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OPC UA und TSN

OPC UA ist der neue Informations- und Kommunikations-Standard (IKT) für die industrielle Automation. Der wichtigste Unterschied zu den bisher hauptsächlich genutzten Feldbussen ist die mächtige Semantik dieses Protokolls und die selbständige Modellierung der Kommunikationsbeziehungen. OPC UA ermöglicht das Browsen der vorhandenen Geräte, Funktionen wie Read /Write und den Aufruf von Methoden. OPC UA ist herstellerunabhängig und besitzt eine inhärente Datensicherheit. Eine vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) im Jahre 2015 bzgl. der spezifizierten Sicherheitsfunktionen durchgeführte Evaluation hat bestätigt, dass OPC UA mit Blick auf die Sicherheitsfunktionen entwickelt wurde und es keine systematischen Fehler gibt (siehe auch https://www.bsi.bund.de/SharedDocs/Downloads/DE/BSI/Publikationen/Studien/OPCUA/OPCUA.html ).

Üblicherweise besitzt ein OPC UA Client eine Funktion namens LDS (local discovery server). Über diese Funktion lässt sich das Netzwerk auf verfügbare OPC UA Server durchsuchen. Bei der anschließenden Verbindungskonfiguration kann die Qualität der Verbindung in Bezug auf die Datensicherheit geräteabhängig automatisiert festgelegt werden. Die weitere Konfiguration erfolgt ebenfalls automatisiert, da ja Funktionsumfang, Datenstruktur, Prozeduren etc. dank OPC UA ausgelesen werden können.
Zugriffe auf die Geräte können beispielsweise mittels Zertifikat (X.509) authentifiziert und autorisiert werden. Nachrichten können in diesem Umfeld dann verschlüsselt und signiert werden.

OPC UA definiert nicht zwingend die benutzte Übertragungstechnologie und kann daher auf unterschiedlichsten physikalischen Medien zum Einsatz kommen. Während bis vor kurzem OPC UA nur eine Client / Server Architektur, bei der der Client Daten vom Server abrufen und verarbeiten kann, unterstützt hat, ist heute mit der Definition von Pub / Sub (Publisher / Subscriber) eine Punkt-zu-Viele Kommunikation möglich. Bei Pub / Sub sendet der Publisher eine Nachricht, unabhängig davon, ob es überhaupt einen, zwei oder viele Empfänger gibt. Die Nachricht kann sowohl zyklisch gesendet werden als auch Event getrieben, also nur bei einer Änderung der Datenlage.

 

 

 

 

 

 

 

 

Pub / Sub ermöglicht, zusammen mit den unterliegenden Transportschichten, z.B. Ethernet mit TSN eine echtzeitfähige Kommunikation. Wobei hier Echtzeitfähigkeit als deterministische Kommunikation im ≤ Mikrosekunden Bereich (abhängig von der genutzten Hardware) zu verstehen ist.

OPC UA PubSub in Kombination mit MQTT ermöglicht die direkte Anbindung an Cloud Plattformen wie MS Azure oder Google. Dies wird durch die Nutzung eines JSON Mapping, das Teil des OPC UA PubSub Standards ist, noch weiter vereinfacht.

OPC UA ist als IEC 62541 standardisiert worden. Und OPC62541 ist der Name der einzigen, durchgängig in C implementierten Open Source Umsetzung des Standards inklusive des Pub / Sub Ansatzes.

Im Herbst 2019 wurde ein damit aufgebauter Server, der das „Micro Embedded Device Server" Profil der OPC Fundation umfasst (also mit Subscriptions, Methodenaufrufe und Verschlüsselung), von eben dieser zertifiziert.
OPC62541 unterstützt auch das Pub / Sub Modell, die Zertifizierung war aber wegen des Fehlens von entsprechenden Testvorschriften noch nicht möglich.

Die Entwicklung des OPC62541 Stacks wurde u.a. auch von Linutronix im Rahmen eines OSADL (www.osadl.org) Projektes unterstützt und gefördert.

Aufgrund der geforderten Echtzeitfähigkeit setzt die PubSub Kommunikation auf UDP auf und dies ermöglicht schlanke und somit hart echtzeitfähig Stacks. In Verbindung mit den Time Sensitive Network (TSN) Ergänzungen zu Ethernet (IEEE 802.3) lassen sich so standardisierte, offene Kommunikationslösungen zwischen Sensoren, Aktoren und Steuerungen verschiedener Hersteller ohne proprietäre Komponenten realisieren.
UDP besitzt allerdings keinerlei Vorkehrungen für die Sicherung der Datenübertragung. Dies muss daher durch die übergeordneten Schichten des verwendeten Protokolls erfolgen.

Linutronix beteiligt sich am Industrial Internet Consortium Testbed für TSN, welches am ISW der Universität Stuttgart angesiedelt ist. Aufgabe und Ziel des Testbeds ist es sicher-zustellen, dass die Geräte untereinander kompatibel sind. Hierzu sind einfache Anwendungsfälle sowie Datentypen definiert worden, die mittels OPC UA Pub/Sub über TSN aus-getauscht werden, wobei die Implementierung den Teilnehmern am Testbed überlassen bleibt.

Die OPC Foundation hat eine Initiative namens Field Level Communication gegründet, um die Akzeptanz und Verbreitung des Standards zu erhöhen. Viele bekannte Hersteller von Steuerungs- und Automatisierungsgeräten sind dort Mitglied und treiben die Entwicklung voran.
Parallel dazu gibt es unter dem Dach der IEC/IEEE die 68302 Gruppe, die ein Profil für TSN für die industrielle Automatisierung (TSN-IA Profil) erarbeitet. Beide Gruppen arbeiten eng zusammen, um eine Hersteller unabhängige, durchgängige TSN Lösung für die Industrie offerieren zu können.

Wir beraten Sie gerne zum Einsatz und den Möglichkeiten von OPC UA inklusive Pub / Sub und den unterschiedlichen Transportprotokollen.