1OPC Unified Architecture
Wegbereiter der 4. industriellen (R)Evolution

Industrie

4.0
Multiplatform
Multivendor
SecureReliable2

Willkommen bei der OPC Foundation!
OPC-UA als internationaler Standard
für vertikale und horizontale Kommunikation bringt semantische Interoperabilität in die Cyber Physical Systems
und trägt entscheidend zum Erfolg der
4. industriellen (R)Evolution bei.
Thomas J. Burke
President und Executive Director
OPC Foundation

OPC-Unified Architecture (OPC-UA) ist der Datenaustausch-Standard für eine sichere, zuverlässige,
Hersteller- und Plattform-unabhängige industrielle
Kommunikation. Sie ermöglicht einen Betriebssystem-übergreifenden Datenaustausch zwischen Produkten unterschiedlicher Hersteller. Der OPC-UAStandard besteht aus Spezifikationen welche inenger Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Anwendern, Forschungsinstituten und Konsortien entstanden sind, um den sicheren Informationsaustausch in heterogenen Systemen zu ermöglichen.
Seit 1995 hat OPC großen Zuspruch aus der Industrie sowie aus weiteren Marktsegmenten erfahren.
Mit der Einführung von Serviceorientierten Architekturen (SOA) in industriellen Automatisierungssystemen sorgte die OPC-UA-Architektur ab 2007 füreine skalierbare, plattformunabhängige Lösung welche die Vorteile von Web Services und integrierter
Security mit einem einheitlichen Datenmodell kombiniert.

OPC-UA ist ein IEC-Standard und damit prädestiniert für die Kooperation mit anderen Organisationen.
Die OPC Foundation koordiniert dabei als globale
Non-profit-Organisation zusammen mit An­wendern,Herstellern und Forschern die Weiterentwicklung desOPC-Standards:➞ Erstellen und pflegen von Spezifikationen➞ Zertifizierung und Konformitätsprüfung der
Implementierungen➞ Kooperation mit weiteren Standardisierungs­
organisationen
Diese Broschüre gibt einen Überblick über Industrie
4.0-Anforderungen und zeigt Lösungen, technische
Details und Umsetzungen mit OPC-UA.
Die breite Zustimmung von Vertretern aus Forschung, Industrie und Verbänden zeigt, dass OPCUA eine Schlüsseltechnologie als Daten- und Informationsaustausch-Standard für das Projekt Industrie
4.0 ist.

Ihr
Thomas J. Burke
President und Executive Director
OPC Foundation
thomas.burke@opcfoundation.org
www.opcfoundation.org

3

Inhalt4	OPC-UA – Wegbereiter der
4. industriellen (R)evolution5	
Anforderung Industrie 4.0 –Lösung OPC-UA
Zitate6 Wissenschaft: Forschung und Lehre
8 Industrie: Anbieter und Anwender
10 Verbände und Organisationen
12	OPC-UA auf einen Blick
14	OPC-UA Technologie im DetailKarl-Heinz Deiretsbacher, Siemens AG und
Dr. Wolfgang Mahnke, ABB
22	Engineering:Interoperabilität durch
Automation ML und OPC-UA
Dr. Olaf Sauer, Fraunhofer Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB)
23	Skalierbarkeit:
OPC-UA im Chip Level
Prof. Jasperneite, Fraunhofer-Anwendungs­
zentrum Industrial Automation (IOSB-INA),
Lemgo
24	Skalierbarkeit:
OPC-UA im Sensor
Alexandre Felt, AREVA GmbH25	Identifikation: OPC-UA im RFID
Dr. Jan Regtmeier, HARTING IT Software
Development GmbH & Co. KG
26	Integration:
OPC-UA-Client und -Server
im Controller
Stefan Hoppe, BECKHOFF Automation

27	Horizontal:
OPC-UA ermöglicht M2M und IoT
Silvio Merz, Zweckverband Wasser und
Abwasser Vogtland
28	Vertikal:
OPC-UA von der Produktion
bis in das SAP
Roland Essmann, Elster GmbH
29	Vertikal:
OPC-UA plus UMCM –Der „USB-Stecker“ zwischen
SPS und MES
Angelo Bindi, Central Control andInformation Systems Continental Teves
30	Mensch-zu-Maschine:
OPC-UA im Browser
PD Dr.-Ing. Annerose Braune,Technische Universität Dresden31	Smart Metering:
Verbrauchs­informationen vom
Zähler bis in IT-Abrechnungs­
systeme
Carsten Lorenz, Elster GmbHOPC Foundation
32	Organisation
33 Spezifikationen und Informationen
34	Code und Zertifizierung für Mitglieder
35	Starthilfe

4

OPC-UA – Wegbereiter der
4. industriellen (R)Evolution
Herausforderung
Zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit des Produktionsstandortes Deutschland muss die Herausforderung gemeistert werden bei immer kürzer werdenden Produktzyklen die Effizienz zu steigern. Energie
und Ressourcen müssen effektiv eingesetzt, dasTime-to-Market verkürzt, komplexere Produkte mit
hohen Innovationszyklen schneller erzeugt und die
Flexibilität durch individualisiere Massenfertigung erhöht werden.
VisionDie 4. industrielle (R)Evolution (Industrie 4.0) ist getrieben von modernen Informations- und Kommunikations-Technologien (IKT), die immer mehr Einzug in
die Industrieautomatisierung halten. In verteilten, intelligenten Systemen verschmelzen physikalischereale Systeme und virtuelle, digitale Daten zu Cyber
Physical Systems (CPS). Diese CPS werden vernetzt
und bilden „smarte“ Objekte, die bis hin zur „smarten
Fabrik“ zusammen gestellt werden. Mit zunehmender Rechenleistung und Kommunikationskapazität
organisieren sich Produktionseinheiten selbst, sie
besitzen (self-contained) alle nötigen Informationen
bzw. können sich diese selbständig beschaffen. Die
Systeme sind vernetzt und autonom, sie rekonfigu-

rieren und optimieren sich selbst und sie sind erweiterbar (plug-and-produce) ohne Engineering odermanuelles Einrichten. Über die gesamte Produktions- und Produktlebenszeit und durch die gesamte
Wertschöpfungskette werden die virtuellen Abbilder
innerhalb der produzierten Waren mitgeführt und repräsentieren immer den aktuellen Zustand des realen Produkts. Solche „smarten“ Produkte sind im Internet of Things miteinander vernetzt und reagieren
mit erlernten Verhaltensmustern auf interne und externe Ereignisse.
Anforderungen
Um die Vision von Industrie 4.0 erfolgreich umsetzen
zu können, bedarf es einiger Anstrengungen, da die
Anforderungen sehr vielfältig sind. Um die Komplexität zu reduzieren, wird eine umfassende Modularisierung, eine breite Standardisierung und eine durchgängige Digitalisierung benötigt. Diese Anforderungensind nicht neu, sie sind auch nicht revolutionär sondern die Folge einer permanenten Weiterentwicklung. Diese Evolution ist ein langjähriger Prozess, derschon lange begonnen hat und es existieren bereits
Lösungen für viele der nachfolgend skizzierten Anforderungen, die unter anderem auch die zentralen
Grundbausteine für Industrie 4.0 sind.

Herausforderungen bei der Umsetzung von Industrie 4.0(mehrere Antworten möglich)Standardisierung
Deutschlands Zukunft als Produktionsstandort sichern

Umsetzungsempfehlungenfür das Zukunftsprojekt
Industrie 4.0
Abschlussbericht des Arbeitskreises Industrie 4.0

147

Prozess- / Arbeitsorganisation

129

Verfügbare Produkte

98

Neue Geschäftsmodelle

85

Security / Know-how-Schutz

78

Verfügbare Fachkräfte
April 201370

Forschung64

Aus- / Weiterbildung

42

Rechtliche Rahmenbedingungen30
0Quelle: Forschungsunion, acatech 2013

Ergebnis der Umfrage derPlattform Industrie 4.0:20

40

60 80 100 120 140 160
Anzahl Nennungen

Quelle: „Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0“, Forschungsunion, acatech 2013

Die Mitglieder des
BITKOM, VDMA und ZVEI
nannten die Standardisierung als größte Herausforderung zur Umsetzung vonIndustrie 4.0.

5Anforderung Industrie 4.0 – Lösung OPC-UA
Industrie 4.0-Anforderung

OPC-UA-Lösung

Unabhängigkeit der Kommunika­
tionstechnologie von Hersteller,
Branche, Betriebssystem,
Programmiersprache

Die OPC Foundation ist eine herstellerunabhängige Non-Profit Organistaion. Eine Mitgliedschaft ist
für den Einsatz der OPC-UA Technologie oder die Erstellung von OPC-UA Produkten nicht erforderlich. OPC hat die größte Verbreitung im Bereich der Automatisierung, ist aber technologischbranchenneutral. OPC-UA ist auf allen Betriebssystemen lauffähig; es gibt auch Realisierungen auf
Chip Ebene ohne Betriebssystem. OPC-UA ist in allen Sprachen umsetzbar – derzeit sind Stacks in
Ansi C/C++, .NET und Java verfügbar.

Skalierbarkeit zur durchgängigen
Vernetzung vom kleinsten Sensor
über embedded Geräte und
SPS-Steuerungen bis PC und
SmartPhone sowie Großrechner
und Cloudanwendungen.
Horizontale und vertikale Kommu­
nikation über alle Ebenen.

OPC-UA skaliert von 15 kB footprint (Fraunhofer Lemgo) über Single- und Multicore-HW mit verschiedensten CPU-Architekturen (Intel, ARM, PPC, etc.). OPC-UA wird in Embedded-Feldgeräten,wie RFID-Readern, Protokollwandlern etc., d. h. de facto in allen SPS-Steuerungen und SCADA/
HMI- Produkten sowie MES/ERP-Sytemen, wie SAP, iTAC, eingesetzt. Cloud-Projekte in Amazon
und Microsoft-Azure wurden bereits erfolgreich durchgeführt.

Sicherheit der Übertragung sowie
Authentifizierung auf Anwender- undAnwendungsebene

OPC-UA verwendet x509-Zertifikate, Kerberos bzw. User/Passwort zur Authentifizierung derApplikation. Eine signierte und verschlüsselte Übertragung sowie ein Rechtekonzept auf Datenpunkt­ebene mit Auditfunktionalität sind im Stack bereits vorhanden.

SOA Transport über etablierte
Standards wie TCP/IP für den
Austausch von Live- undhistorischen Daten, Kommandos
und Ereignissen (Event/Callback)

OPC-UA ist unabhängig vom Transport, derzeit gibt es drei Protocol-Bindings, optimiertes TCPbasiertes Binärprotokoll für High-Performance Anwendungen, HTTP/HTTPS Webservice mit XML
kodierten Nachrichten, weitere Bindings sind geplant z.B. XMPP und andere. Die Stacks garantierenden konsistenten Transport aller Daten sowie der Methoden-Argumente, Events basierend auf
Token.

Abblidung beliebig komplexer
Informationsinhalte zur Modellierung
virtueller Objekte als Repräsentanten
der realen Produkte und deren
Produktionsschritte.

OPC-UA bietet ein voll vernetztes (nicht nur hierarchisch sondern full-mashed-network) objektorientiertes Konzept für den Namensraum, inklusive Metadaten zur Objektbeschreibung. Über die Referenzierung der Instanzen untereinander und ihrer Typen sowie über ein durch Vererbung beliebig
erweiterbares Typmodell, sind beliebige Objektstrukturen erzeugbar. Da Server ihr Instanz- und Typsystem in sich tragen, können Clients durch dieses Netz navigieren und sich alle erforderlichen Informationen beschaffen, selbst über ihnen zuvor unbekannte Typen.

Ungeplante, Ad-hoc- Kommunika­tion für Plug-and-Produce-Funktion
mit Beschreibung der Zugangs­daten und der angebotenen
Funktion (Dienste) zur selbstorganisierten (auch autonomen) Teilnahme
an einer “smarten”, vernetzten
Orchestration/Kombination vonKomponenten

OPC-UA definiert verschiedene “Discovery” Mechanismen zur Bekanntmachung von OPC-UAfähigen Teilnehmern und deren Funktionen/ Eigenschaften innerhalb von Subnetzen. Subnetzübergreifende Aggregation und intelligente, konfigurationslose Verfahren (z. B. Zeroconf) werden verwendet, um Netzteilnehmer zu identifizieren und zu adressieren.

