OPC UA hat sich zur Schlüsseltechnologie für mehrere Automatisierungsstandards der nächsten Generation entwickelt, darunter Industrie 4.0, NAMUR NOA, das Open Process Automation Forum und Ethernet APL (die nächste Generation der Prozesskommunikation auf Feldebene). OPC UA wird somit zu einer harmonisierten Interoperabilitätslösung für die Prozess- und Fabrikautomatisierung, einschließlich Sicherheit, Bewegung und Echtzeit. Endbenutzer der Automatisierung profitieren von:

OPC UA taucht in vielen neuen Bereichen und Anwendungen auf und sein Wachstum übertrifft andere industrielle Interoperabilitätstechnologien. Ein wesentlicher Fortschritt in der Marktposition von OPC UA resultierte aus seiner Aufnahme in die europäische Interoperabilitäts-Roadmap Industrie 4.0 für die industrielle Fertigung. Dies brachte OPC UA einem viel breiteren Kreis von Entscheidungsträgern näher. Im Rahmen von Industrie 4.0 mussten Softwareentwickler in vielen Bereichen OPC UA kennenlernen und anwenden. Mit dem Aufkommen des Industrial Internet of Things (IIoT) wurde OPC UA ein fester Bestandteil der industriellen Factory-to-Cloud-Technologie und auch von industriellen Edge-Softwareanwendungen.

Heute ist OPC UA auf dem Weg, seinen Anwendungsbereich weiter auszudehnen, um Feldmessgeräte in der Prozessindustrie (und auch in der Fabrikautomatisierung) einzubeziehen, und dieser Schritt wird die Bedeutung von OPC UA sowohl in der Prozessindustrie weiter festigen und in der gesamten Landschaft der industriellen Automatisierung. OPC UA hat sich zur wichtigsten Interoperabilitätstechnologie in der heutigen Industrielandschaft entwickelt und scheint diesen Vorsprung in den nächsten drei bis fünf Jahren noch weiter auszubauen.

Dieser Bericht bietet einen Überblick, der die Gründe für die wachsende Bedeutung von OPC UA gegenüber anderen industriellen Interoperabilitätstechnologien, insbesondere für die Prozessindustrie, untersucht. Zuerst untersuchen wir die Gründe für den anhaltenden Erfolg von OPC UA, dann diskutieren wir den Wert der semantischen Interoperabilität, Erweiterbarkeit und Zusammenarbeit, die OPC UA (und die regierende OPC Foundation) bieten. Anschließend untersuchen wir die laufenden Arbeiten zur Erweiterung von OPC UA auf Prozessfeldgeräte. Schließlich werden wir uns die Chancen und Herausforderungen ansehen, die das Wachstum von OPC UA für Endbenutzer in der Fertigung, insbesondere in der Prozessindustrie, bietet.

Es gibt mehrere Gründe für den jüngsten Erfolg und das Wachstum von OPC UA. Diese Faktoren tragen wesentlich zur einzigartigen Marktposition von OPC UA heute bei. Diese beinhalten:

OPC entstand als Technologie, die es zur „zweiten Sprache“ von Industriegeräten machte, deren Hauptsprache ein industrielles Ethernet oder ein Gerätenetzwerkprotokoll war. Kein großer Automatisierungsanbieter hat OPC als seine primäre Interoperabilitätsstrategie beworben. OPC war vielmehr eine Produktanforderung (aber kein Produktunterscheidungsmerkmal) für die großen Automatisierungsanbieter.

In diesem Sinne steht OPC im krassen Gegensatz zu Industrial Ethernet- und Device-Network-Technologien, die von den Anbietern der industriellen Automatisierung stark gefördert wurden, um ihre eigenen Produkte und Lösungen zu differenzieren. In der Welt des industriellen Ethernets hat sich eine Handvoll Netzwerk- und Interoperabilitätstechnologien entwickelt, die jedoch jeweils von einem großen Automatisierungsanbieter dominiert wurden. Die Organisationen, die diese Technologien förderten und entwickelten, wurden ebenfalls von einem einzigen Anbieter dominiert, der den Großteil der Finanzierung und technischen Unterstützung für die Bemühungen bereitstellte. Aus diesem Grund boten solche Organisationen großen Wettbewerbern kaum Gelegenheit zur Zusammenarbeit bei der Interoperabilität.

