OPC UA

In einem anwenderorientierten und zukunftssicheren Netzwerk funktionieren bestehende und neue Technologien reibungslos nebeneinander und zwischen herstellerübergreifenden Lösungen. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Kombination von OPC UA und PROFINET. Mit OPC UA als Middleware können Daten- und Informationsmodelle objektorientiert abgebildet werden. PROFINET übernimmt mit seinen Applikationsprofilen quasi die Bereitstellung der notwendigen Informationen.
 

Damit dieses Zusammenspiel funktioniert und für alle PROFINET-Geräte einheitlich ist, hat die PNO zusammen mit der OPC Foundation die „OPC - PNO Working Group“ gegründet. Wichtigste Aufgabe war die standardisierte Abbildung der vorhandenen und bewährten Daten- und Informationsmodelle von PROFINET auf OPC UA. Ziel war die Erstellung einer 'Joint OPC UA Companion Specification'. Seit Januar 2020 ist die Version 1.0 der Spezifikation offiziell freigegeben. Diese erste Version konzentriert sich auf Anwendungen in den Bereichen Asset Management und Diagnose. Hauptziel war es, die unterschiedlichen Sichtweisen der verschiedenen Nutzergruppen abzubilden.
 

Aus technologischer Sicht sind Produktionsdaten oder Prozessabläufe einer Maschine wichtig, aus Instandhaltungssicht sind die eingesetzten Betriebsmittel von Bedeutung. Auch das Energiemanagement benötigt andere Informationen, während für eine andere Anwendergruppe Details zum Netzwerk interessant sind. Die PROFINET-Sicht beschäftigt sich mit der Darstellung der Geräte und ihrer Kommunikationsbeziehungen, eine Netzwerksicht mit Schnittstellen und Ports und eine funktionale Sicht mit dem Informationsmodell z.B. eines Regelkreises oder einer Sensorfunktion. Diese verschiedenen Sichten auf die gleiche Maschine oder Anlage müssen zueinander passen, was durch semantische Referenzen erreicht wird.
 

Welche Sichten, d.h. welche Teilmodelle und Daten für den täglichen Betrieb wichtig sind, wurde auf Basis einer detaillierten Use Case-Beschreibung im Rahmen der Companion Specification entwickelt.

Modularisierung und Interoperabilität spielen in modernen Anlagen eine immer wichtigere Rolle und sind Kernanforderungen für Industrie 4.0. PROFIBUS & PROFINET International (PI) hat sich frühzeitig für OPC UA als offenen, herstellerübergreifenden Standard für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation eingesetzt. OPC UA ermöglicht die herstellerübergreifende Vernetzung von Maschinen, unabhängig von den in der Maschine eingesetzten Feldbussen.

Allerdings ist OPC UA bisher nicht in der Lage, fehlersichere Daten zu übertragen, wie dies bei Feldbussen mit PROFIsafe der Fall ist. Sicherheitsfunktionen, an denen Steuerungen unterschiedlicher Hersteller beteiligt sind, mussten daher konventionell durch direkte Verdrahtung oder über spezielle Koppler realisiert werden.

OPC UA Teil 15:

Safety ermöglicht nun die direkte sichere Kommunikation zwischen Controllern. Es handelt sich dabei um eine gemeinsam von PI und der OPC Foundation definierte Spezifikation. OPC UA ist bereits heute der wichtigste Standard für die Machine-to-Machine-Kommunikation.

Die langjährige Erfahrung von PI auf dem Gebiet der funktionalen sicheren Kommunikation und PROFIsafe sorgen dafür, dass OPC UA Part 15: Safety alle Anforderungen der Norm IEC61784-3 (funktionale Sicherheit von Feldbussen) erfüllt. Die Sicherheitsmechanismen und viele Features sind von PROFIsafe übernommen worden. Insbesondere nutzt OPC UA Safety auch den bewährten „Black Channel“ Mechanismus von PROFIsafe. Dazu implementiert OPC UA Safety die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen in einer Sicherheitsschicht oberhalb der Kommunikationsschicht.
 

Die Vorteile von PROFIsafe - Unabhängigkeit von synchronisierten Uhren, eine unbegrenzte Anzahl von Netzwerkterminals und Netzwerkgeräten sowie eine unbegrenzte Kommunikationsrate - bleiben erhalten.

OPC UA Safety bietet aber auch Funktionen, die bisher mit PROFIsafe nicht möglich waren. Dazu gehören Nutzdaten mit beliebiger Struktur und einer Länge von bis zu 1500 Byte, die Erstellung beliebiger Netzwerktopologien (Stern, Linie, Grid, ...), hierarchische Safety-IDs zur vereinfachten Verwaltung von Serienmaschinen und der dynamische Verbindungsaufbau mit wechselnden Partnern.
 

