OPC UA eignet sich, um industrielle Produktionsanlagen und deren Geräte durch Software zu beschreiben. Entsprechend kommt der Protokoll-Stack an der Schnittstelle von OT und IT zum Einsatz: OPC UA Server stellen standardkonform Daten zur Verfügung, OPC UA Clients greifen standardkonform auf diese Daten zu. Zentrales Konzept hierbei sind Informationsmodelle. Diese beschreiben Dienste und Daten, die ein OPC UA Server anbietet. Der OPC UA-Standard strukturiert Informationsmodelle in Basismodelle und optionale Modellerweiterungen. Derartige Erweiterungen mit Bezug auf eine bestimmte Industrie oder Anwendungsdomäne heißen Begleitspezifikation (engl. Companion Specifications). Vom OPC UA-Standard vorgesehen sind außerdem hersteller- bzw. anwenderspezifische Erweiterungen der Basismodelle, die wiederum auf Begleitspezifikationen aufbauen können oder auch nicht. Als Überbegriff umfassen OPC UA-Informationsmodelle all diese Varianten, weswegen dieser Artikel meist diesen Begriff verwendet.
Vorteile von Informationsmodellen
Als standardisierte Definition einer Schnittstelle reduzieren Informationsmodelle den Integrationsaufwand von OPC UA Server- und OPC UA Client-Komponenten. Je nach Nutzer ergeben sich hieraus eine Reihe von möglichen Vorteilen. So können Begleitspezifikationen hersteller- und anwenderübergreifend Aufwände für Systemintegration reduzieren, Geräte unterschiedlicher Lieferanten einfacher austauschbar machen und die IoT-Anwendungsentwicklung vereinfachen. Zu den größeren und bekannteren Begleitspezifikationen zählen etwa PA-DIM für die Prozessindustrie, oder die Weihenstephan-Standards für die Lebensmittelbranche.
Spezielle Anpassung ist möglich
Sollte für ein bestimmtes Szenario keine geeignete Begleitspezifikation zur Verfügung stehen, können Hersteller oder Anwender erweiterte OPC UA-Informationsmodelle speziell für ihre Bedürfnisse entwickeln – beispielsweise wenn ein Anwender mehrere Standorte mit jeweils unterschiedlichen Geräten und Schnittstellen an eine zentrale Plattform mit bestimmten Anwendungen anbinden will. Ein auf die Bedürfnisse zugeschnittenes Informationsmodell kann den Zugriff auf Daten über alle Standorte hinweg standardisieren, um die IoT-Anwendungsentwicklung zu erleichtern. In Kombination mit geeigneten Technologien und Designmustern sind standardisierte OPC UA-Informationsmodelle meist geeignet, Konfigurationsaufwände eines IoT-Systems zu reduzieren und den Betrieb effizienter zu gestalten.
Konfigurierbarkeit und Mapping
Um die Vorteile von erweiterten Informationsmodellen auszuschöpfen, müssen OPC UA Server mit Informationsmodellen gut umgehen können. Anwender sollten beliebige Informationsmodelle laden und Datenquellen in einen dem Informationsmodell entsprechenden Adressraum des OPC UA Servers abbilden können. Diese Mapping-Funktionalität ist Grundlage für den effizienten Aufbau von industriellen Datenräumen in innovativen IoT-Systemen. Weiter unten ist beschrieben, wie Softing diese Funktionalität in Standard-Produkten umsetzt. Zunächst wird anhand drei ausgewählter Aspekte beschrieben, wie ein solcher OPC UA Server mit Mapping-Funktionalität im Rahmen eines größeren IoT-Systems eingesetzt wird und optional mit weiteren Komponenten zusammenspielen kann. Das Thema Architektur verdient eigentlich eine ausführlichere Darstellung, wird im Artikel jedoch zumindest angerissen.
