Bild 1: Von der Automatisierungspyramide hin zum offenen industriellen Netzwerk. © OPCF

Schlüsselkomponente ist das Publish/Subscribe-Kommunikationsmodell, das eine effiziente Echtzeit-Datenverteilung über industrielle Netzwerke ermöglicht, entweder über UDP/IP, netzwerkübergreifend routingfähig, oder über Raw Ethernet für kürzere Zykluszeiten und höhere Effizienz innerhalb eines Netzwerksegments. In Kombination mit TSN entsteht so eine deterministische Kommunikation mit garantierten Latenzen und synchronisiertem Zeitverhalten. Da OPC UA FX auf OPC UA basiert, ist die Konnektivität nicht auf die Feldebene beschränkt, sondern skaliert bis in Edge- und Cloud-Umgebungen. Das Ergebnis ist ein einheitliches Kommunikationsframework für die Automatisierungspyramide, basierend auf OPC UA (Bild 1).

Ermöglichende Technologien: TSN, Ethernet-APL und 5G

Der Wandel hin zu einheitlichen industriellen Netzwerken wird durch mehrere sich ergänzende Technologien ermöglicht:

• Time-Sensitive Networking (TSN) stellt deterministische Ethernet-Kommunikation bereit. Durch Mechanismen wie präzise Zeitsynchronisation, Datenverkehrsplanung und Bandbreitenreservierung ermöglicht TSN vorhersagbares Echtzeitverhalten in Standard-Ethernet-Netzen.
• Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) erweitert Ethernet in die Prozessautomatisierung. Es erlaubt große Kabellängen, intrinsische Sicherheit für explosionsgefährdete Bereiche und einfache Installation.
• 5G ergänzt die kabelgebundene Infrastruktur durch deterministische drahtlose Kommunikation, insbesondere für mobile Anlagen, flexible Fertigung und modulare Produktionsumgebungen.

Gemeinsam ermöglichen diese Technologien konvergente Netzwerke, in denen IT- und OT-Kommunikation auf einer gemeinsamen Infrastruktur zusammengeführt werden können.

Status der OPC UA FX-Spezifikation

Die OPC UA FX-Spezifikation hat mit der Fertigstellung des Controller-to-Controller-(C2C)-Use Cases einen wichtigen Meilenstein erreicht. Dieser bildet zugleich die Grundlage für die Controller-to-Device (C2D) und Device-to-Device (D2D) Anwendungsszenarien. Die Erweiterungen von OPC UA durch OPC UA FX sind:

• Automation Component (AC): Standardisierte, modulare Repräsentation von Geräten, zum Beispiel SPS, Antriebe, I/O. Jede Komponente enthält Daten, Funktionen und Schnittstellen und erleichtert dadurch die Integration und systemübergreifende Wiederverwendung.
• Connection Manager: Dieser verwaltet, wie Steuerungen Kommunikationsbeziehungen zu anderen Steuerungen oder Feldgeräten aufbauen und nutzen. Er automatisiert die Verbindungsparametrierung (wer mit wem kommuniziert, wie und mit welchen Parametern) und reduziert so den manuellen Konfigurationsaufwand
• Offline Engineering: Ermöglicht es Ingenieuren, Systeme zu entwerfen und zu konfigurieren, bevor die Hardware physisch verbunden ist. Vollständige Konfigurationen (Geräte, Verbindungen, Parameter) können geplant, simuliert und anschließend in Betrieb genommen werden.
• Profile: Definieren standardisierte Funktionsumfänge und Fähigkeiten für Steuerungen und Feldgeräte. Profile stellen die Interoperabilität sicher; das heißt, Geräte unterschiedlicher Hersteller verhalten sich konsistent, sofern sie dasselbe Profil unterstützen.

Bild 2: Die Systemarchitektur von OPC UA FX. © OPCF

Kurz gesagt: OPC UA FX erweitert OPC UA um Echtzeitfähigkeit, vereinfachte Integration und standardisiertes Engineering für die Kommunikation in der Feldebene (Bild 2).

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) definiert, wie Steuerungen zyklische Daten in Echtzeit über Herstellergrenzen hinweg austauschen. Es umfasst die Architektur, Informa- tionsmodelle, Netzwerkmechanismen und Engineering-Konzepte, die für eine interoperable Kommunikation erforderlich sind.

Diese Grundlage ermöglicht die nächsten Entwicklungsschritte, welche aktuell in Arbeit sind: Controller-to-Device (C2D) und Device-to-Device (D2D). Diese Erweiterungen bringen OPC UA FX direkt in Antriebe, I/O-Geräte und Feldinstrumente.

Parallel dazu wird OPC UA Safety weiterentwickelt, um funktionale Sicherheitskommunikation über dieselbe Netzwerk-infrastruktur zu unterstützen. Dadurch können sicherheitsrelevante Signale über OPC UA FX übertragen werden, während gleichzeitig die Einhaltung industrieller Sicherheitsstandards gewährleistet bleibt.

Ethernet TSN und IEC/IEEE 60802: Gemeinsames Netzwerkprofil

TSN (Time-Sensitive Networking) stellt zwar die notwendigen Mechanismen bereit, doch echte Interoperabilität erfordert ein gemeinsames Profil, das aus einem Satz von Regeln und Randbedingungen besteht. Diese Rolle übernimmt IEC/IEEE 60802, eine gemeinsame Standardisierungsinitiative, die festlegt, wie TSN in industriellen Automatisierungsnetzwerken angewendet werden soll.

