Definition Was ist OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture)?

Open Platform Communications Unified Architecture ist ein Standard für die Automatisierungstechnik, die industrielle Kommunikation und den Datenaustausch von Maschinen, Geräten und anderen industriellen Systemen. Der Standard setzt sich aus einzelnen Spezifikationen zusammen und löst ältere auf COM/DCOM basierende OPC-Spezifikationen ab. OPC UA orientiert sich am SOA-Architekturmodell (Service-Oriented Architecture).

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Das Akronym für Open Platform Communications Unified Architecture lautet OPC UA. Es handelt sich um einen Standard für die Automatisierungstechnik, die industrielle Kommunikation und den Datenaustausch von Maschinen, Geräten und anderen Systemen industrieller Anwendungen. OPC UA ist ein wichtiger Standard für die Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things (IIoT). Er besteht aus vielen einzelnen Spezifikationen und löst ältere auf Windows COM/DCOM basierende OPC-Spezifikationen ab.

Der Standard ist plattformunabhängig einsetzbar und kommuniziert binär über TCP/IP oder per SOAP-Webservice. Die Architektur orientiert sich an SOA (Service-Oriented Architecture). OPC UA definiert nicht nur Schnittstellen und Protokolle zum Transport der Maschinendaten, sondern beschreibt auch Sicherheitsmechanismen und den semantischen Aufbau der Daten. Typische per Open Platform Communications Unified Architecture übertragene Daten sind beispielsweise Messwerte, Sensordaten, Parameter, Regelgrößen oder Steueranweisungen. OPC UA ist ein offener Standard und unabhängig von Herstellern, Betriebssystemen oder Programmiersprachen einsetzbar. Es existieren .NET-, Java-, JavaScript-, Python- und C++-Implementierungen.

Die 1994 gegründete OPC Foundation entwickelt und veröffentlicht die Open Platform Communications Unified Architecture. Der OPC Foundation gehören fast 700 Mitglieder an. Darunter führende Unternehmen aus der Automatisierungsbranche wie Iconics, Siemens, Microsoft, SAP, ABB, Rockwell, Wago und viele mehr. Die erste Version des OPC-Standards wurde im Jahr 1996 veröffentlicht. Der 2009 veröffentlichte OPC-UA-Standard löst die vorherigen Spezifikationen ab.

Gründe für die Entwicklung von Open Platform Communications Unified Architecture

Die im Jahr 1996 veröffentlichte erste Version der OPC-Spezifikation, auch als OPC Classic bezeichnet, war nicht plattformunabhängig. Sie basierte auf dem von Microsoft entwickelten COM/DCOM-Objektmodell. Systeme wie OPC-Server oder OPC-Clients benötigten das Betriebssystem Windows. Die Einsatzmöglichkeiten von OPC waren stark eingeschränkt und die freie Ausbreitung von OPC wurde behindert. OPC UA soll als Nachfolgespezifizikation diese Abhängigkeit beenden und eine echte hersteller- und plattformunabhängige, serviceorientierte Architektur auf Basis aktueller Webtechnologien und Standardprotokolle aus der TCP/IP-Welt bereitstellen. Der Kommunikations-Stack wurde komplett ausgetauscht. Zudem wurden Sicherheitsmängel der alten Spezifikation und Schwächen wie fehlende konfigurierbare Timeouts beseitigt.

Die verschiedenen Teile der OPC-UA-Spezifikation

Open Platform Communications Unified Architecture ist eine IEC-Multipart-Spezifikation bestehend aus vielen einzelnen Spezifikationen. Diese Einzelspezifikationen sind:

• EC 62541-1 Konzepte (Concepts)

• IEC 62541-2 Sicherheitsmodell (Security Model)

• IEC 62541-3 Adressraummodell (Address Space Model)

• IEC 62541-4 Dienste (Services)

• IEC 62541-5 Informationsmodell (Information Model)

• IEC 62541-6 Protokollabbildungen (Mappings)

• IEC 62541-7 Profile (Profiles)

