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OPC Unified Architecture (UA)

Technologie, Produkte, Vorsprung beim Standard im Datenaustausch

Beckhoff ist seit langen Jahren Vorreiter bei offenen Standards, sodass Kunden von einer besonders umfangreichen Interoperabilität zwischen Beckhoff und Fremdprodukten profitieren. Das große Engagement im Bereich der OPC-Standardisierung ist dabei ein wesentlicher Bestandteil. Dazu gehören die Mitarbeit an zahlreichen Arbeitsgruppen der OPC Foundation, die Durchführung von Produktzertifizierungen oder die Teilnahme an Plugfesten, den sogenannten Interoperabilitäts-Workshops, welche jährlich von der OPC Foundation, unter anderem in Europa, organisiert und durchgeführt werden. Hier werden die in den Spezifikationen vorgesehenen Aspekte im Praxiseinsatz überprüft, sodass die reale Interoperabilität zwischen den OPC UA-Produkten der teilnehmenden Hersteller erhöht wird. Dieses Engagement nimmt direkten Einfluss auf die Produktentwicklung und spiegelt sich in einer Vielzahl von Produkten wieder, welche für unterschiedliche Anwendungsfälle verwendet werden können.

Eine zentrale Herausforderung von Industrie 4.0 und dem IIoT (Industrial Internet of Things) ist der sichere, standardisierte Daten- und Informationsaustausch zwischen Geräten, Maschinen und Diensten, auch branchenübergreifend. OPC UA ist der Datenaustauschstandard für eine sichere, zuverlässige sowie hersteller- und plattformunabhängige Kommunikation. OPC UA wurde im Jahr 2008 erstmals released und später auch mit der IEC 62541 standardisiert. Im April 2015 hat das RAMI 4.0 (Reference Architecture Model for Industrie 4.0) diesen IEC-Standard als Empfehlung für die Umsetzung des Kommunikationslayers gelistet.

Die OPC Foundation hat die Aufgabe, eine globale Organisation zu leiten, in der Anwender, Hersteller und Konsortien zusammenarbeiten, um Datenübertragungsstandards für eine sichere und zuverlässige Interoperabilität in der industriellen Automatisierung mit mehreren Herstellern und Plattformen zu schaffen. Der neueste und bahnbrechendste Standard ist OPC UA für einen sicheren und zuverlässigen Datenaustausch, um hersteller- und plattformunabhängig die industrielle Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud zu ermöglichen.

Um diese Aufgabe zu unterstützen, arbeitet die OPC Foundation wie folgt:

  • Erstellung und Pflege von Spezifikationen
  • Sicherstellung der Einhaltung der OPC-Spezifikationen durch Zertifizierungstests
  • Zusammenarbeit mit branchenführenden Standardisierungsorganisationen

Beckhoff Automation ist seit 1998 Mitglied in der OPC Foundation und an vielen Standardisierungsarbeiten maßgeblich beteiligt. Durch eine frühzeitige Adaptierung der Technologie und Integration von OPC UA in das Produktportfolio hat Beckhoff eine lange Expertise im Umgang mit diesem Kommunikationsstandard und hiermit im Lauf der Zeit viele erfolgreiche Kundenprojekte umsetzen können.

  • Mitglied in der OPC Foundation seit 1998
  • erstes OPC UA-Produkt im Jahr 2006
  • zertifizierte OPC UA-Produkte seit 2007
  • jährliche Teilnahme an allen wichtigen Events zur Interoperabilität und Zertifizierung
  • ständige Mitarbeit bei wichtigen Arbeitsgruppen und Companion-Spezifikationen
  • Beckhoff-Mitarbeiter ist Global President der OPC Foundation

Derzeit werden in den unterschiedlichen Industriebranchen sogenannte Companion-Spezifikationen definiert. Hierbei handelt es sich um Beschreibungen, die basierend auf den Sprachmitteln von OPC UA domänenspezifische Sachverhalte beinhalten und abbilden, z. B. die Repräsentation einer Verpackungsmaschine im Objektmodell von OPC UA. Der Grund hierfür: Ein OPC UA Client, der sich mit einer Maschine verbindet, soll diese mittels der OPC UA-Darstellung als Maschine von einem Typen begreifen können, unabhängig davon, welcher Hersteller diese Maschine gebaut hat. Es wird also auf konkrete Maschinenspezifika zugegriffen und nicht auf eine strukturierte Liste von Variablen, die bei jedem Hersteller anders aufgebaut ist.

