OPC Unified Architecture Interoperabilität Für Industrie 4.0 Und Das Internet Der Dinge
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1 OPC Unified Architecture Interoperabilität für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge IoT Industrie 4.0 M2M Multiplatform Multivendor Secure Reliable 2 Willkommen bei der OPC Foundation! OPC-UA als internationaler Standard für vertikale und horizontale Kom munikation bringt semantische Inter operabilität in die smarte Welt der vernetzten Systeme. Thomas J. Burke President und Executive Director OPC Foundation OPC-Unified Architecture (OPC-UA) ist der Daten- OPC-UA ist ein IEC-Standard und damit prädesti- austausch-Standard für eine sichere, zuverlässige, niert für die Kooperation mit anderen Organisationen. Hersteller- und Plattform-unabhängige Kommuni- Die OPC Foundation koordiniert dabei als globale kation. Sie ermöglicht einen Betriebssystem-über- Non-profit-Organisation zusammen mit An wendern, greifenden Datenaustausch zwischen Produkten Herstellern und Forschern die Weiterentwicklung des unterschiedlicher Hersteller. Der OPC-UA-Standard OPC-Standards: be steht aus Spezifikationen welche in enger Zusam- menarbeit zwischen Herstellern, Anwendern, For- ➞ Erstellen und pflegen von Spezifikationen schungsinstituten und Konsortien entstanden sind, ➞ Zertifizierung und Konformitätsprüfung der um den sicheren Informationsaustausch in heteroge- Implementierungen nen Systemen zu ermöglichen. ➞ Kooperation mit weiteren Standardisierungs- organisationen Seit 1995 hat OPC großen Zuspruch aus der Indus- trie und seit einiger Zeit aus weiteren Marktsegmen- Diese Broschüre gibt einen Überblick über Anforde- ten des Internet of Things (IoT) erfahren. Mit der Ein- rungen aus IoT, M2M (Machine to Machine) und In- führung von Serviceorientierten Architekturen (SOA) dustrie 4.0 und zeigt Lösungen, technische Details in industriellen Automatisierungssystemen sorgte die und Umsetzungen mit OPC-UA. OPC-UA-Architektur ab 2007 für eine skalierbare, plattformunabhängige Lösung welche die Vorteile Die breite Zustimmung von Vertretern aus For- von Web Services und integrierter Security mit einem schung, Industrie und Verbänden zeigt, dass OPC- einheitlichen Datenmodell kombiniert. UA eine Schlüsseltechnologie als Daten- und Infor- mationsaustausch-Standard ist. Ihr Thomas J. Burke President und Executive Director OPC Foundation [email protected] www.opcfoundation.org 3 Inhalt 4 OPC-UA: INDUSTRIELLE OPC-UA LÖSUNGEN INTEROPERABILITÄT IM IOT 36 SKALIERBARKEIT: 7 ANFORDERUNG INDUSTRIE 4.0 – OPC-UA IM SENSOR LÖSUNG OPC-UA Alexandre Felt, AREVA GmbH ZITATE 37 SKALIERBARKEIT: 8 IT und Industrie OPC-UA IM CHIP LEVEL 12 Verbände – Organisationen – Lehre Prof. Jasperneite, Fraunhofer-Anwendungs- zentrum Industrial Automation (IOSB-INA), 14 OPC-UA AUF EINEN BLICK Lemgo 16 OPC-UA TECHNOLOGIE IM DETAIL 38 SMART METERING: Karl-Heinz Deiretsbacher, Siemens AG und VERBRAUCHSINFORMATIONEN Dr. Wolfgang Mahnke, ABB VOM ZÄHLER BIS IN IT-ABRECHNUNGS SYSTEME 23 OPC-UA SICHERHEITSANALYSE Carsten Lorenz, Honeywell DURCH DAS BSI 39 HORIZONTAL: OPC FOUNDATION OPC-UA ERMÖGLICHT M2M UND IOT 25 Organisation Silvio Merz, Zweckverband Wasser und 26 Spezifikationen, Informationen und Events