Integration ins Engineering undsemantische Erweiterung

Die OPC Foundation arbeitet bereits erfolgreich mit anderen Organisationen (PLCopen, BACnet,
FDI, etc.) zusammen und ist derzeit in weiteren Kooperationen aktiv, wie z. B. MES D.A.CH, ISA95,
MDIS (Öl und Gas Industrie), etc. Neu ist die Kooperation mit AutomationML, um die Interoperabilität
zwischen Engineering-Tools zu optimieren.

Prüfbarkeit der Konformität zum
definierten Standard

OPC-UA ist bereits IEC-Standard (IEC 62541); es existieren Tools und Testlabore, welche die Konformität prüfen und zertifizieren. Zusätzliche Test-Veranstaltungen (Plugfeste) erhöhen die Qualität
und sichern die Kompatibilität. Für Erweiterungen/Ergänzungen (Companion Standards, Semantik)
sind Ausweitungen der Tests erforderlich

6

ZITATE – FoRschung und Lehre»Das Industrie 4.0 Paradigma erfordert Standards
auf mehreren Ebenen, um modulare Produktionsanlagen gemäß Plug & Play aufbauen zu können.
OPC-UA ist ein wichtiger Standard, der uns hilft,
die Kommunikation zwischen Anlagenteilen her­stel­ler­unabhängig und sicher zu gestalten. Durch den
industriegetriebenen Standardisierungsprozess ist
eine hohe Akzeptanz seitens industrieller Anwenderfür OPC-UA als plattform- und herstellerunabhängige Kommunikationstechnologie über alle Ebenen der
Automatisierungspyramide erkennbar. Die Informationsmodelle innerhalb des OPC-UA Standards bieten
darüber hinaus die Grundlage zur Realisierung einer
semantischen Interoperabilität.«
Prof. Dr. Dr. Detlef Zühlke, Direktor Innovative Fabriksysteme
DFKI Kaiserslautern»Eine entscheidende Komponente bei der Realisierung des Industrie 4.0 Gedanken ist eine offene undstandardisierte Kommunikationsplattform. Erst durch
diese werden Szenarien, welche eine Ebenen- und
Unternehmensübergreifende Kommunikation benötigen, möglich. OPC-UA bietet durch sein plattformsowie sprachenunabhängige Technologie eine geeignete und vielversprechende Basis. Seit Jahren
wird am Lehrstuhl für Automatisierung und Informationssysteme (AIS) OPC-UA eingesetzt. Besonders in
der Forschung sind die offene Architektur sowie diebreite Software und Hardware Unterstützung entscheidende Vorteile. Ein Beispiel hierfür ist die Kommunikation zwischen einem nicht Echtzeit fähigen
high-level Agenten auf einer PC Plattform und einem
Echtzeit fähigen low-level Agenten auf einer SPS.
Hiermit lassen sich Rechenzeit und Geschwindigkeit
optimal verteilen.«
Prof. Dr.-Ing. Birgit Vogel-Heuser, Lehrstuhl Automatisierung undInformationssysteme, Technische Universität München»Die Unikatfertigung wie beispielsweise in der maritimen Industrie oder im Sondermaschinenbau erfordert auch bei der Realisierung von Industrie 4.0 die
Einbeziehung des Menschen als eine wichtige Komponente. Intelligente Assistenzsysteme und Entscheidungsunterstützung durch die Visualisierung
existenzieller Daten sind hierbei wichtige Komponenten einer flexiblen hochautomatisierten Produktion.
Beides erfordert eine kontextualisierte Integration heterogener Daten aus unterschiedlichen Quellen (ERP,

MES, BDE, ECMS, Umgebungssensorik, etc.), sowie deren situationsgerechte Bereitstellung über einegraphische Benutzungsschnittstelle und die Inititierung entsprechender Prozesse mit multimodalen Interaktionskonzepten. OPC-UA bietet mit seinen
Möglichkeiten der horizontalen und vertikalen Integration und insbesondere durch die Unterstützung
von Semantik eine ideale Basis für solche Lösungen.«Prof. Dr. Bodo Urban, Standortleitung Rostock
Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD

7»OPC-UA bietet eine hervorragende Basis für Industrie 4.0; schließlich geht es um intelligente Vernetzung. Dass OPC-UA dazu weit mehr beitragen kann,als ein reines „Datenförderband“ zu sein zeigt sichanhand der zentralen Bedeutung von Informationsmodellen. Diese transportieren nicht nur Daten sondern Information, also Wissen über Strukturen, Zusammenhänge und Bedeutung – ein Muss für
intelligente Vernetzung. Dazu ist OPC-UA schon
heute als Technologie in Produkten verfügbar. Das ist
wichtig, denn die ausgerufene Revolution wird sichde facto als Evolution vollziehen. Und damit kannjetzt schon begonnen werden.«
Prof. Dr.-Ing. Daniel Großmann, Computer Science and Data Processing,Technische Hochschule Ingolstadt»Die Grundidee von Industrie 4.0, dass sich nämlich
Produkte, Geräte, Maschinen und IT-Systeme vernetzen, wird sich nur unter Verwendung offenerStandards durchsetzen. Vorzugsweise werden heuteschon existierende Standards für Industrie 4.0 genutzt. Darum ist OPC-UA aus unserer Sicht besonders geeignet, um die Forderungen nach Interoperabilität zu erfüllen. Dies gilt vor allem deswegen, weil
im OPC-UA-Informationsmodell auch die Semantik,
d.h. die Bedeutung einzelner Daten, hinterlegt werden kann. In unseren Forschungs- und Entwicklungsprojekten setzen wir auf OPC-UA als Kommunikationsstandard in der Fabrik der Zukunft – von derFeldebene zur Maschine und von der Maschine zumüberlagerten MES.«
Dr. Olaf Sauer, Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und
Bildauswertung (IOSB)

Einschätzungen aus Forschung und Lehre»OPC-UA weist eine sehr hohe Skalierungsfähigkeit
auf, so dass ein durchgängiger Informationsaustausch zwischen Sensoren, Steuerungen und ERPSystemen möglich ist. Der nächste Schritt auf dem
Weg zur Smart Factory ist für OPC-UA die Realisierung von semantischen Diensten.«
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite, Institutsleiter, Institut für Industrielle
Informations­technik (inIT), Hochschule Ostwestfalen-Lippe und FraunhoferAnwendungs­zentrum Industrial Automation (IOSB-INA)»OPC-UA hat das Potential, die bestehende Vielfalt
an Industrial Ethernet Protokollen durch eine direkte
Verbindung zwischen Feldgeräten und Applikationzu ersetzen, ausser beim zeitkritischen Datenaustausch.«Prof. Dr. Hubert Kirrmann, Senior Principal Scientist,
ABB, Corporate Research

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ZITATE – ANBIETER UND ANWENDER AUS DER INDUSTRIE»OPC-UA hat das Potential die Basis für eine schnelle, herstellerübergreifende Implementierung von Industrie 4.0 und der in diesem Zusammenhang benötigten internetbasierten Dienste zu sein. Damit allediese Chance nutzen und davon profitieren können,
ist es notwendig, proprietäre Lösungen dieser Vision
unterzuordnen.«
Dr.-Ing. Reinhold Achatz, Head of Corporate Function Technology,
Innovation & Sustainability, ThyssenKrupp AG

Akzeptanz in der Industrie»Industrie 4.0 beschreibt einen Wandel in der Industrie, hervorgerufen durch die Verschmelzung von
Entwicklungen im Bereich Fabrikautomatisierung, IT,
Internet und Social Media. In diesem Umfeld sehen
wir insbesondere eine immer enger werdende Verzahnung zwischen den betriebswirtschaftlichen Prozessen und der Automatisierung, die letzten Endeszu einer vereinfachten Systemlandschaft und zu
messbaren Produktivitätssteigerungen führen wird.
Informationen wie Prüfparameter, Vorgabewerteoder Maschineneinstellungen brauchen zukünftig
nicht mehr redundant gepflegt, sondern können einmalig definiert und mit der Automatisierungsebene
direkt ausgetauscht werden. Fehlerquellen gehen
dadurch zurück, die Qualität der Daten und letztendlich der Produkte steigt. Die SAP setzt hierbei auf
Standards wie beispielsweise OPC-UA, die einen
einfachen, skalierbaren und sicheren Informationsaustausch mit verschiedensten Systemen in der Fabrik gewährleisten. Nur unter Verwendung von Standards wird letztendlich die Komplexität, hervorgerufen
durch eine Vielzahl verschiedenster Systeme im
Shop Floor, auf Dauer beherrschbar.«
Veronika Schmid-Lutz, Product Owner Manufacturing, SAP AG»OPC-UA erweist sich als optimale Basis für die Umsetzung der von Industrie 4.0 geforderten Funktionen. Denn das Protokoll ist bereits verfügbar und in
unzähligen Geräten von der Sensorebene bis zu
MES- und ERP-Systemen integriert. Zudem wird es
von allen Automatisierungsanbietern unterstützt. Dabei deckt OPC-UA auch die interne Kommunikation
innerhalb des CPS ab und fungiert teilweise als Feldbusersatz oder Middleware zwischen den im CPS
interagierenden Modulen.«
Robert Wilmes, Phoenix Contact»OPC-UA spielt in unserem Digital Enterprise Platform-Ansatz auf dem evolutionären Weg zur Vision
einer Industrie 4.0 eine wichtige Rolle.«
Prof. Dr. Dieter Wegener, Siemens Industry Sector, VP Advanced
Technologies & Standards

9»Als Gründungsmitglied der OPC Foundation strebt
Siemens danach, Mehrwert für seine Kunden zu
generieren – durch das Vorantreiben der Automatisierung sowie die Weiterentwicklung und Interoperabilität der Technologien unterschiedlicher System­
anbieter. In vielen unserer Innovationen – wie derNetzwerk-Management-Lösung Sinema Server,
dem Human Machine Interface Simatic HMI oderdem flexiblen, modularen Motoren-ManagementSystem Simocode pro – kommen OPC Standards
zur Anwendung. OPC-UA ist eine Implementierung,
der wir besonders hohe Relevanz beimessen. Deshalb sind wir in diesem Bereich schon immer sehr
engagiert gewesen und gehören zu den ersten Unternehmen, deren Produkte zertifiziert sind.«»Für zukünftige modulare und skalierbare Produktionsanlagen erwarten wir durch die Verwendung von
OPC-UA eine deutliche Vereinfachung der Anbindung solcher Anlagen an übergeordnete Systeme(MES, ERP). Der große Vorteil besteht für uns darin,
dass herstellerübergreifend eine standardisierte
Kommunikation stattfinden kann. Um diese Vorteile
wirklich voll ausschöpfen zu können, ist es für uns
wichtig, dass Hardware-Hersteller einen OPC-UA
Server auf ihren Embedded-Systemen direkt implementieren.«Steffen Schmidt, Leiter Konstruktion Steuerungstechnik, Festo

Thomas Hahn, Siemens AG, OPC board member

Vorreiter in der Automation»Industrie 4.0 vernetzt die Automatisierungswelt mit
der IT- und Internetwelt und wird die daraus entstehenden Synergien praktisch nutzbar machen. Vernetzung bedeutet Kommunikation, Kommunikation
benötigt Sprachen und darüber ausgelöste Funktionen und Dienste. OPC-UA bietet genau hierfür eine
weltweit akzeptierte, äußerst leistungsfähige und anpassbare Standardbasis.«
Hans Beckhoff, Managing Director, Beckhoff Automation GmbH