Die Spezifikation legt fest:

• Zeitsynchronisationsmechanismen
• Regeln zur Datenverkehrsplanung
• Verfahren zur Netzwerkkonfiguration
• Interoperabilitätsanforderungen

OPC UA FX ist auf dieses Profil abgestimmt und stellt sicher, dass Geräte unterschiedlicher Hersteller deterministisch im selben TSN-Netzwerk kommunizieren können. Die Konvergenz von OPC UA FX und IEC/IEEE 60802 stellt einen wichtigen Schritt hin zu herstellerneutralen Echtzeit-Ethernet-Netzwerken dar.

Wachsendes Ökosystem von SDKs und Protokoll-Stacks

Ein weiterer Reife-Indikator ist das schnell wachsende Ökosystem rund um OPC UA FX. Automatisierungshersteller, Softwareanbieter und Stack-Lieferanten entwickeln aktiv Lösungen, sowohl kommerzieller Art als auch Open Source.

Diese Lösungen ermöglichen:

• die Integration von OPC UA FX Stacks in Steuerungen und Feldgeräte
• Entwicklung interoperabler Anwendungen
• Evaluierung und Prototyping durch Systemintegratoren und OEMs

Prototypen und Interoperabilitäts-Demonstrationen

Bild 3: OPC-UA-Demowand zu verschiedenen Spezifikationen und Applikationen. © OPCF

Interoperabilitäts-Demos haben eine zentrale Rolle bei der Validierung der OPC UA FX-Konzepte gespielt. Eines der bekanntesten Beispiele ist die C2C-Demowand, bei der Steuerungen verschiedener Hersteller über ein gemeinsames Netzwerk miteinander kommunizieren. Diese Systeme tauschen zyklische Prozessdaten in Echtzeit aus und gewährleisten dabei ein deterministisches Kommunikationsverhalten (Bild 3).

Ein weiteres Beispiel ist der Cable-Robot-Demonstrator, der eine koordinierte Bewegungssteuerung über verteilte Steuerungen hinweg zeigt. Das System demonstriert präzise Synchronisation und Kommunikation mit geringer Latenz, was zentrale Anforderungen für anspruchsvolle Automatisierungsszenarien sind.

Diese Prototypen zeigen, dass OPC UA FX nicht nur eine Spezifikation ist, sondern auch praktisch umgesetzt werden kann.

Konformitätstests und Zertifizierung

Mit der zunehmenden Einführung von OPC UA FX durch industrielle Anwender müssen Interoperabilität und Zuverlässigkeit durch formale Zertifizierungen sichergestellt werden. Die OPC Foundation entwickelt daher umfassende Testwerkzeuge, darunter:

• das Compliance Test Tool (CTT) für die OPC UA FX-Kommunikation
• das OPC UA Safety Compliance Test Tool (UASCTT) für sicherheitsgerichtete Kommunikation

Diese Werkzeuge ermöglichen eine automatisierte Überprüfung von Protokollimplementierungen und stellen sicher, dass zertifizierte Geräte herstellerübergreifend konsistent funktionieren. Zertifizierungsprogramme werden eine entscheidende Rolle dabei spielen, Vertrauen aufzubauen und die Marktdurchdringung zu beschleunigen.

Aktuelle Arbeiten: Vervollständigung der Integration auf Feldebene

Die aktuelle Entwicklungsphase konzentriert sich auf die Vervollständigung der Kommunikation auf Feldebene. Zentrale Arbeitsbereiche umfassen die Kommunikation von Steuerungen, zum Beispiel SPS, DCS, mit Antrieben (Motion Control), Remote-I/O-Systemen sowie Feldgeräten (Sensoren, Aktoren, Prozessgeräte). Ziel ist es, den Echtzeit-Datenaustausch (zyklische Kommunikation), azyklische Dienste (Konfiguration, Diagnose, Parametrierung), sowie das Geräteverhalten und die Schnittstellen mithilfe standardisierter Informationsmodelle zu vereinheitlichen.

Das langfristige Ziel ist klar: eine vollständig interoperable Automatisierungsarchitektur, in der Geräte unterschiedlicher Hersteller nahtlos miteinander kommunizieren.

Von der Vision zur industriellen Realität

Die kommenden Monate dürften einen Wendepunkt für OPC UA FX markieren. Mehrere Meilensteine werden erwartet:

• die ersten zertifizierten OPC UA FX-Steuerungsprodukte
• eine neue, erweiterte Interoperabilitätsdemo, die C2C, C2D sowie Edge-/Cloud-Konnektivität kombiniert
• die Integration von OPC UA Companion Specifications in Live-Demonstratoren
• eine herstellerübergreifende Demonstrationsmaschine, die realitätsnahe Produktionsszenarien zeigt

Der Autor: Peter Lutz ist Director Field Level Communication bei der OPC Foundation. © OPCF

Gleichzeitig werden die Standardisierungs- und Zertifizierungsaktivitäten rund um TSN weiter voranschreiten. Zusammen markieren diese Entwicklungen den Übergang von der Validierung der Technologie hin zum industriellen Einsatz.

OPC UA FX stellt eine der bedeutendsten Entwicklungen in der industriellen Kommunikation der letzten Jahrzehnte dar. Durch die Kombination von OPC UA mit integrierter Cybersicherheit, deterministischer Ethernet-Kommunikation, standardisierten Informationsmodellen und offener Interoperabilität ermöglicht es eine neue Generation flexibler und skalierbarer Automatisierungssysteme.

Auch wenn die Entwicklung noch andauert, zeigt der bisher erzielte Fortschritt, dass die Industrie die Vorteile erkennt und sich in Richtung einer gemeinsamen Kommunikationsbasis für die digitale Fabrik bewegt.

Redaktion: Andrea Gillhuber