Die Rolle von OPC Unified Architecture in der Industrie 4.0

Kaum ein Ausdruck findet aktuell so breite Verwendung wie das

Schlagwort „Industrie 4.0“. Die begriffliche Anlehnung an die

industriellen Revolutionen der Vergangenheit lässt erkennen, welche

große Bedeutung der Fabrik der Zukunft mit ihren vernetzten

Bauteilen und Anlagen beigemessen wird.

Dieses Whitepaper befasst sich mit den Inhalten hinter dem

Begriff Industrie 4.0, erklärt die Funktionsweise von OPC Unified

Architecture (OPC UA) und beleuchtet, wie beides in Verbindung

steht. Hierbei erfahren Anwender auch, welche Herausforderungen

mit OPC gemeistert werden können, um die zukunftsweisende – aber

auch komplexe – Technologie, welche die Industrie 4.0 ausmacht,

erfolgreich zu nutzen.

Vorwort

Bedeutung Industrie 4.0Das Thema Industrie 4.0 scheint konstant in aller Munde zu sein. Egal ob Hersteller, Anwender oder Fachpresse, der Begriff und die damit verbundene Zukunft wirken in der Automatisierungsindustrie geradezu elektrisierend.

Der Begriff „Industrie 4.0“ wurde gebildet, um mit einem möglichst kurzen und symbolischen Stichwort die intelligenten Fabriken und Maschinen sowie vernetzten Prozesse betiteln zu können. Die Bezeichnung sieht sich in der Tradition des Begriffs der industriellen Revolution und soll die vierte Stufe von dieser zum Ausdruck bringen. Die erste industrielle Revolution bestand in der Mechanisierung mit Wasser- und Dampfkraft, die zweite industrielle Revolution umfasste die Massenfertigung mithilfe von elektrischer Energie. Als dritte Stufe kann die digitale Revolution angesehen werden, die den Einsatz von Elektronik und IT zur weiteren Automatisierung der Produktion beinhaltet. Der Wandel hin zu einer nun prognostizierten Industrie 4.0 wird eine der wesentlichen Entwicklungen in den nächsten Jahren und Jahrzehnten darstellen.

Durch das Internet getrieben, wachsen reale und virtuelle Welt immer weiter zu einem „Internet der Dinge“ zusammen. Die daraus resultierenden Kennzeichen der zukünftigen Form der Industrieproduktion sind die starke Individualisierung der Produkte unter der Besonderheit einer hoch flexibilisierten Produktion, die weitgehende Integration von Kunden und Geschäftspartnern in Geschäfts- und Wertschöpfungsprozesse und die Verkopplung von Produktion und Dienstleitungen.

In der Fabrik der Zukunft steuern alle Komponenten den Produktionsprozess eigenständig. Möglich wird das durch ihre Vernetzung untereinander. Egal ob Menschen, Maschinen, Anlagen oder Systeme: alles steht miteinander in Verbindung, sammelt Informationen und teilt diese. So können zukünftig Bauteile selbstständig Maschinen mit ausreichend Kapazität ansteuern und Maschinen rechtzeitig kommunizieren, wenn sie gewartet werden müssen.

Um die Aussicht auf eine Industrie 4.0, oder auch „integrierte Industrie“ erfolgsversprechend realisieren zu können, sind einige Anstrengungen notwendig, da die Herausforderungen sehr vielfältig sind. Entsprechend stehen Wirtschaft und Industrie erst an der der Schwelle zur neuesten industriellen Revolution, doch bereits jetzt werden die wesentlichen Weichen für die Zukunft gestellt. Elementare Komponente dabei ist OPC UA – ein Standard, der Interoperabilität auf allen Ebenen erlaubt: von Gerät zu Gerät oder von Gerät zur Unternehmensebene und darüber hinaus.

OPC UAOPC steht für Open Connectivity und ist das weltweit am stärksten verbreitete standardisierte Datenaustauschverfahren der Automatisierungstechnik. Der Standard sammelt und transportiert Daten in ihrer ursprünglichen Form von unterschiedlichen Geräten, Steuerungssystemen sowie Anwendungen und wandelt diese in ein einheitliches Format um.

Aufgrund seines einfachen Ansatzes bei der Strukturierung und Abstrahierung von Prozessdaten ist OPC der führende Standard zur Kommunikation in der Industrie. Ein einfaches Design ermöglicht es, so gut wie alle Industriedaten mittels der OPC-Datenstruktur abzubilden. Dank dieser Eignung und Einfachheit

