Industrielle Kommunikation

Vom produktspezifischen Datenaustausch zur standardisierten Kommunikation mit OPC

| Autor / Redakteur: Georg Süss* / Ines Stotz

Softing bietet bereits seit 1997 Toolkits für die Entwicklung von OPC-Servern und -Clients an.
Softing bietet bereits seit 1997 Toolkits für die Entwicklung von OPC-Servern und -Clients an. (Bild: Softing)

Auch in der Automatisierungswelt und speziell beim Datenaustausch geht der Weg klar in Richtung Standardisierung. Heute haben der OPC Classic- und OPC UA-Standard ausnahmslos die proprietäre Anbindung abgelöst.

Der Schritt vom Einsatz herstellerspezifischer Systeme zu standardisierten Lösungen wurde in der Automatisierung maßgeblich beeinflusst von der Verfügbarkeit der PC-Technologie, speziell auch in einer industriellen Ausführung – und der raschen Verbreitung des grafischen Betriebssystems Windows 3.0 nach dessen Einführung im Jahr 1990. Nun standen auf dieser Plattform mehr und mehr Anwendungen zur Verfügung, die etwa die Funktionalität von Programmier-, Konfigurations- und Prozessvisualisierungssystemen abdeckten. Ein Beispiel dafür ist das Prozessvisualisierungssystem InTouch, das die Herstellerfirma Wonderware in dieser Zeit zum am schnellsten wachsenden Unternehmen in den USA machte.

Eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz PC-basierter Automatisierungskomponenten war die Möglichkeit zum Datenaustausch innerhalb des gesamten Automatisierungssystems. Da zuvor sämtliche Komponenten eines Gesamtsystems ausschließlich von einem Hersteller stammten, kamen zum Austausch von Informationen in der Regel produktspezifische Treiber zum Einsatz. Diese waren an ein bestimmtes Produkt gebunden und nutzten insbesondere die Merkmale der verfügbaren Hardware aus. Sie ließen sich nicht mit den Produkten anderer Hersteller verwenden. Als Hauptnachteil galt hier deshalb die fehlende Unterstützung durch eine größere Anzahl von Herstellern. Deshalb mussten diese Treiber bei Bedarf vor einem Einsatz zuerst implementiert werden.

Standards: von DDE zu OPC

Mit dem PC stand nun eine Standardplattform zur Verfügung, die in der Lage war, eine zentrale Rolle innerhalb des Gesamtsystems zu übernehmen. Entsprechend bildeten sich auf dieser Basis auch Standards für den Datenaustausch.

Ein erster Standard war Dynamic Data Exchange (DDE), der die Kommunikation zwischen einzelnen Prozessen abdeckte. Zu den Hauptnachteilen zählten dessen langsame Ausführung und die hohe Komplexität. Trotz der Nachteile verbreitete sich DDE zunächst als Standardmöglichkeit zum Datenaustausch zwischen Anwendungen auf der PC-Plattform, darunter auch Automatisierungsanwendungen. Damit ließen sich z. B. Daten über eine Profibus-Schnittstellenkarte aus einer Steuerung lesen und über einen zugehörigen DDE-Server und den DDE-Client des Prozessvisualisierungssystems in den PC übertragen und dort grafisch darstellen.

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Die schnelle Akzeptanz der Windows-Plattform und damit die rasante Verbreitung von Automatisierungsanwendungen und gleichzeitig die steigende Anzahl von Kommunikationsprotokollen und Bussystemen führte allerdings zu einem großen Druck auf die Hersteller, bald schon Hunderte von DDE-Servern und -Clients entwickeln zu müssen. Dazu war ein Großteil der verfügbaren Ressourcen und der Entwickler notwendig.