»Die Verschmelzung von Automatisierungstechnik
und Informationstechnologien benötigt 2 Schlüsselelemente. Erstens – ein intelligentes, vernetztes System, welches regelbasierte Entscheidungen treffenkann und Daten speichert – also ein Manufacturing
Execution System (MES) – und vielleicht wichtiger,
zweitens – eine Kommunikationsschicht, die schnell,plattformunabhängig, skalierbar, sicher und sich horizontal sowie vertikal, von der Geräteebene bis in die
ERP-Systeme integrieren lässt – OPC-UA. Per sehaben wir dann – unabhängig von dem Ort der gespeicherten Daten – ein Industrie 4.0 fähiges Systemoder ein so genanntes Cyber-Physical-System(CPS).«Angelo Bindi, Senior Manager Central Control and Information Systems
Continental Teves – Gründunsgmitglied und Vorstand MES DACH10ZITATE – VERBÄNDE UND ORGANISATIONEN»Industrie 4.0 heißt vertikale Integration aller Stufen
der Wertschöpfungskette und horizontale Integrationin Wertschöpfungsnetzwerken. Darum wird die Verwirklichung von Industrie 4.0 ganz entscheidend vonden Schnittstellen abhängen. OPC-UA bietet hierfür
viele Vorteile, nicht zuletzt den, dass es ein etablierter, breit akzeptierter Standard ist. Für die Einbindung möglichst vieler Teilnehmer, gerade auch kleiner und mittelständischer Unternehmen, ist dies
unerlässlich. Mit dieser einheitlichen Schnittstelle, diesowohl echtzeitfähig ist und Sicherheitsaspekte zentral berücksichtigt, als auch die Einbindung von semantischen Anwendungen ermöglicht, liegt eine herstellerunabhängige Lösung vor, die sich für den
Einsatz bei Industrie 4.0 natürlich anbietet.«Dr. Bernhard Diegner, Leiter der Abt. Forschung, Berufsbildung,
Fertigungstechnik ZVEI

»Standardisierung ist ein wirkungsvoller Hebel für Innovationen in vielen Wirtschaftsbereichen, so auch inder Anwendung von Industrie 4.0 bei produzierenden Unternehmen. Die neue Art der Wertschöpfungsnetzwerke mit dynamischen Geschäftsmodellen über Unternehmens- und Branchengrenzen
hinweg und die vertikale Integration innerhalb desUnternehmens unter Einbeziehung der installierten
Systeme erfordert eine Vielzahl von Schnittstellen
und eine andere Strategie der Standardisierung. Das
bestätigt auch die Umfrage der Plattform Industrie4.0. Die Mitglieder des BITKOM, VDMA und ZVEI
nannten die Standardisierung als größte Herausforderung zur Umsetzung von Industrie 4.0. Organisationen wie OPC Europe spielen dabei eine maßgebliche Rolle.«
Wolfgang Dorst, Bereichsleiter Industrie 4.0 im BITKOM,
Mitglied der Projektleitung in der Plattform Industrie 4.0

Empfehlungen der Verbände»Um die Ziele von Industrie 4.0 zu erreichen, sind Lösungen nötig, die einer sicheren und effizienten Verbindung der Maschinen und Anlagen auch mit derInformationstechnik dienen. Alle bereits vorhandenen Lösungen – auch OPC-UA – bieten eine gute
Chance, diese Aufgaben sachgerecht anzugehen
und der Umsetzung der Ideen von Industrie 4.0 näher zu kommen.«Peter Früauf, Elektrische Automation VDMA

11

IT Solutions.
Simplified.

»Mit Industrie 4.0 beschreiben wir den Wandel vonautomatisierten zu dezentral vernetzten, selbststeuernden Produktionsumgebungen, in denen Maschinen mit Maschinen, Werkstücken und Komponenten
kommunizieren. Hierfür erfasst und verarbeitet das
MES Prozessdaten sämtlicher Sensoren und Aktoren in Echtzeit. MES nimmt eine Schlüsselrolle in Industrie 4.0-Fertigungsszenarien ein und wird zum„Nukleus“ der smarten Fabrik. Die MES-Anlagen-Integration hängt maßgeblich davon ab, Daten überoffene Schnittstellen-Standards wie OPC-UA zwischen allen Systemen verfügbar zu machen. Die Vorteile dieses Protokolls sind, dass es von zahlreichen
Automatisierungsherstellern unterstützt wird undplattformunabhängig eingesetzt werden kann. Aufgabe der Fertigungsindustrie ist es, diesen Standard
zu implementieren – einen Prozess, den wir mit umfassendem Industrie 4.0-Know-how beratend begleiten.«»Kommunikation bezieht sich nicht auf den Austausch von Daten – es geht um den einfachen undsicheren Zugriff auf Informationen. Genau das ist derSchlüssel der Kooperation zwischen PLCopen und
OPC Foundation. Die OPC-UA Technologie ermöglicht die transparente Kommunikation unabhängig
vom Netzwerk – das ist die Basis eines neuen Kommunikationszeitalters im Bereich der Industriellen
Steuerungen.«
Eelco van der Wal, Managing Director PLCopen

Thomas Ahlers, Mitglied der Geschäftsleitung Freudenberg IT
Vorsitzender des BITKOM Arbeitskreises Industrie 4.0 Interoperabilität»Für neue Möglichkeiten der Integration zwischen
Industrie- und Gebäudeautomation kooperieren
BACnet und OPC-UA bereits: Energiedaten sinddurch BACnet semantisch definiert und können
bequem und interoperabel per OPC-UA an Enterprise-Systeme bereitgestellt werden: Eine ideale Standardisierung vom Sensor bis in die IT-Ab­
rechnungssysteme.«
Frank Schubert, Mitglied Advisory Board der BACnet Interest Group Europe»Die Komplexität industrieller Systeme steigt ständig.
Zu ihrer Beherrschung werden in Entwurf und Betrieb Methoden und Technologien benötigt, die eine
Modularisierung und Strukturierung ermöglichen. Die
OPC Technologie und ihr neuer Vertreter OPC-UA
haben sich in diesem Bereich bestens bewährt. Sie
ist weit verbreitet und kann als ein Eintrittspunkt für
die Kombination von Entwurf und Betrieb, wie sie inder Industrie 4.0 angedacht wird, dienen.«
apl. Prof. Dr.- Ing. habil. Arndt Lüder, Otto-v.-Guericke Universität,
Magdeburg, Fakultät Maschinenbau, 4. Vorstand AutomationML e.V.

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OPC-UA auf einen Blick

OPC-UA auf einen Blick –Sicherer, zuverlässiger und plattform­
unabhängiger InformationsaustauschSicherer, zuverlässiger
und plattformunabhängiger
Informationsaustausch
OPC-UA ist die neue Technologiegeneration der
OPC Foundation für sicheren, zuverlässigen und herstellerunabhängigen Transport von Rohdaten undvorverarbeiteten Informationen von der Sensor- undFeldebene bis hinauf zum Leitsystem und in die Produktionsplanungssysteme. Mit OPC-UA ist jede Art
von Information zu jedem Zeitpunkt und an jedem
Ort für jede autorisierte Anwendung und jede autorisierte Person verfügbar.
Plattform- undHersteller­unabhängig
OPC-UA ist unabhängig vom Hersteller oder Systemlieferanten, der die jeweilige Anwendung produziert bzw. liefert. Die Kommunikation ist unabhängig
von der Programmiersprache in der die jeweilige
Software programmiert wurde. Und es ist unabhängig vom Betriebssystem auf dem die Anwendungarbeitet. Es ist ein offener Standard ohne irgendeine
Abhängigkeit oder Bindung zu proprietären Technologien oder einzelnen Herstellern.
Standardisierte Kommunikation überInternet & Firewalls
OPC-UA erweitert den vorhergehenden OPC Industriestandard um einige wichtige Funktionen wie Plattformunabhängigkeit, Skalierbarkeit, Hochverfügbarkeit und Internetfähigkeit. OPC-UA basiert nicht
länger auf der DCOM Technologie von Microsoft, es
wurde aufbauend auf serviceorientierter Architektur(SOA) neu konzipiert. OPC-UA kann daher sehr einfach adaptiert werden. Bereits heute verbindet OPCUA die Enterpriseebene bis hinunter in die eingebetteten Systeme der Automatisierungskomponenten– unabhängig von Microsoft, UNIX oder irgendeinem
anderen Betriebsystem. OPC-UA verwendet ein
TCP-basiertes, optimiertes, binäres Protokoll für den

Datenaustausch über einen bei IANA eingetragenen
Port 4840. Webservice und HTTP werden optional
zusätzlich unterstützt. Es ist ausreichend einen einzigen Port in der Firewall frei zu schalten. Die integrierten Verschlüsselungsmechanismen sorgen für sichere Kommunikation über das Internet.
Serviceorientierte Architektur
OPC-UA definiert generische Dienste und folgt dabei
dem Designparadigma der Service Oriented Architecture (SOA), bei dem ein Dienstanbieter Anfragen (requests) erhält, diese bearbeitet und die Ergebnisse mit der Antwort (response) zurück sendet.
Im Unterschied zu klassischen Webservices, die ihre
Dienste über eine WSDL beschreiben, und somit bei
jedem Dienstanbieter unterschiedlich sein können,
sind bei OPC-UA bereits generische Dienste definiert. Eine WSDL ist somit nicht erforderlich, denn die
Dienste sind standardisiert. Dadurch sind sie kompatibel und interoperabel, ohne das der Aufrufer ein
spezielles Wissen über den Aufbau oder das Verhalten eines speziellen Dienstes wissen muss. OPC-UA
definiert verschiedene Gruppen von Diensten für unterschiedlich Aufgaben (Lesen/Schreiben/Melden/
Ausführen, Navigieren/Suchen, Verbindung/Sitzung/
Sicherheit). Die Flexibilität entsteht über das Informationsmodell von OPC-UA. Aufsetzend auf ein Basismodell können beliebig komplexe, objektorientierte
Erweiterungen vorgenommen werden, ohne das dadurch die Interoperabilität beeinträchtigt wird.
Schutz vor unerlaubtem Zugriff
OPC-UA Technologie verwendet bewährte Sicherheitskonzepte, die Schutz vor unerlaubtem Zugriffbieten genauso wie Schutz vor Sabotage und Modifikation von Prozessdaten sowie Schutz vor unachtsamer Bedienung. Die OPC-UA Sicherheitskonzepte
beinhalten Anwender- und Anwendungsauthentifikation, die Signierung von Nachrichten und die Verschlüsselung der übertragenen Daten selbst. OPC-

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Vereinheitlichtes OPC-UA Objekt

OPC-UA
ObjectAttribute
Service Set(Data Access,Historical
Data Access)

Variables
_____
_____
_____

Methods_____( )_____( )_____( )EventsN
N
N

UA-Sicherheit basiert auf anerkannten Standards,
die auch für sichere Kommunikation im Internet verwendet werden, wie beispielsweise SSL, TLS und
AES. Die Sicherheitsmechanismen sind Teil desStandards und verpflichtend für die Hersteller. Der
Anwender darf die verschiedenen Sicherheitsfunktionen entsprechend seines Use-Cases frei kombinieren, somit entsteht skalierbare Sicherheit in Abhängigkeit der spezifischen Anwendung.
Erreichbarkeit und Zuverlässigkeit
OPC-UA definiert eine robuste Architektur mit zuverlässigen Kommunikationsmechanismen, konfigurierbaren Timeouts und automatischer Fehlererkennung.
Die Fehlerbehebungsmechanismen stellen automatisch die Kommunikationsverbindung zwischen
OPC-UA Client und OPC-UA Server ohne Datenverlust wieder her. OPC-UA bietet Redundanzfunktionen, die sowohl in Client- und Server­anwendungenintegrierbar sind, und somit die Implementierung vonhochverfügbaren Systemen mit maximaler Zuverlässigkeit ermöglichen.
Vereinfachung durch
Vereinheitlichung
OPC-UA definiert einen integrierten Adressraum undein Informationsmodell in welchem Prozessdaten,
Alarme und historische Daten zusammen mit Funktionsaufrufen repräsentiert werden können. OPC-UA
kombiniert dabei alle klassischen OPC Funktionalitä-

MethodService Set(Programs)

Subscription
Service Set(Alarms &Conditions)ten und erlaubt die Beschreibung von komplexen
Prozeduren und Systemen in einheitlichen objektorientierten Komponenten. Informationskonsumenten,
die lediglich die Basisregeln unterstützen, können
auch ohne Kenntnis der Zusammenhänge der komplexen Strukturen eines Servers, die Daten verarbeiten.
Anwendungsbereiche
Die universelle Anwendbarkeit der OPC-UA Technologie ermöglicht die Implementierung völlig neuer
vertikaler Integrationskonzepte. Durch Kaskadierungvon OPC-UA Komponenten wird die Information sicher und zuverlässig von der Produktionsebene bis
hin ins ERP System transportiert. Eingebettete OPCUA Server auf der Feldgeräteebene und integrierte
OPC-UA Clients in ERP Systemen auf der Enterpriseebene werden direkt miteinander verbunden. Die
entsprechenden OPC-UA Komponenten können
dabei geografisch verteilt und durch Firewalls voneinander getrennt sein. OPC-UA ermöglicht anderen
Standardisierungsgremien die OPC-UA-Dienste als
Transportmechanismus für ihre eigenen Informationsmodelle zu nutzen. Die OPC Foundation kooperiert heute bereits mit vielen verschiedenen Gruppen
aus unterschiedlichen Brachen, u.a. PLCopen, BACnet, ISA und FDI. Es werden Zusatzspezifikationen
erarbeitet, die gemeinsame, semantische Definitionen von Informationsmodellen beinhalten.

