OPC UA ist die Abkürzung für Open Platform Communications Unified Architecture. Der Standard wurde 1996 geschaffen, um SPS-spezifische Protokolle wie Modbus oder Profinet zu vereinheitlichen. Ursprünglich wurde der OPC-Standard auf Windows-Basis entwickelt und nutzte Microsofts COM/DCOM-Technologien zur Verbindung mit der SPS. Diese Verbindung wird als OPC DA bezeichnet, wobei DA für Data Access steht. Im Jahr 2006 begann die OPC Foundation mit der Entwicklung von OPC UA, das seit 2008 am Markt etabliert ist.
Das Kommunikationsprotokoll verfügt über verschiedene Grundfunktionalitäten:
Ein Server wird von einem Client über einen Verbindungsstring angesprochen. Dieser kann z.B. wie folgt aussehen „opc.tcp://10.192.1.1:4840“. Mit dieser Information und dem individuellen Sicherheitskonzept (Benutzerauthentifizierung / Zertifikate) können Informationen vom Server abgerufen werden. Diese sind, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, hierarchisch aufgebaut. Hinter jedem Knoten stehen einzelne „Nodes“, also Datenpunkte, die vom Client abgefragt werden können.
Ein Server kann von einem Client gefunden und angesprochen werden. Dabei können zwei grundsätzliche Fälle unterschieden werden:
Je nach Aufbau der Infrastruktur können in einem Maschinennetzwerk auch beide Fälle gemischt auftreten. So gibt es z.B. für einen Fertigungsprozess bereits ein Prozessleitsystem mit einem zentralen Server, während andere Maschinen als eigene Server fungieren.
Neben dem klassischen Client-Server-Modell mit seinen sitzungsgebundenen Subscriptions unterstützt OPC UA seit der 2018 veröffentlichten Erweiterung Part 14 (PubSub) auch ein eigenständiges Publisher-Subscriber-Verfahren. Dabei sendet ein Publisher Daten entweder an einen Message-Broker – üblicherweise über MQTT oder AMQP – oder verbindungslos per UDP-Multicast. Interessierte Subscriber empfangen die Daten darüber, ohne eine dauerhafte Verbindung zum Publisher halten zu müssen. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Cloud- und IIoT-Szenarien, in denen viele Teilnehmer dieselben Daten benötigen oder eine durchgehende TCP-Verbindung über Firewalls hinweg unpraktikabel ist.
Durch die Kombination aus Client-Server- und Pub/Sub-Kommunikation ermöglicht OPC UA eine durchgängige Datenverbindung von der Feldebene (Sensoren, Maschinen) über die Leitebene (SCADA, MES) bis in die Cloud beziehungsweise ins ERP-System. Dabei entstehen keine Medienbrüche zwischen den Ebenen.
Eine Verbindung über OPC UA kann verschiedene Sicherheitsstufen nutzen. Neben der Art der Authentifizierung und der Übertragungsart können auch einzelne Datenpunkte individuell für den Lese- und/oder Schreibzugriff freigegeben werden.
Folgende Authentifizierungsarten stehen standardmäßig zur Verfügung:
Wie ein Client-Zertifikat konkret auf einer Siemens-Steuerung hinterlegt wird, zeigt die Anleitung zum OPC UA Client-Zertifikat auf der S7 1200/1500.
Der größte Vorteil von OPC UA ist die Herstellerunabhängigkeit. Sobald die Verbindungsinformationen vorliegen, lassen sich Daten von jedem Server abholen. Ein weiterer Vorteil sind die ständig aktualisierten Sicherheitsmechanismen und die weite Verbreitung bei neueren Geräten. Auch bei bestehenden Anlagen mit „neuerer“ Siemens-Technologie kann ein OPC UA Server einfach in bestehende Projekte integriert werden. Wie das konkret funktioniert, zeigt die Anleitung zur OPC UA-Schnittstelle an der S7-1500. Mit branchenspezifischen Modellen (den sogenannten Companion Specifications) werden Dateninhalte zudem herstellerübergreifend einfacher austauschbar.
Ein Nachteil ist die Möglichkeit, den Standard sehr individuell zu implementieren. So hatten wir bereits Implementierungen, bei denen ein eigens entwickelter Server zwar die Standard-Verbindungstechnologie bereitstellt, aber intern die Daten nicht einfach zur Verfügung stellt. Das bedeutet, dass die Daten doch nicht „einfach“ abrufbar sind.
Um Maschinendaten zu erfassen und zentral zu speichern, bieten wir mit unserem DatenBerg Gateway ein Softwaretool an. Das Tool stellt eine grafische Oberfläche zur Konfiguration der OPC UA Verbindung bereit und sendet die Daten an die smartPLAZA. Die Software kann auf einem Windows- oder Linux-Edge-PC laufen oder direkt als Docker-Container integriert werden. Auf einem Gateway können verschiedene Datenverbindungen konfiguriert und verwaltet werden. Die Einrichtung der OPC UA Schnittstelle ist in der Softwarehilfe zum Gateway beschrieben.
OPC UA steht für Open Platform Communications Unified Architecture. Es ist ein Protokoll für die herstellerübergreifende Kommunikation im Maschinenumfeld.
Ein Viewer, auch Client genannt, zeigt die Baumstruktur einer Schnittstelle an. DatenBerg bietet mit dem Gateway einen Viewer an, der die Daten auch direkt speichert.
Nein, das Kommunikationsprotokoll ist auch von anderen SPS-Herstellern wie Bachmann Electronic oder Beckhoff implementiert.
OPC DA steht für Data Access, wobei OPC in diesem Vorgänger von OPC UA für OLE for Process Control steht. Im heutigen Protokoll steht OPC für Open Platform Communications. Anders als OPC DA, das auf Microsofts COM/DCOM-Technologie angewiesen ist, bringt OPC UA die Sicherheitsmechanismen direkt im Protokoll mit und ist vollständig plattformunabhängig.
Companion Specifications sind standardisierte Erweiterungen, die spezifische Datenmodelle und Schnittstellen für verschiedene Branchen und Anwendungen definieren. So gibt es z.B. für Kunststoffspritzgießmaschinen die Euromap-Normen oder für Lebensmittelanwendungen die Weihenstephaner Standards.
