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17:04 20.06.2021
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Die Standards OPC DA und OPC UA ganz einfach erklärt


OPC (abgekürzt für engl. „Open Platform Communications“, früher engl. „OLE for Process Control“) ist ein Set von Softwaretechnologien, die eine einheitliche Schnittstelle für die Steuerung verschiedener Geräte und den Datenaustausch darstellen. Die OPC-Spezifikationen sind von der OPC Foundation, einer internationalen gemeinnützigen Organisation, entwickelt, die 1994 von führenden Herstellern industrieller Automatisierungsprodukte gegründet wurde. Das Ziel von OPC war es, Ingenieuren eine universelle Schnittstelle zur Steuerung verschiedener Geräte zur Verfügung zu stellen.

Dank der implementierten Unterstützung für den OPC-Client brauchten die SCADA-Systementwickler Hunderte von Treibern für verschiedene Geräte nicht mehr zu unterstützen, und Gerätehersteller konnten durch Hinzufügen eines OPC-Servers sich dafür verlassen, dass ihr Produkt von Benutzern aller SCADA-Systeme verwendbar ist.

Die OPC-Technologie umfasst mehrere Standards, die ein Set von Funktionen für einen bestimmten Zweck beschreiben. Aktuelle Standards:

  • OPC DA (Data Access) ist der gängigste Standard. Er beschreibt ein Set von Funktionen für den Echtzeit-Datenaustausch mit PLC (SPS), DCS, HMI, CNC und anderen Geräten.
  • OPC HDA (Historical Data Access) gibt den Zugriff auf bereits gespeicherte Daten und Historie.
  • OPC AE (Alarms & Events) bietet die Funktionen von On-Demand-Meldungen über verschiedene Ereignisse: Notfallsituationen, Bedieneraktionen, Informationsnachrichten usw.
  • OPC Batch bietet die Funktionen von Schritt- und Rezeptursteuerung des Verfahrensablaufs.
  • OPC DX (Data eXchange) bietet die Funktionen zum Organisieren des Datenaustauschs zwischen OPC-Servern über Ethernet. Der Hauptzweck besteht darin, Gateways für den Datenaustausch zwischen Geräten und Programmen verschiedener Hersteller zu erstellen.
  • OPC Security bestimmt die Funktionen zum Organisieren von Zugriffsrechte der Clients auf die Daten des OPC-Servers.
  • OPC XML-DA (XML-Data Access) bietet ein flexibles, regelgesteuertes Format für den Datenaustausch über XML, SOAP und HTTP.
  • OPC Complex Data stellt zusätzliche Spezifikationen für OPC DA und XML-DA dar, mit deren Hilfe Server mit komplexen Datentypen wie Binärstrukturen und XML-Dokumenten arbeiten können.
  • OPC Commands ist ein Set von Softwareschnittstellen, das es den OPC-Clients und -Servern ermöglicht, die in einem Controller oder in einem E/A-Modul auszuführenden Befehle zu identifizieren, zu senden und zu überwachen.
  • OPC UA (Unified Architecture) ist die neueste Spezifikation, die nicht auf der Microsoft COM-Technologie basiert, d. h. plattformübergreifende Kompatibilität gewährleistet.

Der häufigst vorkommende Standard ist OPC DA, aber er hat einen wesentlichen Nachteil. Zum Zeitpunkt seiner Entwicklung wurde er auf modernen Windows-Technologien wie OLE, ActiveX, COM/DCOM aufgebaut, aber seitdem hat sich die Branche verändert und andere Betriebssysteme und Technologien sind jetzt weiter verbreitet. Daher wurde die OPC-Technologie plattformunabhängig gemacht und der OPC-UA-Standard (Unified Architecture) für offene plattformübergreifende Technologien entwickelt.

Anwendung von OPC

Üblicherweise wird die OPC-Technologie verwendet, um Daten zwischen Controllern und einem SCADA-System auszutauschen. Es ist jedoch auch möglich, komplexe Systeme auf verschiedenen Ebenen der automatisierten Prozesssteuerung (APCS) zu organisieren.