OPC-UA Technologie im Detail

14

OPC-UA Technologie im Detail

Die Kommunikation bei Industrie 4.0 basiert nicht nur
auf reinen Daten, sondern auf dem Austausch semantischer Informationen. Darüber hinaus spielt dieÜbertragungssicherheit eine herausragende Bedeutung. Diese beiden Aufgabenstellungen sind Kernpunkte der OPC Unified Architecture. OPC-UA enthält eine umfassende Beschreibungssprache unddie erforderlichen Kommunikationsdienste für Informationsmodelle und ist damit universell nutzbar.
Karl-Heinz Deiretsbacher,
Industry Automation Division
Siemens AG
Leiter des OPC-UA TechnicalAdvisory Boards

Dr. Wolfgang Mahnke,
Software Architect R&D Fieldbus
ABB Automation GmbH

Einführung
Der Trend in der Automatisierung geht dahin, auchdie Semantik der Kommunikationsdaten zu standardisieren. Normen wie ISA 88 (auch IEC 61512, Chargenverarbeitung), ISA 95 (auch IEC 62264, MES
Ebene), oder das Common Information Model (CIM)
mit der IEC 61970 für Energiemanagement sowie
IEC 61968 für Energieverteilung definieren die Semantik der Daten in denen von ihnen adressierten
Domänen. Dies passiert zunächst unabhängig
von der Spezifikation, wie die Daten übertragen werden.
Mit OPC-UA – auch veröffentlicht als IEC 62541 –können beliebig komplexe Informationsmodelle ausgetauscht werden – und zwar sowohl die Instanzen
als auch die Typen (die Metadaten). Damit ergänzt es
die oben genannten Standards und ermöglicht eineInteroperabilität auf semantischer Ebene.

Zielsetzung bei der Konzipierung
OPC-UA wurde für die Unterstützung unterschiedlichster Systeme konzipiert: von der SPS in der Produktion bis zu den Servern des Unternehmens. Diese Systeme sind durch eine große Vielfalt hinsichtlich
Größe, Leistung, Plattformen und funktionellen Fähigkeiten charakterisiert.
Um die Zielsetzung zu erreichen wurden für OPC-UA
folgende Grundbestandteile spezifiziert:➞ Transport – für die Mechanismen zum Daten­
austausch zwischen OPC-UA Anwendungen.
Verschiedene Transport Protokolle existieren fürunterschiedliche Anforderungen (optimiert fürGeschwindigkeit und Durchsatz = UA TCP mit UA
Binary; firewall-friendly = HTTP + Soap).
➞ Meta Modell – spezifiziert die Regeln und Grundbausteine um ein Informationsmodell über OPCUA zu veröffentlichen. Es beinhaltet auch verschiedene Einstiegsknoten und Basis Typen.
➞ Services – realisieren die Schnittstelle zwischen
einem Server als Anbieter von Information und
den Clients als Nutzer dieser Information.
Auch die Informationsmodelle sind schichtenweise
aufgebaut. Jeder höherwertige Typ basiert auf bestimmten Basisregeln. Somit können Clients, die nur
die Basisregeln kennen und implementieren trotzdem auch komplexe Informationsmodelle bearbeiten. Sie verstehen dann zwar nicht die Zusammenhänge, können aber z.B. durch den Adressraum
navigieren und Datenvariablen lesen oder schreiben.
BinaryVendor Specific Extensions

AC

Webservices

UA BinaryCollaboration Models

DA

HybridHAPrg

UA XMLWS Secure
Conversation

UA Secure
Conversation
UA TCP

SOAP

Base Services
HTTPS
Transport

TCP / IP

Meta Model
4840

Schichtenmodell von OPC-UA

HTTP

443

OPC UA Transport-Profile

443

80

15

Integriertes Adressraummodell
Das Objektmodell erlaubt es, Produktionsdaten,
Alarme, Events und historische Daten in einen einzigen OPC-UA Server zu integrieren. Damit kann beispielsweise ein Messgerät für Temperatur als ein
Objekt mit seinem Temperaturwert, Alarmparametern sowie entsprechenden Alarmgrenzen dargestellt werden.
OPC-UA integriert und vereinheitlicht die unterschiedlichen Adressräume und die Schnittstellen
zum Zugriff, sodass OPC-UA Anwendungen nur
noch eine Schnittstelle zum Navigieren benötigen.

Um die Interoperabilität von Clients und Servern zu
fördern, ist der OPC-UA Adressraum hierarchischaufgebaut; die oberen Ebenen sind für alle Server
standardisiert. Alle Knoten im Adressraum sind überdie Hierarchie erreichbar, können aber untereinander
zusätzliche Referenzen haben, so dass der Adressraum ein zusammenhängendes Netzwerk von Knoten bildet.
Im Adressraum von OPC-UA sind nicht nur Instanzen (Instanzraum), sondern auch die Typen der Instanzen (Typraum) enthalten.

Root

Field Bus

Sensor Bus

Areas“Located In“reference

Pressure
Xmitter

Valve

Temp
Xmitter

Area 1

Area 2Hi Limit

Current Value

Hi Alarm

Einheitlicher Adressraum

Lo Limit
Lo Alarm

Area 3

16

OPC-UA Technologie im Detail

Integrierte Services
OPC-UA definiert die notwendigen Dienste (Services) um durch den Namensraum zu navigieren, Variablen zu lesen oder zu beschreiben, oder sich fürDatenänderungen und Events anzumelden.
Die OPC-UA Services werden in logischen Gruppierungen, so genannten Service Sets, organisiert. Service Request und Response werden durch Austausch von Nachrichten zwischen Clients undServern übermittelt.
Der Austausch der OPC-UA Nachrichten erfolgt entweder über ein OPC-spezifisches binäres Protokoll
auf TCP/IP oder als Web Service. Anwendungenwerden meist beide Schnittstellenarten zur Verfügung stellen, so dass der Anlagenbetreiber die am
besten geeignete Art wählen kann.
OPC-UA stellt insgesamt 9 Basis Service Sets zur
Verfügung. Im Folgenden sind die einzelnen Sets mit
einer kurzen Beschreibung aufgelistet. Da nicht alle
Server alle Service Sets verwenden, kann über ihre
Profile abgefragt werden, welche Services sie unterstützen. Profile werden hier nicht näher betrachtet.
➞ SecureChannel Service Set
	Der Client kann damit die Sicherheitskonfiguration des Servers abfragen und einen Kommunikationskanal einrichten, bei dem die Vertraulichkeit
und die Vollständigkeit (Integrität) der ausgetauschten Meldungen garantiert ist.
	Diese Services werden nicht direkt in der OPCUA Applikation implementiert sondern vom verwendeten Kommunikations-Stack zur Verfügung
gestellt.

➞ Session Service Set
	Dient zum Erstellen einer anwenderspezifischen
Verbindung zu einer Applikation.
➞ NodeManagement
Service Set
	Damit können Knoten (Nodes) im Adressraum
hinzugefügt, geändert oder gelöscht werden.
➞ View
Service Set	
Der Client kann damit durch den Adressraum(oder Teilen davon) browsen, also in der Hierarchie auf und ab navigieren oder Verweisen zwischen Knoten folgen. Es erlaubt dem Client auchdie Struktur des Adressraums zu erkunden.
➞ Attribute Service Set	
Diese Services werden vom Client zum Lesenund Schreiben von Werten (Attributen) benötigt.
➞ Method Service Set
	Erlaubt das Aufrufen von Methoden, welche ineinem Knoten im Adressraum enthalten sind.
➞ MonitoredItem Service Set
	Mit diesem Dienst kann eingestellt werden, welche Attribute aus dem Adressraum für einen Client auf Wertänderungen überwacht werden sollen oder an welchen Events der Client interessiertist.
➞ Subscription Service Set
	Damit können für MonitoredItems Mitteilungenerzeugt, verändert oder gelöscht werden.
➞ Query Service Set
	Diese Services erlauben dem Client Knoten nachbestimmten Filterkriterien aus dem Adressraum
auszuwählen.

17

Plattform-Unabhängigkeit
Im Gegensatz zu „Classic OPC“, das auf der DCOM
Technologie basiert und deshalb zwangsläufig an die
Windows Plattform und dort unterstützte Sprachen
gebunden ist, wurde OPC-UA von Beginn an für den
Einsatz auf beliebigen Plattformen und Programmiersprachen konzipiert.
Tool orLanguage
Dependent(e.g. .NET)

API
Proxy /
Stubs
Services
Binding
Abstract UA Model
Specification

Dienste sind unabhängig vom Modell

➞ Auf

der untersten Ebene sind das abstrakte
OPC-UA Modell und die Services. Darin enthalten
ist das gesamte Adressraummodell, verschiedene
Objekt- und Variablenstrukturen, Alarme, und
mehr.
➞ Auf

der nächsten Ebene (Services Binding) wird
spezifiziert, wie die Services auf bestimmte Protokolle abzubilden sind. Zurzeit gibt es eine Abbildung für TCP (UA-TCP) und für HTTP (OPC-UA
WebServices). In Zukunft – wenn sich neue Technologien etablieren – können weitere Abbildungenspezifiziert werden ohne das OPC-UA Modell unddie Services zu ändern. Die Abbildungen basieren
ausschließlich auf standardisierten Basisprotokollen die auf allen bekannten Plattformen bereits
existieren.
➞ Diefolgenden Ebenen sind Realisierungen fürdedizierte Plattformen und Sprachen. Die OPC
Foundation selbst bietet drei solche Realisierungen an, nämlich für Java, .NET und AnsiC/C++.
Die letzte Variante enthält eine Plattform-Adaptionsschicht.

Performance
Die OPC-UA Services können auf unterschiedliche
Technologien abgebildet werden. Zurzeit gibt es im
Wesentlichen zwei Abbildungen: UA-TCP und
HTTPS. Der Einsatz von UA-TCP über moderne
Ethernet Technologien sichert sehr gute Performancewerte. Aber auch die Services selbst sind fürhohen Datendurchsatz konzipiert. Mit einem einzelner Leseaufruf kann z.B. auf tausende von Werten
zugegriffen werden. Subscription Services ermöglichen die Notifizierung bei Änderung und Überschreitung von Schwellwerten.
Informationsmodelle mit OPC-UA
Das OPC-UA Meta Modell➞ Wichtig: Das OPC-UA Modell beschreibt,
wie Clients auf Informationen im Server zugreifen. Es spezifiziert in keiner Weise wie
diese Information im Server zu organisieren
ist. Sie könnte z.B. in einem unterlagerten
Gerät oder in einer Datenbank liegen.

Das OPC-UA Objektmodell definiert einen Satz voneinheitlichen Knotentypen, mit denen Objekte im Adressraum dargestellt werden können. Dieses Modell
repräsentiert Objekte mit ihren Variablen (Daten/
Eigenschaften), Methoden, Events und ihren Beziehungen zu anderen Objekten.
Die Eigenschaften der Knoten werden durch OPCUA definierte Attribute beschrieben. Attribute sinddie einzigen Elemente eines Servers, die Datenwerte
haben. Die Datentypen der Attribute können einfachoder auch komplex sein.
OPC-UA ermöglicht die Modellierung beliebiger Objekt- und Variablentypen und Beziehungen zwischen
diesen. Die Semantik wird vom Server im Adressraum angezeigt und kann von Clients (beim Navigieren) erfasst werden. Typdefinitionen können standardisiert oder herstellerspezifisch sein. Jeder Typ wirdvon der Organisation identifiziert, die für seine Definition verantwortlich ist.