Abwasser Vogtland 28 Laborzertifizierung 29 OPC-UA: Integration in Produkte 40 ENERGIE: OPC-UA ZUR ÜBERWACHUNG VON KOOPERATIONEN UND MULTIPLIKATOREN OFFSHORE WINDFARMS 31 AutomationML Eike Grünhagen, Adwen GmbH 32 MDIS – Offshore Öl & Gas 33 AIM-D – RFID und andere AutoID Systeme 41 VERTIKAL: 34 PLCopen – Client und Server im Controller OPC-UA VON DER PRODUKTION 35 MES-DACH – MES Datenprofile BIS IN DAS SAP Roland Essmann, Elster GmbH 42 CLOUD: OPC-UA FÜR IOT BIS IN DIE CLOUD Clemens Vasters, Microsoft Corporation 43 VERFÜGBARKEIT: OPC-UA IM TUNNELLEITSYSTEM Bernhard Reichl, ETM 4 OPC-UA: Industrielle Interoperabilität im IoT Die Digitalisierung ist ein wichtiges und hochattrakti- überwacht und Ersatzteile an Flughäfen geschickt, ves Wachstumsfeld. Es gilt, die Integration neuer IT- um individuelle Servicereparaturen mit möglichst ge- Technologien in Produkte, Systeme, Lösungen und ringen Standzeiten durchzuführen. Services voranzutreiben – und das über die gesamte Wertschöpfungskette, vom Design über die Produk- INTERNET tion bis hin zur Wartung. Zudem erschließen sich Das Internet der Dinge und Dienste benötigt im Kern neue Geschäftsmöglichkeiten wie die Digitalisierung ebenfalls Fernzugriff auf Geräte (Remote Device Ac- der Produkte und Systeme, die Erweiterung des ver- cess). Somit ist M2M integraler Bestandteil von IoT, tikalen Softwareportfolios und das Angebot neuer aber im Kontext von IoT ist Kommunikation nicht nur digitaler Services. auf den Datenaustausch mit intelligenten Geräten IoT bezeichnet eine Reihe von Technologien, die die beschränkt. Es umfasst auch einfachste Sensoren Einbindung von bislang nicht angeschlossenen Ge- und Aktuatoren (z.B. Wearables wie Fitnessarmbän- räten in ein IP-basiertes Netzwerk unterstützen. Die- der aus dem Konsumerbereich) deren Daten zu- se Technologien sind wichtige Treiber des digitalen nächst aggregiert und vorverarbeitet werden, und Wachstums. Im Mittelpunkt steht die Standardisie- die anschliessend über Gateways (z.B. Smartphone) rung der sogenannten „Machine-to-Machine“ mit zentralen Cloud-Servern kommunizieren. Unter (M2M)-Kommunikation. In diesen Standardisie- dem Begriff IoT entwickelt sich mittlerweile ein hoch- rungsbemühungen sind viele Firmen und Konsortien komplexes Netzwerk intelligenter Systeme. Eine wie die OPC Foundation mit OPC-UA bereits seit ähnliche Entwicklung sehen wir heute bei industriel- vielen Jahren stark engagiert. len Anlagen: Maschinen und Feldgeräte werden sich nicht einfach nur in ein Netzwerk einklinken und Da- MASCHINEN-INTERAKTION ten übertragen. Vielmehr werden sie über eine eige- Mit M2M-Kommunikation wird typischerweise der ne Rechenleistung verfügen, um selbst erzeugte und Datentransfer zwischen zwei Maschinen bezeichnet fremde Daten zu verarbeiten und zu kombinieren. Sie beziehungsweise der Datentransfer zwischen einem werden Nutzer und andere Feldgeräte mit Informati- mehr oder weniger intelligenten Gerät (Device) und onen versorgen, die einen echten Mehrwert bieten. einem zentralen Computer. Als Übertragungsmedi- So könnte eine Maschine dem Servicetechniker um diente bislang entweder ein Kabel oder ein Mo- selbstständig eine Wartungsstrategie empfehlen bilfunknetzwerk. Für den modernen, smarten Daten- oder