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Feldkommunikation So lassen sich S5- und S7-Steuerungen in die OPC UA-Welt einbinden

| Autor / Redakteur: Rolf Kiefer* / Ines Stotz

Überall auf der Welt verrichten unzählige Siemens-Steuerungen rund um die Uhr zuverlässig ihren Dienst. Wie lassen sich nun Prozessdaten aus diesen auslesen und in die OPC UA-Kommunikation einbinden?

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Mit dem IBH Link UA lassen sich Prozessdaten aus Siemens-Simatic-Steuerungen auslesen und in die OPC UA-Kommunikation einbinden.
Mit dem IBH Link UA lassen sich Prozessdaten aus Siemens-Simatic-Steuerungen auslesen und in die OPC UA-Kommunikation einbinden.
(Bild: IBH Softec)

Unter dem Schlagwort „Industrie 4.0“ halten immer mehr neue Kommunikations- und Informations-Technologien Einzug in die Industrieautomatisierung. Um diese Anforderungen effizient und möglichst schnell umsetzen zu können, muss versucht werden, die hohe Komplexität durch Modularisierungen und Standardisierungen herabzusetzen.

In diesem Zusammenhang hat sich OPC UA als zukunftsweisender Kommunikationsstandard erwiesen. Denn mit OPC UA wird die Industrie 4.0-Anforderung, nach Unabhängigkeit von Hersteller-, Branchen- und Betriebssystemkommunikation erfüllt. Da OPC UA nicht nur Maschinendaten, also Prozesswerte und Messwerte übertragen, sondern sie auch semantisch beschreiben kann, gewinnt diese Technologie eine immer größere Bedeutung, wenn es darum geht, Maschinendaten von Steuerungen an übergeordnete Systeme zu übergeben. Wie aber kann man Prozessdaten aus Siemens-Simatic-Steuerungen auslesen und in die OPC UA-Kommunikation einbinden? Die Lösung dazu ist der IBH Link UA.

Bild 1: IBH Link UA: OPC UA Server/Client-Baugruppe mit Firewall
Bild 1: IBH Link UA: OPC UA Server/Client-Baugruppe mit Firewall
(Bild: IBH Softec)

Integration von Simatic-Steuerungen per IBH Link UA

Da Siemens-Steuerungen der Step5- und Step7-Reihe standardmäßig nicht mit OPC-Schnittstellen ausgerüstet sind, ist die Anbindung mit dem IBH Link UA zwingend notwendig. Diese OPC UA Server/Client-Baugruppe mit Firewall, eignet sich zur Integration von Steuerungen der Simatic-Reihe S5, S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200 und S7-1500 in die OPC UA-Welt. Bei dem IBH Link UA handelt es sich um ein kompaktes Gerät zur Hutschienenmontage mit vier Ethernet-Ports und einer 24V-Stromversorgung.

Er wird mit dem Original Siemens Step7-Tool oder dem Siemens TIA Portal konfiguriert. Es muss keine spezielle Software auf dem Programmiergerät installiert werden. Die Variablendefinitionen werden von der Programmiersoftware in den IBH Link UA über Ethernet übertragen. Die Variablenattribute (z. B. Schreibschutz oder Grenzwerte) definiert man direkt im SPS-Projekt. Es ist somit ein symbolischer Zugriff auf Variablen und Datenbaustein-Strukturen möglich.

Der Vorteil der neuen Lösung von IBH Softec ist, dass es sich um eine Server-/Client-Baugruppe handelt. Durch die OPC-Client-Funktion wird auch der Datenaustausch von OPC-Servern untereinander ermöglicht. Es können über diese Funktion zum Beispiel Steuerungen oder andere Geräte mit OPC UA verschiedener Hersteller Daten austauschen. Die Konfiguration der Client Funktion erfolgt über die Weboberfläche.