18

OPC-UA Technologie im Detail

Generische OPC-UA
Informations-modelle
Modelle für allgemein gültige Information (z.B. Alarme oder Automatisierungsdaten) sind bereits durch
OPC-UA spezifiziert. Andere Informationsmodelle
leiten sich davon ab um die allgemeinen Definitionen
weiter zu spezialisieren. Clients, die gegen die allgemeinen Modelle programmiert sind, können daher ingewissen Umfang auch die spezialisierten Modelle
bearbeiten.

2. Alarms and Conditions (AC)Dieses Informationsmodell definiert, wie Zustände(Dialoge, Alarme) gehandhabt werden. Eine Zustandsänderung löst ein Event aus. Clients können
sich für solche Events anmelden und auswählen,welche der verfügbaren Begleitwerte sie als Teil desEventreports erhalten wollen (z.B. Meldungstext,
Quittierverhalten).
3. Historical Access (HA)
HA ermöglicht dem Client Zugriff auf historische Variablenwerte und Events. Er kann diese Daten lesen,schreiben oder ändern. Die Daten können sich in einer Datenbank, in einem Archiv oder in einem anderen Speicher befinden. Vielfältige Aggregatfunktionen erlauben eine Vorverarbeitung im Server.

1. Data Access (DA)
Data Access, kurz DA, beschreibt die Modellierungvon Automatisierungsdaten. Es beinhaltet unter anderem die Definition von analogen und diskreten Variablen, Engineering Units und Quality Codes. Datenquellen sind Sensoren, Regler, Positionsgeber etc.
und können entweder über direkt am Gerät liegende
I/O’s oder über serielle Verbindungen und Feldbusse
auf entfernten Geräten angeschlossen werden.

4. Programs
Ein ‚Program‘ repräsentiert eine komplexe Aufgabe,
wie den Betrieb und die Bedienung von Batch Prozessen. Jedes Programm stellt sich durch einen Zustandsautomaten dar; die Zustandsübergänge lösen
Meldungen an den Client aus.

Boiler 1
Pipe1001

FC1001
FT1001

Measurement

SignalDataItem

FlowToControlOut

Valve1001

Signal
Setpoint

DataItem

LC1001

Drum1001
LI1001
FlowToMeasurement

SignalDataItem

SignalExecutes

ControlOut

Pipe1002
FT1002SignalExecutes

Setpoint
CC1001

DataItem

SignalSignalInput1
Executes
Input2
Input3ControlOut

Beispielhafte UA-Modellierung eines Kessels

ControlModule

19

Technologie-spezifische
Informations-modelle
Etliche Standardisierungsgremien der Leittechnik/
Automatisierungstechnik erstellen technologie-spezifische Informationsmodelle. IEC61804 (EDDL), ISA
SP 103 (Field Device Tool), ISA-S88, ISA-S95, und
IEC-TC57-CIM seien als Beispiele genannt. Diese
Spezifikationen sind wichtig, da sie jeweils die Bezeichnungen von Einheiten, Relationen und Arbeitsabläufen bestimmter Wissensgebiete vereinheitlichen.
Schon frühzeitig hat die OPC Foundation bei der
Entwicklung des neuen Standards auf die Zusammenarbeit mit anderen Organisationen gesetzt. In
gemeinsamen Arbeitsgruppen mit diesen Organisationen werden Abbildungsregeln für deren Informationsmodelle auf OPC-UA spezifiziert (= Companion
Standards).

Zurzeit gibt es oder entstehen folgendeCompanion Standards:➞O PC-UA for Devices(IEC 62541-100)➞O PC-UA for Analyser Devices➞O PC-UA for Field Device Integration➞O PC-UA for Programmable Controllers
based on IEC61131-3➞O PC-UA for Enterprise and Control
Systems based on ISA 95➞O PC-UA for Machine Tool Connectivity(MTConnect)

Quelle: Auszug aus 4. Jahreskolloqium „Kommunikation in der Automation“ (KommA 2013), ISBN: 978-3-944722-00-9

20

OPC-UA Technologie im DetailSecurity Modell
Allgemeines
Bei OPC-UA ist Security eine elementare Anforderung und sie wurde daher in die Architektur integriert.
Die Mechanismen (vergleichbar dem Secure Channel Konzept der W3C) basieren auf einer detaillierten
Analyse der Bedrohungen.
OPC-UA Security befasst sich mit der Authentifizierung von Clients und Servern, der Integrität und Vertraulichkeit der ausgetauschten Nachrichten und derPrüfbarkeit von Funktionsprofilen.
OPC-UA Security ergänzt die von den meisten webfähigen Plattformen bereitgestellte Sicherheitsinfrastruktur. Sie basiert auf der in der folgenden Abbildung gezeigten Architektur. Die drei Ebenen sindUser Security, Application Security und Transport
Security.
Die Mechanismen der OPC-UA User Level Security werden einmalig beim Aufbau einer Sitzung
durchlaufen. Der Client übermittelt an den Server
ein verschlüsseltes Security Token, das den Benutzer identifiziert. Der Server authentifiziert den Benutzer anhand des Tokens und autorisiert danachden Zugang zu Objekten im Server. Autorisierungs­
mechanismen wie Access Control Lists werden in
der OPC-UA Spezifikation nicht definiert. Sie sindan­wendungs- und/oder systemspezifisch.
OPC-UA Application Level Security ist ebenfalls Teildes Sitzungsaufbaus und umfasst den Austauschdigital signierter Zertifikate. Instanzzertifikate identifizieren die konkrete Installation. Software-Zertifikate
identifizieren die Client- und Server-Software sowie
die implementierten OPC-UA Profile. Sie beschreiben Fähigkeiten des Servers, wie z.B. die Unterstützung eines spezifischen Informationsmodells.
Sind User und Application Level Security nicht ausreichend, kann Transport Level Security eingesetzt
werden, um ganze Nachrichten zu verschlüsseln.
Diese Verschlüsselung verhindert die Offenlegung
und sichert die Unversehrtheit der übertragenen Informationen.
Die UA Sicherheitsmechanismen sind als Teil der
OPC-UA Stacks realisiert, d.h. sie gehören zu einemvon der OPC Foundation bereit gestellten Softwarepaket, sodass Client und Server diese lediglich anwenden müssen.

Client Plattform
User
Security

Client Anwendung

AP
Security

OPC UA Comms

Transport
Security

Plattform Comms

Server Plattform
User security token

Authentifizierung vonServeranwendung

OPC UA Comms

Client, Server, Nachrichten

Skalierbares Sicherheitskonzept

Verschlüsselung

Plattform Comms

Autorisierung und
Zugangssteuerung

ServerObjekte21

Skalierbare Security
Security Mechanismen sind nicht umsonst und beeinträchtigen die Performance. Security sollte daher
nur dort zur Anwendung kommen, wo sie auch benötigt wird. Diese Entscheidung soll aber nicht der
Entwickler / Produktmanager treffen, sondern derAnlagenbetreiber (Systemadministration).
Die OPC-UA Security Mechanismen sind skalierbar
konzipiert. OPC-UA Server stellen sogenannte Endpoints bereit, die unterschiedliche Security Stufen
repräsentieren, unter anderem auch einen EndPoint
ohne Security („NoSecurity“ Profil). In einer Anlage
kann nun der Administrator bestimmte Endpoints
vollständig abschalten (z.B. den mit dem NoSecurity
Profil). Es kann aber auch im Betrieb durch den Operator eines OPC-UA Clients der für die jeweilige Aktion geeignete Endpoint beim Verbindungsaufbau
gewählt werden.
Nicht zuletzt können OPC-UA Clients selbst sicherstellen, dass sie für den Zugriff auf sensible Daten
immer Endpoints mit Security wählen.

Secure Channel
Mit dem SecureChannel legt man den SecurityModeund die SecurityPolicy fest. Der SecurityMode beschreibt wie die Nachrichten verschlüsselt werden.
Es gibt die von OPC-UA definierten drei Möglichkeiten: „None“, „Sign“ und „SignAndEncrypt“. Die SecurityPolicy definiert Algorithmen zum Verschlüsseln
der Nachrichten.
Für das Einrichten benötigt der Client den öffentlichen Schlüssel des Server Instanz-Zertifikates. Der
Client übergibt danach sein eigenes Instanzzertifikat,anhand dessen der Server entscheidet ob er dem
Client vertraut.

Industrie 4.0: Ausblick
OPC-UA ist ein ausgereifter Standard, durch den
die Anforderungen von Industrie 4.0 bzgl. semantischer Interoperabilität gelöst werden können.
OPC-UA stellt Protokoll und die Services bereit(das „Wie”), um reichhaltige Informationsmodelle(das “Was”) zu publizieren und komplexe Datenzwischen unabhängig entwickelten Anwendungen auszutauschen.

Obwohl bereits verschiedene wichtige Informationsmodelle existieren, gibt es hier noch Handlungsbedarf:➞W ie geben sich z.B. ein „Temperatursensor“oder eine „Ventilsteuerung“ zu erkennen?
➞W elche Objekte, Methoden, Variablen undEreignisse definieren die Schnittstelle für
Konfiguration, Initialisierung, Diagnose und
Laufzeit.

22

OPC-UA LösungenEngineering: Interoperabilität durch AutomationML und OPC-UA

Anforderungen an die Fabrik der Zukunft
Dr. Olaf Sauer, Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB),
Mitinitiator der Arbeitsgruppe „AutomationML und OPC-UA“Die Fabrik der Zukunft muss in der Lage sein, z. B.
kundenindividuelle Produkte mit immer neuen Varianten herzustellen und kurze Produktlebenszyklen,
schnelle Lieferzeiten, Null-Fehler-Produktion und ressourcenschonende Fertigung zu ermöglichen. Industrie 4.0 ist ein strategisches Rahmenprogramm,
um die zunehmende „Informatisierung“ in der produzierenden Industrie zu verankern. Viele Einzeltechnologien sind schon vorhanden und müssen jetzt industrietauglich zusammengeführt werden.
Eine wesentliche Anforderung an die IKT-Architektur
in der Industrie 4.0 ist die Fähigkeit, sich an Änderungen anzupassen – sei es, dass neue Anlagen oder
Produktionsprozesse in das System eingebracht
werden oder bestehende Produktionssysteme verändert werden, z. B. weil eine Produktvariante zusätzlich gefertigt werden soll. Diese Fähigkeit wird als
wandlungsfähige IKT bezeichnet. Dabei ist die zentrale Idee, dass Mechanismen der Selbstbeschreibung in Bezug auf Funktionalität, Identifizierung,Selbstaufbau der Kommunikation und geregeltem
Datenaustausch genutzt werden, wenn neue Komponenten, Maschinen oder Anlagen in ein Produktionssystem eingebracht werden oder sich softwarerelevante Änderungen in der Produktion
ergeben.

AutomationML™ und OPC-UA
für Industrie 4.0
Um Selbstkonfiguration zu ermöglichen, bieten sich
AutomationML zur Beschreibung der Fähigkeiten
von Komponenten und Maschinen und OPC-UA zu
deren Kommunikation an.
Ziel der Kooperation von OPC-Foundation und
AutomationML e.V. ist es, beide Technologien zu
Methoden und Werkzeugen für Informations- undSoftwarearchitekturen zu verknüpfen, die eine
durchgängige, konsistente und gesicherte Datenbereitstellung und -kommunikation bei Änderungen in
der Fabrik ermöglichen. Dazu werden Eigenschaften und Fähigkeiten als AutomationML-Objekte direkt auf den Komponenten gespeichert. Parallel zur
physischen Integration stehen sie damit als OPC-UA
Informationsmodell direkt in der Steuerung zur Verfügung. Die Komponentenhersteller ermitteln vorab die
hierzu benötigten Informationen und hinterlegen sie
auf den Bauteilen. Durch die physische und informelle Integration wird eine Zeitersparnis von rd. 20 % bei
Erstinbetriebnahme, Instandhaltungstätigkeiten undÄnderungen der Produktion möglich. Noch höhere
Potentiale lassen sich ausschöpfen, wenn Daten, die
zur Konfiguration eines MES benötigt werden, ausden vorgelagerten Engineering-Systemen als AutomationML-Objekte direkt in OPC-UA Informationsmodellen abgelegt werden.