Informationen über seine Wartungshistorie lie- transfer hingegen wird das Gerät – zum Beispiel ein fern – anstatt einfach nur Daten über Öldruck oder Getränkeautomat – mit einer SIM-Karte oder einem -temperatur zu übermitteln. entsprechenden Hardwarechip ausgerüstet; es kommuniziert dann selbstständig über eine Punkt- zu-Punkt Verbindung mit dem dedizierten Compu- tersystem, um sensorische Daten – beispielsweise den Füllstand – oder Ereignisse wie etwa eine Stö- rung an den Betreiber zu melden. Die auf dieser Ba- sis abgeleiteten Geschäftsmodelle sind überwiegend logistische sowie Wartungs- und Pflegedienstleistun- gen, speziell Condition Monitoring/vorbeugende Wartung. Im industriellen Umfeld werden beispiels- weise weltweit Flugzeugturbinen vom Hersteller 5 KOMMUNIKATION forderungen erfüllen kann. Zusätzlich zu einem Pu- Die Anforderungen zur Kommunikation mit Dingen blish/Subscriber-Modell zur Realisierung von One- und mit Diensten innerhalb des IoT unterscheiden to-Many-Kommunikationsparadigmen in Low-Res- sich erheblich von heutigen etablierten Strukturen: source-Sensor netzen ist ein sicheres, verbindungs- Die IoT-Kommunikation mit Geräten wird nur selten orientiertes Client/Server-Kommunikationsmodell er direkt stattfinden. Sensor- und Geräteinformationen for derlich, um eine bidirektionale Kommunikation mit werden gesendet, und Interessenten können sie steuernden Eingriffen auf die Aktuatoren zu ermög- abonnieren (Publish/ Subscriber). Typischerweise lichen. Weiterhin müssen die Informationen über ein werden die „Dinge“ bzw. „Systeme“ über IP-Netze Metamodell semantisch beschrieben sein, um ihnen (Intranet oder Internet) untereinander oder mit einer eine Bedeutung zu geben und damit eine sinnvolle Cloud- beziehungsweise einer Big-Data-Anwendung Nutzung zu gewährleisten. Die Aggregation der In- kommunizieren. Der Kundennutzen entsteht erst formation über viele Ebenen fügt zusätzliche Meta- durch die Kombination intelligenter Geräte und Sys- daten hinzu, daher ist es von zentraler Bedeutung teme mit den Diensten, die Plattformbetreiber als durchgängig auf einen einzigen Standard zu setzen. Service zur Verfügung stellen. Die Skalierbarkeit und Integrationsfähigkeit über alle Ebenen hinweg ist ebenso eine Voraussetzung wie OPC-UA INTEROPERABILITÄT Hersteller- und Plattformunabhängigkeit. OPC-UA Die IoT-Vision lässt sich nur realisieren, wenn die bietet hier einen umfassenden Lösungsansatz, der Vernetzung der zentralen Komponenten auf einem alle Anforderungen für den „Remote Device Access“ einheitlichen, globalen Kommunikationsstandard in allen vertikalen Ebenen abdeckt. beruht, der die komplexen an ihm gestellten An- IoT Industrie 4.0 M2M Remote Device Access (mit OPC-UA) als gemeinsame Schnittmenge von M2M, IoT und Industrie 4.0 6 OPC-UA – Wegbereiter der 4. industriellen (R)Evolution HERAUSFORDERUNG terbar (plug-and-produce) ohne Engineering oder Zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit moderner In- manuelles Einrichten. Über die gesamte Produk- dustriestaaten muss die Herausforderung gemeistert tions- und Produktlebenszeit und durch die gesamte werden bei immer kürzer werdenden Produktzyklen Wertschöpfungskette werden die virtuellen Abbilder die Effizienz zu steigern. Energie