Im Gegensatz dazu haben alle großen Automatisierungsanbieter OPC UA unterstützt. Als das industrielle Internet der Dinge aufkam und sich Cloud Computing mit industriellen Anlagen beschäftigte, erkannten viele Softwareanbieter, dass OPC UA eine Interoperabilitätstechnologie mit weit verbreiteter Unterstützung ist, und so begannen IT-Anbieter, OPC UA in ihre Produkte aufzunehmen. Im Laufe der Zeit haben sich OPC UA und die OPC Foundation, die es entwickelt und unterstützt, zur umfassendsten Interoperabilitätsorganisation im Bereich der industriellen Automatisierung entwickelt, die sowohl die Fabrik- als auch die Prozessautomatisierung anspricht. Zu seiner Mitgliedschaft zählen alle großen Anbieter von Prozess- und Fabrikautomatisierungssystemen sowie eine beliebige Anzahl unabhängiger Softwareanbieter.

OPC UA ist auch unabhängig von einer einzelnen Transportschicht. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da OPC UA in der Lage ist, einen sicheren End-to-End-Transport über mehrere (auch kombinierte) zugrunde liegende Technologien wie TCP, UDP, MQTT und 5G bereitzustellen.

Seit 2015 steht OPC UA als IEC-Standard (IEC 62541) zur Verfügung. Im Gegensatz zu vielen anderen Interoperabilitätstechnologien wurde OPC UA ursprünglich mit einer sicheren Architektur erstellt, anstatt einer zuvor ungesicherten Technologie eine Sicherheitsebene "hinzuzufügen". Dies war ein großer Vorteil von OPC UA, das neuer ist als die ursprünglichen Industrial-Ethernet-Protokolle, die entstanden sind, bevor ICS-Sicherheit ein wichtiges Anliegen war. Schließlich hat die Fähigkeit von OPC UA, überall in einem vertikalen Device-to-Cloud-Anwendungsstapel verwendet zu werden, kommerzielle Cloud-Unternehmen wie Amazon Web Services, Google Cloud Platform und Microsoft Azure sowie viele andere Softwareanbieter und Endbenutzer angezogen .

Auch der Umfang des gesamten OPC UA-Ökosystems ist im Bereich der industriellen Automatisierung einzigartig. Es ist wohl das größte Ökosystem für gesicherte industrielle Interoperabilität. Neben der Unterstützung von rund 80 Prozent des Automatisierungsmarktes umfasst es die oben genannten Hyperscaler sowie Hardware-Lieferanten wie Intel, NXP und MicroChip.

Viele Konsortien für industrielle Ethernet- und Gerätenetzwerke verkaufen ihre Spezifikationen an ihre eigenen Mitglieder und an die Öffentlichkeit. Seit 2016 verfolgt die OPC Foundation eine andere Politik; eine, die viel mehr auf das heutige Open-Source-Modell der Technologieentwicklung und -bereitstellung ausgerichtet ist.

Alle Spezifikationen, die OPC UA und seine Companion Specifications definieren, sind ebenso frei verfügbar wie eine Referenzimplementierung. Die Politik der OPC Foundation besteht darin, ihre Spezifikationen für alle frei zugänglich zu machen und auch Open-Source-Referenzimplementierungen für Entwickler bereitzustellen. Die vollständigen Spezifikationen und Referenzimplementierungen stehen kostenlos auf der Website der OPC Foundation zur Verfügung.