IBH Link UA: Funktionsweise und Projektierung

Wie bereits erwähnt, wird der IBH Link UA mit dem Original Siemens Step7 oder dem TIA-Portal konfiguriert. Es muss keine spezielle Software auf dem Programmiergerät installiert werden. Somit ist das Gerät nahtlos in das SPS-Projekt integriert. Die Variablendefinitionen werden von der Programmiersoftware in den IBH Link UA über Ethernet übertragen. Die Variablenattribute (z.B. Schreibschutz oder Grenzwerte) definiert man direkt im SPS-Projekt. Es ist somit ein symbolischer Zugriff auf Variablen und Datenbaustein-Strukturen möglich. Bei der Projektierung geht man folgendermaßen vor:

  • 1. Zunächst wird durch den Anwender eine PC-Station angelegt.
  • 2. Auf dem Steckplatz 1 wird der OPC-Server (SW8.2) eingefügt.
  • 3. Auf Steckplatz 2 wird nun noch die Ethernet Anschaltung (IE Allgemein SW8.2) eingefügt

Bild 2
Bild 2
(Bild: IBH Softec)

  • 4. Nun wird die S7-Verbindung zu den gewünschten Steuerungen hergestellt.
  • 5. In den Eigenschaften des OPC-Servers kann man jetzt sehr einfach die Variablen konfigurieren.
  • 6. Anschließend transferiert man über Ethernet noch die Konfiguration in den IBH Link UA. Dieser kennt dann unmittelbar die Zugriffswege zu den Steuerungen und stellt den OPC-Clients die gewünschten Variablen zur Verfügung.

Kommunikation mit den Steuerungen

Die Kommunikation mit den Steuerungen erfolgt über TCP/IP. Falls eine Steuerung keinen Ethernet-Anschluss besitzt, kann man dies über die bewährten Kommunikationsadapter IBH Link S7++ (https://www.elektrotechnik.vogel.de/redirect/807044/aHR0cDovL3d3dy5pYmhzb2Z0ZWMuY29tL0lCSC1MaW5rLVM3LVBQ/fa9fcbffda94ebc8315a7065a8d57db067a3bbce5dc68789063c21dd/article/) oder IBH Link S5++ (https://www.elektrotechnik.vogel.de/redirect/807044/aHR0cDovL3d3dy5pYmhzb2Z0ZWMuY29tL0lCSC1MaW5rLVM1LVBQ/30867729359635cae78f685aa9c9e0a8808be9fe8f497cf682faac78/article/) realisieren. Der IBH Link UA verfügt über drei Ethernet-Ports für die Maschinenebene und einen Ethernet-Port für die Leitebene. Auf der Leitebene sind nur OPC-Zugriffe möglich. Es ist eine Firewall zwischen den beiden Ebenen integriert. Die Konfiguration der Ports erfolgt über einen gewöhnlichen Webbrowser. Siehe Bild 3

Bild 3
Bild 3
(Bild: IBH Softec)

OPC Data Access für die Übermittlung von Echtzeit-Daten

OPC Data Access, auch als OPC DA bekannt, ist eine Gruppe von Standards, die Spezifikationen für die Übermittlung von Echtzeit-Daten von datenbearbeitenden Geräten wie PLCs zu Anzeige- und Interface-Geräten wie Human-Machine-Interfaces (HMI) anbietet. Der IBH Link UA kann von mehreren OPC UA-Clients angesprochen werden. Damit steht eine Datenquelle beliebigen OPC UA konformen Anwendungen beispielsweise SAP-, MES- und ERP-Systemen zur Verfügung. Siehe Bild 4

Bild 4
Bild 4
(Bild: IBH Softec)

OPC Historical Data Access für historische Daten

Während OPC Data Access Zugriff auf Daten in Echtzeit ermöglicht, unterstützt OPC Historical Data Access, auch OPC HDA benannt, den Zugriff auf bereits gespeicherte Daten. Von einfachen Datalogging-Systemen bis zu komplexen SCADA-Systemen können historische Daten auf genormte Weise abgefragt werden. Die Aktivierung der Historischen Daten erfolgt komfortabel über die Weboberfläche. Siehe Bild 5a und 5b

