- IT&Production - https://www.it-production.com -

Den Durchbruch vor Augen

Automatisierungskonzepte mit OPC UA

Den Durchbruch vor Augen

Nach dem großen Erfolg der OPC-Technologie hat die OPC Foundation vor etwa drei Jahren die Spezifikation des Nachfolgestandards OPC Unified Architecture abgeschlossen. Damit sollen vor allem Schwachstellen beseitigt und eine deutliche Ausweitung der Einsatzszenarien erreicht werden. Seitdem wurden bereits eine Reihe industrieller Anwendungen auf der Basis des Standards realisiert. Zeit für eine Bestandsaufnahme, ob der junge Standard die Erwartungen der Industrie erfüllen kann.

Beispiel für eine OPC UA-Architektur: Der Standard erlaubt die Implementierung von Servern in Embedded-Systemen und damit die Realisierung neuer Automatisierungskonzepte.
Bild: Softing

Die klassische OPC-Technologie gibt es seit mehr als 15 Jahren. Seitdem hat sich OPC zum Industriestandard für den Austausch von Echtzeitdaten, das Überwachen von Ereignissen und den Zugriff auf historische Daten entwickelt. Der große Nutzen der Technologie liegt dabei in der einfachen problemlose Verwendung von Software-Anwendungen unterschiedlicher Hersteller innerhalb eines Gesamtsystems. Entsprechend kommt OPC heute weltweit in vielen Millionen Installationen in der Fertigungs- und Prozessindustrie, der Gebäudeautomatisierung und einer Vielzahl weiterer Branchen zum Einsatz.

Über die Zeit hat sich jedoch gezeigt, dass dem noch umfassenderen Einsatz des Standards eine Reihe von Einschränkungen entgegenstehen. Dazu zählt vor allem die enge Bindung an das Betriebssystem Windows von Microsoft und die darin enthaltene Basistechnologie ‚Distributed Component Object Model‘ (COM/DCOM). Hier erfordert insbesondere die Konfiguration des rechnerübergreifenden Einsatzes umfassendes Spezialwissen, das die Verwendung von OPC erschwert. Darüber hinaus wurden seitens der Industrie zahlreiche weitere Anforderungen an die Technologie gestellt, darunter die Unterstützung von Sicherheitsvorkehrungen, den Schutz vor Datenverlust, die Möglichkeit von Redundanzfestlegungen oder die Unterstützung komplexer Datentypen.

Als Antwort darauf hat die OPC Foundation mit OPC Unified Architecture (OPC UA) vor etwa drei Jahren eine komplett überarbeitete und erweiterte Version des Standards verabschiedet, welche Schwachstellen der klassischen OPC-Technologie beseitigt und den Standard um wesentliche Eigenschaften, wie Plattformunabhängigkeit, Skalierbarkeit, Hochverfügbarkeit oder Internetfähigkeit erweitert. Damit lassen sich nun neue, kostensparende Automatisierungskonzepte realisieren.

Wiederholung einer Erfolgsgeschichte

Viele Hersteller haben in den vergangenen Jahren Produkte auf der Basis der klassischen OPC-Technologie entwickelt, die bis heute bei Endkunden erfolgreich zum Einsatz kommen. Deshalb besteht hier eine gewisse Hemmschwelle für neue Investitionen. Gleichzeitig ist der Wettbewerbsdruck noch gering, da OPC-Produkte bislang noch nicht flächendeckend mit OPC UA-Unterstützung angeboten werden. Dem gegenüber steht die Zahl von mittlerweile rund 200 Unternehmen, die früh das Thema OPC Unified Architecture vorangetrieben haben und bereits entsprechende Produkte anbieten oder in Kürze auf den Markt bringen.

