OPC UA für aktuelle und künftige Kommunikationsanforderungen der Industrie 4.0

Mit OPC UA lassen sich die Kommunikations-Anforderungen von Industrie 4.0 abdecken. Phoenix Contact

OLE for Process Control (OPC) dient als gemeinsames Verständigungssystem für verschiedene industrielle Bussysteme und Protokolle. Zu OPC Classic gehört unter anderem der OPC-DA-Standard (OPC Data Access), dessen Variablenzugriff die frühere Treiber-Landschaft erstmals auf einen einzelnen Treiber reduzierte. Darüber hinaus optimierte das optionale Browser-Interface den Engineering-Prozess. Statt Excel-Listen zu generieren, zu editieren und wieder zu importieren, konnten Ingenieure jetzt alle Variableninformationen direkt aus dem OPC-Server auslesen.

Bild 1: Das OPC-UA-Objekt mit seinen Werten, den Methoden und Events bietet die Basis für den Zugriff über verschiedene Interfaces. Phoenix Contact

Die Nachfolgetechnologie OPC UA (Unified Architecture) bietet ebenfalls Basisdienste zum Auslesen des Namensraums. Doch im OPC-UA-Server lassen sich nicht nur Variablennamen mit dem Variablentyp, sondern viele verschiedene Objekte mit beliebigen Informationen darstellen. Das Objektmodell von OPC UA stellt neben dem Namen und dem Wert weitere Attribute, Methoden und Events zur Verfügung. Darauf aufbauend werden dann Funktionen definiert, zum Beispiel für historische Daten oder Alarme (Bild 1).

Metadaten

Die Client-Systeme des OPC-UA-Standards können so über das im OPC-UA-Server abgebildete System deutlich mehr Informationen bekommen. Voraussetzung ist, dass die Bedeutung (Semantik) dieser Daten in eigenen Profilen festgelegt ist. Damit dies herstellerübergreifend funktioniert, sind in den letzten Jahren zahlreiche Profile entstanden, die je nach Anwendungsfall eigene Adressierungsmodelle standardisieren. Als Beispiel sei das PLC-Open-Profil genannt, das eine gemeinsame Arbeitsgruppe aus den Mitgliedern der PLC-Open-Assoziation und der OPC-Foundation vor mehr als drei Jahren erarbeitet hat. Das PLC-Open-Profil wird heute schon vielfach eingesetzt und derzeit um weitere Anwendungsfälle ergänzt. Sein Adressierungsmodell nutzt neben den Variablen mit den zugehörigen Werten auch die Möglichkeit, zusätzliche IEC-61131-Objekte mit Metadaten abzubilden.

Metadaten stellen weitere Informationen bereit, um die Semantik von Objekten zu beschreiben. Zu den neuen Objekten gehören die IEC-61131-Ressource, die definierten Tasks sowie die Programm-/Bausteintypen. Ferner können Variablen vom IEC-61131-Typ „Struct“ als einzelnes Objekt mit der Complex-Data-Definition ausgelesen werden. Zu einer Struktur liegt im OPC-Namensraum dann ebenfalls die Typdefinition mit den enthaltenen elementaren Datentypen vor.

Bild 2: Mit Waterworx-Objekten in der Steuerung sowie den zugehörigen Symbolen und Bedienseiten lassen sich ganze Anlagen schnell und anwenderfreundlich automatisieren. Phoenix Contact

UA-Server in der Steuerung

Ein Beispiel zeigt die Waterworx-Bibliothek von Phoenix Contact. Die für die Engineering-Umgebung PC Worx entstandene Prozessbibliothek unterstützt die Automatisierung von Wasser- und Abwasserbetrieben. In die Erstellung der Bausteine sowie der entsprechenden Hilfstexte ist das umfassende praktische Wissen von Betreibern und Planern der Branche eingeflossen. Mit den Bausteinen können die Klär- und Wasserwerks-Mitarbeiter selbst selten auszuführende Tätigkeiten – wie das Nachpflegen von Messstellen im Programm, die Optimierung von Verfahrensabläufen oder die Diagnose im Störungsfall – einfach umsetzen. Systemintegratoren eröffnet die Waterworx-Bibliothek zudem die Möglichkeit, auf getestete Bausteine zurückzugreifen und so ihren Engineering-Aufwand zu verringern (Bild 2).

Bild 3: Der UA-Server für PC Worx ist für bis zu 200 Steuerungen ausgelegt; auch die Konfiguration und Ferndiagnose des Servers wird über OPC-UA- Mechanismen ermöglicht. Phoenix Contact

Der UA-Server für PC Worx bildet alle Variablen der mit dem Engineering-Tool programmierten Steuerung – also auch die Variablen der Waterworx-Applikation – gemäß dem PLC-Open-Adressierungsschema ab. Er läuft auf dem PC, ist aber so konzipiert, dass er zukünftig direkt auf bestimmten Steuerungen von Phoenix Contact implementiert werden kann (Bild 3). Passend zu den Bausteinen und der Abbildung über den UA-Server für PC Worx befinden sich entsprechende Visualisierungsobjekte für Atvise in der Entwicklung. Diese im Wasserbereich weit verbreitete Visualisierungslösung, die auf leistungsfähigen Web-Mechanismen basiert, bietet eine tiefe OPC-UA-Integration.