Bild 5a
Bild 5a
(Bild: IBH Softec)

Bild 5b
Bild 5b
(Bild: IBH Softec)

Mit IBH Link UA sicher kommunizieren

Der IBH Link UA verfügt über eine Zertifikatsverwaltung zur sicheren Kommunikation. Dazu wird entsprechende Softwareoberfläche geliefert, die sich in jedem beliebigen Webbrowser darstellen lässt. In dieser werden die Konfiguration der Sicherheitsstufen und die Verwaltung der Zertifikate vorgenommen. Hierbei wird auf den von der OPC Foundation definierten Mechanismen aufgesetzt. OPC UA Security umfasst Authentifizierung und Autorisierung, Verschlüsselung und Datenintegrität durch Signieren. Damit kann die Steuerung vor dem unkontrollierten Zugriff über ein übergeordnetes System geschützt werden. Siehe Bild 6

Bild 6
Bild 6
(Bild: IBH Softec)

Bei der Verschlüsselung (Encrypt) gibt es verschiedene Level: None, Basic128Rsa15 und Basic256:

  • None: keine Verschlüsselung,
  • Basic128Rsa15: 128 Bit Verschlüsselung,
  • Basic256: 256 Bit Verschlüsselung.

Der IBH Link UA unterstützt die Level Sign und SignAndEncrypt:

  • None: keine Sicherheitsstufe, schnellste Datenübermittlung,
  • Sign: die Nachrichten enthalten Sicherheitskennzeichen,
  • SignAndEncrypt: die Nachrichten enthalten Sicherheitskennzeichen und sind verschlüsselt.

Zertifikate: Eine weitere Sicherheitsstufe von OPC UA besteht in dem Austausch von Zertifikaten. Eine Kommunikation ist erst dann möglich, wenn sowohl Server als auch Client ein gültiges Zertifikat vom jeweiligen Partner zugewiesen wurde. Siehe Bild 7a-c

Bild 7a
Bild 7a
(Bild: IBH Softec)

Bild 7b
Bild 7b
(Bild: IBH Softec)

Bild 7c
Bild 7c
(Bild: IBH Softec)

OPC Client sorgt für Datenaustausch verschiedener Hersteller

Der Vorteil der neuen Lösung von IBH Softec ist, dass es sich um eine Server-/Client-Baugruppe handelt. Durch die OPC-Client-Funktion wird auch der Datenaustausch von OPC-Servern untereinander ermöglicht. Es können über diese Funktion zum Beispiel Steuerungen oder andere Geräte mit OPC UA verschiedener Hersteller Daten austauschen. Die Konfiguration der Client Funktion erfolgt über die Weboberfläche. Siehe Bild 8

Bild 8
Bild 8
(Bild: IBH Softec)

Zusätzliche Vorteile

In dem Gateway kann optional eine MicroSD-Speicherkarte verwendet werden, auf der sich Daten lokal zwischenspeichern lassen. Im Fall eines Gerätetauschs bietet sie den Vorteil der schnelleren Neukonfiguration. Ein weiterer wichtiger Aspekt des kompakten Geräts ist, dass es sich um eine eigenständige Baugruppe handelt und somit kein Windows-PC benötigt wird.

Buchtipp

Ohne eine herstellerunabhängige Vernetzung von Geräten und Anlagen ist Industrie 4.0 nicht umsetzbar. OPC UA ist genau dafür konzipiert – doch der Einstieg ist nicht immer einfach. Das Fachbuch Praxishandbuch OPC UA hilft weiter.

* Rolf Kiefer, Geschäftsführer bei IBH Softec Gesellschaft für Automatisierungstechnik

(ID:45659259)