Bereits frühzeitig hat Beckhoff das Potenzial von OPC UA erkannt und im Jahr 2006 den weltweit ersten OPC UA Server veröffentlicht, welcher direkt in die Steuerung integriert war. Durch die beständige Mitarbeit in den Arbeitsgruppen der OPC Foundation und Teilnahme an den Interoperabilitäts-Workshops haben die dort gewonnenen Ergebnisse einen direkten Einfluss auf unsere Produktentwicklung. Beckhoff ist eines der Unternehmen, das seine Produkte jedes Jahr in den neusten Versionen und mit den neusten Funktionen auf reale Interoperabilität und Stabilität hin untersuchen lässt. Die Erkenntnisse werden sowohl in die Entwicklung als auch in die Spezifikationsarbeitsgruppen geleitet.

Gerade auch im Hinblick auf die oben genannten Companion-Spezifikationen stellt Beckhoff in seinen Produkten umfassende generische Funktionen zur Verfügung und bietet mit TF6100 TwinCAT 3 OPC UA sowie TE6100 TwinCAT 3 OPC UA Nodeset Editor einen Server und Editor an, womit sich die Companion-Spezifikationen integrieren lassen.

Anwendungsszenarien von Beckhoff OPC UA-Produkten

Mit OPC UA Client/Server und OPC UA Pub/Sub lassen sich herstellerübergreifend sichere Kommunikationsverbindungen zwischen Maschinen herstellen.
Mit OPC UA Client/Server und OPC UA Pub/Sub lassen sich herstellerübergreifend sichere Kommunikationsverbindungen zwischen Maschinen herstellen.

Natürlich lassen sich mit Hilfe der OPC UA-Client/Server-Architektur auch Machine-to-Machine-Szenarien realisieren – unter Berücksichtigung der Vor-, aber auch, aus Sicht der Performance, Nachteile der zugrunde liegenden TCP/IP-Kommunikationsverbindung. Die OPC UA-Spezifikation wurde im Jahr 2016 durch Publisher/Subscriber-Mechanismen erweitert, wodurch sich die Kommunikation über eine sogenannte „Nachrichten-orientierte Middleware“ leiten lässt. Im lokalen Netzwerk kann hierfür UDP als Transportkanal verwendet werden. Bei der Kommunikation über Netzwerkgrenzen hinaus bietet sich MQTT als Transportkanal an. Mit der Function TF6105 TwinCAT 3 OPC UA Pub/Sub stellt Beckhoff die Mechanismen zur Verfügung, um beide Transportwege direkt aus der Echtzeit heraus nutzen zu können.

Beckhoff ist Mitglied der Field Level Communications (FLC) Initiative innerhalb der OPC Foundation, die eine offene, einheitliche Schnittstelle zur Steuerungskommunikation definiert (OPC UAFX Controller-to-Controller). Dieser Standard beschreibt Geräte- und Konfigurationsmodelle, mit deren Hilfe unter Verwendung von OPC UA Client/Server und OPC UA Pub/Sub interoperable Kommunikationsbeziehungen zwischen Maschinen bzw. Steuerungen verschiedener Hersteller konfiguriert und aufgebaut werden können.

Die Kommunikation in die Cloud zu Speicherungs- und Analysezwecken ist mit OPC UA ebenfalls möglich.
Die Kommunikation in die Cloud zu Speicherungs- und Analysezwecken ist mit OPC UA ebenfalls möglich.

Die Einbeziehung von Cloud-Diensten in den Automatisierungsablauf gewinnt zunehmend an Attraktivität, sei es zur Realisierung einer zentralen Datenspeicherung oder auch zu Analysezwecken. Durch die Erweiterung von OPC UA um Publisher/Subscriber-Mechanismen lassen sich solche Cloud-Dienste anbinden, z. B. über das Transportprotokoll MQTT. Beckhoff stellt mit den Produkten TF6105 TwinCAT 3 OPC UA Pub/Sub und TF6720 TwinCAT 3 IoT Data Agent zwei TwinCAT 3 Functions bereit, um solche Anwendungsszenarien adressieren zu können. Darüber hinaus ermöglicht der IoT-Buskoppler EK9160 eine direkte Anbindung der I/O-Ebene über MQTT an die Cloud.

