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OPC UA versus OPC Klassik

Neuer Standard für die M2M-Kommunikation?

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Bedien- und Fernwartungskonzepte umstellen

Für den ersten Anwendungsfall wurde das PLC-Open-UA-Profil für eine gemäß IEC 61131 programmierte SPS festgelegt. Es beinhaltet mehrere Ausprägungen, die sich an der Leistungsfähigkeit der Steuerung oder des PCs orientieren. Dabei können OPC-UA-Server direkt auf der SPS laufen und sich dort Ressourcen wie Prozessor und Speicher mit der Steuerungsapplikation teilen. Der OPC-UA-Server kann natürlich auch weiterhin auf dem PC installiert werden und sich die Daten über ein effektiveres proprietäres Protokoll von der SPS holen. Beide Lösungen haben Vor- und Nachteile, weshalb sich zum Beispiel ihre Kaskadierung als sinnvoll erweist. Ein OPC-UA-Server auf dem PC, der als Schaltstelle für die mit Security-Methoden geschützten Fernzugriffe dient, speichert die historischen Daten. Der zweite auf der Steuerung befindliche OPC-UA-Server setzt die Anforderungen hinsichtlich der Bedien- und Diagnosekonzepte um.

Sind in der Applikation mehrere SPSen verbaut, können sich die lokalen Bediengeräte mit jeder Steuerung verbinden und Informationen ohne Umwege austauschen. Der auf dem PC installierte OPC-UA-Server wird zur zentralen abgesicherten Datensammelstation. Neben dem standardisierten Adressraum einer Steuerungs-Applikation bietet der PLC-Open-Standard viele Zusatzinformationen über die Programmstruktur und den Aufbau von Datenstrukturen. Auf Basis dieser Informationen können beispielsweise sich wiederholende mechatronische Einheiten wie Trafostationen oder Pumpensteuerungen über einen Link mit dem Leitsystem oder untereinander zum Zweck der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) verbunden werden. Der Verknüpfungsaufwand und die Fehlersuche können sich so im Vergleich zu einer manuellen Verbindung der Einzelelemente erheblich reduzieren lassen.

Software-Systeme in die Fertigungssteuerung integrieren

MES-Applikationen übernehmen im zweiten Anwendungsfall zum Beispiel die Produktions-, Material- und Personalplanung sowie das Informationsmanagement. In der Regel sind ihnen ERP-Lösungen übergeordnet, die Fertigungsaufträge initiieren und Kundenaufträgen zuordnen. Zukünftig dürften die Grenzen zwischen beiden Systemen immer mehr verschwimmen. Die in der Produktionszelle montierte SPS bleibt der zentrale Kommunikationspartner für diese Aufgaben. Sie stellt allerdings nur einen Teil der Applikation dar, die zusätzliche Technologie-Steuerungen oder PC-basierte Lösungen wie Bilderfassungssysteme beinhaltet. Hinzu kommen weitere intelligente Systeme, die nicht in den Feldbus der Steuerung integriert sind, weil sie nicht zyklisch Daten mit ihr austauschen müssen. In diesem Szenario verfügen sämtliche Teilsysteme innerhalb der Fertigungszelle über einen eigenen OPC-UA-Server. Zur Kommunikation mit den Teilsystemen sind auf der SPS OPC-UA-Client-Funktionsbausteine implementiert, die im PLC-Open-Standard definiert wurden. Sie bieten alle Funktionen, um selbst komplexe Informationen zyklisch oder aus dem IEC 61131-Programm gesteuert mit anderen Teilsystemen auszutauschen. OPC UA wird damit zum überlagerten Rückgrat der Fertigungszelle.

Interface ermöglicht den Zugriff

In Ethernet-basierten Applikationen wie Profinet werden Informationen über das gleiche Netzwerk verteilt. Die SPS fungiert als Ansprechpartner für ERP- und MES-Systeme. Dazu unterstützt der auf der Steuerung installierte OPC-UA-Server neben dem PLC-Open-Profil ein Profil mit MES-spezifischen Objekten etwa gemäß ISA-S95-Standard oder nach den Vorgaben des MES-D.A.CH-Verbands, einem Zusammenschluss deutschsprachiger MES-Unternehmen. Die dort festgelegten Objekte liefern die 40 bis 50 wichtigsten Kennzahlen der Fertigungszellen für das Leitsystem. Die MES-/ERP-Umgebung ist ebenfalls heterogen. Hier gibt es noch zahlreiche spezifische Lösungen, die sich zum Beispiel mit der Wartung und Diagnose von Betriebsmitteln oder der Erfassung von Qualitätsdaten beschäftigen. Diese Werkzeuge erhalten mit OPC UA ein Interface für den Zugriff auf die SPS, einzelne Geräte oder Teilsysteme wie Technologie-Steuerungen. Die beschriebenen Informationsmodelle nach PLC-Open oder ISA S95 zeigen nur einen kleinen Auszug aus den aktuell definierten Abbildungsvorschriften. Weitere Vorschriften entstehen zum Beispiel für die Energietechnik und die Gebäudeinstallation. Die jeweiligen Organisationen und Hersteller-Vereinigungen können sich auf die Inhalte der Daten konzentrieren, OPC UA kümmert sich um die Datenaustausch-Mechanismen.

Trennung der Automatisierungsebenen weicht auf

Das Kommunikationsprotokoll OPC UA ist darauf ausgelegt, sowohl technologisch über seine Eigenschaften als auch strategisch durch die Verfügbarkeit zahlreicher Profile künftigen Anforderungen der Automatisierungstechnik gewachsen zu sein. OPC UA soll dabei die Echtzeit-fähigen, Ethernet-basierten Feldbussysteme nicht ersetzen, sondern mit ihnen zusammenarbeiten. Im Rahmen des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 kann OPC UA wesentliche Anforderungen erfüllen. Der Standard leistet einen Beitrag, dass die ehemals strikte Trennung zwischen den Automatisierungsebenen Leitsystem, SPS und Feldbus sowie der Top-down-Informationsfluss der Automatisierungshierarchie weiter aufweicht.


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