bieten alle namhaften Anbieter OPC-Clients und OPC-Server für ihre Produkte an.Der OPC-Standard beruht auf mehreren Spezifikationen wie OPC Klassik und eben OPC UA, das die aktuelle Technologiegeneration bildet. OPC UA erweitert die Einfachheit von OPC Klassik und bietet operative Verbesserungen wie Plattformunabhängigkeit, Sicherheit und Datenstrukturen. Daneben adressiert die Lösung auch allgemeinere Herausforderungen in Zusammenhang mit DCOM. Bedingt durch Microsofts DCOM-Technologie konnte es bei OPC Klassik in einigen Fällen Schwierigkeiten bei der Konnektivität von OPC-Clients und OPC-Servern geben. Um diese Herausforderungen zu lösen, setzt OPC UA auf eine serviceorientierte Architektur (SOA) mit plattformunabhängigen Protokollen und eingebauten Sicherheitsmechanismen. Im Ergebnis können OPC-UA-Anwendungen für jede Umgebung einfach geschrieben werden. Diese schlichte Änderung hat OPC von einer Lösung, die auf Standard-Computern läuft, hin zu einem voll skalierbaren System gewandelt, das von der Micro-Controller-Ebene bis zu Server-Farmen für den Unternehmenseinsatz reicht.

Das Sicherheitskonzept von OPC UA basiert auf Internetstandards und umfasst Möglichkeiten der Benutzerauthentifizierung, Signierung von Nachrichten und Verschlüsselung von Nutzerdaten. Unter Verwendung von OPC UA ist der Datenzugriff auch über Internet und Firewall möglich, da OPC UA ein eigens entwickeltes TCP-basiertes Binärprotokoll für den Datenaustausch enthält. Zusätzlich lässt sich jede Nachricht über einen HTTP/HTTPS- oder jeden anderen Port weitergeben. Darüber hinaus verfügt OPC UA mit konfigurierbaren Timeouts, automatischer Fehlererkennung und Recovery-Mechanismen über ein umfassendes Instrumentarium, um Datenverluste zu verhindern und hochverfügbare Systeme sicherzustellen.

Als OPC-UA-Lösung bietet MatrikonOPC seinen Universal Connectivity Server (UCS), der als ein einzelner OPC-Server die Konnektivität zu mehreren Geräten, Protokollen und APIs herstellt. Mit diesem OPC-Server erhalten Unternehmen über einen einzigen Server sichere Konnektivität mit allen gängigen Steuersystemen und -anwendungen.

OPC UA EmbeddedDie Einsatzmöglichkeiten von OPC UA erstrecken sich dabei nicht nur auf die PC-Ebene: Dank der Flexibilität des Standards können OPC-UA-Anwendungen auch für nicht-Windows-basierte Plattformen wie Linux oder für Embedded-Systeme entwickelt werden, die in RTOS-Umgebungen (Real Time Operating System) oder gar in „Bare-Metal“-Umgebungen laufen, die über gar kein Betriebssystem verfügen.

Das ist wichtig, da eine Vielzahl an Sensoren und Low-Level-Geräten Daten erzeugt, deren Auswertung für ein Unternehmen elementar ist. Bei den heutigen Automatisierungssystemen müssen Anwender das Verhalten von Prozessen und Installationen in Echtzeit anzeigen können, um diese besser verstehen und deren Rentabilität maximieren zu können. Geräte sind über andere Geräte und Anwendungen mit dem Nutzer verbunden, die alle so konfiguriert sein müssen, dass sie Daten weiterleiten. Diese Konfiguration ist so komplex, dass viele Installationen nur einen geringen Teil der verfügbaren Daten an den Anwender weitergeben.

Wird ein OPC-Server direkt in das Gerät eingebettet, lässt sich eine optimale Lösung für nahezu jede Anwendung erstellen – das auch übergreifend, wodurch Industriegeräte im Unternehmen alle miteinander verbunden werden können. Das bietet Anwendern klare Vorteile hinsichtlich Effizienz, Kosten und Bedienung ihrer Anlagen. Bereits heute verbindet OPC UA die Enterprise-Ebene bis hinunter in die eingebetteten Systeme der Automatisierungskomponenten.

Mit OPC UA und dem OPC UA Embedded Server Software Development Kit (SDK) von MatrikonOPC ist die Erstellung intelligent vernetzter Geräte möglich. Das SDK ermöglicht die Integration eines vollständig konformen Hochleistungs-OPC-UA-Servers direkt in das Gerät. MatrikonOPC ist der einzige Anbieter eines OPC UA Embedded Server SDK, das über jede Geräteklasse hinweg skalierbar ist.

Rolle von OPC UA in der Industrie 4.0Doch kann OPC UA für die Industrie 4.0 eine Rolle spielen? Auf den Punkt gebracht: ja. Als weitverbreitete Lösung für Datenkonnektivität bietet OPC UA eine Methode für den sicheren und verlässlichen Datenaustausch. OPC UA wurde für unabhängige und dauerhafte Plattformen entwickelt, womit es die Anforderungen der Industrie 4.0 klar erfüllt. Zudem ist OPC UA in der Lage, zuvor „nicht erkannten“ Dingen in einer Fabrik die Fähigkeit zu geben, Daten und Informationen auszutauschen. Damit können auch bisher „unsichtbare“ Komponenten in den ständigen Datenaustausch der Fabrik der Zukunft integriert werden, womit OPC UA eine wichtige Rolle im Internet der Dinge zukommt.

