OPC UA und industrielle Kommunikation

Was ist OPC UA und wofür wird es eingesetzt?

OPC UA: Der universelle Übersetzer für die Industrie

Stell dir eine internationale Konferenz vor, auf der alle Teilnehmenden unterschiedliche Sprachen sprechen. Ohne Dolmetscher:innen wäre eine Verständigung kaum möglich. In der modernen Industrie ist es ähnlich: Maschinen und Software-Systeme von verschiedenen Herstellern müssen reibungslos miteinander kommunizieren. OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) ist hier der universelle Übersetzer und das gemeinsame Regelwerk. Es ist ein offener Standard, der es ermöglicht, dass beispielsweise ein Roboterarm von Hersteller A, Sensoren von Hersteller B und eine Steuerungssoftware von Hersteller C Daten austauschen können, als würden sie dieselbe Sprache sprechen. Diese hersteller- und plattformunabhängige Kommunikation ist ein Grundpfeiler für flexible und effiziente Produktionsprozesse in verschiedensten Branchen, von der Automobilfertigung bis zur Energieversorgung.

OPC UA als Rückgrat der Industrie 4.0

In der Industrie 4.0 geht es um die intelligente Vernetzung von Maschinen, Produkten und IT-Systemen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Sogenannte cyber-physische Systeme (CPS), also die enge Verbindung von realen, physischen Komponenten mit Software und Netzwerken, sind hierbei zentral. OPC UA bildet hier oft das Rückgrat für den Datenaustausch. In einer "Smart Factory" könnten beispielsweise Sensoren an einer Maschine über OPC UA live Daten wie Temperatur oder Vibration an ein übergeordnetes Managementsystem (MES) senden. Dieses System analysiert die Daten und kann frühzeitig erkennen, ob eine Wartung notwendig ist oder ob Produktionsparameter angepasst werden müssen, um die Qualität zu sichern. Ohne einen Standard wie OPC UA wäre die Integration solch vielfältiger Komponenten extrem komplex und kostspielig.

Wie ist OPC UA aufgebaut und welche Vorteile bietet es?

Die Architektur von OPC UA: Flexibel und erweiterbar

Die Architektur von OPC UA ist wie ein mehrstöckiges Haus aufgebaut. Jede Etage (Schicht) hat spezifische Aufgaben. Entscheidend ist, dass das "Was" (die Information, z.B. "Temperatur ist 25°C", "Motor läuft mit 3000 U/min") vom "Wie" (dem Transportweg der Daten, z.B. über ein Netzwerkkabel oder WLAN) getrennt wird.

• Das Informationsmodell legt fest, was kommuniziert wird – also die Struktur und Bedeutung der Daten. Es beschreibt, wie Objekte (z.B. eine Maschine, ein Sensor) und ihre Eigenschaften (z.B. Seriennummer, aktueller Messwert, Status) dargestellt werden. Stell dir das wie die Grammatik und den Wortschatz einer Sprache vor.
• Die Transportschicht kümmert sich darum, wie diese Informationen sicher und zuverlässig von einem Punkt zum anderen gelangen, beispielsweise über ein Netzwerkkabel oder drahtlos.

OPC UA nutzt typischerweise eine Client-Server-Architektur:

• Ein OPC UA-Server (oft direkt in einer Maschine, Steuerung oder einem Sensor integriert) stellt Daten, Informationen und Funktionen bereit.
• Ein OPC UA-Client (z.B. eine Visualisierungssoftware, eine Datenbank oder eine Cloud-Anwendung) greift auf diese bereitgestellten Informationen zu, um sie anzuzeigen, zu speichern oder weiterzuverarbeiten.

Interoperabilität: Wenn Systeme verschiedener Hersteller reibungslos zusammenarbeiten

Einer der größten Stärken von OPC UA ist die Förderung der Interoperabilität. Das bedeutet, dass Systeme und Geräte von ganz unterschiedlichen Herstellern problemlos miteinander "sprechen" und zusammenarbeiten können.

