Teil 1 von 8: Den Durchbruch vor Augen OPC Unified Architecture-Produkte ermöglichen die Realisierung neuer Automatisierungskonzepte

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. Dabei ist die Verwendung von Software-Anwendungen unterschiedlicher Hersteller innerhalb eines Gesamtsystems der große Nutzen. Entsprechend kommt OPC heute weltweit in vielen Millionen Installationen in der Fertigungs- und Prozessindustrie, der Gebäudeautomatisierung und in einer Vielzahl weiterer Branchen zum Einsatz. Über die Zeit hat sich jedoch gezeigt, dass die klassische OPC-Technologie eine Reihe von Einschränkungen beinhaltet, die einem noch umfassenderen Einsatz entgegen stehen. Dazu zählt vor allem die enge Bindung an das Betriebssystem ­Win­dows von Microsoft und die darin enthaltene Basistechnologie COM/DCOM ((Distributed) Component Object Model). Hier erfordert insbesondere die Konfiguration des rechnerübergreifenden Einsatzes ein umfassendes Spezialwissen, das die Verwendung von OPC erschwert. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer Wünsche und Anforderungen aus der Industrie an die OPC-Technologie, wie z.B. 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 vor etwa drei Jahren eine komplett überarbeitete und erweiterte Version des OPC-Standards verabschiedet, die die Schwachstellen der klassischen OPC-Technologie beseitigt und um wesentliche Eigenschaften, wie die Plattformunabhängigkeit, die Skalierbarkeit, die Hochverfügbarkeit oder die Internetfähigkeit erweitert. Damit lassen sich nun ganz neue, kostensparende Automatisierungskonzepte realisieren. OPC UA in breiter Front auf dem Vormarsch 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 auf das Thema OPC Unified Architecture aufgesprungen sind und bereits OPC UA-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 kann dann aber eine zusätzliche Unterstützung der OPC UA-Technologie erwartet werden. Es ist daher keine Frage, ob sich der Erfolg der klassischen OPC-Technologie auch für OPC UA wiederholt. Die Frage ist lediglich, wie schnell dieser Erfolg bei OPC UA eintreten wird. Als Katalysator für diese Entwicklung wird dabei auch die Standardisierung der International Electrotechnical Commission (IEC-Standardisierung) wirken, die in Kürze abgeschlossen sein wird. Dann ist OPC UA nicht mehr nur ein Industriestandard sondern eine offizielle IEC-Norm. Große Bandbreite an realisierten Automatisierungskonzepten Die nachfolgenden Anwendungsbeispiele zeigen exemplarisch bereits realisierte Automatisierungsprojekte, welche die Vorteile und erweiterten Möglichkeiten von OPC UA gegenüber der klassischen OPC-Technologie nutzen. Embedded OPC UA-Server in einer Spritzgießmaschine: 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 eine wichtige Rolle. Auf der Basis des Softing OPC UA-Toolkits entwickelte Arburg einen embedded OPC UA-Server, der bereits in die Spritzgießmaschine integriert, vorinstalliert und vorkonfiguriert ist und somit die Installation vor Ort beim Kunden überflüssig macht. Da die Arburg-Spritzgießmaschinen auf dem Betriebssystem VxWorks aufsetzen, hätte diese Lösung mit der klassischen OPC-Technologie nicht realisiert werden können. Vielmehr wäre die Verwendung zusätzlicher Windows-PCs notwendig gewesen. Ein weiterer Vorteil der Arburg-Lösung ist der skalierbare Namensraum, der bei OPC UA entsprechend der Größe der Maschine auf die notwendige Untermenge beschränkt werden kann. Heinrich Müller, der Arburg-Abteilungsleiter Entwicklung Software, sieht 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. (…) Der Einsatz des OPC UA-Toolkits von Softing ersparte uns einige Monate Entwicklungsaufwand. (…) Die Performance, Robustheit und Qualität der Softing-OPC UA-Software ist sehr überzeugend.\“ Energieüberwachung und -steuerung einer Wohnanlage über das Internet Das österreichische Unternehmen nte Systems wurde 2009 mit dem Ziel des Aufbaus eines Technologieunternehmens mit industriellem Charakter für erneuerbare Energiesysteme gegründet. Dazu bietet nte Systems Verfahren, Methoden und Diagnosesysteme im Bereich der Nutzung und Handhabung von erneuerbaren Energiesystemen an und ergänzt den Einsatz durch innovative Elektronik- und Software-Produkte. In einer großen Wohnanlage in Graz wurde die Bedienung und Überwachung für das gesamte Nahwärmenetz mehrerer Objekte, der Heizungsanlage für 59 Wohneinheiten sowie einer 300qm großen solarthermischen Anlage realisiert. Zur Steuerung wurden SPSen von Beckhoff mit integriertem OPC UA-Server eingesetzt. Die zentrale Bedienung und Überwachung erfolgt mit dem nte Systems-Produkt Scady, die Internet-übergreifende 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. Leichter geht es nicht mehr.