Die Entwicklung der industriellen Interoperabilität und Kommunikation

Die Fabrikautomation ist auf eine nahtlose Kommunikation zwischen Feldinstrumenten, Steuerungen und übergeordneten Systemen angewiesen. In der Vergangenheit schränkten proprietäre Protokolle den Datenaustausch zwischen Steuerungshardware verschiedener Hersteller ein. Frühe Computermethoden wie Dynamic Data Exchange (DDE) konnten die Anforderungen der Prozesssteuerung in verteilten Netzwerkarchitekturen nicht erfüllen. Daher gründeten Branchenführer 1996 Open Platform Communication (OPC), um den industriellen Datenaustausch zu standardisieren. OPC stellt eine universelle Schnittstelle bereit, die ältere Geräte mit modernen übergeordneten Plattformen verbindet.

Die OPC-Classic-Spezifikationen im Überblick

OPC Classic nutzt die Microsoft-Technologie DCOM (Distributed Component Object Model), um Prozessdaten in Echtzeit zu übertragen. Die ursprüngliche Spezifikation umfasst drei funktionale Säulen:

• OPC Data Access (OPC DA): Überträgt kontinuierliche Echtzeitparameter wie Druck-, Temperatur- und Durchflusswerte.
• OPC Alarms and Events (OPC AE): Übermittelt Bedienern mit Zeitstempeln versehene Alarmbenachrichtigungen und Ereignismeldungen.
• OPC Historical Data Access (OPC HDA): Ruft archivierte Trenddaten zur Analyse und für regulatorische Berichte ab.

Obwohl OPC Classic die Anlagenvernetzung revolutionierte, führte die Abhängigkeit von Windows-basiertem DCOM zu Schwachstellen in Firewalls. In meinen 15 Jahren bei der Konfiguration von DCS-Netzwerken ist die Sicherheitskonfiguration von DCOM nach wie vor eine der größten Herausforderungen bei der Implementierung.

Der Paradigmenwechsel zu OPC UA

Die OPC Foundation führte OPC Unified Architecture (OPC UA) ein, um die architektonischen Grenzen von OPC Classic zu überwinden. OPC UA ermöglicht eine plattformunabhängige Kommunikation zwischen Windows, Linux, eingebetteten Steuerungen und Cloud-Architekturen.

Im Gegensatz zu seinem Vorgänger integriert OPC UA native Sicherheitsfunktionen, darunter digitale Zertifikate und Ende-zu-Ende-Verschlüsselung. Darüber hinaus bietet OPC UA umfangreiche Funktionen zur Informationsmodellierung. Ingenieure definieren komplexe Datenstrukturen statt einfacher flacher Tag-Register. Dadurch bildet OPC UA das Rückgrat moderner Industry-4.0- und Smart-Factory-Architekturen.

Interaktion zwischen OPC-Server und -Client in SPS-Systemen

Eine OPC-Architektur funktioniert über eine Client-Server-Beziehung:

• OPC-Server: Stellt direkt eine Verbindung zu Feldsteuerungen wie SPS oder DCS her, um Rohdaten der Ein- und Ausgänge zu erfassen.
• OPC-Client: Fordert Prozessdaten vom Server zur Visualisierung oder Datenprotokollierung an.

Softwarepakete wie Rockwell Automation RSLinx oder Siemens SIMATIC NET fungieren beispielsweise als OPC-Server. Gleichzeitig fungieren SCADA-Plattformen wie WinCC oder Ignition als OPC-Clients. Der OPC-Server übersetzt proprietäre Steuerungsprotokolle wie Profibus, PROFINET oder EtherNet/IP in standardisierte OPC-Datentags. Dadurch überwachen Bediener Anlagen verschiedener Hersteller über ein einheitliches HMI-Dashboard.

Anwendungsbeispiel aus der Praxis: Integration einer hybriden Produktionsanlage

Ein Pharmaunternehmen plante, ein bestehendes Siemens-S7-1500-SPS-Skid mit einem neuen Rockwell-Allen-Bradley-ControlLogix-DCS zu integrieren. Die Anlage musste Echtzeit-Temperaturdaten in einem zentralen Historian protokollieren, ohne die vorhandene Feldhardware auszutauschen.

Ingenieure implementierten eine OPC-UA-Server-Schicht über beide SPS-Netzwerke. Die zentrale übergeordnete Plattform fungierte als einzelner OPC-UA-Client und rief Daten von beiden Steuerungen nahtlos über verschlüsselte Ethernet-Verbindungen ab. Diese Lösung machte kostspielige Hardwarekonverter überflüssig, erhielt die vorhandene Feldverkabelung und stellte die Einhaltung von Standards zur Datenintegrität sicher.

Über den Autor

Chen Ming ist leitender Architekt für industrielle Steuerungssysteme und verfügt über mehr als 15 Jahre Erfahrung in der SPS-Programmierung, der Integration von DCS-Netzwerken und der Einhaltung von Cybersicherheitsvorgaben. Er hat komplexe Automatisierungsarchitekturen in der Automobil-, Chemie- und Energiebranche entwickelt und in Betrieb genommen. Chen Ming ist auf die Implementierung von OPC UA, industrielle Feldbusnetzwerke und die Verbindung von OT-Infrastrukturen mit IT-Unternehmenssoftware spezialisiert.