OPC UA als durchgängige Kommunikationslösung bis in die Feldebene – und das sowohl für die Fertigungs- als auch die Prozesstechnik.

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In den technischen Arbeitsgruppen, die allen Mitgliedern der OPC Foundation offenstehen, arbeiten derzeit insgesamt über 300 Experten von mehr als 60 Firmen, um entsprechende Konzepte und Spezifikationen zu erarbeiten.
Die Arbeiten an der ersten Spezifikationsversion haben im vergangenen Jahr – trotz Covid-19 und der damit einhergehenden Einschränkungen – gute Fortschritte erzielt.

Die Basiskonzepte für den Use Case Controller-to-Controller (C2C) wurden größtenteils verabschiedet und sind in erste Spezifikationsentwürfe eingeflossen. Im November des letzten Jahres wurde ein erster Release Candidate fertiggestellt, auf dessen Basis Prototypen implementiert und die Spezifikationsentwürfe validiert werden. Parallel dazu erarbeitet eine Arbeitsgruppe Testspezifikationen, welche in entsprechenden Test-Cases für das OPC-UA-Zertifizierungstool (CTT) ihre Umsetzung finden. 

OPC UA in der Feldebene – die Systemarchitektur

Peter Lutz ist Director Field Level Communications der OPC Foundation.

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Die durch die FLC-Initiative spezifizierten Erweiterungen basieren auf dem OPC UA Framework (IEC 62541), das einen sicheren und zuverlässigen, sowie hersteller- und plattformunabhängigen Informationsaustausch ermöglicht.
Steuerungen und Feldgeräte unterstützen dabei zum einen das verbindungsorientierte Client/Server-Kommunikationsmodell, sowie zum anderen die Publish/Subscribe-Erweiterungen, die für die Kommunikation in der Feldebene aufgrund entsprechender Anforderungen an Flexibilität, Effizienz und Deterministik unabdingbar sind. Verwendet werden auch die in OPC UA spezifizierten Security-Mechanismen, die unter anderem eine Authentifizierung, Signierung und Verschlüsselung der zu transportierenden Daten unterstützen und sowohl für Client/Server- als auch für Publish/Subscribe-Kommunikationsbeziehungen einsetzbar sind.

OPC-UA-basierte Systemarchitektur mit Erweiterungen für die Feldebene.

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Der im November 2020 fertiggestellte, initiale Release Candidate der FLC-Initiative besteht aus vier Spezifikationsteilen (OPC UA Parts 80-83) und fokussiert sich auf die C2C-Kommunikation (Controller-to-Controller) zum Austausch von Prozess- und Konfigurationsdaten mithilfe von Peer-to-Peer-Verbindungen und einer Basisdiagnose:

• Part 80 (OPC 10000-80) gibt eine Einführung und einen Überblick in die grundlegenden Konzepte der Erweiterung von OPC UA für die Kommunikation mit und in der Feldebene.

• Part 81 (OPC 10000-81) spezifiziert das Basisinformationsmodell für Steuerungen und Feldgeräte (Automation Components) und die Kommunikationskonzepte, um die verschiedenen Use Cases und Anforderungen der Fabrik- und Prozessautomatisierung zu erfüllen.

• Part 82 (OPC 10000-82) beschreibt Netzwerkdienste, wie beispielsweise Topologie-Erkennung und Zeitsynchronisation.

• Part 83 (OPC 10000-83) beschreibt die Datenstrukturen für den Austausch von Informationen, die für das Offline-Engineering erforderlich sind, unter Verwendung von Deskriptoren und Deskriptorpaketen.

Sehr weit fortgeschritten sind auch die Arbeiten an der Safety-Lösung für OPC UA (OPC UA Safety). Eine erste OPC-UA-Safety-Spezifikation, die auf Client-Server-Mechanismen basiert und aus einer Joint Working Group mit der Profibus & Profinet International (PI) heraus entstanden ist, wurde bereits im November 2019 verabschiedet (Part 15, OPC 10000-15). In Kürze ist eine Überarbeitung der OPC-UA-Safety-Spezifikation verfügbar, welche die Erweiterungen für OPC UA Publish/Subscribe und die Parametrierung von Safety-Teilnehmern beschreibt. Das Besondere an dem Safety-Konzept für OPC UA ist unter anderem, dass sich sichere Teilnehmer dynamisch auch während des laufenden Betriebes einer Maschine oder Anlage in die Kommunikation einbinden lassen, was in dieser Form bei herkömmlichen Safety-Protokollen nicht möglich ist.

Auch bezüglich Motion gibt es Fortschritte zu vermelden. Seit Mitte 2020 erarbeitet eine Arbeitsgruppe eine OPC-UA-basierte Antriebslösung.
OPC UA Motion umfasst die Spezifikation von Bewegungssteuerungsfunktionen für verschiedenartige Motion-Geräte wie Steuerungen, Standardantriebe, Frequenzumrichter und Servoantriebe. Das FLC Steering Committee hat sich darauf verständigt, hierzu auf den CIP-Motion- und Sercos-Spezifikationen aufzusetzen und diese an die OPC-UA-Informationsmodellierung und Systemarchitektur anzupassen, unter Berücksichtigung entsprechender Industrie-4.0-Anwendungsfälle. Dadurch dass – wie auch bei Safety – auf bestehenden Konzepten und Spezifikationen aufgesetzt wird, lässt sich die Spezifikationsarbeit signifikant beschleunigen.