Die Companion-Spezifikationen sind einheitliche und herstellerunabhängige Beschreibungen von Maschinen im Sprachraum von OPC UA und ermöglichen eine plattformunabhängige Kommunikation von Komponenten im Industrie 4.0-Umfeld.
Die Companion-Spezifikationen sind einheitliche und herstellerunabhängige Beschreibungen von Maschinen im Sprachraum von OPC UA und ermöglichen eine plattformunabhängige Kommunikation von Komponenten im Industrie 4.0-Umfeld.

Mit den Functions TE6100 TwinCAT 3 OPC UA Nodeset Editor und TF6100 TwinCAT 3 OPC UA ermöglicht Beckhoff die Integration von Companion-Spezifikationen in das Automatisierungsprojekt und deren anschließende Verwendung. Mithilfe des Nodeset Editors lassen sich Companion-Spezifikationen (bzw. die daraus resultierenden Nodeset-Dateien) laden und für die Modellierung des Maschinenprojekts verwenden. Datenpunkte aus der Companion-Spezifikation lassen sich grafisch mit Datenpunkten aus der SPS verknüpfen. Eine automatische SPS-Codegenerierung reduziert dabei den Engineering-Aufwand und macht die Integration einfacher. Das entstandene Projekt kann dann in den TwinCAT OPC UA Server geladen werden, wodurch OPC UA Clients eine standardisierte Schnittstelle für den Zugriff auf Maschinendaten anhand der Companion-Spezifikation erhalten.

Diagnose und Visualisierung von Fremdgeräten können durch die Kombination von OPC UA mit TwinCAT Scope und TwinCAT HMI auf einfache Weise erfolgen.
Diagnose und Visualisierung von Fremdgeräten können durch die Kombination von OPC UA mit TwinCAT Scope und TwinCAT HMI auf einfache Weise erfolgen.

TwinCAT 3 Scope ist ein Software-Oszilloskop für die grafische Darstellung von Signalverläufen in verschiedenen Chart-Typen. Dies können beispielsweise YT-, XY-, Bar- oder Digital-Charts sein. Langzeitaufnahmen, erweiterte Exportmöglichkeiten und triggergesteuertes Abspeichern sind im Funktionsumfang enthalten. Durch die Integration von OPC UA ermöglicht TwinCAT Scope auch den Zugriff auf Variablen von Fremdgeräten, wodurch sich diese einfach und bequem in der gewohnten Scope-Oberfläche diagnostizieren lassen.

OPC UA kann auch in die TwinCAT HMI integriert werden. Somit wird die Visualisierung von Fremdgeräten und der Zugriff auf die dort bereitgestellten Variablen ermöglicht.

Mit dem Device Manager bieten alle Beckhoff IPCs die Möglichkeit einer ausgefeilten Systemdiagnose mit einem einheitlichen, sicheren Zugriff auf die vorhandenen Hardware- und Softwarekomponenten.
Mit dem Device Manager bieten alle Beckhoff IPCs die Möglichkeit einer ausgefeilten Systemdiagnose mit einem einheitlichen, sicheren Zugriff auf die vorhandenen Hardware- und Softwarekomponenten.