Darüber hinaus arbeiten auch viele große Anbieter von Automatisierungslösungen an einer OPC UA-Implementierung. Typischerweise benötigen diese Firmen länger für die Markteinführung neuer Produkte und sind mit Vorankündigungen recht zurückhaltend. Mit der Verfügbarkeit dieser Produkte steht aber eine zusätzliche Unterstützung der OPC UA-Technologie zu erwarten. Die Wiederholung des Erfolgs der klassischen OPC-Technologie für OPC UA ist daher lediglich eine Frage der Zeit. Als Katalysator für diese Entwicklung wird dabei auch die Standardisierung der International Electrotechnical Commission (IEC) wirken, die in Kürze abgeschlossen sein wird. Damit ist OPC UA nicht mehr nur ein Industriestandard, sondern eine offizielle IEC-Norm.

OPC UA in der Praxis: Im Rotor der Areva-Windanlage kommt eine Steuerung mit einem OPC UA-Server zum Einsatz. Darauf setzt die Kommunikation zwischen der Windanlage und der zentralen Bedienstation an Land auf.
Bild: Areva

Schnelle Inbetriebnahme von Spritzgießmaschinen

Bereits jetzt zeigen realisierte Automatisierungsprojekte exemplarisch, welche Vorteile der überarbeitete Standard gegenüber der klassischen OPC-Technologie bietet: Als einer der weltweit führenden Hersteller von Spritzgießmaschinen ist das Unternehmen Arburg ständig auf der Suche nach Möglichkeiten zur Effizienzverbesserung. Dabei ist für die Kunden insbesondere die Vereinfachung der Installation, Inbetriebnahme und Wartung eine zentrale Forderung. Vertikale Integration, Konfiguration, Visualisierung und Diagnose der Spritzgießmaschinen in übergeordneten Anwendungen spielen daher eine wichtige Rolle.

Auf der Basis des Softing OPC UA-Toolkits entwickelte das Unternehmen einen Embedded OPC UA-Server, der bereits in die Spritzgießmaschine integriert, vorinstalliert und vorkonfiguriert ist und somit eine Installation vor Ort überflüssig macht. Da die Arburg-Spritzgießmaschinen auf das Betriebssystem Vxworks zurückgreifen, hätte diese Lösung mit klassischer OPC-Technologie nicht realisiert werden können. Vielmehr wäre die Verwendung zusätzlicher Windows-PC notwendig gewesen.

Ein weiterer Vorteil für den Maschinenbauer ist der skalierbare Namensraum, der bei OPC UA entsprechend der Größe der Maschine auf die notwendige Untermenge beschränkt werden kann. Heinrich Müller, Arburg-Abteilungsleiter Entwicklung Software, schildert die Vorteile der realisierten Lösung: „OPC Unified Architecture ermöglicht uns als Hersteller von Spritzgießmaschinen eine einfache und komfortable Integration unserer Maschinen in übergeordnete Anwendungen. Unseren Kunden ermöglicht OPC UA, sehr einfach Daten in unseren Spritzgießmaschinen zu konfigurieren, zu monitoren und zu diagnostizieren.“ Enstprechend erspare der Einsatz des OPC UA-Toolkits von Softing dem Unternehmen uns einige Monate Entwicklungsaufwand, auch Leistung, Robustheit und Qualität der Lösung bewertet der Entwicklungsleiter durchweg positiv.

Sichere Energieüberwachung und -steuerung per Internet

Auch das österreichische Unternehmen NTE Systems, das im Jahr 2009 mit dem Ziel des Aufbaus eines Technologieunternehmens mit industriellem Charakter für erneuerbare Energiesysteme gegründet wurde, setzt OPC UA-Technologie ein. Das Unternehmen bietet Verfahren, Methoden und Diagnosesysteme im Bereich der Nutzung und Handhabung von erneuerbaren Energiesystemen an, die durch Elektronik- und Software-Produkte ergänzt werden. In einer großen Wohnanlage in Graz wurde die Bedienung und Überwachung für das gesamte Nahwärmenetz mehrerer Objekte, der Heizungsanlage für 59 Wohneinheiten sowie einer 300 Quadratmeter großen solarthermischen Anlage realisiert.

