In Zeiten von Industrie 4.0 ist die Interoperabilität zwischen Komponenten in industriellen Bereichen, etwa zwischen Sensoren, Steuerungssystemen und Manufacturing Execution Systems, von entscheidender Bedeutung. Der standardisierte Informationsaustausch ist eine wichtige Säule, die die Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) durch die Spezifikation eines standardisierten Informationsmodells, Kommunikationsmodells und Konformitätsmodells zu erreichen gesucht.
OPC UA definiert zwei Konzepte für den Datentransfer: Client/Server und Pub/Sub (Abb. 1). Die Daten werden in einem Informationsmodell gespeichert, auf das über eine Reihe von Diensten zugegriffen werden kann. Das Informationsmodell legt fest, wie Daten übertragen werden, wie das zugrundeliegende Datenmodell aussieht und was die grundlegenden Modellierungsregeln sind. Darüber hinaus spezifiziert OPC UA einige Basis-Informationsmodelle, wie Alarms and Conditions, Data Access oder Historical Access, die durch Companion Specifications (CS) referenziert und erweitert werden. Companion Specifications werden hauptsächlich entwickelt, um festzulegen, wie OPC UA in spezifischen Umgebungen wie etwa bestimmten Anlagen eingesetzt werden soll.
Ein Problem der OPC UA CSen ist, dass sowohl Domänenwissen als auch Wissen über OPC UA für die Implementierung erforderlich sind. Mitarbeiter mit diesen komplementären Fähigkeiten sind jedoch selten. Ein Problem, das auch für die Implementierung von OPC UA-Servern, die CSen umsetzen, gilt. Denn hierfür sind zusätzlich Programmierkenntnisse erforderlich.
Entwicklung vereinfacht
Daher profitieren Entwickler von CS-konformen OPC UA-Servern von vereinfachten Methoden zur Entwicklung der entsprechenden Software. Hier kommt der Ansatz für ein Open-Source-Framework für OPC UA-Server für CSen ins Spiel. Dieses Framework bietet eine intuitive API, indem OPC UA-Informationsmodelle mittels C++ instanziiert und mit verschiedenen Datenquellen verknüpft werden können.
Technische Betrachtung
Die Bibliothek OpcUaLib des ISWs enthält zwei zentrale Elemente, die die Implementierung von OPC UA-Servern vereinfachen. Zum einen wird durch Operator-Overloading in Kombination mit einer Klasse für asynchrone Variablen (AsyncVarX) eine intuitive API bereitgestellt. Zum anderen lassen sich mittels der ExternalValue-Klasse Adapter zu externen Datenquellen wie ADS realisieren.
Die AsnycVariable-Klasse ermöglicht es, mit den C++-Variablen, die letztendlich durch den OPC UA-Server nach außen freigegebene werden, wie mit gewöhnlichen C++-Variablen zu interagieren. Der aktuelle Variablenwert wird bei Änderungen automatisch in einen Speicherbereich übertragen, der für die Kommunikation mit OPC UA genutzt wird. Dabei wird auch ein Zeitstempel aktualisiert, um den Zeitpunkt der letzten Aktualisierung zu dokumentieren. Diese Trennung zwischen interner und externer Darstellung des Wertes ist wichtig, um sowohl Performance als auch Datenintegrität sicherzustellen. Eine weitere zentrale Funktionalität ist die Bereitstellung eines Lese-Callbacks, das vom OPC UA-Server genutzt wird, um auf den Variablenwert zuzugreifen. Dieses Callback ermöglicht es, den gespeicherten Wert effizient und ohne unnötige Kopien an externe Clients zu übertragen. Gleichzeitig können Anpassungen vorgenommen werden, um spezielle Datentypen oder zusätzliche Anforderungen zu berücksichtigen. Die Klasse unterstützt darüber hinaus Mechanismen zur Initialisierung und Anpassung der Variablen, einschließlich der Konfiguration von Metadaten wie Zeitstempeln und Statusinformationen. Dies erleichtert die Integration in OPC UA-Server und bietet die Flexibilität, die für spezifische Anwendungsfälle erforderlich ist.
Die zweite Kernfunktionalität der Klasse ExternalValue ermöglicht es, Callbacks zu registrieren, die bei Eintreten eines Events aufgerufen werden. So lässt sich z.B. realisieren, dass sobald sich der Wert einer ADS-Variable geändert hat, der entsprechende Wert umgerechnet und im OPC UA-Server sichtbar gemacht wird.
Das Framework in der Anwendung
Abbildung 2 zeigt einen Quellcodeauszug, bei dem die API genutzt wird, um einen OPC UA-Server für die Machine Tools (Werkzeugmaschinen)-CS zu erstellen. Der Code beschreibt eine Anwendung, die Daten einer Maschinensteuerung per ADS-Protokoll einsammelt und per OPC UA verfügbar macht. Dabei werden eine OPC UA-Instanz der Maschine erstellt, Variablen-Nodes angelegt und Daten zwischen der externen Datenquelle über ADS und dem OPC UA-Server synchronisiert.
Zu Beginn wird der OPC UA-Server gestartet und ein spezieller Namespace mit einer URI (Uniform Resource Identifier) für Maschineninstanzen definiert. Innerhalb dieses Namespaces wird eine Maschineninstanz erstellt, wobei spezifische Knoten, wie der Beispielknoten KeyframeCount, hinzugefügt werden. Die Integration zwischen internen C++-Variablen und OPC UA erfolgt durch asynchrone Variablen (AsyncVarUint32_t). Eine solche Variable wird im Programm definiert, mit einem OPC UA-Knoten verbunden und initialisiert. Änderungen an dieser Variablen in der Anwendung werden automatisch im OPC UA-Server reflektiert, ohne Mehraufwand für die Synchronisation. Dies ermöglicht eine Änderung der Variablen durch einfache Zuweisungen.
Darüber hinaus zeigt der Code, wie eine externe Datenquelle über ADS angebunden wird. Die Werte aus der Steuerung werden mit der Mapping-Funktion automatisch in den OPC UA-Server übertragen, sobald sich die Daten ändern. Dies ermöglicht eine Kopplung mit nur wenigen Code-Zeilen und unterstützt auch Transformationen oder Umrechnungen, falls nötig.
Fazit
Der Code illustriert die Umsetzung einer OPC UA-Integration mit Hilfe des Frameworks. Die Features der automatischen Datenbindung sowie die einfache Erstellung von Mappings zwischen externen Datenquellen wie ADS und OPC UA-Knoten reduziert den Implementierungsaufwand und erhöht die Zuverlässigkeit des Systems. Die Synchronisation findet automatisch im Hintergrund statt.