Der Beckhoff Device Manager, mit dem eine Gerätediagnose mit einer Vielzahl von Systemwerten durchgeführt werden kann, ist standardmäßig in allen Beckhoff IPCs vorinstalliert. Die Systemwerte werden zum einen über Standardfunktionen des Windows‑Betriebssystems und zum anderen über spezielle Funktionen des Beckhoff BIOS abgerufen. Mit dem Steuerungsrechner als zentrales Element der Maschinensteuerung, dessen Ausfall hohe Stillstandskosten verursachen kann, ist die Möglichkeit zur Überprüfung des Geräts essenziell. Um einem Ausfall vorzubeugen und Stillstandszeiten zu minimieren, ist es wichtig, kritische Zustände, wie z. B. einen drohenden Hitzekollaps durch den Ausfall eines Lüfters oder eine unzureichende passive Kühlung, frühzeitig zu erkennen. Zur Erfassung, Analyse und Auswertung der Systemdaten im laufenden Betrieb bieten daher alle Beckhoff IPCs die Möglichkeit einer ausgefeilten Systemdiagnose mit einem einheitlichen, sicheren Zugriff auf die vorhandenen Hardware- und Softwarekomponenten. Der Beckhoff Device Manager verfügt über einen integrierten OPC UA Server, der auf jedem Beckhoff Industrie- und Embedded-PC einsatzbereit ist und Zugriff auf die Diagnosedaten des IPCs bietet.

Existierende Maschinen können über Edge Devices problemlos mit OPC UA-Technologie versehen werden.
Existierende Maschinen können über Edge Devices problemlos mit OPC UA-Technologie versehen werden.

Aufgrund der offenen und flexiblen Kommunikationsarchitektur von TwinCAT eignen sich die TwinCAT 3 Functions auch ideal für die Realisierung von Retrofit-Szenarien. Eine existierende Maschine kann dabei sehr einfach über ein Beckhoff Edge Device mit OPC UA-Technologie erweitert werden, ohne den Programmcode der Maschine ändern zu müssen. Bei der Wahl der Edge Device Hardware kann der Kunde auf die große Vielfalt an Beckhoff Industrie-PCs zurückgreifen. Grundsätzlich ist jeder Beckhoff Industrie-PC in der Lage, solche Edge-Device-Funktionalitäten bereitzustellen und auszuführen. Dadurch kann man das Edge Device und die darauf laufende Software perfekt für seinen Einsatzzweck skalieren.

OPC UA wird von MTP-Anwendungen zur Kommunikation genutzt.
OPC UA wird von MTP-Anwendungen zur Kommunikation genutzt.

Modularisierung ist ein wichtiges Thema im Maschinen- und insbesondere Anlagenbau, um die Flexibilität und Wiederverwendbarkeit von Anlagenteilen zu erhöhen. Dadurch werden die Umbau- und Rüstzeiten minimiert. Module Type Package (MTP) wurde herstellerübergreifend als Standard etabliert und kommuniziert während des produktiven Ablaufs mit OPC UA. TwinCAT unterstützt die effektive Anlagen-Modulerstellung in der Engineering- sowie auch Produktionsphase durch die TwinCAT 3 Functions TF8400 und TF8401.

I/O-Komponenten können mit TF6100 über OPC UA kommunizieren, mit dem IoT-Koppler EK9160 werden sie sogar automatisch erkannt und über den OPC UA Server bereitgestellt.
I/O-Komponenten können mit TF6100 über OPC UA kommunizieren, mit dem IoT-Koppler EK9160 werden sie sogar automatisch erkannt und über den OPC UA Server bereitgestellt.

In der klassischen Systemarchitektur werden I/O-Geräte, z. B. EL-Klemmen, in TwinCAT angebunden und dort entsprechend weiterverarbeitet und geschaltet. Über diesen Weg kann die Function TF6100 TwinCAT 3 OPC UA verwendet werden, um die I/O-Geräte über OPC UA erreichbar zu machen.

Über den IoT-Koppler EK9160 steht jedoch auch ein Hardware-Buskoppler zur Verfügung, welcher eine OPC UA-Server-Schnittstelle direkt integriert hat. Die angeschlossenen I/O-Klemmen werden hierbei automatisch beim Start des Gerätes erkannt und über den OPC UA Server bereitgestellt. Das ermöglicht die schnelle und sichere Anbindung von I/O-Datenpunkten. Auch im Retrofit-Szenario kann der EK9160 seine Stärken ausspielen: Zusätzliche Sensoren lassen sich auch an einer existierenden Anlage ohne viel Aufwand hinzufügen und über die standardisierte OPC UA-Schnittstelle bereitstellen.

Produkte

TE6100 | TwinCAT 3 OPC UA Nodeset Editor Neu

TE6100 | TwinCAT 3 OPC UA Nodeset Editor

Der TwinCAT 3 OPC UA Nodeset Editor ist eine Software zum Anzeigen, Anpassen und Anlegen der XML-basierten, formalen Beschreibungsdateien von OPC UA-Informationsmodellen, den sogenannten Nodesets.