Diese Offenheitspolitik senkt drastisch die Barrieren für den Einsatz von OPC UA für IT-Softwarefirmen, Hochschulen, Forscher, Experimentatoren und andere. Dies hat die weiter verbreitete Verwendung von OPC UA, insbesondere in multinationalen Initiativen, katalysiert.

Im Kern kann OPC UA als ein von einem Server gehostetes Informationsmodell beschrieben werden (siehe Abbildung). Clients interagieren mit dem Modell über eine Reihe von Diensten. Dienste werden im Rahmen einer Sitzung bereitgestellt, die wiederum innerhalb eines sicheren Kanals stattfindet, der die Integrität und Vertraulichkeit der Interaktionen gewährleistet.

Die Informationsmodelle folgen einem mehrschichtigen Ansatz. Die Bausteine ​​(Metamodell) und die Kerninformationsmodelle sind als Teile der OPC UA-Spezifikation vordefiniert. Alle Modelle basieren auf einem kleinen Set von Grundregeln. Clients, die diese Regeln implementieren, können somit weitaus komplexere Informationsmodelle entdecken und verarbeiten, durch den Server-Adressraum navigieren, Variablen lesen oder schreiben, Methoden ausführen oder Benachrichtigungen empfangen.

Wie die Abbildung zeigt, können dieselben Informationsmodell-Bausteine ​​und -Regeln von Companion-Informationsmodellen und herstellerspezifischen Erweiterungen verwendet werden. Diese Modellerweiterbarkeit ist eine kritische Eigenschaft von OPC UA und verleiht der Technologie ihre breite Anwendbarkeit und ihren Markterfolg. Basierend auf dem OPC UA Datenmodell können neue Informationsmodelle erstellt werden. Die Spezifikationen solcher Informationsmodelle werden als OPC UA Companion Specifications bezeichnet.

Eine beträchtliche Anzahl von Companion-Spezifikationen wurde bereits erstellt und die Liste wächst schnell weiter. Die OPC Foundation bietet drei Möglichkeiten zur Erstellung von Companion-Spezifikationen:

Companion-Spezifikationen umfassen Definitionen, Testfälle und Testskripte für automatisierte Tests. So können Produkte, die in Übereinstimmung mit den Companion-Spezifikationen gebaut wurden, getestet und validiert werden.

Die Erweiterbarkeit der grundlegenden OPC UA-Spezifikationen ist ein notwendiges Attribut für ihren weit verbreiteten Einsatz, aber es sind die vielfältigen und zahlreichen Kooperationen zwischen der OPC Foundation und einer Vielzahl anderer Organisationen, die den Wert von OPC UA über den anderer Interoperabilitätstechnologien hinaus erweitern. Die OPC Foundation unterhält über 63 laufende Kooperationen mit vielen verschiedenen Organisationen (siehe Abbildung unten). Die Art dieser Kooperationen ist unterschiedlich. Im Allgemeinen spezifiziert und standardisiert die zusammenarbeitende Organisation den bereitgestellten Inhalt (das „Was“) und verwendet die OPC UA-Technologie, um die Mittel (das „Wie“) zu spezifizieren. Viele dieser Kooperationen beinhalten die Entwicklung von Companion-Spezifikationen, während andere standardisierte Mappings für gängige Feldbus-Technologien spezifizieren.

Companion-Spezifikationen sind in allen verschiedenen Domänen der Figur definiert. Dies sind Beschreibungen, die domänenspezifische Informationen enthalten, die mithilfe der Ressourcen der OPC UA-Modellierung ausgedrückt werden. Somit soll ein OPC UA Client anhand dieser Darstellung ein Asset eines bestimmten Typs verstehen können, unabhängig davon, von welchem ​​Hersteller das Asset geliefert wurde.

