erfordert immer mehr heterogene Systeme. Neuartige Fragestellungen und Aufgaben können nur bewältigt werden, in dem die Kommunikationsteilnehmer die relevanten Informationen flexibel direkt miteinander austauschen können. UHF RFID, aber auch andere AutoID Technologien, sind ohne Zweifel Schlüsseltechnologien für die Umsetzung der Integrated Industry-Philosophie. Umso wichtiger ist es, dass diese Technologien möglichst einfach in Gesamtlösungen integriert werden können. 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 eingeführt. Alle führenden Automatisierungshersteller stehen bereits hinter OPC UA.
Bild 1: Auto ID OPC UA Bild 2: Network ----- Alle Bilder mit Zoomfunktion.
Der Standard ist gegenüber dem alten OPC vor allem Plattform- und Programmiersprachenunabhängigkeit und bietet höhere Sicherheit. Es verfügt über eine integrierte 128 oder 256 bit-Verschlüsselung und beinhaltet außerdem die Authentifizierung und Autorisierung sowie Datenintegrität durch Signaturen. OPC UA ist skalierbar, von der Cloud basierten Server- bis zu einer minimalistischen Chip-Implementierung ist alles möglich. Mit demselben Protokoll können RFID-Systeme mit einigen wenigen Datenpunkten genauso vernetzt werden wie Leitsysteme mit über 100.000 Datenpunkten. OPC UA folgt einer Serviceorientierten Architektur (SOA), womit sich Dienste zwischen IT-Systemen strukturieren und nutzen lassen. Wie üblich, 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 Geräte, Backend Systeme, Visualisierungssysteme oder RFID-Reader serialisiert beziehungsweise deserialisiert und über das Netzwerk sendet. Auf diese Weise können verschiedenste Netzwerkteilnehmer unabhängig vom Betriebssystem, Daten miteinander austauschen. Entscheidend für den Aufbau zukunftsfähiger Kommunikationsstrukturen ist hierbei die Möglichkeit, dass die einzelnen Kommunikationsteilnehmer sowohl als Server wie auch als Client agieren können. Daher können sie Daten anfordern oder auch zur Verfügung stellen. Dies bildet die Grundlage für eine künftige autark, bidirektional Kommunikation von Teilsystemen. Der Funktionsumfang umfasst hierbei sowohl das aufrufen von Funktionen, das ändern von Konfigurationsparametern, wie aber auch eine Event gesteuerte Kommunikation. Hierzu können die Kommunikationspartner untereinander Events subscriben und somit festlegen über welche Ereignisse – beispielswiese neuer RFID Transponder wurde erkannt – sie informiert werden möchten. Dank des objektorientierten Ansatzes von OPC UA können besonders leicht, herstellerspezifischen Eigenschaften der einzelnen Geräte erhalten bleiben, ohne dass der Standard verletzt wird. OPC UA definiert wie kommuniziert wird, aber nicht was. Daher ist OPC UA vollkommen Anwendungs- und Geräteneutral. Welche Funktionen und Variablen ein Gerät zur Verfügung 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 können auch unbekannte Kommunikationsteilnehmer sehr einfach in die Infrastruktur integriert werden. Damit eine solche Integration noch einfacher gelingt, können die Datenmodelle von Gerätegruppen oder branchentypischen Anwendungen bereits in sogenannten Companion Specifications vordefiniert werden. Diese Spezifikationen beinhalten den wesentlichen Funktionsumfang inklusive der Datentypbeschreibung der einzelnen Variablen, Übergabe- und Rückgabeparameter. Der Vorteil einer solchen Companion Specification liegt auf der Hand. Je mehr Hersteller dieser Empfehlung folgen und ihre Kommunikationsschnittstellen entsprechend umsetzen, desto schneller können verschiedene Geräte, auch unterschiedlicher Hersteller, in neue Anwendungen integriert werden. Dies spart Zeit und erhöht den Investitionsschutz von Kunden. Darüber hinaus können diese Spezifikationen gerätespezifisch bzw. herstellerspezifisch individuell dank des objektorientierten Ansatzes von OPC UA erweitert werden. Hersteller können also ihre einzigartigen Features beibehalten und dennoch auf eine gemeinsame breit akzeptierte Kommunikationsbasis aufsetzen. Da diese einzigartigen Funktionen dank der in OPC UA vorgesehenen Möglichkeiten, zur Laufzeit von anderen Kommunikationsteilnehmern abgefragt werden können, ist eine Verwendung denkbar einfach. Harting erkannte das Potential von OPC UA bereits früh und präsentierte bereits auf der Hannover Messe 2013 seinen leistungsstarken UHF RFID Reader Ha-VIS RF-R500 mit integriertem OPC UA Server ‑ wenn auch noch mit minimalistischem Funktionsumfang.
Bild 3: OPC UA ----- Bild mit Zoomfunktion.
Selbstverständlich beschränkte 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 können, und erweitert konsequent seine Produktpalette im Bereich Embedded Geräte. Getrieben von der Motivation, dass ein akzeptiertes, standardisiertes Kommunikationsinterface zu AutoID Geräten 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 führenden Vertretern der Branche beschloss der Verband in Kooperation mit der OPC Foundation eine Companion Specification für AutoID Geräte 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 Geräten zu sehen. Ein UHF RFID Reader von Harting ist selbstverständlich mit dabei. Diese Companion Specification führt die unterschiedlichen AutoID Technologien also auf eine gemeinsame Kommunikationsschnittstelle bzw. auf ein gemeinsames Datenmodell zurück. Die technologischen Unterschiede gehen hierbei, dank der Flexibilität 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 selbstverständlich je nach Technologie unterschiedlich, lässt sich aber Schnittstellentechnisch dennoch hervorragend allgemeingültig beschreiben. Für den Systemintegrator bzw. den Endkunden bedeutet dies, dass deutlich schneller unterschiedliche AutoID Geräte, verschiedene Hersteller bzw. verschiedene Technologien, in eine Gesamtinfrastruktur eingebunden werden können. Gleichzeitig werden andere wichtige Aspekte von OPC UA, wie die erhöhte Sicherheit oder die Möglichkeit Server und Client Funktionalität in einem Gerät zu vereinen, mit integriert. Zukünftig wird also ein Wechsel der Gerätehardware deutlich einfacher möglich sein. Dies ist insbesondere für Systemintegratoren interessant, welche je nach Kundenanforderung, das für diese Situation beste Gerät am Markt verwenden wollen. Eine Aufwändige Einarbeitung in eine andere gerätespezifische Schnittstelle entfällt und bereits existierende Programme oder Schnittstellen zu Backend Systemen können wiederverwendet werden. Von der SPS Anbindung bis zur SAP Schnittstelle kann eine einheitliche Technik verwendet werden um mit AutoID Geräten 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. Interoperabilität, die sicher, zuverlässig und herstellerneutral über alle Teilsysteme funktioniert, ist hierbei ein entscheidendes Erfolgskriterium. ----- Von Olaf Wilmsmeier, Produktmanager, © Harting IT Software Development GmbH & Co. KG
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2019.08.21 15:49 V14.1.4-2