TF2000 | TwinCAT 3 HMI Server

TF2000 | TwinCAT 3 HMI Server

Der TwinCAT 3 HMI Server ist ein modularer Webserver, der die HMI bereitstellt. Alle CPU-Leistungsklassen von ARM bis Multicore werden unterstützt. Die leistungsfähige Basisarchitektur ermöglicht zahlreiche Anwendungsszenarien: von der lokalen Panel-Lösung bis zu Multi-Client-, Multi-Server- und Multi-Runtime-Konzepten.

TF3300 | TwinCAT 3 Scope Server

TF3300 | TwinCAT 3 Scope Server

Der TwinCAT 3 Scope Server bereitet Daten für die visuelle Anzeige im TwinCAT 3 Scope View auf. Er kann mit der Scope View Base oder der Version TE1300 Scope View Professional verwendet werden. Für die autarke Datenaufzeichnung eignet sich der Scope Server besonders in verteilten Systemen im Produktions-, Anlagen- oder Maschinennetz. Er verfügt dabei nicht nur über TwinCAT-spezifische Kommunikationsschnittstellen, sondern auch über eine standardisierte Kommunikationsanbindung mittels OPC UA.

TF6100 | TwinCAT 3 OPC UA

TF6100 | TwinCAT 3 OPC UA

OPC UA ist eine plattformunabhängige, service-orientierte Kommunikationsarchitektur für den zuverlässigen, sicheren und herstellerneutralen Datentransport von der Fertigungsebene bis in das Produktionsplanungs- und ERP-System oder in die Cloud.

TF6105 | TwinCAT 3 OPC UA Pub/Sub

TF6105 | TwinCAT 3 OPC UA Pub/Sub

OPC UA Pub/Sub erweitert die OPC UA-Client/Server-Architektur um Publisher/Subscriber-Kommunikationsmuster. Das Produkt TF6105 TwinCAT 3 OPC UA Pub/Sub stellt die erforderlichen Protokollimplementierungen zur Verfügung, damit solche Kommunikationsmuster einfach in die TwinCAT-Anwendung integriert werden können. Es umfasst verschiedene Transportprotokolle, wie sie im entsprechenden OPC UA-Spezifikationsteil (OPC10000-14) definiert sind, z. B. UDP und MQTT.

TF6720 | TwinCAT 3 IoT Data Agent

TF6720 | TwinCAT 3 IoT Data Agent

TwinCAT 3 IoT Data Agent stellt bidirektionale IoT-Kommunikationsfunktionen in Form einer Gateway-Applikation zur Verfügung, welche unabhängig von der TwinCAT-Echtzeitumgebung konfiguriert und betrieben werden kann.

EK9160 | IoT-Buskoppler

EK9160 | IoT-Buskoppler

Der Koppler EK9160 bindet direkt und ohne Steuerungsprogramm die EtherCAT-I/Os an das Internet of Things (IoT) an. Er setzt die E-Bus-Signaldarstellung auf verschiedene IoT-Kommunikationsprotokolle um. Damit ermöglicht er eine einfache und standardisierte Integration von I/O-Daten in Cloud-basierte Kommunikations- und Datendienste. Weder eine Steuerung noch eine Programmierung sind notwendig. Die Parametrierung der I/O-Daten erfolgt in einem einfachen Konfigurationsdialog des integrierten Webservers über einen beliebigen Browser. Die jeweiligen Cloud-Services und Security-Funktionen (Authentifizierung, Verschlüsselung usw.) lassen sich ebenfalls per Browser komfortabel konfigurieren. Nach der Parametrierung übernimmt der Koppler eigenständig den Versand der digitalen oder analogen I/O-Werte an den Cloud-Dienst, inkl. Zeitstempel.

Ultra-Kompakt-Industrie-PCs

Ultra-Kompakt-Industrie-PCs

Die skalierbare Serie C60xx vereint höchste Rechenleistung im derzeit kompaktesten Format mit vielfältigen Möglichkeiten zur Installation im Schaltschrank.