Objekte wiederverwenden

Nutzen Anwender nun die Strukturdefinitionen aus dem PLC-Open-Profil, können sie das Engineering erheblich vereinfachen. Im ersten Schritt werden die Strukturen im Object-Types-Bereich des OPC-UA-Servers eingelesen und mit Objekten respektive Templates im Atvise-Projekt verknüpft. Die Templates nutzen dann die elementaren Informationen der Struktur in den Dynamiken, Anzeigen, Eingabefeldern oder Scripten. Anschließend verbindet Atvise die instanziierten Strukturen aus dem IEC-61131-Programm direkt mit automatisch generierten Visualisierungsobjekten. Eine händische Nacharbeit oder fehlerträchtige manuelle Verknüpfung von OPC-Variablen mit den Visualisierungselementen ist nicht mehr notwendig.

In der Implementierung dieser Funktion zeigen sich jedoch Herausforderungen. So werden die komplexen Datentypen bislang auf unterschiedliche Weise eingebaut. Im UA-Server für PC Worx stehen daher nicht alle Informationen so zur Verfügung, wie sie der Client benötigt. Erste Implementierungen beweisen das Verbesserungspotenzial. Einmal erstellte Objekte können so automatisiert in großer Zahl wiederverwendet werden.

Das Verfahren funktioniert gut, wenn der Arbeitsfluss vom SPS-Programm zur Visualisierung läuft. Das SPS-Programm ist zuerst vorhanden, der Server bietet in seinem Namensraum die komplette Abbildung und die Visualisierung wird im Anschluss erstellt. Änderungen im SPS-Programm muss der Anwender in kleineren Schritten in der Visualisierung nachziehen. Möchte der Anlagenbauer allerdings flexibler agieren, also gleichzeitig programmieren und die Visualisierung aufbauen, muss auch ein bidirektionaler Austausch über eine standardisierte Offline-Schnittstelle zur Verfügung stehen. Entsprechende Austauschformate für Dateien hat die OPC-Foundation ebenfalls definiert.

Automation-ML-Strukturen

Einen weiteren leistungsfähigen Ansatz zur Flexibilisierung der Engineering-Abläufe kann Automation-ML liefern. Dabei handelt es sich um einen herstellerübergreifenden Standard zum Austausch von Engineering-Daten im Automatisierungsumfeld. Automation-ML kann Anlagenstrukturen, Funktionseinheiten sowie die jeweiligen Signallisten und Geräte-/Netzwerk-Informationen bereitstellen.

Bild 4: Automation-ML beschreibt die Anlage und OPC UA die Schnittstelle, um auf diese Daten zuzugreifen. Phoenix Contact

Ein übergreifender Arbeitskreis mit Mitgliedern der Automation-ML-Nutzervereinigung und der OPC-Foundation hat jetzt Automation-ML-Strukturen in einem OPC-Namensraum abgebildet. Die Konfiguratoren für OPC-UA-Clients und -Server können so weitergehende Informationen aus der Automation-ML-Datenbasis über bekannte Methoden auslesen und dies in ihre Schnittstelle integrieren. Bei der Grob- und Feinplanung in anderen Planungs- und Engineering-Werkzeugen entstehen also automatisch Informationen, die von den OPC-UA-Konfiguratoren auf der Client- und Server-Seite genutzt werden können (Bild 4).

Die beschriebene Schnittstellendefinition steht kurz vor der Freigabe. Welche Änderungen sich daraus zukünftig hinsichtlich der Arbeitsweise bei der OPC-UA-Konfiguration ergeben, hängt von der Adaptierung des Standards ab: Welche Werkzeuge unterstützen OPC UA und wie einfach wird die Schnittstelle vom Anwender bedient. Ziel der Implementierung muss es sein, die Komplexität des Automation-ML-Datenmodells vor dem Anwender zu verbergen. Er darf nur die Aspekte sehen, die für den entsprechenden Arbeitsschritt erforderlich sind. Client und Server müssen sich ferner auf die Vollständigkeit der Informationen verlassen können.

Neue Möglichkeiten

OPC UA ist mehr als eine durchgängige und flexible Schnittstelle, um Daten zur Laufzeit zwischen Client und Server weiterzuleiten. Durch Metadaten über Profile oder die Adaption von Automation-ML macht der Standard den OPC-Konfiguratoren auf Client- und Server-Seite weitergehende Informationen zugänglich, mit denen sich der Engineering-Aufwand bei der Kopplung der Steuerung mit den Visualisierungs-, Leit- und Datenmanagement-Systemen erheblich vereinfachen lässt. Bis dies herstellerübergreifend in jeglicher Kombination möglich ist, müssen noch einige Aufgaben angegangen werden.

OPC UA ist eine Schnittstelle von Programmierern für Programmierer. Der Namensraum und die Vielzahl an Objekttypen verwirren daher neue Anwender auf den ersten Blick. Deshalb müssen sich die Implementierungen einfach gestalten. Trotzdem deckt OPC UA sowohl aktuelle als auch zukünftige Kommunikationsanforderungen bestens ab. Der Standard gilt nicht ohne Grund als eine Lösung zur Integration des Industrie-4.0-Konzepts in Automatisierungsanwendungen. Denn es gibt in diesem Umfeld keine andere Schnittstelle mit einer derart umfassenden Unterstützung durch die Hersteller und einer so weitreichenden Funktionalität.

(lei)