23

Skalierbarkeit: OPC-UA im Chip Level»OPC-UA auf dem Chiplevel als
Enabler für Industrie 4.0«
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jasperneite, Institutsleiter, Institut für Industrielle Informationstechnik (inIT),
Hochschule Ostwestfalen-Lippe und Fraunhofer-Anwendungszentrum Industrial Automation (IOSB-INA)

Industrie 4.0 beschreibt die Vision von intelligenten
technischen Systemen, die künftig mit Hilfe von Verfahren der Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration
und der Selbstdiagnose adaptiv und vorausschauend werden und so mit ihrem Umfeld interagieren
und sich diesem durch Lernen anpassen können.
Hierdurch können neue Lösungen entstehen, diesich durch Wandlungsfähigkeit, Ressourceneffizienz und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Neben
Verfahren der kognitiven Informationsverarbeitung,die deutlich über die heutige übliche reflektorische
Informationsverarbeitung in automatisierungstechnischen Systemen hinausgeht, kommt der intelligenten Vernetzung eine zentrale Bedeutung zu.

Während sich in der Automation heute vielfältige, fürden Anwendungsfall optimierte, Kommunikationstechniken (z.B. Echtzeit-Ethernet, WLAN) etabliert
haben, ist der vertikale Informationsfluß von der Sensorebene bis in das Internet häufig noch durch Technologiebrüche gekennzeichnet. Mit Hilfe von OPCUA kann diese Aufgabe nun gelöst werden. 2012 hat
das Fraunhofer-Anwendungszentrum IOSB-INA zusammen mit dem Institut für industrielle Informationstechnik der Hochschule OWL in einem EU-Projekt zum Internet der Dinge den Nachweis erbracht,
dass OPC-UA derart skalierungsfähig ist, dass sichein OPC-UA-Server mit nur 15 kByte RAM und
10kByte ROM direkt auf einem Chip implementieren
lässt. Hierzu wurde das „Nano Embedded Device
Server profile” der OPC Foundation herangezogen.
Der Protokollstapel wurde in ANSI C realisiert undumfasst ca. 2000 Codezeilen und setzt eine TCP/
IP-Basisfunktionalität voraus. Mit Hilfe von am Marktverfügbaren OPC-Clients kann nun eine direkte
Kommunikation mit Feldgeräten oder eine Aggregation von Servern zur Verdichtung von Informationen
erfolgen. Wichtiger Bestandteil dieses Konzepts ist,
dass für die zeitkritische maschinennahe Datenübertragung die OPC-UA-Kommunikation parallel zu derEchtzeitkommunikation stattfinden kann.
In einem nächsten Schritt sollen die OPC-UA Funktionalitäten auch für ein Plug-and-Play von Feldgeräten verwendet werden. Hierzu ist eine semantischeInteroperabilität notwendig, die das Beschreiben,
Auffinden und dynamische Orchestrieren von Diensten ermöglichen. Hierdurch kann der Umbau und die
Inbetriebnahme von automatisierten Systemen deutlich reduziert werden und dadurch die Wandlungsfähigkeit für produzierende Unternehmen gesteigert
werden.

24

OPC-UA Lösungen

Skalierbarkeit: OPC-UA im Sensor»Die Integration von OPC-UA in unsere
Mess­geräte ermöglicht unseren Kunden eineübergreifende, gesicherte Kommunikation«
Alexandre Felt, Projektmanager der AREVA GmbH

Skalierbarkeit: AREVA profitiert
von Sensor mit integriertem
OPC-UA Protokoll
Eine allumfassende, durchgängige Vernetzung überalle Ebenen ist eine der Herausforderungen von Industrie 4.0. Als Evolutionsschritt auf dem Weg zur
Umsetzung der 4. industriellen Revolution können
Unternehmen bereits jetzt mit Embedded OPC UA
einen entscheidenden Schritt in Richtung Zukunftsetzen. Die Firma AREVA hat in Kooperation mit dem
Partner MatrikonOPC frühzeitig das Potential von
OPC-UA im Sensor erkannt und in Überwachungsgeräte (SIPLUG®) für Armaturen und deren elektrische Antriebe integriert. Die Lösung wird in der Nuklearbranche für die Überwachung kritischer Systeme
in entfernten Umgebungen eingesetzt, ohne die Verfügbarkeit des Systems zu beeinflussen.
Zuvor nutzte SIPLUG® wie die meisten Anwendungen in der Kernenergiebranche traditionell ein proprietäres Datenaustauschprotokoll – nur schwer war so
die Integration in bereits bestehende Anlagen-Infrastrukturen umsetzbar, der Aufwand für verschiedene
Zwecke wie Datenpufferung oder Datenanalyse war
stets mit Extrakosten zur Integration verbunden.
Vorteile von Embedded OPC-UA
Aus der Sicht des Endnutzers erlaubt die native
OPC-UA Konnektivität die direkte Einbindung der
AREVA-Produkte in die Infrastruktur, ganz ohne Bedarf an zusätzlichen Komponenten: Die Lösung, erlaubt es dem Reporting- und Trendüberwachungssystem von AREVA direkt auf die SIPLUG®-Daten

Bei AREVA können mit OPC-UA die Daten von SIPLUG® übereinen offenen, internationalen Standard IEC62541 zuverlässig
in die oberen Unternehmensebenen gelangen – die Heraus­
forderung „durchgehende Datenverfügbarkeit“ wurde mit
OPC-UA gelöst.

zuzugreifen. Der Bedarf an zusätzlichen Treibern undInfrastrukturen entfällt dadurch komplett. Des Weiteren können zusätzliche Werte, wie beispielsweise
Druck und Temperatur die auf Werksebene verfügbar sind, einfach genutzt werden um die Genauigkeit
der Datenauswertung zu verbessern.
Kleinste Skalierung –integrierte Security
Neben der Zuverlässigkeit der Daten war auch die
integrierte Sicherheit ein wesentlicher Aspekt für den
Einsatz von OPC-UA. Die geringe Speicherauslastung beginnend bei 240kB Flash und 35kB RAM
kann in kleinste Geräte von AREVA integriert werden.

25

Identifikation: OPC-UA im RFID

»RFID & OPC-UA als Bausteinvon Industrie 4.0«
Dr. Jan Regtmeier, HARTING IT Software Development GmbH & Co. KG

Die Vision der Industrie 4.0 zielt auf die nahtlose
Kommunikation zwischen realen Objekten und verschiedenen Computersystemen ab. Ein Ziel ist es,
dass ein Produkt seinen eigenen Produktionsprozess steuert.
Die erste Hürde tritt allerdings früh auf: wie identifiziert ein Softwaresystem ein reales Objekt, z.B. ein
Werkzeug oder ein Betonteil? Hier hilft RFID. Mittels
eines Transponders bekommt ein Objekt eine Identität. Zusätzlich erhält das Objekt ein Gedächtnis inForm von Speicher und falls gewünscht Fühler inForm von Sensoren, z.B. um die Umgebungstemperatur zu erfassen.
Damit kann direkt zu Beginn eines Produktionsprozess definiert werden, wie das fertige Produkt beschaffen sein soll und diese Information am Objekt
gespeichert werden. Das Produkt bahnt sich dannselbstständig seinen Weg durch die verschiedenen
Produktionsschritte.
Bei jedem Prozessschritt benötigen dabei unterschiedliche Systeme die RFID Daten des Produkts.
Dies kann eine SPS sein, in anderen Fällen aber das
MES oder ERP System. Alle Systeme sprechen aktuell aber unterschiedliche Sprachen. Beispiel SPS:
Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT, CC-Link usw. Dies
treibt den Integrationsaufwand für den Kunden.
OPC-UA erlaubt hier, dass jeder den anderen versteht.
Die wichtigste Aufgabe für die RFID Reader-Hersteller ist bislang aber nicht angegangen worden, unddaher mein Ziel: „Die großen RFID-Hersteller sollensich auf eine Semantik abgebildet in OPC-UA einigen.“OPC-UA Lösungen

26

Integration: OPC-UA-Client und -Server im Controller»OPC UA: Mit semantischen Informations­modellen vom Controller bis in die Cloud«Stefan Hoppe, Beckhoff Automation, Produkt Manager TwinCAT
Chairman der gemeinsamen Arbeitsgruppe PLCopen & OPC Foundation, President OPC Foundation Europe

Die Interaktion zwischen der IT und der Automatisierungswelt ist sicher nicht revolutionär, sondern
entspricht seit vielen Jahren dem etablierten Modell
der Automatisierungspyramide: Die obere Ebene
initiiert als Client eine Datenkommunikation zur darunter liegenden Ebene, diese antwortet als Server
zyklisch oder ereignisgesteuert: z. B. lässt sich eine
Visualisierung von der SPS die Statusdaten übermitteln oder gibt neue Produktionsrezepte in die SPS.
Mit Industrie 4.0 wird sich diese strikte Trennung derEbenen und der Top-Down-Ansatz des Informationsflusses aufweichen und vermischen: In einer intelligenten Vernetzung kann jedes Gerät oder Dienst
eigenständig eine Kommunikation zu anderen Diensten initiieren.

Storage

Cloud

OPC-UA-Server
Historische Daten

ERP
MES

SCADA/HMI

PLCs

Factory Floor

SPS Controller initiiert horizontale
und vertikale Kommunikation
Die PLCopen (Vereinigung der IEC61131-3 basierenden Steuerungshersteller) hat dazu in Zusammenarbeit mit der OPC-Foundation die OPC-UA-Client
Funktionsbausteine definiert. Damit kann die Steuerung – zusätzlich oder alternativ zur bisherigen Rollenverteilung – auch den aktiven, führenden Partübernehmen. Die SPS kann somit komplexe Datenstrukturen horizontal mit anderen Controllern austauschen oder vertikal Methoden in einem OPC-UA
Server in einem MES/ERP System aufrufen, um sichz. B. neue Produktionsaufträge abzuholen oder Daten in die Cloud zu schreiben. Es ermöglicht der
Produktionslinie selbständig aktiv zu werden, in
Kombination mit der integrierten OPC-UA Security
ein entscheidender Schritt in Richtung Industrie 4.0.
Semantische Interoperabilität
Durch die Standardisierung der beiden Organisationen wird auch eine Abbildung des IEC61131-3
Softwaremodells auf den OPC-UA Server Adressraum definiert: Der Vorteil für Anwender ist, dass ein
SPS Programm, ausgeführt auf verschiedenen
Steuerungen verschiedener Hersteller, nach außen
hin, für OPC-UA Clients unabhängig ihrer Funktion,
ein semantisch identischer Zugriff ergibt: Die Datenstrukturen sind immer identisch und konsistent. Das
Engineering einer Anlage vereinfacht sich dadurchganz erheblich. Die branchenspezifische Standardisierung der Semantik wird bereits von anderen Organisationen genutzt und ist die eigentliche Herausforderung von Industrie 4.0.

27

Horizontal: OPC-UA ermöglicht M2M und IoT»Intelligente Wasserwirtschaft –M2M Interaktion basierend auf OPC-UA«
Silvio Merz, Sachgebietsleiter Elektro-/Prozesstechnik
Zweckverband Wasser und Abwasser Vogtland

Füllstanderreicht!

Closeduser groupOk, ichschalte ab!

Qualität
Trinkwasser?

Closeduser group

Alles ok!