Um hier nach einer Lösung zu suchen, gründeten führende Automatisierungsanbieter, darunter Siemens, Rockwell und Fisher-Rosemount, zusammen mit Microsoft im Jahr 1995 die OPC Task Force. Deren Auftrag war die Ausarbeitung eines Standards, der den Datenaustausch in einem Windows-Betriebssystem in Echtzeit ermöglichen sollte. Im August 1996 stand dann bereits die Version 1.0 der OPC-Spezifikation zur Verfügung, die die Grundlage für die Gründung der OPC Foundation im September 1996 bildete. Ein Jahr später wurde eine Aktualisierung der OPC-Spezifikation veröffentlicht, die den Namen Data Access-Spezifikation erhielt und die den fundamentalen Mechanismus und die Funktionalität für das Lesen und Schreiben von Prozesswerten definierte. Auf dieser Basis wurden im Herbst 1997 erste OPC-Produkte vorgestellt. Erweitert wurde OPC später durch die Alarms and Events-Spezifikation (für den Austausch von Alarmen und Ereignissen) und die Historical Data Access-Spezifikation (für den Zugriff auf historische Daten). Die OPC XML-DA-Spezifikation hatte das Ziel, mithilfe des XML-Standards die Grenzen des Windows-Betriebssystems zu überwinden.

OPC – ein Erfolgsmodell für den Datenaustausch

Als Grundlage für OPC diente der Mechanismus des Object Linking and Embedding (OLE), den Microsoft Mitte der 1990er-Jahre für die Realisierung objektorientierter Systeme etablierte. Daraus leitet sich auch der Name OPC (OLE for Process Control, OLE für die Prozesssteuerung) ab. Im Rahmen der Entwicklung von Windows NT wurde dann OLE durch das COM- und DCOM-Modell abgelöst, das die Grundlage für die Implementierung verteilter Anwendungen auf der Basis eines Client/Server-Ansatzes bildete. Dabei konnte ein Client gleichzeitig auf mehrere Server zugreifen, ein Server konnte gleichzeitig von mehreren Clients genutzt werden.

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Für den Einsatz von OPC sprachen eine Reihe von Vorteilen: Erstmals stand eine Lösung für einen offenen Datenaustausch über Herstellergrenzen hinweg zur Verfügung. OPC bot eine sehr hohe Leistungsfähigkeit und eignete sich ebenfalls zum Aufbau verteilter Systeme. Darüber hinaus standen in OPC ein große Anzahl von Methoden zur Verfügung, die für einen Austausch weiterer Informationen zwischen Client und Server genutzt werden konnten. Durch den Einsatz von Toolkits mit einsatzbereiten Bibliotheken ließ sich die hohe Komplexität verringern, Tunnelimplementierungen reduzierten die aufwändige DCOM-Konfiguration. Schließlich standen auch Portierungen, etwa für Linux oder VxWorks, zur Verfügung, die die Beschränkung auf die Windows-Welt umgingen.

Wegen der umfassenden Vorteile war es kein Wunder, dass sich OPC auf breiter Front für den standardisierten Datenaustausch in der Automatisierungswelt durchsetzte. Getrieben wurde diese Entwicklung von einzelnen Firmen. So bot Softing bereits 1997 das erste Toolkit für die schnelle Entwicklung von OPC-Anwendungen an. (siehe Abbildung 1).

Auch Beckhoff hatte früh die Möglichkeiten von OPC erkannt und umgesetzt. Stefan Hoppe, seit 2014 Global Vice Presidient der OPC Foundation, erinnert sich an die Anfänge von OPC: „Beckhoff hat mehr als zehn Jahre Erfahrung mit OPC UA, als erstes Unternehmen brachte es 2007 die weltweit erste Embedded SPS mit integriertem OPC UA-Server erfolgreich in den Markt. Seit dem sind viele andere Unternehmen gefolgt und bieten ebenfalls OPC UA integriert in Geräte an. Nutznießer sind die technologieorientierten Kunden: Die OPC UA-Technologie leistet heute im Kontext von Industrie 4.0 einen wichtigen Beitrag für Offenheit und einen sicheren Austausch von Informationen zwischen der IT- und der OT- Welt.“

