Von der Automationspyramide zum Informationsnetzwerk
OPC UA auf der Feldebene
Die FLC-Initiative (Field Level Communications) wurde 2018 im Rahmen der SPS-Messe gegründet, um OPC UA auf die Feldebene zu erweitern und als einheitlichen und durchgängigen Kommunikationsstandard in der Fabrik- und Prozessautomatisierung zu etablieren. Peter Lutz, Director FLC der OPC Foundation, hat uns im Zuge der Webinar-Reihe TechTalks auf den aktuellen Stand gebracht.
 Semantische Interoperabilität vom Sensor bis zur Cloud.
Semantische Interoperabilität vom Sensor bis zur Cloud.Bild: OPC Foundation

Die Arbeiten an der ersten Version der OPC-UA-Spezifikationserweiterungen für die Feldebene sind – trotz Covid-19 und den damit verbundenen Einschränkungen – gut vorangekommen. Die grundlegenden Konzepte für den Anwendungsfall Controller-to-Controller (C2C) wurden erarbeitet und sind in einen ersten Satz von Spezifikationen eingeflossen. In einer zweiten Version der Spezifikation werden die bereits entwickelten Konzepte für die Anwendungsfälle Controller-to-Device (C2D) und Device-to-Device (D2D) erweitert, so dass OPC UA dann als einheitliche und durchgängige Kommunikationslösung für die vertikale und horizontale Integration inklusive Feld, Edge und Cloud genutzt werden kann. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, insbesondere im Hinblick auf die verschiedenen Anwendungsszenarien von Industrie 4.0 und die IT/OT-Konvergenz.

Die von der FLC-Initiative spezifizierten Felderweiterungen basieren auf dem OPC UA Framework (IEC62541), das einen sicheren und zuverlässigen, hersteller- und plattformunabhängigen Informationsaustausch ermöglicht. Steuerungen und Feldgeräte unterstützen sowohl das verbindungsorientierte Client/Server-Kommunikationsmodell, als auch die Publish/Subscribe-Erweiterungen, die aufgrund der entsprechenden Anforderungen an Flexibilität, Effizienz und Determinismus für die Kommunikation in der Feldebene unabdingbar sind. Darüber hinaus kommen die in OPC UA spezifizierten Sicherheitsmechanismen zum Einsatz, die u.a. Authentifizierung, Signierung und Verschlüsselung der zu transportierenden Daten unterstützen und sowohl für Client/Server- als auch für Publish/Subscribe-Kommunikationsbeziehungen genutzt.

 Die FLC Initiative entwickelt Erweiterungen des OPC-UA-Frameworks für die Feldebene.
Die FLC Initiative entwickelt Erweiterungen des OPC-UA-Frameworks für die Feldebene.Bild: OPC Foundation

OPC UA Safety und Motion

Die Arbeiten an der Safety-Lösung für OPC UA (OPC UA Safety) sind ebenfalls sehr weit fortgeschritten. Eine erste OPC UA Safety-Spezifikation auf Basis von Client-Server-Mechanismen wurde von einer Joint Working Group mit Profibus & Profinet International (PI) entwickelt und bereits im November 2019 veröffentlicht (Part 15, OPC 10000-15). Mittlerweile wurde eine aktualisierte OPC UA Safety-Spezifikation fertiggestellt, die auch die Abbildung auf OPC UA PubSub spezifiziert. Auch in Bezug auf OPC UA Motion sind Fortschritte zu verzeichnen. Eine Arbeitsgruppe hat Mitte 2020 begonnen, eine OPC UA-basierte Motion-Lösung zu entwickeln, die Motion-Control-Funktionen für verschiedenartige Peripheriegeräte, wie z.B. Steuerungen, Standardantriebe, Frequenzumrichter und Servoantriebe umfasst. Das FLC Steering Committee hat sich darauf verständigt, die Arbeiten auf den CIP Motion- und Sercos-Spezifikationen aufzusetzen und diese an die OPC UA-Informationsmodellierung und Systemarchitektur anzupassen, wobei die relevanten Anwendungsfälle von Industrie 4.0 und IIoT berücksichtigt werden.

 Semantische Interoperabilität vom Sensor bis zur Cloud
Semantische Interoperabilität vom Sensor bis zur CloudBild: OPC Foundation

OPC UA in Verbindung mit TSN, APL und 5G

OPC UA wird heute in einem breiten Spektrum von Anwendungsfällen und Anwendungsbereichen in der Fabrik- und Prozessautomatisierung eingesetzt und mit komplementären Technologien und Standards kombiniert, wie z.B. IEEE-Ethernet, sowie Protokollen höherer Schichten wie UDP/IP, TCP/IP oder MQTT. Für die Zukunft soll OPC UA weiter in die Feldebene wachsen, so dass eine konsistente, einheitliche IIoT-Kommunikationslösung zur Verfügung steht, die End-to-End-Konnektivität und Interkonnektivität von Feld zu Cloud und umgekehrt bietet und die Anforderungen der industriellen Automatisierung erfüllt.Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Nutzung von Ethernet TSN (IEEE802.1) und des Ethernet Advanced Physical Layers (APL).

Durch die Verwendung eines universellen Quality-of-Service (QoS)-Modellierungskonzepts, das Echtzeit-Kommunikationsfähigkeiten mit garantierter Bandbreite und geringen Latenzen beinhaltet, können Informationen und Dienste einfach auf verschiedene zugrunde liegende Transportprotokolle und physikalische Medien mit ihren jeweiligen QoS-Mechanismen abgebildet werden. OPC-UA-Anwendungen, die eine deterministische Kommunikation nutzen, werden jedoch nicht nur an Ethernet-TSN gebunden sein. Drahtlose Kommunikationsstandards, wie 5G oder Wi-Fi 6, unterstützen ähnliche QoS-Garantien und werden daher in Zukunft ebenfalls unterstützt werden. Langfristiges Ziel ist folgerichtig ein Baukastensystem, das je nach Use Case und Anforderung entsprechende Lösungen bereit stellt.

Fazit & Ausblick

Das OPC-UA-Framework mit den von der FLC-Initiative spezifizierten Erweiterungen für den Austausch mit und in der Feldebene bietet in Kombination mit den unterlagerten Kommunikationstechnologien wie APL, TSN und 5G eine vollständige, offene, standardisierte und interoperable Lösung, die nicht nur die Anforderungen der industriellen Kommunikation erfüllt, sondern gleichzeitig Konsistenz und semantische Interoperabilität von der Feldebene bis zur Cloud und umgekehrt ermöglicht.

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