Insbesondere die letztgenannte Funktion ist völlig neu und bietet eine bisher nicht gekannte Flexibilität. Bisher musste für jede mögliche Sicherheitsverbindung ein statischer, eindeutiger Codename vergeben werden. Dieser muss an beiden Enden der Verbindung bekannt sein, um eingehende Telegramme daraufhin zu überprüfen, ob sie vom richtigen Absender stammen. Denkt man z.B. an mobile Roboter, die sich selbständig von Maschine zu Maschine bewegen, wird dieses Verfahren kompliziert. Sobald auch nur eine neue Station hinzukommt, müssen alle Maschinen neu parametriert werden. Das erhöht den Aufwand und reduziert die Flexibilität.

Gerade im Kontext von Industrie 4.0 sollte es möglich sein, die Sicherheitsfunktion ohne menschlichen Eingriff neu zu konfigurieren. Die OPC UA Safety Lösung bietet in diesem Zusammenhang den Vorteil, dass die Prüfung auf die richtige Datenquelle nicht mehr auf einem Codenamen für jede Verbindung basiert, sondern dass jeder Datenquelle direkt eine entsprechende ID zugeordnet wird. Dadurch können mehrere Teilnehmer abwechselnd auf die gleiche Datenquelle zugreifen und die Teilnehmer müssen die Datenquelle nicht kennen. Im Beispiel bedeutet dies, dass mobile Roboter jederzeit hinzugefügt werden können, ohne dass die Maschinen angepasst werden müssen.

Ausblick

Die nächsten Schritte sind bereits geplant. Derzeit werden Testspezifikationen erstellt, in denen die Testverfahren definiert werden. Darüber hinaus wurde die Entwicklung eines Softwaretools für automatisierte Tests in Auftrag gegeben. Darüber hinaus ist es notwendig, ein Zertifizierungs- und Abnahmeverfahren in Anlehnung an PROFIsafe zu etablieren. Dies ist eine Voraussetzung für eine einfache und schnelle Sicherheitszertifizierung von Produkten, die OPC UA Safety implementieren. Darüber hinaus werden Fallstudien erstellt, um die neuen Funktionen von OPC UA Safety zu demonstrieren. Dazu gehören die vereinfachte Verwaltung sicherer Adressen für Serienmaschinen und die Möglichkeit, zur Laufzeit mit verschiedenen Partnern über dieselbe Verbindung zu kommunizieren. Weiterhin wird ein OPC UA Mapper für Pub/Sub spezifiziert, um Sicherheitsfunktionen mit hohen Anforderungen an die Antwortzeit realisieren zu können.

 

PROFINET erfüllt seit vielen Jahren vielfältige und komplexe Aufgaben im Feld, z. B. bei der Inbetriebnahme von Maschinen, im Engineering oder bei Redundanzanforderungen. Mehr als 30 Millionen Feldgeräte mit PROFINET-Schnittstelle liefern die relevanten Informationen. OPC UA ergänzt diese Technologie, indem es die Objektmodellierung aus einer Vielzahl von Datenquellen ermöglicht. Durch diese Kombination entsteht ein echter Mehrwert für den Anwender, wie die folgenden Praxisbeispiele aus Asset Management und Diagnose zeigen. Die erste Version der PN-OPC UA Companion Specification konzentriert sich auf diese beiden Anwendungen.

Asset Management

Viele Anwender wissen nicht, welche Geräte mit welchem Hardware- oder Firmwarestand im Laufe der Jahre in einem System installiert wurden. Ohne solche Informationen lassen sich aber keine Wartungspläne erstellen, geschweige denn richtig verwalten. Dieses Problem wird jetzt gelöst.

Die erste Version der PN-OPC UA Companion Specification löst die Anforderungen an Asset Management und Diagnose mit folgenden Details:

•  Asset-Identifikation

     Auflistung aller PROFINET-Knoten (Controller und Geräte) mit:
          - Modulen und Submodulen (reale und erwartete)
          - I&M- und Asset-Informationen (Tag-Funktion, Tag-Standort, Versionen, Hersteller, ...)
          - Netzwerk-Parameter
          - Physikalische Topologie des PROFINET-Netzwerks

•  Erkennung von Asset-Änderungen

          - Neue, entfernte und ausgetauschte Geräte / Submodule - Docking Devices
          - Firmware-Updates in den Geräten
          - Änderungen der physikalischen Topologie

• Ändern von Asset-Informationen

          - Name der Station, Tag-Funktion

 Diagnose

Auch für intelligente Diagnosestrategien werden detailliertere Informationen aus dem Feld benötigt. Auch hier bietet die PN-OPC UA Companion Spezifikation praktische Strategien.

• Anzeige von PROFINET-Anschlüssen (ARs)
• Erkennen von Unterschieden zwischen der Konfiguration in der Steuerung und den realen Assets (Devices, Module, Submodule)
• Anzeige der PROFINET-Gerätediagnose
• Netzwerk-Diagnose (Zähler, falsche Nachbarn)

OPC-Server

Der entsprechende OPC-Server in dieser Abbildung kann in verschiedenen Geräten installiert werden:

1.  SPS
2. Gateway/Edge
3. direkte Geräteintegration

Je nach Anwendung und Umgebung bieten diese Lösungen unterschiedliche Vorteile.