Als Steuerungen kommen Beckhoff-Systeme mit integriertem OPC UA-Server zum Einsatz. Die zentrale Bedienung und Überwachung erfolgt mit dem NTE Systems-Produkt Scady, die internetübergreifende Kommunikation mit OPC UA-Software von Softing. „Nachdem die SPS mit dem Internet verbunden war, waren alle Datenpunkte nach Eingabe der IP-Adresse im Scady System Designer sichtbar. Mittels Drag & Drop konnte nun die gesamte Visualisierung zusammengestellt werden“, beschreibt Georg Stasny, Geschäftsführer von NTE Systems das Vorgehen. Entwicklungsleiter Andreas Hafellner ergänzt: „Erst mit OPC UA war es möglich, dem Endkunden eine programmierfreie Fernwirk- und Monitoringplattform für SPS-Daten über das Internet zu realisieren. Mit OPC und COM oder ähnlichen Vorgängertechnologien wäre die gesicherte Verbindung über Firewall-Grenzen hinweg und zu gleichzeitig mehreren Hundert OPC-Servern gar nicht oder nur sehr schwer umsetzbar gewesen.“

Internetübergreifende Kommunikation mit OPC UA-Software: Erst durch den Einsatz des neuen Standards war es möglich, eine programmierfreie Fernwirk- und Monitoringplattform für SPS-Daten über das Internet zu realisieren.
Bild: nte Systems

Fernüberwachung im Offshore-Windpark

Sicherheitsfunktionen und niedriger Integrationsaufwand spielten auch eine Rolle für die Entscheidung für OPC UA auf dem Testfeld Alpha Ventus. Der Pilot für einen Offshore-Windpark der Firma Areva liegt in der Nordsee, 45 Kilometer vor der deutschen Küste; jede der Fünf-Megawatt-Windanlagen arbeitet autonom und vollautomatisch. Gleichzeitig beobachten Bediener an Land die einzelnen Anlagen des Windparks rund um die Uhr.

Für die Anbindung an die zentrale Bedienstation waren besonderer Sicherheits- und Authentifizierungsmechanismen in einer komplexen Netzwerkinfrastruktur gefordert, die über Router verbunden und mittels Firewalls geschützt werden. Da OPC UA auf eine verschlüsselten Datenübertragung aufsetzt und Benutzerauthentifizierung sowie Überwachungsfunktionen auf Datenpunkt-Ebene unterstützt, stand die Entscheidung zum Einsatz der Technologie nicht lange in Frage. Andernfalls wäre die Einrichtung eines VPN-Netzwerks und von entfernten Bedienstationen notwendig gewesen.

Da in den Areva-Windanlagen eine Beckhoff-Steuerung mit dem Betriebssystem Windows Embedded CE arbeitet, die bereits über eine entsprechende Server-Schnittstelle verfügt, musste nur der OPC UA-Client im Visualisierungssystem realisiert werden. Darüber wird heute die Kommunikation zwischen Windanlagen und Unternehmensinformationssystem an Land für den entfernten Zugriff zur Steuerung, Wartung und Messung abgewickelt.

Mehr als nur eine Spezifikation

Die Anwendungsbeispiele zeigen, dass OPC UA schon heute mehr ist als eine Spezifikation. Die Technologie mit ihren vielfältigen Möglichkeiten und ihrer Leistungsfähigkeit wird bereits erfolgreich im industriellen Umfeld eingesetzt. Hersteller, die für ihre Automatisierungskomponenten ebenfalls eine OPC UA-Lösung anbieten möchten, könnten daher gut beraten sein, baldmöglichst einen entsprechenden Projektplan aufzusetzen.

 

Zentrale Vorteile der OPC Unified Architecture

  • Einheitliches Datenmodell für Prozessdaten, Alarme und historische Daten
  • Vereinfachter rechnerübergreifender Einsatz
  • Sichere Kommunikation über Firewall-Grenzen hinweg
  • Einsatz auf Nicht-Windows-Plattformen
  • Schnelles und einfaches Engineering durch Embedded OPC UA
  • Unterstützung komplexer Datenstrukturen
  • Schutz vor Datenverlust
  • Optionales Redundanzkonzept