Closeduser group

Betrachtet man einige der Grundideen von Industrie 4.0 wie plattform- und herstellerunabhängige
Kommunikation, Datensicherheit, Standardisierung,dezentrale Intelligenz, Engineering, so steht mit
OPC-UA bereits eine Technologie für M2M- (Machine-to-Machine) bzw. IoT- (Internet of Things) Anwendungen zur Verfügung.
Für die intelligente Vernetzung von dezentralen, autark agierenden kleinsten embedded Steuerungen,sprich jeweils ca. 300 trinkwasser- bzw. abwassertechnischen Anlagen (Pumpwerke, Wasserwerke,
Hochbehälter …), verteilt auf ca. 1.400 km², wird
OPC-UA für die direkte M2M Kommunikation zwischen den Anlagen genutzt:
Reale Objekte (z. B. eine Pumpe) wurden in der
IEC61131-3 SPS-Steuerung als komplexes Objekt
mit Interaktionsmöglichkeiten modelliert, durch den
in die Steuerung integrierten OPC-UA Server stehendiese Objekte automatisch für semantische Interoperabilität als komplexe Datenstruktur der Außenwelt
zur Verfügung.
Das Ergebnis ist eine dezentrale Intelligenz, die eigenständig Entscheidungen trifft und Informationen
an seine Nachbarn übermittelt bzw. Stati und Prozesswerte für den eigenen Prozess abfragt, um einen ungestörten Prozessablauf zu gewährleisten.
Mit den standardisierten Function Blocks der
PLCopen initiieren die Geräte als OPC-UA Client ei-

genständig die Kommunikation aus der SPS heraus
zu anderen Prozessteilnehmern, während sie gleichzeitig als OPC-UA Server auf deren Anfragen oder
auf Anfragen übergeordneter Systeme (SCADA,
MES, ERP) antworten können. Die Geräte sind per
Mobilfunkrouter verbunden: eine physikalische Verbindungsunterbrechung führt dabei nicht zu einem
Informationsverlust, da Informationen automatischim OPC-UA Server für eine Zeit gepuffert werden
und abrufbar sind, sobald die Verbindung wieder
hergestellt wurde – eine sehr wichtige Eigenschaft
für die zuvor hoher proprietärer Engineeringaufwand
betrieben wurde. Für die Integrität dieser zum Teilsensiblen Daten wurden neben einer geschlossenen
Mobilfunkgruppe die in OPC-UA integrierten Sicherheitsmechanismen Authentifizierung, Signierung und
Verschlüsselung genutzt.
Der herstellerunabhängige Interoperability Standard
OPC-UA eröffnet uns als Endanwender die Möglichkeit, die Auswahl einer Zielplattform der geforderten
Technologie unterzuordnen, um so den Einsatz proprietärer bzw. nicht anforderungsgerechter Produktezu umgehen.
Der Ersatz einer proprietären Lösung durch eine
kombinierte OPC-UA-Client/Server Lösung erbrachte uns beispielsweise eine Einsparung der Lizenz-Initialkosten von mehr als 90 % je Gerät.

OPC-UA Lösungen

28

Vertikal: OPC-UA von der Produktion bis in das SAP

Die nahtlose MES Integration von Anlagen
mit OPC-UA vereinfacht die Shop Floor
Programmierung
Roland Essmann, Elster GmbH, Projektleiter Manufacturing Execution System (MES)SAP ERP

SAP
Manufacturing
Execution

Das Produkt bestimmt selber die Art und Weise, wie
es produziert werden soll und ermöglicht damit im
Idealfall eine variantenreiche Fertigung ohne manuelles Rüsten der Anlage. Diese Vision von Industrie 4.0
ist bei Elster bereits heute in ersten Linien verfügbar.
Eine wesentliche Rolle spielt dabei die nahtlose Integration zwischen Shop Floor, MES und ERP auf derBasis von OPC-UA.
An jedem Arbeitsschritt wird das Produkt anhandseiner eindeutigen Produktsteuerungsnummer (PSN)
identifiziert. OPC-UA ermöglicht, dass die Steuerung
der Anlage direkt mit dem MES System gekoppelt
ist, um flexible Abläufe und individuelle QualitätsPrüfungen im One-Piece-Flow zu realisieren. Dabei
werden praktisch ohne Zusatzaufwand SPS Variablen als OPC Tags veröffentlicht und einfach auf die
MES Schnittstelle gemappt. Selbst komplexe Strukturen können auf diese Weise schnell und Daten

SAP Plant
Connectivity
(PCo)

-

konsistent übertragen werde. Das MES System erhält die QM Vorgaben über Aufträge aus dem ERP
und meldet die fertigen Produkte an das ERP zurück. Die vertikale Integration ist somit keine Einbahnstraße, sondern stellt einen geschlossenen
Kreislauf dar.
Intelligente Produkte mit eigenem Datenspeicher
bieten künftig die Chance, weitaus mehr als nur eine
Produktsteuerungsnummer mit der Anlage auszutauschen. Arbeitspläne, Parameter und Qualitätsgrenzen könnten auf das Produkt geladen werden,
um eine autarke Fertigung zu ermöglichen.
Bis zur durchgängigen Umsetzung sind noch Herausforderungen bezüglich der Semantik (Terminologie) zu klären. Ein wichtiger Punkt ist in der Industrie
4.0 Debatte jedoch defacto bereits gesetzt: die
Kommunikation zwischen Produkt und Anlage wirdüber OPC-UA erfolgen.

PSN validieren: richtiger Schritt im Arbeitsplan,
Status nicht gesperrt oder Ausschuss
Maschine validieren: Status nicht in Maintenanceoder gesperrt
PSN undMaschine
validieren„StartResponse“
senden- i.O.
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N.i.o.

Fehlerbehandlung

NOK

29

Vertikal: OPC-UA plus UMCM – Der „USB-Stecker“ zwischen SPS und MES

Vertikal:
Semantische Informationsmodelle für MES
Angelo Bindi, Senior Manager Central Control and Information Systems Continental Teves –Gründunsgmitglied und Vorstand MES DACH

Der Weg ist das Ziel …
Für jeden ist es begreiflich, das es notwendig ist einen Weg zu haben, wenn man von A nach M gehen
möchte. In der Automatisierungstechnik ist das nicht
anders. Wir müssen von der Maschine (Automatisierungsebene) mit überlagerten Systemen (MES – Manufacturing Execusion System) kommunizieren. Der
MES D.A.CH Verband hat es sich zur Aufgabe gemacht MES begreiflich – im wahrsten Sinne desWortes – zu machen. Dafür ist es notwendig, dasDaten in ihrer Form und Gestalt – also durch ein Datenmodell – und durch ihrem Inhalt – also im gesamten durch ihre Semantik– beschrieben werden müssen.

Das haben wir im MES D.A.CH Verband mit UMCM
(Universal Machine Connectivity for MES) – also eine
einheitliche auf den kleinsten gemeinsamen Nenner
optimiertes Kommunikationsmodell für die Maschinendaten in Richtung der überlagerten Systeme –gemacht.
Dies allein reicht aber nicht aus. Es ist notwendig einen sicheren, schnellen, standardisierten, einfach zu
erkennenden und wenn nötig erweiterbaren Weg zu
gehen. Mit OPC-UA haben wir ein einheitlichen, überdie verschiedenen Security Layer sicheres und dennoch – wenn notwendig – erweiterbares System zur
Verfügung, welches konkurrenzlos ist. Hiermit ist zukünftig sichergestellt, das eine optimale bidirektionale Kommunikation möglich ist.
Der MES D.A.CH Verband stellt zusammen mit der
OPC Foundation auf Basis von OPC-UA Bausteinenach IEC 61131-3 für verschiedene SPS Lieferanten
und auf Hochsprachen Ebene zur Verfügung, dieeine einfache und schnelle Implementierungen ermöglichen. Dies ist eine effiziente und einfache Art
und Weise Systeme „Industrie 4.0“ fähig zu machen.

30

OPC-UA LösungenMensch-zu-Maschine: OPC-UA im Browser»OPC-UA bietet eine durchgängige Kommunikation bis in den WebBrowser und schafft damit
beste Voraussetzungen für diejenige Flexibilität,
die im Umfeld von Industrie 4.0 und dem Internet-of-Things gefordert wird.«
PD Dr.-Ing. Annerose Braune, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Automatisierungstechnik
Technische Universität Dresden

Am Institut für Automatisierungstechnik der TU Dresden wurde frühzeitig erkannt, dass auch im Bereich
industrieller SCADA-Systeme der Trend hin zu mobilen Anwendungen geht. Aufgrund der ständig steigenden Gerätevielfalt bieten sich hier vor allem
Browser-basierte Lösungen an.
In einer Kooperation mit der Firma ascolab GmbHwurde daraufhin bereits im Jahr 2009 ein Projekt gestartet, welches die Untersuchung des direkten Zugriffs auf OPC-UA-Server mittels JavaScript zum Inhalt hat. Die Nutzung von JavaScript hat dabei den
Vorteil, dass im Browser keine speziellen Plug-Ins
notwendig sind.
Gute Voraussetzungen für eine performante Lösung
bietet dabei das hybride Profil des OPC-UA-Kommunikationsstacks, welches eine optimale Kombination zwischen Leistungsfähigkeit und Geschwindigkeit bietet. Dies wird durch die Nutzung einer binären
Kodierung in Verbindung mit einer Nachrichten­übertragung über HTTPS erreicht. Da HTTPS vonjedem Browser nativ unterstützt wird, müssen

Hybrid Profile

Serialization
Layer:

Secure Channel
Layer:

Transport
Layer:

BinaryEncoding(HTTPS)HTTP(S)

rechen­intensive Verschlüsselungsalgorithmen nicht
per JavaScript ausgeführt werden.
Der im Projekt entstandene Prototyp macht sich diese Vorteile zunutze und ermöglicht das einfache Erstellen von JavaScript-basierten OPC-UA-Clients.
Dabei ist eine breite Unterstützung auch auf mobilen
Browsern gegeben (s. Tabelle). Über einen ProxyServer oder direkt über einen integrierten (minimalen)
Webserver liefert der OPC-UA Server die Oberfläche
und den ScriptCode an den Browser.
Zeitmessungen zeigen, dass eine Web-basierte Anwendung zwar nicht mit der Performance nativer Lösungen mithalten kann, allerdings für normale Anwendungen durchaus ausreichend ist. Dies gilt auchbei der Verwendung moderner Mobilgeräte wie
Smartphones oder Tablets, die einen Zugriff auf die
Daten eines OPC-UA-Servers direkt aus der Anlage
heraus ermöglichen (z.B. zu Wartungszwecken).
Weitere Entwicklungen betreffen die Integration zusätzlicher Funktionalitäten wie z.B. der Unterstützung von Alarmen und von Authentifizierungsmechanismen.
Desktop

Mobil

Android Browser 4.3

Firefox 25

Opera Mini 7.5 (Andr.)Opera 17

Opera 16.0 (Andr.)



IE 11



Chrome 30 (Andr.)

Chrome 30

31

Smart Metering: Verbrauchsinformationen vom Zähler bis in IT-Abrechnungssysteme

Sicher und flexibel:
Meter Data Collection mit OPC-UA
Carsten Lorenz, Leiter AMR (Automated Meter Reading) der Elster GmbH

„Ein sicheres und zuverlässiges Kommunikationsprotokoll spielt bei Smart Metering eine wichtige
Rolle“ sagt Carsten Lorenz, Leiter AMR (AutomatedMeter Reading) der Elster GmbH, einem führenden
Anbieter von Smart Meter Produkten für Gas, Wasser und Strom. „Innerhalb der Netze sorgt unser UMI
Protokoll (Universal Metering Interface) für optimale Energieeffizienz und lange Batterielebensdauer.
Für unsere eigenen als auch für andere Head-End
Systeme bietet Elster eine Software mit OPC-UA
Schnittstelle an, da bereits viele Systeme der Versorgungsunternehmen diesen etablierten Standard
un­ter­
stützen. Besonders die integrierte Verschlüsselung der sensiblen Zählerdaten ist ein wichtiges
Argument für OPC-UA“.
Die Sicherheit und Verschlüsselung von personenbezogenen Daten ist unter allen Umständen ein
Muss bei der Einführung von Smart Metering. Das
heißt: Entsprechende Sicherheitskonzepte müssen mit Smart Metering Einzug in vorhandene undneue Systeme halten und neue Prozesse wie z. B.
den Austausch von Verschlüsselungsmechanismen
Metering Application

Data Collection Engine

zwischen Herstellern und Energieversorgern be­rücksichtigen.
Bezogen auf Gaszähler werden Kommunikationsprotokolle verschlüsselt übertragen. Das heißt: Personenbezogene Daten und kritische Kommandos
wie z. B. das Schließen und Öffnen eines im Zähler
integrierten Ventils sind für Dritte nicht sichtbar undkönnen auch nicht abgefangen oder simuliert werden. Die Kommunikationsprotokolle unterstützen
asymmetrische als auch symmetrische Verschlüssungsverfahren nach aktuellem Stand der Technik
wie z. B. nach Advanced Encryption Standard (AES)an. Die AES-Verschlüsselung ist in den USA fürstaatliche Dokumente mit höchster Geheimhaltungsstufe zugelassen.
Smart Metering ist Wegbereiter für die Energie-Infrastruktur der Zukunft. Die transparente Online-Darstellung der Verbräuche bietet dem Kunden die
Möglichkeit, seinen Energiekonsum zu optimierenund flexible Tarife basierend auf Geräte- und Energiemix zu nutzen.