OPC UA überwindet die Grenzen der Feldbuskommunikation

Die Beschränkungen der bisherigen OPC-Spezifikation führten 2003 zur Gründung einer OPC UA (Unified Architecture)-Arbeitsgruppe. Das Ziel war die Überarbeitung der bestehenden Spezifikationen und die Umstellung des Datenaustauschs auf Web Services. Damit wird die Zusammenarbeit von Anwendungen auf den unterschiedlichsten Hardware, den verschiedenen Betriebssystemen und unter Verwendung verschiedener Programmiersprachen möglich. Die erste vollständige OPC UA-Version stand dann 2009 zur Verfügung. Da die OPC-Technologie nun nicht mehr auf dem OLE-Mechanismus aufsetzt, erfolgt damit auch eine Neudefinition des Begriffs OPC. Dieser steht heute für Open Platform Communications (offene Plattformkommunikation). Weil nun zwei unterschiedliche OPC-Standards existieren, bürgerte sich zur Unterscheidung von OPC UA für das bisherige OPC-Modell der Begriff OPC Classic ein.

Mit OPC UA werden insbesondere die Grenzen der Feldbuskommunikation überwunden. So können jetzt IT-Systeme mit Enterprise Resource Planning (ERP)- und Manufacturing Execution System (MES)-Funktionalität direkt Daten in Sensoren auf der Feldebene austauschen. Und mit OPC UA Publisher/Subscriber, einer der letzten OPC UA-Erweiterungen, lässt sich auch die Querkommunikation zwischen Steuerungen elegant lösen. Dazu kommt die Möglichkeit zum Einsatz einer sicheren und zuverlässigen Kommunikation.

Der Erfolg von OPC UA ist maßgeblich getrieben von der Förderung und Umsetzung von Industrie 4.0 und des industriellen Internets der Dinge, einer neuen Form der Industrialisierung mit großen Potenzialen für die Zukunft. (siehe Abbildung 3). So wird in den „Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0“ vom April 2013 OPC UA als mögliche Basistechnologie zur Realisierung vorgestellt und als Vorteil die Unterstützung einer maschinenlesbaren semantischen Beschreibung der übertragenen Daten herausgestellt. Dies wird durch die moderne Datenmodellierungstechnologie des OPC UA-Standards erreicht.

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Mit OPC UA in die Zukunft

Der OPC-Standard wird sich auch in Zukunft weiterentwickeln. So betreffen aktuelle Standardisierungsbestrebungen die Ergänzung der bislang noch nicht unterstützten Echtzeitfähigkeit. Dazu wird in OPC UA die Verwendung des Time-Sensitive Networking (TSN)-Standards definiert. Dadurch stehen in einem Ethernet-Netz Möglichkeiten zur Zeitsynchronisation, zur Planung des Datenaustauschs und zur Auswahl von Kommunikationspfaden zur Verfügung.

Vor diesem Hintergrund ist das anhaltende Wachstum der Anzahl von OPC Classic- und OPC UA-Anwendungen und gleichzeitig von OPC Foundation-Mitgliedern nicht überraschend. Als Präsident der OPC Foundation ist Tom Burke vom weiteren Erfolg des Standards überzeugt: „Die OPC Foundation stellt die besten Spezifikationen, Technologien, Zertifizierungen und Prozesse zur Verfügung. Eine der daraus entstandenen Technologien ist OPC UA, der sichere und zuverlässige Datenaustauschstandard für die hersteller- und plattformunabhängige industrielle Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud. Wenn ich mir ansehe, wie die Zahl unserer Mitglieder von den sechs Unternehmen, die die OPC Foundation 1995 gründeten, auf heute 605 angestiegen ist, bin ich davon überzeugt, dass der OPC UA-Technologie die Zukunft gehört.“

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* Georg Süss, Marketing Communications, Softing Industrial

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