OPC besteht aus zwei Teilen: OPC-Clients und OPC-Servers. Die Software des OPC-Servers fragt verschiedene Geräte über Gerätetreiber durch Feldbusse ab. Die Software des OPC-Clients ist normalerweise ins SCADA-System integriert, und sie dient zum Empfangen von Daten vom OPC-Server.

Im Unternehmen können mehrere Ebenen von automatisierten Steuerungssystemen (ACS) unterschieden werden:

  • Untere Ebene — Feldbusse (fieldbus) und einzelne Controller
  • Mittlere Ebene — Werknetze
  • APCS-Ebene — die Betriebsstufe von SCADA-Systemen
  • AECS-Ebene — die Ebene von Applikationen für automatisierte Unternehmenssteuerung, ERP, MES

Jede dieser Ebenen kann von einem OPC-Server bedient werden, der Daten an einen OPC-Client auf einer höheren Ebene oder an ein benachbartes Gerät liefert.


Betrieb des OPC-DA-Servers

Der OPC-DA-Server ermöglicht den Datenaustausch (Schreiben und Lesen) zwischen dem Client-Programm (normalerweise ein SCADA-System) und den Endgeräten. Daten in OPC stellen eine Tag-Variable mit einigen Eigenschaften dar. Eine Variable kann zu einem beliebigen in OLE zulässigen Typ gehören: verschiedene ganzzahlige und reelle Typen, Boolesche Werte, Zeichenfolgen, Datumsangaben, Arrays usw. Die Eigenschaften können erforderlich, empfohlen oder benutzerdefiniert sein.

Erforderliche Eigenschaften sind unten angegeben:

  • Der aktuelle Wert einer Variablen, ihr Typ und ihre Zugriffsrechte (Lesen und/oder Schreiben).
  • Die Qualität einer Variablen hängt vom Hinausgehen des Messwertes über den Dynamikbereich, vom Datenmangel, vom Kommunikationsfehler und von anderen Parametern ab. Nimmt normalerweise solche Kennwerte an: gut/schlecht/undefiniert und zusätzliche Information.
  • Der Zeitstempel gibt die Zeit an, zu der die Variable diesen Wert erhalten hat.
  • Die Abfragefrequenz einer Variablen vom OPC-Server legt die Zeit zum Aktualisieren des Wertes der Variablen fest.
  • Die Beschreibung einer Variablen, die dem Benutzer Informationen über die Variable bereitstellt.

Zusätzlich können optionale Eigenschaften angegeben werden: Werteänderungsbereich, Maßeinheit und andere benutzerdefinierte Parameter.

Zum Lesen von Daten aus dem OPC-Server sind verschiedene Modi verwendbar:

  • Synchroner Modus: der Client sendet eine Anfrage an den Server und wartet auf eine Antwort von ihm
  • Asynchroner Modus: der Client sendet eine Anfrage und wechselt sofort auf die Ausführung anderer Aufgaben. Nach der Verarbeitung der Anfrage sendet der Server eine Meldung an den Client und nimmt die bereitgestellten Daten ab.
  • Abonnementmodus: der Server sendet nur die geänderten Tags an den Client. Um zu verhindern, dass das Rauschen der Daten mit ihrer Änderung verwechselt wird, führt man das Konzept einer „Totzone“ ein, die die maximal mögliche Amplitude der Interferenz geringfügig überschreitet.
  • Datenaktualisierungsmodus: der Client ruft das gleichzeitige Lesen aller aktiven Tags auf. Alle Tags werden als aktiv bezeichnet, mit Ausnahme der als „passiv“ bezeichneten Tags. Solche Aufteilung der Tags reduziert die Prozessorlast, indem die vom physischen Gerät empfangenen Daten aktualisiert werden.

Der Client empfängt Daten vom OPC-Server entweder aus dem Puffer oder direkt aus dem Endgerät. Das Lesen aus dem Puffer ist schneller, aber die darin enthaltenen Daten können zum Zeitpunkt des Lesens möglicherweise veraltet sein. In regelmäßigen Abständen aktualisiert der OPC-Server die Daten, indem er Informationen von Endgeräten anfordert.

