OPC UA Erweiterung

OPC UA Client/Server

Das SOA basierte Kommunikationskonzept in OPC UA folgt dem Client/Server Pririnzip, wobei in Client innerhalb eines Peer-to-Peer-Verbindungskontextes einen "Request" an einen Server sendet und als Antwort die "Response" zurück erhält, ist in industriellen Anwendungen weit verbreitet. Der Grund dafür ist, dass diese Kommunikation einen zuverlässigen, bestätigten Datentransfer mit reduzierter Bandbreite ermöglicht, bei dem verschiedene Techniken einen Datenverlust in rauhen Umgebungen und schlechten Netzwerken verhindern und bei dem die Kommunikationspartner gegenseitig ihre Lebenszeit überwachen. Zusätzlich gibt es Sicherheitsmechanismen, die es erlauben authentifiziert und autorisiert einen versschlüsselten Zugriff auf die Daten zu erhalten. Deshalb ist die verpflichtende OPC UA Client/Server Kommunikation der bevorzugte Ansatz in nahezu allen Anwendungszenarien und wird von allen heute auf dem Markt befindlichen OPC UA Produkten unterstützt. Damit lassen sich Steuerung-zu-Steuerung und Steuerung-zu-HMI Anwendungen realisieren, genauso wie Anwendungszenarien zwischen MES/ERP und Automation oder Telemetriedaten und Cloud-Anwendungen. Für Anwendungen aus Diagnose und Konfiguration is diese Schema ebenfalls hervoragend geeignet. Die Kommunikation basiert auf TCP/IP und ist Firewall-freundlich, zuverlässig und sicher.

OPC UA Pub/Sub

Zusätzlich zu den oben beschriebenen gibt es Ausnahmefälle in denen eine Anwendung ihre Daten mit vielen Empfängern teilen möchte. Anstelle die "Anfragen" jedem Client separat zu beantworten, kann ein Server zyklisch einen vorab definierten Datensatz zu einer Gruppe von Datenempfängern senden, die sich für den gesamten oder nur einen Teil des Datenstroms interessieren. Dieses broadcast-artige Aussenden eines vordefinierten Datenstroms wird aktiv vom Publischer in einer vorkonfigurierten Zyklusrate gesendet. Kommunikationszenarien die dem Schema Einer-zu-Vielen und Viele-zu-Einem entsprechen, können damit sehr einfach und, zumindest auf der Senderseite, mit sehr geringen Resourcenverbrauch realisiert werden. Die Kommunikation basiert auf UDP, sie ist einfach, zyklisch und schnell.

1) OPC UA to Cloud

Cloudanbindungen werden typischerweise über Cloud-Gateways realisiert. Das sind UA Clients, die Daten aus der Industrieanlage sammeln und diese in Cloud-Nachrichten konvertieren und an einen Broker/Relay senden (publish) von dem die Cloud letztendlich die Daten erhält. Neben diesen Cloud-Gateways, die typischerweise im Subnetz (on premise, edge) laufen, gibt es in Ausnahmefällen die Anforderung  von bestimmten Geräten auch direkt mit der Cloud verbunden zu sein. In der typischen Cloudanwendung werden die Nachrichten vom Publisher an den Broker gesendet. Dadurch bleibt die Firewall der Anlage geschlossen, der Publisher initiiert die Kommunikation "von innen" und ruft den Broker, der sich im globalen Netz oder an dessen Übergang (edge) befindet. Der konfigurierte Datensatz der publiziert werden soll kann  direkt über die etablierten Cloudprotokolle, wie AMQP oder MQTT, transortiert werden. Ein erweitertet OPC UA Server kann die Nachricht entweder UA-Binary kodieren oder JSON kodieren und über sein präferiertes Cloudprotokoll verschicken. Mit dieser optionalen Technologiewerweiterung liefert OPC UA einen weiteren, wichtigen Baustein für die direkte Anbindung an IT Anwendungen in Industrie 4.0 und IIoT.

2) OPC UA über TSN

Der Publish/Subscriber Kommunikationsmechanismus kann in schnellen, lokalen Netzen mit geeigneter Hardwareunterstützung die Anforderungen deterministischer Kommunikation erfüllen. Hierzu sind Nachrichteninhalt und Länge möglichst konstant zu halten und die Übertragung auf dem Netzwerk (Layer 2) muss über alle Netzwerkknoten hinweg bis zum Empfänger mit exakt identischen Laufzeiten erfolgen. Dieser "geplante" Layer 2 Transfer wird durch Time Sensitive Network (TSN) ermöglicht. Alle Teilnehmer und alle Switches in einem deterministischen TSN-Netzwerk müssen zeitsynchronisiert sein und konfiguriert werden, um den Datentransfer deterministisch zum Empfänger durchleiten (scheduling) zu können. TSN ist ein umfangreicher Satz an Erweiterung des Ethernetstandards IEEE802.1 und 802.3. OPC UA benötigt mindestens zwei dieser Etherneterweiterungen i) 802.1AS-Rev zur Zeitsynchronisation und ii) 802.1Qbv zum Scheduling. Die OPC Foundation arbeitet intensiv in einer OPC UA TSN Arbeitsgruppe mit 85+ Mitgliedern, um die Spezifikation und dessen Umsetzung voranzutreiben. Sobald die erforderlichen TSN fähigen Ethernet-Switche und Endgeräte durchgängig verfügbar und einheitlich konfigurierbar sind, wird es möglich sein mit OPC UA (Pub/Sub) über TSN einen deterministischen Datentransfer zwischen Steuerungen zu realisieren. Beispielsweise könnte dann die Roboter-Arm-Steruerung mit der Roboter-Hand-Steuerung in Echtzeit kommunizieren. Die OPC Foundation plant anschließend ihr Zertifizierungsprogramm um die herstellerübergreifende, deterministische Controler-zu-Controller-Kommunikation zu erweitern. OPC UA liefert mit dieser optionalen Technologieerweiterung einen weiteren, wichtigen Baustein für spezielle, deterministische Anwendungszenarien der Industrie 4.0 und des IIoT.