• IEC 62541-8 Datenzugriff (Data Access)

• IEC 62541-9 Alarme und Zustände (Alarms and Conditions)

• IEC 62541-10 Programme (Programs)

• IEC 62541-11 Historischer Zugriff (Historical Access)

• IEC 62541-12 Erkundung (Discovery)

• IEC 62541-13 Berechnungen (Aggregates)

• IEC 62541-14 PubSub

• IEC 62541-100 Geräte (Devices)

Architektur und Funktionsweise von Open Platform Communications Unified Architecture

Open Platform Communications Unified Architecture basiert auf einer in mehreren Schichten aufgebauten, plattformunabhängigen und erweiterbaren Architektur, mit der sich komplexe Kommunikationsstrukturen abbilden lassen. Die Architektur ist serviceorientiert (SOA). Ein Informationsmodellierungs-Framework definiert die Komponenten und Regeln, um beispielsweise aktuelle oder historische Daten zu lesen und zu schreiben, Methoden auszuführen, über Ereignisse zu informieren oder Instanzen zu suchen.

Sowohl die klassische Client-Server-Kommunikation als auch das Publish-Subscribe-Kommunikationsmodell werden unterstützt. Während im Client-Server-Modell einzelne Komponenten oder Services Informationen über gesicherte Anfragen und Antworten (Requests und Responses) austauschen, bietet PubSub alternative Mechanismen für Benachrichtigungen an beliebig viele Abonnenten (Subscriber). Weitere Merkmale von Open Platform Communications Unified Architecture sind die Bereitstellung einfacher Schnittstellen und eines einheitlichen Nachrichtenformats sowie die Implementierung von Sicherheitsstandards für verschiedene Sicherheitsstufen. Dank einheitlichen Formaten, definierten Strukturen und einem gemeinsamen Vokabular sind die Lesbarkeit und Verständlichkeit der Nachrichten für alle OPC-UA-Teilnehmer gegeben.

Die Kommunikation ist über Binärprotokoll und TCP/IP oder über den SOAP-Webservice und HTTP möglich. Das Binärprotokoll bietet eine höhere Performance und benötigt weniger Overhead und Ressourcen. SOAP wird von vielen Tools unterstützt, ist einfach mit Java oder .NET zu verwenden und ohne Firewall-Rekonfiguration über die Ports 80 oder 443 transportierbar.

Sicherheitsaspekte von Open Platform Communications Unified Architecture

Bei der Entwicklung von Open Platform Communications Unified Architecture wurde die Sicherheit von Grund auf berücksichtigt. Der Standard beinhaltet Sicherheitsmechanismen zur Autorisierung, Authentifizierung und Verschlüsselung. Die Verschlüsselung der Daten kann mit 128 oder mit 256 Bit erfolgen. Zudem unterstützt OPC UA die zertfikatbasierte Authentifizierung, das Sequenzieren von Datenpaketen, die Zugriffskontrolle für User und das Signieren von Nachrichten. Abhängig vom gewünschten Sicherheitslevel lassen sich mit OPC UA verschiedene Sicherheitsstufen realisieren. Während für unkritische Anwendungen niedrige Sicherheitsstufen verwendet werden können, lassen sich mit dem Standard auch höchste Sicherheitsanforderungen erfüllen.

Die Vorteile von Open Platform Communications Unified Architecture im Überblick:

• plattformunabhängig

• einheitliche Schnittstellen

• hohes Maß an Interoperabilität

• Nutzung von TCP/IP und etablierten Webprotokollen

• serviceorientierte Architektur

• für verschiedene Betriebssysteme und Programmiersprachen geeignet

• Kommunikation mit Binärprotokoll oder SOAP-Webservice

• unterstützt das Client-Server- und Publish-Subscribe-Kommunikationsmodell

• einfache Portierung auf eingebettete Geräte

• Sicherheitsverfahren und -standards zur Authentifizierung und Verschlüsselung implementiert

• echtzeitfähig

• einfach erweiterbar

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