Daten werden im synchronen oder asynchronen Modus ohne Zwischenpufferung auf das Endgerät geschrieben. Im synchronen Modus schreibt der Client Daten und wartet, bis er eine Bestätigung des ausgeführten Befehls vom Endgerät erhält. Dieser Vorgang kann lange dauern, in dieser Zeit bleibt der Client wartend. Im asynchronen Modus kann der Client die Anfrage an den Server senden und andere Aufgaben ausführen. Nach dem Ende des Schreibens sendet der Server eine Meldung an den Client.

OPC-UA-Standard

OPC UA (Unified Architecture) ist ein moderner Standard, der die Datenübertragung in industriellen Netzwerken beschreibt. Er bietet eine sichere und zuverlässige Kommunikation zwischen Geräten und ist gleichzeitig hardware- und plattformunabhängig, was den Datenaustausch zwischen Geräten mit verschiedenen Betriebssystemen ermöglicht.

Die Vorteile von OPC UA sind das objektorientierte Informationsmodell, mit dem Daten (im Stil eines Webbrowsers) „eingesehen“ werden können, und die serviceorientierte Architektur (SOA). Wo man früher mehrere OPC-Server verwenden musste (OPC DA für Echtzeitdaten, OPC HDA für Historie und OPC AE für Ereignisse), ist all dies und vieles mehr jetzt in einem OPC-UA-Standard verfügbar. Anstelle eines Tag-Baums wird nun den Begriff von Knoten oder Objekten eingeführt. Jeder Knoten enthält Variablen, Methoden und andere Datenstrukturen des realen Objekts.


Der Datenaustausch erfolgt nun über Binärstrukturen und XML-Dokumente. Zusätzlich zum Client/Server-Modell steht ein Publisher/Subscriber-Modell zu Verfügung. Der Standard definiert auch einen Mechanismus zur Unterstützung der Redundanz (wenn ein Client nicht mehr verfügbar ist, wird er von einem anderen ersetzt) und zur schnellen Wiederherstellung der Kommunikation im Falle eines Fehlers. Die Daten werden über die Transportschicht TCP, HTTP/SOAP oder HTTPS übertragen. Anstelle von Windows-Zugriffskontrollmechanismen unterstützt OPC UA digitale Zertifikate und die Möglichkeit, übertragene Daten zu verschlüsseln.

Die Abwärtskompatibilität mit OPC DA wird über einen speziellen Wrapper und ein Proxy-Modul realisiert. Um Daten über Router und Firewalls zu übertragen, benötigte OPC DA die Verwendung von Middleware, während OPC UA ohne Schicht arbeitet. Die OPC-UA-Spezifikation enthält mehrere Teile, die die Logik des Betriebs von Servern und Clients beschreiben. Eine detaillierte Version der Spezifikation findet man in der Norm IEC 62541.

Nachteile der Verwendung von OPC

Zu den Fehlern gehören:

  • Missbrauch von OPC-Technologien
  • unbegründeter Einsatz von WEB-Technologien in APCS
  • Anwendung von Echtzeitprotokollen bei telemechanischen Aufgaben

Sie haben beispielsweise etwas über gute OPC-Technologie gelernt und möchten alle untergeordneten Protokolle nur durch OPC ersetzen. Das Konvertieren von Industrieprotokollen Modbus, Profibus und anderen auf einem PC erfordert jedoch extra Zeit und verschwendet Computerressourcen. Tests haben gezeigt, dass das SCADA-System direkt mit Industrieprotokollen zweimal schneller arbeitet als über einen OPC-Zwischenserver. Natürlich gibt es Systeme, bei denen der Prozess nicht in Echtzeit überwacht werden muss, dies sollte jedoch beim Projektierung eines automatisierten Prozessleitsystems berücksichtigt werden.

Zu den Nachteilen gehören auch die Komplexität beim Einrichten des OPC-Servers und die Notwendigkeit, Tausende von Tags manuell zu binden. Darüber hinaus wird der OPC-Server nicht immer kostenlos angeboten. In den meisten Fällen müssen Sie für jeden PC eine separate Lizenz erwerben.