Die Kombi mit TSN und APL

Bild 4. Semantische Interoperabilität mit OPC UA vom Sensor bis in die Cloud.

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Grundsätzlich ist das OPC UA Framework transportunabhängig und lässt sich deshalb flexibel mit verschiedenen unterlagerten Kommunikationsprotokollen und Übertragungsphysiken nutzen.
Ethernet Time-Sensitive Networking (Ethernet TSN) und der Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet APL) werden von der OPC Foundation als wichtige Bestandteile der Strategie gesehen, OPC UA auf alle Anwendungsfälle und Anforderungen in der Fabrik- und Prozessautomatisierung auszuweiten und die Vision einer vollständig skalierbaren, industriellen Interoperabilitätslösung umzusetzen.

Die Kombi mit TSN

Mit einem unterlagerten Ethernet TSN wird eine deterministische Datenübertragung über OPC UA ermöglicht, welche insbesondere für anspruchsvolle Automatisierungsanwendungen unabdingbar ist. Zum anderen erlaubt TSN, unterschiedliche Anwendungen und Protokolle über eine einheitliche Hardware und eine gemeinsame Netzwerk-Infrastruktur zu betreiben. Damit lassen sich konvergente industrielle Automatisierungsnetzwerke realisieren, in denen verschiedene IT- und OT-Protokolle koexistieren. Eine Arbeitsgruppe der FLC Initiative erarbeitet aktuell, welche TSN-Substandards für OPC-UA-basierte Endgeräte und Infrastrukturkomponenten als verpflichtend vorgeschrieben werden, um die festgelegten Anforderungen an Performance, Flexibilität und Anwendungsfreundlichkeit zu erfüllen. Seitens der OPC Foundation gibt es ein klares Bekenntnis zum TSN-IA-Profil, das in der IEC/IEEE-60802-Arbeitsgruppe erarbeitet wird. Aus diesem Grunde hat die OPC Foundation eine Liaison mit den Standardisierungsgremien IEC SC65C sowie IEEE 802.1 geschlossen.

Die Kombi mit APL

Ethernet APL beschreibt einen Physical Layer für Ethernet, der speziell für die Anforderungen der Prozessindustrie entwickelt wurde. Ethernet APL ermöglicht eine Datenübertragung mit hohen Geschwindigkeiten über große Entfernungen, die Versorgung mit Energie und Daten über eine gemeinsame, verdrillte Zweidraht-Leitung und Schutzmaßnahmen für den sicheren Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. Damit ist Ethernet APL der Wegbereiter für den Einsatz von OPC UA und anderen Ethernet-basierten Protokollen in der Prozessindustrie. Aufgrund der besonderen Bedeutung dieser Technologie hat sich die OPC Foundation im Juni 2020 der Advanced Physical Layer (APL) Projektgruppe angeschlossen, um APL gemeinsam mit anderen Non-Profit-Organisationen und verschiedenen Industriepartnern zu entwickeln und zu fördern.

Die Kombi mit 5G

Die FLC-Initiative: Die folgenden Unternehmen sind Mitglieder des Steering Committees der Field Level Communications Initiative und unterstützen diese sowohl finanziell wie auch mit technischem Know-how.

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Der Datenaustausch über OPC UA ist allerdings nicht auf die kabelgebundene oder funkgestützte Ethernet-Kommunikation begrenzt. Auch die Unterstützung des Mobilfunkstandards 5G steht auf der Roadmap der OPC Foundation. Dabei wird sich das Mapping auf 5G nahtlos in die bestehende OPC-UA-Architektur einfügen, sodass alle aktuell in Spezifikation befindlichen Protokoll- und Profilerweiterungen der FLC Initiative nicht nur über Ethernet und Ethernet TSN, sondern auch über 5G nutzbar sein werden.

Das OPC UA (IEC 62541) Framework mit den durch die FLC-Initiative spezifizierten Erweiterungen für die Feldebene bietet in Kombination mit unterlagerten Kommunikationsstandards, wie APL, TSN und zukünftig auch 5G, eine vollständige, offene standardisierte und interoperable Lösung, die nicht nur die Anforderungen an die industrielle Kommunikation erfüllt, sondern gleichzeitig die Durchgängigkeit und die semantische Interoperabilität von der Feldebene bis in die Cloud ermöglicht. 

Mit diesem Ansatz – in Kombination mit den vielfältigen Companion Spezifikationen – wird erreicht, dass Daten und Interfaces so weit wie eben technisch möglich an der Datenquelle standardisierbar sind – wenn machbar direkt im Gerät: Ein Durchflussmesser wird direkt genormte ‚OPC-UA-Durchfluss-Messdaten‘ liefern, sobald das APL-Kabel eingesteckt ist. Und analog dazu verarbeiten Servo-Antriebe direkt genormte ‚OPC-UA-Antriebs-Sollwerte‘ und stellen Antriebs-Istwerte bereit, sobald diese über Ethernet TSN in ein Maschinennetzwerk eingebunden sind.