Endbenutzer der Automatisierung sollten das gesamte Spektrum von Organisationen und Technologien untersuchen, die durch OPC-Kollaborationen repräsentiert werden, und sich der Kollaborationen bewusst sein, die sich mit den Technologien, die sie in ihrem Betrieb verwenden, überschneiden. Diese Kooperationen haben standardisierte, aber herstellerunabhängige Schnittstellen bereitgestellt, die den Engineering-Aufwand erheblich reduzieren können, insbesondere für Anwendungen wie maschinelles Lernen (ML). Dies bewegt sich weg von einmaliger Entwicklung hin zu einem „Plug-and-Produce“-Bereitstellungsmodell.

Wir werden später noch ausführlicher auf die Prozessautomatisierung eingehen, aber ein gutes Beispiel für den Wert dieser Zusammenarbeit in der Fertigung sind die Bemühungen des VDMA, Verband der Maschinen- und Anlagenbauindustrie. Im Rahmen von Industrie 4.0 leitet der VDMA die Entwicklung von über 32 OPC UA Companion Specifications.

Derzeit laufen im Bereich der Prozessautomatisierung drei bemerkenswerte Initiativen gleichzeitig. ARC ist davon überzeugt, dass die Umsetzung dieser Initiativen die Systemarchitektur und möglicherweise die Branchenstruktur der Prozessautomatisierung grundlegend verändern wird. OPC UA spielt dabei jeweils eine Rolle. Dies sind 1) Ethernet-APL, die erweiterte physikalische Schicht, 2) NAMUR Open Architecture (NE 175) oder NOA, 3) The Open Process Automation Forum oder OPAF.

Gleichzeitig befindet sich die OPC Foundation im dritten Jahr einer mehrjährigen Initiative, OPC UA auf Steuerungen und Feldgeräte aller Art und für alle Anwendungsfälle auszudehnen. Dies wird zu Recht "Field Level Communications Initiative" der OPC Foundation genannt. Obwohl der Umfang dieser Initiative sowohl die Fabrik- als auch die Prozessautomatisierung umfasst, wird sie sicherlich einen großen Einfluss auf die Zukunft der Prozessautomatisierung haben. Lassen Sie uns jede dieser Initiativen der Reihe nach untersuchen.

Prozessfeldgeräte waren trotz jahrzehntelanger Bemühungen nie wirklich vernetzt. Stattdessen haben sie sich auf serielle Gerätenetzwerktechnologien aus den 1980er und 1990er Jahren verlassen. Die Gründe dafür sind, dass die IT-Vernetzung diese Kombination von Anforderungen der Prozessfertigung nicht unterstützen konnte:

Die Überwindung der ersten beiden Anforderungen wurde durch die Standardisierung durch IEEE 802 erreicht. Das Thema Gefahrenstellen wird von der Ethernet APL-Lieferantengruppe angegangen. Im Jahr 2021 können Prozess-Endanwender Feldgeräte mit standardisierten Ethernet-Schnittstellen spezifizieren und erwerben, woraufhin Feldgeräte vollwertige Mitglieder von IP-Netzwerken werden. Dies wird eine große Veränderung für die Prozessindustrie bedeuten. Damit können solche Feldgeräte erstmals echte IP-Kommunikation betreiben und auch OPC UA nutzen. Die Ethernet-Konnektivität über APL ermöglicht auch Layer-2-Protokolle (direktes Mapping von OPC UA auf Layer 2), die die Effizienz bei der Kommunikation zwischen einem Leitsystem und einem Feldgerät erhöhen. Die OPC Foundation ist der Ethernet APL-Projektgruppe als Teil ihrer Strategie beigetreten, OPC UA auf die Feldebene sowohl in der diskreten als auch in der kontinuierlichen Fertigung auszudehnen. Diese Arbeit wird von der Initiative Field Level Communications durchgeführt.