Die eingebettete OPC-UA-Technologie sorgt auf Sensor-, Controller- und Geräteebene für offene Konnektivität und bringt Firmen bis hinauf zur Unternehmensleitebene klare Vorteile. Dank der bereitgestellten Informationen profitieren Endnutzer von einer schnelleren Entscheidungsfindung; die integrierte Unternehmensarchitektur wird Wirklichkeit. Diese integrierte Industrie ist letztlich das Kernstück der Industrie 4.0.

Industrie 4.0 hängt vorrangig davon ab, Daten zwischen allen Systemen innerhalb eines Unternehmens verfügbar zu machen – und genau das ist es, was OPC UA ermöglicht. Bereits OPC Klassik hat eine offene Datenkonnektivität hergestellt, welche die Barrieren zwischen Leit- und Steuerungssystemen untereinander sowie Leit- und Steuerungssystemen und dem restlichen Unternehmen überwinden konnte – OPC UA treibt dieses Konzept mit seiner Plattform- und Betriebssystemunabhängigkeit sowie der Fähigkeit zur Datenmodellierung weiter voran. Dadurch ist OPC UA zum einen in der Lage, Daten von praktisch jeder Quelle nativ darzustellen. Gleichzeitig erhält die Lösung den Datenkontext und präsentiert die Informationen in einem für Anwender bestmöglichen Format. Damit ist eine effektive Abstrahierung auf Gerätebene möglich, indem die Datenstrukturen der physikalischen Schicht (Physical Layer) wirklichkeitsgetreu und stetig durch OPC-UA-Datenmodelle wiedergegeben werden.

Ein weiteres Beispiel ist die integrierte, leistungsstarke Modellierung, welche es OPC UA ermöglicht, Daten von verschiedenen, nicht kompatiblen und offenen Standards aus unterschiedlichen Bereichen zu transferieren. Die Sammlung und Nutzung von Informationen auch kleinster Objekte auf der untersten Unternehmensebene hilft Anwendern, einen Gesamtüberblick über das Unternehmen zu erhalten.

FazitDie Steuerung von Material-, Güter- und Informationsflüssen, eine schnellere Entscheidungsfindung, aber auch die vereinfachte Erstellung von Berichten sind Vorteile, die Firmen von der Entwicklung hin zur Industrie 4.0 erwarten können. Intelligente Materialien teilen Maschinen mit, wie sie verarbeitet werden müssen, Wartung und Instandhaltung werden durch die Komponenten der intelligenten Fabrikanlage selbst initiiert und starre Produktionslinien in modulare, effiziente Systeme transformiert. Letztlich kann so der gesamte Lebenszyklus eines Produkts voll dokumentiert werden.

Der Begriff Industrie 4.0 ist mehr als ein Schlagwort. Es ist die Umschreibung einer schrittweise voranschreitenden und umfassenden Transformation, die große Änderungen mit sich bringen wird –und das auf jeder Unternehmensebene. Einen wesentlichen Grundstein hierfür kann OPC UA bilden, das den Datenaustausch über alle Unternehmensebenen hinweg ermöglicht und damit eine entscheidende Voraussetzung für die Industrie 4.0 bildet.

Weitere Informationen zu den im Whitepaper beschriebenen Lösungen:MatrikonOPC Universal Connectivity Server

Der MatrikonOPC Universal Connectivity Server (UCS) ist ein einzelner OPC-Server der Konnektivität zu mehreren Geräten, Protokollen und APIs herstellt. Mit diesem OPC-Server erhalten Unternehmen jetzt über einen einzigen Server sichere Konnektivität mit allen gängigen Steuersystemen und -anwendungen.

http://matrikonopc.de/drivers/universal-connectivity-server/index.aspx

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MatrikonOPC Universal Connectivity ServerMatrikonOPC Universal Connectivity Server (UCS) is a single OPC Server that enables the multiple communications protocols to communicate with data sources in a real-time and secure manner across multiple platforms

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Tel.: +49 (221) 969 77 0Fax: +49 (221) 969 77 22

Email: europe@MatrikonOPC.comWeb: www.MatrikonOPC.de

Americas Asia-Paci f ic Europe Middle East Afr ica05/2014

MatrikonOPC UA Embedded Server Software Development Kit

Das MatrikonOPC OPC UA Embedded Server SDK ist ein Software Development Kit, mit dem Sie Ihren eingebetteten Produkten ganz problemlos einen OPC UA-Server hinzufügen können. Unser skalierbares, standardbasiertes SDK kann in jede Produktkategorie integriert werden, von diskreten Sensoren und Aktoren bis hin zu programmierbaren Controllern und darüber hinaus. Erhöhen Sie den Wert Ihres Produkts, indem Sie die direkte Konfiguration, Verwaltung und Überwachung per Mausklick von jedem OPC UA Client aus ermöglichen.

http://www.matrikonopc.de/opc-ua/embedded/sdk.aspx