Wenn das System Daten über das Internet in die Cloud sendet, kann schwache Verschlüsselung zu einer potenziellen Sicherheitslücke und einem Ziel für Hackerangriffe werden, was die Sicherheit des gesamten automatisierten Prozessleitsystems in Frage stellt.

OPC UA für den Echtzeitbetrieb

OPC UA over TSN zur Unterstützung des Echtzeitbetriebs kann die OPC-UA-Technologie (anstelle eines Client/Server-Modells) ein Publisher/Subscriber-Modell in Verbindung mit der TSN-Technologie (Time-Sensitive Networking) verwenden.

Das Client/Server-Modell funktioniert bei einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung gut. Wenn jedoch viele Geräte vorhanden sind, kommt es zu Verzögerungen bei der Datenaktualisierung. Das Publisher/Subscriber-Modell bietet eine Eins-zu-Viele- und Viele-zu-Viele-Beziehung. Der Server sendet seine Daten an das Netzwerk (Veröffentlichung) und jeder Client kann diese Daten empfangen (Abonnement).


Ethernet mit TSN ergänzt bestehende Ethernet-Mittel hinsichtlich der Qualität von Traffic-Service (Quality of Service, QoS), einschließlich Bandbreitenzuweisung, Timing, Sicherstellung der geringen Latenz und Gewährleistung der Redundanz. Die von verschiedenen Geräten über ein Ethernet-Netzwerk übertragenen Daten sind Ströme. Die Ethernet-Switches mit TSN ermöglichen es, jedem Strom eine eigene Bandbreite zuzuweisen und dessen Übertragung in Echtzeit sicherzustellen. Mehrere Ströme können kombiniert (unter Bezeichnung „Netzwerkkonvergenz“) und in Echtzeit über dasselbe Netzwerk gesendet werden. Es stellt sich heraus, dass ohne TSN-Technologie nur ein Echtzeitprotokoll über ein Ethernet-Netzwerk und mit TSN-Technologie mehrere Protokolle übertragen werden können.

Durch die Kombination von OPC UA über TSN-Technologien ist es möglich, die Kommunikation zwischen Geräten verschiedener Hersteller zu organisieren und einen kontinuierlichen Datenempfang in Echtzeit zu gewährleisten.

Die OPC Foundation plant, OPC UA nicht nur zum Übertragen von Daten zwischen Controllern und dem SCADA-System, sondern auch auf Feldebene von Sensoren und IoT-Geräten zu Controllern sowie von lokalen Systemen in der Cloud zu verwenden. Zu diesem wird es beabsichtigt, den OPC UA-Standard in 4 Teile zu unterteilen, abhängig von der Leistung des Geräts und den erforderlichen Funktionen.

  • Nano Embedded Device Server: eignet sich für kleinste Sensoren.
  • Micro Embedded Device Server: eignet sich für preiswerte SPS.
  • Embedded UA Server: eignet sich für leistungsstärkere SPS und Border-Gateways.
  • Standard UA Server: vollwertige Implementierung, die alle Funktionen unterstützt.

Perspektiven

Man kann mit Sicherheit sagen, dass der OPC-DA-Standard zwar immer noch weit verbreitet ist, aber nicht mehr den modernen Automatisierungsanforderungen entspricht. Er basiert auf veralteten Technologien, er ist schwer zu konfigurieren und entspricht nicht den modernen Sicherheitsnormen. Er wurde durch den modernen OPC-UA-Standard mit der Fähigkeit ersetzt, Daten zu verschlüsseln und einheitliche Datenübertragungssysteme von Sensoren in die Cloud aufzubauen. Die gemeinsame Nutzung von OPC UA und TSN erweitert die Möglichkeiten der Technologie zur Echtzeit-Datenübertragung wesentlich. Natürlich sollten Sie OPC DA jetzt nicht ausführen und loswerden, aber Sie können vorhandene Systeme schrittweise aktualisieren und über spezielle Wrapper und Proxy-Module zu OPC UA wechseln.


Für weiterführende Informationen oder Bestellungen wenden Sie sich am besten an unser Sales Team via e-Mail: sales@ipc2u.de oder kontaktieren Sie uns direkt per Telefon: +49 (0)511 807 259 0

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