Teilweise als Reaktion auf Industrie 4.0 hat NAMUR (die einflussreiche europäische Endbenutzerorganisation der Prozessindustrie) eine Empfehlung für eine offene Architektur entwickelt, die von bestehenden Prozessautomatisierungssystemen übernommen werden soll. Dies ist die NAMUR-Empfehlung „NE 175: NAMUR Open Architecture – NOA Concept“. Dies beinhaltete einen offeneren „zweiten Kanal“, über den die „Kernprozesssteuerung“-Funktion von Automatisierungssystemen umfangreichere Informationen über ihren Betriebszustand und ihre Betriebsbedingungen sicher mit anderen Anwendungen teilen konnte, ohne die Kernprozesssteuerungsfunktionen von das System.

Diese Entwicklung stellt Automatisierungsanbieter vor Herausforderungen; obwohl beide Anbieter und NAMUR vereinbart haben, dass der obligatorische Weg, solche Lösungen für diesen zweiten Kanal zu standardisieren, die Verwendung von OPC UA ist, das NAMUR bevorzugt in ihrer gesamten offenen NAMUR-Architektur verwenden würde. Ethernet APL ermöglicht diese neue Kommunikation zwischen Prozesssteuerung und Prozessfeldgeräten. Während Ethernet APL eine neutrale Ethernet-Technologie ist, die viele industrielle Protokolle unterstützen kann (z. von einem Feldgerät in die Cloud zu liefern, ist eine einzigartige Fähigkeit.

Auf Initiative von ExxonMobil gründete The Open Group das Open Process Automation Forum (OPAF). Dies ist ein internationales Forum, das an der Entwicklung "einer auf Standards basierenden, offenen, sicheren und interoperablen Prozesssteuerungsarchitektur" arbeitet. Die Initiative verfolgt einen „Standard of Standards“-Ansatz, und OPAF hat sich bereits für den Einsatz von OPC UA in drei Schlüsselbereichen entschieden: seinem grundlegenden Connectivity Framework, seinen Informations- und Austauschmodellen sowie seinen Alarm- und Ereignismodellen. Auf dem ARC Americas Forum 2021 berichtete OPAF-Co-Vorsitzender Don Bartusiak, dass die Gründe für die Wahl von OPC UA waren:

Auf der SPS-Veranstaltung im November 2018 startete die OPC Foundation ihre Field Level Communications Initiative. Diese Initiative zielt darauf ab, OPC UA auf die Feldebene auszudehnen, um eine offene, einheitliche, standardbasierte Kommunikation zwischen Sensoren, Aktoren, Steuerungen und der Cloud zu erreichen und gleichzeitig die Anforderungen der Fabrik- und Prozessautomatisierung zu erfüllen. Eine herstellerunabhängige End-to-End-Interoperabilität zwischen Feldgeräten wird für alle relevanten Anwendungsfälle bereitgestellt: Echtzeit, funktionale Sicherheit und Bewegung.

Das Beeindruckendste an der OPC UA FLC Initiative ist vielleicht, dass sie praktisch alle führenden Anbieter von Prozessautomatisierung in ihren Vorstand aufgenommen hat. Zu den Mitgliedern zählen ABB, Emerson, Mitsubishi, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, Yokogawa und viele andere. Dies ist die breiteste Lieferantenunterstützung für jede Initiative in der Prozessindustrie – und das nur auf der obersten Ebene des Vorstandes.

Aufgrund ihres breiten Anwendungsbereichs handelt es sich um eine mehrphasige Initiative. Die wichtigsten Punkte, die Sie bei der Ausführung beachten sollten, sind die folgenden:

Diese Zeit der beschleunigten Standardisierung und technischen Entwicklung (insbesondere für die Prozessindustrie) bietet Chancen, die zukunftsorientierte Unternehmen nutzen müssen. Ein Großteil der Prozessautomatisierungstechnologie war so lange statisch, dass die Endbenutzer die Geschwindigkeit, mit der diese Veränderungen eintreten werden, möglicherweise nicht vorhersehen. Hier die Empfehlungen von ARC für Prozesshersteller in Bezug auf OPC UA:

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Schlagworte: Gerätemanagement, Industrie 4.0, Interoperabilität, OPC UA, OPC UA FX, Prozessindustrie, ARC Advisory Group.