\“, beschreibt Georg Stasny, Geschäftsführer von nte Systems das Vorgehen. Und 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 die gesicherte Verbindung zu gleichzeitig mehreren Hundert OPC-Servern gar nicht oder nur sehr schwer umsetzbar gewesen. (…).\“ Überwachung eines Offshore-Windparks Das Testfeld Alpha Ventus für einen Offshore-Windpark der Firma Areva liegt in der Nordsee, 45 km vor der deutschen Küste. Jede der verwendeten 5MW-Windanlagen arbeitet autonom und vollautomatisch und überwacht sich selbst. Gleichzeitig beobachten Bediener an Land die einzelnen Anlagen des Windparks rund um die Uhr. Für die Anbindung des Windparks an die zentrale Bedienstation wurde die Implementierung besonderer Sicherheits- und Authentifizierungsmechanismen in einer komplexen Netzwerkinfrastruktur mit verschiedenen Subnets und Domains gefordert, die über Router verbunden und über Firewalls geschützt werden. Hier bedeutet die Konfiguration und Administration eine schwierige und zeitaufwändige Aufgabe. Da OPC UA bereits auf einer verschlüsselten Datenübertragung aufsetzt und die Benutzerauthentifizierung sowie die Überwachungsfunktionalität auf einer Datenpunktebene unterstützt, stand die Entscheidung zum Einsatz dieser 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 zum Einsatz kommt, die bereits über eine OPC UA-Server-Schnittstelle verfügt, musste nur der OPC UA-Client im Areva-Visualisierungssystem realisiert werden. Darüber wird heute bereits die Kommunikation zwischen den Windanlagen und dem Unternehmensinformationssystem an Land für den entfernten Zugriff zur Steuerung, Wartung und Messung abgewickelt. Sammlung von Messergebnissen und dezentrale Anzeige Bei der Firma Miele bestand die Anforderung, einzelne Messergebnisse in Steuerungen und Visualisierungssystemen zentral zu sammeln und diese in dreißig dezentralen Teststationen anzuzeigen. Dazu bestand insbesondere die Forderung, die Steuerungs- und Visualisierungssysteme verschiedener Hersteller zusammenzubinden und für den Datenaustausch auf Wrapper und zusätzliche Schnittstellen zu verzichten, so dass eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht wird. Vor diesem Hintergrund wurde eine OPC UA-Architektur realisiert, die auf einem OPC UA-Server als Bestandteil der Siemens-Prozessvisualisierung WinCC und entsprechenden OPC UA-Clients aufsetzt, die über Ethernet TCP/IP angebunden sind. Damit steht heute bei Miele ein stabiles und leistungsfähiges System zur Verfügung, das alle Anforderungen erfüllt. Die oben dargestellten Anwendungsbeispiele zeigen, dass OPC UA schon heute mehr ist als eine Spezifikation. Vielmehr wird die OPC UA-Technologie mit ihren vielfältigen Möglichkeiten und ihrer Leistungsfähigkeit bereits erfolgreich im industriellen Umfeld eingesetzt. Hersteller, die für ihre Automatisierungskomponenten ebenfalls eine OPC UA-Lösung anbieten möchten sind daher gut beraten, baldmöglichst einen entsprechenden Projektplan aufzusetzen. Kasten 1: Artikelserie im SPS-MAGZIN Ausgabe Thema 3 Status OPC UA 4 OPC UA: Entstehung und Ziele HMI Special 10 Gründe für OPC UA 5 OPC UA Spezifikationen 6 OPC UA Companion Standards 7 OPC UA Compliance Test 8 OPC UA Toolkits 9 OPC UA Ausblick Kasten 2: Die Vorteile von 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 Kasten 3: OPC Day Europe 2012 Die OPC Foundation führt am 16. Mai 2012 den diesjährigen OPC Day Europe durch. Dieser findet bei Endress+Hauser in Reinach in der Schweiz statt und setzt einen Fokus auf die Verwendung von OPC UA in der Prozessautomatisierung. Kasten 4: Buchtipp Grundlagen, Implementierung und Anwendung von Classic OPC und OPC UA werden in diesem Buch umfassend beschrieben. Anwendern und Herstellern von OPC-Produkten bietet dieses Buch den idealen Einstieg, die OPC-Technologie zu verstehen und effizient zu nutzen.