Mapping nahe an der Datenquelle
In den meisten IoT-Systemen müssen unstrukturierte Daten so nahe wie möglich an der Datenquelle mit Semantik versehen bzw. in den Adressraum eines OPC UA Servers gemappt werden, nicht erst in einem zentralen Data Center oder in der Cloud. Hierfür gibt es mehrere Gründe. Dazu gehören Anwendungen, die Daten bereits lokal auf Edge-Ebene nutzen. Ein weiteres Beispiel ist die strukturierte Auswertung über mehrere Ebenen hinweg, etwa bei der Berechnung von OEE-Kennzahlen für einzelne Maschinen, einen Standort oder den Konzern. Hinzu kommt das große Datenvolumen, das in Geräten und Automatisierungsnetzen anfällt. Aus Kostengründen oder wegen begrenzter Bandbreite kann es oft nicht vollständig an eine zentrale Plattform übertragen werden.
Unified Name Spaces
Unified Name Space beschreibt im Kontext von IoT-Systemen ein Designmuster (engl. design pattern) einer Anwendung. Es ermöglicht die Bereitstellung von OT- und anderen Daten über IT-Technologien, sodass Entwickler und Data Scientists diese nutzen können. In praktischen Implementierungen kann beispielsweise ein MQTT-Broker mit JSON-Encoding für Nutzdaten zum Einsatz kommen, der wiederum auf einen OPC UA Server als Datenquelle zugreift. Auf Standardinformationsmodellen basierende OPC UA Server ermöglichen eine vereinfachte und weitgehend automatisierte Konfiguration der Veröffentlichung und Konsolidierung von Daten in einem Unified Name Space.
UA Cloud Library
Sobald Anwender den Einsatz von OPC UA-Informationsmodellen für ihr IoT-System in Betracht ziehen, stellt sich die Frage, wie diese Modelle verwaltet werden können. Die gemeinsam von der OPC Foundation und von CESMII entwickelte UA Cloud Library ist eine Datenbank für Informationsmodelle und Adressräume. Sie soll das Bereitstellen, Auffinden und Verteilen von Informationsmodellen vereinfachen, sei es manuell oder automatisiert über eine HTTP-REST-Schnittstelle. Anwender können die von der OPC Foundation gehostete UA Cloud Library nutzen. Alternativ steht die UA Cloud Library als Open Source-Projekt auch all denen Anwendern zur Verfügung, die sie selbst betreiben möchten. In jedem Fall unterstützt die UA Cloud Library die Entwicklung und den skalierbaren Betrieb von IoT-Systemen.
Übersicht über Softing-Produkte
Mit dem Secure Integration Server (SIS) bietet Softing Industrial bereits seit mehreren Jahren eine Windows-Applikation an, die Daten aus mehreren Datenquellen über OPC UA erfasst, in einem einzelnen OPC UA Server aggregiert, und ein konfigurierbares Mapping der Datenquellen gemäß ladbarer OPC UA-Informationsmodelle ermöglicht. Inzwischen steht mit dem EdgeAggregator ein zweites Produkt zur Verfügung, das eine vergleichbare Funktionalität als containerisiertes Software-Modul anbietet. Vor kurzem hat Softing das Portfolio erweitert und bietet OPC UA Mapping-Funktionalität auch in EdgeConnector-Produkten und in der EdgeGate-Hardware an. Als Datenquellen unterstützen diese Produkte neben OPC UA und MQTT andere industrielle Protokolle, etwa zum Zugriff auf Siemens- und Allen-Bradley-Steuerungen, auf CNC-Maschinen mit Fanuc- und Siemens-Komponenten, oder auf Modbus-sprechende Datenquellen. In den Produkten kann das Mapping der Datenquellen manuell über eine GUI definiert werden, oder automatisiert über eine HTTP-REST-Schnittstelle. Alle Produkte verbindet, dass sich mit ihnen Maschinendaten erfassen und konfigurierbar in OPC UA-Adressräume mappen lassen, angepasst auf die vorhandene Infrastruktur und das Betriebskonzept.