Meter Data Management System
SSL

Remote API
Elster Open Meter Data
Collection Engine

Internet

Meter DataManagement

Billing
Management

OPC-UA API
Asset
Management

APN

GSM / GPRS

etc.

32

OPC Foundation

OPC Foundation – Organisation
33 % NORDAMERIKA

48 % EUROPA

OPC
Organsisation
Mitglieder
6 % JAPAN
5 % CHINA
8 % SONSTIGE

Mit mehr als 450 Mitgliedern ist die OPC Foundation
die weltweit führende Organisation für Interoperabilitätslösungen basierend auf den OPC Spezifikationen. Alle Mitglieder, inklusive Firmenmitglieder,
Endanwender und nicht-wählende Mitglieder, engagieren sich für eine durchgängige, kompatible Kommunikation zwischen softwaregetriebenen Geräten
u.a. CPS im Umfeld industrieller Automatisierung.
Speziell für Hersteller von Automatisierungslösungenund Anbietern der OPC Technologie bietet die OPC
Foundation ein Marketingprogramm mit Newsletter,
Webseitenauftritt und verschiedenen Schulungsund Informationsveranstaltungen. Für die Gruppe
der Endanwender der OPC Technologie werden Veranstaltungen und Ausbildungsprogramme von Mitgliedsfirmen angeboten. Die Zusammenarbeit von
Entwicklern und Anwendern in Arbeitsgruppen ist
entscheidend, um die Anforderungen aus der Praxis
und Rückmeldung der Anwender in den Spezifikationen zu berücksichtigen.
Unabhängigkeit
Die OPC Foundation ist eine non-profit Organisation,
unabhängig von einzelnen Herstellern oder speziellen Technologien. Die Mitarbeiter in den Arbeitsgruppen werden unentgeltlich von den Mitgliedsfirmen
gestellt. Die Organisation finanziert sich vollständig
aus Mitgliedsbeiträgen und bezieht keine staatlichen
Zuschüsse. Die Organisation operiert weltweit undstellt auf allen Kontinenten regionale Ansprechpartner bereit. Unabhängig von ihrer Größe haben alle
Mitglieder identische Stimmrechte.
Mitgliederverteilung
Obwohl sich der Hauptsitz in Phönix, Arizona USA
befindet, sind mit knapp 50% die meisten Mitglieder
aus dem europäischen Raum. Nordamerika stellt
etwa 1/3 der Mitglieder. Alle namhaften deutschen
Hersteller von Automatisierungstechnik sind Mitglied
in der OPC Foundation und bieten bereits OPC
Technologien in ihren Produkten an.
Vorteile der Mitgliedschaft
Mitglieder der OPC Foundation haben vollen Zugriff
auf die neusten OPC Spezifikationen und Vorabversionen. Sie können in allen Arbeitsgruppen mitarbeiten
und Anforderungen und Lösungsvorschläge einbringen. Mitglieder haben kostenlosen Zugriff auf Kernimplementierungen und Beispielcode. Zusätzlich
werden scriptbasierte Test- und Analysetools bereitgestellt. Hersteller von OPC-fähigen Produkten können diese in akkreditierten Testlaboren zertifizieren
lassen. Die Entwickler- und Anwendergemeinschaft
trifft sich auf Veranstaltungen zum Erfahrungsaustausch und Networking. Pro Jahr werden drei jeweils
einwöchige Interoperability Workshops (IOP) veranstaltet bei denen die neusten Produkte miteinander
getestet werden.

OPC FOUNDATION – RESSOURCEN

33

OPC Foundation liefert Spezifikationen
und Informationen

RESSOURCEN
Die Verbreitung einer Technologie basiert auf derÜberzeugung der Anwender und deren Verständnis
der Funktionalität und der technischen Details sowie
einer möglichst einfachen Umsetzung und deren Verifikation und Zertifizierung. Die OPC Foundation bietet Anwendern und speziell ihren Mitgliedern daher
eine Reihe von Informationen, Dokumenten, Tools
und Beispielimplementierungen.
OPC-UA Spezifikationen und IEC 62541
Die wichtigste Informationsquelle sind die Spezifikationen. Sie sind öffentlich zugänglich und auch als
IEC Normenreihe (IEC 62541) verfügbar. Die derzeit
insgesamt 13 OPC-UA Spezifikationen sind in drei
Gruppen unterteilt.

Core Specification Parts

Access Type Specification Parts

Part 1 – Concepts

Part 8 – Data AccessPart 2 – Security Model

Part 9 – Alarms & Conditions

Part 3 – Address Space Model

Part 10 – Programs

Part 4 – Services

Part 11 – Historical AccessPart 5 – Information Model

Utility Type Specification Parts
Part 6 – Service Mappings
Part 12 – Discovery
Part 7 – Profiles
Part 13 – Aggregates

IEC62541: OPC UA Spezifikationen➞ 1. Basis-Spezifikationen. Diese enthalten die
Basiskonzepte der OPC-UA Technologie und desSicherheitsmodells, sowie eine abstrakte Beschreibung des OPC-UA Metamodells und der
OPC-UA Dienste. Zusätzlich wird hier auch das
konkrete UA Informationsmodell und seine Modellierungsregeln beschrieben. Die konkrete Abbildung auf Protokollebene ist ebenso beschrieben wie das Konzept der Profile zu Skalierung derFunktionalität.
➞ 2. Zugriffsmodelle. Diese enthalten die Erweiterungen des Informationsmodells für die typischen
Zugriffe auf Daten, Alarme und Meldungen, historische Daten und Programme.
➞ 3. Erweiterungen. Diese enthalten zusätzliche
Konzepte zum Finden von OPC-UA fähigen Komponenten und deren Zugangspunkten in einem
Netzwerk sowie die Beschreibung der Aggregatfunktionen und Berechnungen für die Verarbeitung von historischen Informationen.
Webseite und VeranstaltungenAls weitere Informationsquelle dient die globale Webseite der OPC Foundation sowie weitere regionale
Seiten für Europa, Japan und China. Hier werden
u. a. die verfügbaren Produkte der Mitglieder undderen Zertifizierungsergebnisse veröffentlicht. Es stehen Informationen über Technologie und Kollaborationen in verschiedenen Sprachen zur Verfügung.
Weiterhin werden Informationsveranstaltungen der
OPC Foundation selbst und Veranstaltungen ihrer
Mitglieder bekannt gegeben und organisiert.

34

OPC – RESSOURCEN

Quellcode und Zertifizierung für Mitglieder

Quellcode und Testtools
Zur Sicherstellung der Kompatibilität stellt die OPC
Foundation ihren Mitgliedern zum einen die Implementierung der Kommunikationsprotokolle zur Verfügung. Zum anderen steht ein Zertifizierungsprogramm breit, inklusive der erforderlichen Tools, um
bei Applikationen die Konformität zur Spezifikationzu verifizieren und zu testieren.
➞ 1.
 OPC-UA Stack. Die Kommunikations-Stacks
stehen in drei Programmiersprachen bereit. ANSIC für skalierbare Implementierung auf nahezu allen Geräten, in managed C# zur Verwendung mit
dem .NET Framework von Microsoft, sowie einer
Implementierung in Java für Anwendungen in entsprechender Interpreterumgebung. Diese drei Implementierungen stellen die Basiskommunikation
auf dem Netzwerk sicher, sie sind untereinander
kompatibel und werden von der OPC Foundation
gewartet und gepflegt. Mitglieder haben kostenlosen Zugang zu den Stacks und zu deren Quellcode.
➞ 2.
 Zertifizierungsprogramm. Zum Test und zur
Zertifizierung des logisch korrekten Verhaltens,bietet die OPC Foundation ihren Mitgliedern eine
Testsoftware (Compliance Test Tool). Hiermit wird
das logisch korrekte und spezifikationskonforme
Verhalten einer OPC-UA Anwendung verifiziert. In
unabhängigen Zertifizierungslabors können Hersteller ihre OPC-UA Produkte nach einer definierten Prozedur zertifizieren lassen, hierbei wird neben der Konformität auch das Verhalten in
Fehlerszenarien und die Interoperabilität mit anderen Produkten getestet.

INTEROPERABILITY WORKSHOPSDie OPC Foundation veranstaltet dreimal jährlich einen einwöchigen Interoperability-Workshop (IOP).
Mitglieder können dort ihre Produkte miteinander
testen. Der IOP Europa findet jedes Jahr im Herbst
bei der Siemens AG in Nürnberg statt. In Nordamerika und in Japan werden ebenfalls IOPs veranstaltet.
Diese Treffen bieten eine große Testumgebung mit
ca. 60 – 100 Produkten und bringen Entwickler undTester zusammen.

OPC-UA Verfügbarkeit

35

OPC-UA Starthilfe

Code und Beratung
Die OPC Foundation verwaltet die drei OPC-UA
Kommunikationsstacks (C, .NET und Java), um eineInteroperabilität auf Protokollebene zu gewährleisten. Obwohl den Mitgliedern diese Stacks auch im
Quellcode zur Verfügung stehen, entscheiden sichviele für ein kommerzielles Toolkit da neben der reinen Kommunikationsschicht für einen OPC-UA Server noch weitere verwaltungsspezifische Funktionalitäten zu implementieren sind. Hier setzen die Toolkits
an und fassen generische Funktionen wie Verbindungsmanagement, Verwaltung von Zertifikaten undSicherheitsfeatures zusammen.
Die Verwendung von Toolkits und Entwicklerframeworks steht auch Nicht-Mitgliedern offen und bringt
Vorteile bei der Implementierung und Time-to-Market mit sich.
Expertenwissen
Zur Integration von OPC-UA Kommunikationstechnologie in bestehenden Produkte ebenso wie
zur Umsetzung von neuen Produkten bieten in
Deutschland verschiedene Firmen kommerzielle Un-

OPC
From Data Access to
Unified ArchitectureISBN 978-3-8007-3217-3

terstützung an. Diese reicht von Beratung und
Entwicklerschulung über den Vertrieb von Soft­
warebibliotheken bis hin zu Entwicklungsunterstützung sowie Langzeitsupport und Pflege.
Die Entwicklerframeworks bzw. Toolkits können
günstig als binäre „Black box“ Komponente oderaber auch inklusive dem vollem Source erworben werden. Neben dem Source des OPC-UAStacks der OPC Foundation bieten kommerzielle
Toolkits Vereinfachungen und Komfortfunktionen, die allgemeine OPC-UA Funktionalität wird
hinter einer API gekapselt. Somit ist beim Anwendungsentwickler kein spezifisches OPCUA Know-How erforderlich, da die eine stabile,getestete Bibliothek ermöglicht sich auf eigene
Kernkompetenz zu konzentrieren.
Qualität und Funktion
OPC-UA Toolkits werden für verschiedenste Anwendungsszenarien im industriellen Umfeld eingesetzt und sind dadurch robust, zertifiziert undwerden stetig gepflegt, weiter verbessert underweitert. Für verschiedene Programmiersprachen bieten die Toolkitanbieter spezialisierte undoptimierte Entwicklerframeworks. Die Toolkits
unterscheiden sich in ihrem OPC-UA spezifischem Funktionsumfang und bezüglich ihrer Anwendung sowie der Einsatzumgebung. Begleitend zu allen Toolkits wird professioneller Support
und Entwicklungsunterstützung angeboten. Weitere Informationen erhalten Sie bei den ToolkitHerstellern.

OPC
UnifiedArchitecture
ISBN: 978-3-5406-8898-3

Weitere Informationen über Toolkits finden Sie bei …
➞ Matrikon OPC, Softing Industrial Automation GmbH, Unified Automation GmbH36

Headquarters / USA
OPC Foundation
16101 N. 82nd Street
Suite 3B
Scottsdale, AZ 85260-1868
Phone: (1) 480 483-6644
office@opcfoundation.org

OPC Europe
Eiserstrasse 533415 Verl
Germany
stefan.hoppe@opcfoundation.org

OPC Japan
c/o Microsoft Japan Co., Ltd
2-16-3 Konan Minato-ku, Tokyo
1080075 Japan
opcjapan@microsoft.com

OPC China
A-807, Jia Hao International Center, No 116
Zizhuyuan Road, Haidian District
Beijing, 100097
P.R.China
opcchina@opcfoundation.org
V2

www.opcfoundation.org