• Standardisierte Informationsmodelle: OPC UA bietet eine gemeinsame Basis, um Daten und ihre Bedeutung einheitlich zu beschreiben. So versteht ein System von Siemens, was ein System von Bosch meint, wenn es um einen "Temperaturwert" geht.
• Companion Specifications: Für viele spezifische Branchen und Gerätetypen (z.B. Robotik, Spritzguss, Werkzeugmaschinen) gibt es sogenannte "Companion Specifications". Das sind standardisierte Erweiterungen des OPC UA Informationsmodells, die genau festlegen, wie beispielsweise ein Roboter seine Position, seinen Status oder seine Fehlermeldungen über OPC UA bereitstellen soll. Das ist, als gäbe es für jede Fachrichtung ein eigenes, standardisiertes Fachwörterbuch.
• Brücke zwischen OT und IT: OPC UA schlägt eine entscheidende Brücke zwischen der Betriebstechnologie (OT) – der Welt der Maschinen, Anlagen und Steuerungen in der Fabrikhalle – und der Informationstechnologie (IT) – der Welt der Büroanwendungen, Datenbanken, Cloud-Dienste und Unternehmenssoftware. Daten aus der Produktion können so direkt für Analysen, Planung und Geschäftsentscheidungen in der IT genutzt werden.

Sicherheit: Schutz für industrielle Daten und Anlagen

In industriellen Umgebungen, wo Maschinen gesteuert und kritische Prozesse überwacht werden, hat Sicherheit oberste Priorität. OPC UA wurde von Anfang an mit umfassenden, integrierten Sicherheitsmechanismen entwickelt, um die grundlegenden Schutzziele der Informationssicherheit – Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit – zu gewährleisten:

• Authentifizierung: Stellt sicher, dass nur berechtigte Clients und Server miteinander kommunizieren dürfen. Bevor beispielsweise eine Steuerungssoftware einen Befehl an eine Maschine senden darf, muss sie sich beim OPC UA-Server der Maschine authentifizieren, oft unter Verwendung digitaler Zertifikate.
• Autorisierung: Legt detailliert fest, welche Benutzer:innen oder Anwendungen welche Aktionen auf welche Daten ausführen dürfen. Ein:e Bediener:in darf vielleicht Maschinenparameter einsehen, aber nur ein:e Wartungstechniker:in darf sie ändern.
• Verschlüsselung: Schützt die Daten während der Übertragung vor unbefugtem Mitlesen (Vertraulichkeit). Die gesamte Kommunikation zwischen Client und Server kann verschlüsselt werden, sodass sensible Produktionsdaten oder Steuerbefehle nicht im Klartext über das Netzwerk gehen.
• Datenintegrität: Stellt durch digitale Signaturen sicher, dass die übertragenen Daten während der Übertragung nicht unbemerkt manipuliert wurden. So kann sichergestellt werden, dass ein empfangener Steuerbefehl auch wirklich der gesendete ist.

Lernziele

• die integrierten Sicherheitsmechanismen von OPC UA veranschaulichen, indem die Konzepte für Authentifizierung, Autorisierung, Verschlüsselung und Datenintegrität sowie deren Beitrag zur Erfüllung der Schutzziele Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit in industriellen Netzwerken anhand von Beispielen dargestellt werden.
• die Bedeutung von OPC UA für Interoperabilität und Integration heterogener Systeme interpretieren, indem die Möglichkeiten zur standardisierten Datenmodellierung, die Unterstützung von Informationsmodellen (z.B. Companion Specifications) und die Rolle von OPC UA als Brücke zwischen OT und IT analysiert werden.
• das Konzept und die Architektur von OPC UA als Industriestandard für die Kommunikation in cyber-physischen Systemen erklären, indem die Schichtenstruktur, die Trennung von Informationsmodell und Transport, sowie die Rolle von Server und Client im Kontext von Industrie 4.0 dargestellt werden.