FI-DV 03 OPC UA in der Praxis

FI-DV 03 OPC UA in der Praxis

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) ist der De-facto-Standard für die maschinelle Kommunikation in der Industrie 4.0. In diesem Modul erlernen Sie die praktische Implementierung von OPC UA, das Aufbau von Information Models, die Anwendung von Companion Specifications sowie die Unterschiede zwischen Client/Server-Kommunikation und Pub/Sub-Muster. Besonderes Augenmerk liegt auf der Integration mit Time-Sensitive Networking (TSN) für deterministische Echtzeitkommunikation.

Die Teilnehmer:innen werden in die Lage versetzt, OPC UA-Server und -Clients zu konfigurieren, komplexe Datenmodelle zu erstellen und die Kommunikation in heterogenen IT/OT-Umgebungen sicher zu implementieren. Praxisnahe Beispiele und Konfigurationsbeispiele vermitteln das notwendige Know-how für den produktiven Einsatz.

Konzepte und Hintergrund

Information Model

Die strukturierte Hierarchie von Objekten, Variablen und Methoden, die die Semantik der Daten und Funktionen in einem OPC UA-System definiert. Es bildet die Grundlage für die interoperable Kommunikation zwischen Geräten und Systemen.

Companion Specifications

Industriespezifische Erweiterungen des OPC UA-Kernstandards, die die Semantik für bestimmte Anwendungsfälle wie z.B. für Maschinenbau (OPC UA for Machinery), Prozessautomatisierung (OPC UA for IEC 61131-3) oder Diagnose (OPC UA for Diagnostics) definieren.

OPC UA over TSN

Die Kombination von OPC UA mit Time-Sensitive Networking (TSN) für deterministische, zeitlich exakte Datenübertragung in industriellen Netzwerken. Diese Technologie ermöglicht die Konvergenz von IT- und OT-Netzwerke auf einer gemeinsamen Infrastruktur.

Pub/Sub

Ein alternatives Kommunikationsmuster zu Client/Server, bei dem Daten von Publishern an Subscribern über Themen (Topics) verteilt werden. Es eignet sich besonders für die effiziente Verteilung von Daten an mehrere Empfänger in Echtzeitsystemen.

Architektur-Diagramm

flowchart TB
    subgraph IT-Netzwerk
        A[IT-Server] --> B[OPC UA Server]
    end
    
    subgraph OT-Netzwerk
        C[PLC] --> D[OPC UA Client]
        E[SCADA] --> D
        F[IIoT Platform] --> D
    end
    
    subgraph Netzwerkinfrastruktur
        G[TSN Switch] --> H[OPC UA Broker]
    end
    
    B --> G
    D --> G
    H --> A
    H --> C
    H --> E
    H --> F

Praktische Schritte

1. Installieren Sie den OPC UA Server auf einem Linux-System mit dem Paket open62541-server.
2. Konfigurieren Sie die Serverzertifikate mit dem Befehl openssl req -x509 -newkey rsa:4096 -nodes -keyout key.pem -out cert.pem -days 365.
3. Definieren Sie Ihr Information Model in einer XML-Datei mit den notwendigen Namespaces und Objekthierarchien.
4. Importieren Sie das Information Model mit dem Befehl open62541-server -c server_config.xml in den Server.
5. Konfigurieren Sie die TSN-Parameter auf dem Switch mit tsnctl config --priority 3 --streamid 1.
6. Erstellen Sie eine Companion Specification für Ihre Maschine mit dem OPC UA Companion Specification Editor.
7. Implementieren Sie einen OPC UA Client in Python mit der Bibliothek asyncua zur Datenabfrage.
8. Konfigurieren Sie den OPC UA Broker für Pub/Sub mit der Konfigurationsdatei broker_config.json.
9. Testen Sie die Kommunikation mit dem Tool uaexpert oder opcua-client.
10. Implementieren Sie die Sicherheitseinstellungen mit Zertifikaten und Access Control Lists.

Häufige Fallstricke

Weiterführende Ressourcen

• OPC UA Spezifikationen und Referenzen
• OPC UA Companion Specifications
• Open Source OPC UA Stack (open62541)
• OPC UA over TSN Implementation Guide
• OPC UA Information Hub

Wissens-Check

Vier Fragen zur Selbstkontrolle. Klicken Sie jede Frage an, um die richtige Antwort und Erklärung zu sehen.

Was ist der Hauptvorteil von OPC UA over TSN im Vergleich zur herkömmlichen OPC UA-Kommunikation?

• A) Höhere Datenkompressionsraten
• B) Deterministische, zeitlich exakte Datenübertragung
• C) Geringere Netzwerkauslastung
• D) Einfachere Implementierung von Sicherheitsmechanismen

Richtige Antwort: B. OPC UA over TSN ermöglicht deterministische, zeitlich exakte Datenübertragung durch die Kombination von OPC UA mit Time-Sensitive Networking, während die anderen Optionen nicht der Kernvorteil dieser Kombination sind.

Was ist der Hauptunterschied zwischen dem Client/Server-Modell und dem Pub/Sub-Modell in OPC UA?

• A) Client/Server nutzt TCP, Pub/Sub nutzt UDP
• B) Client/Server ist bidirektional, Pub/Sub ist unidirektional
• C) Client/Server erfordert eine permanente Verbindung, Pub/Sub ist zustandslos
• D) Client/Server unterstützt nur eine Datenart, Pub/Sub unterstützt mehrere

Richtige Antwort: C. Client/Server erfordert eine permanente Verbindung mit Zustandsinformationen, während Pub/Sub zustandslos ist und sich besonders für die effiziente Verteilung an mehrere Empfänger eignet. Die anderen Optionen sind nicht korrekt.

Was ist der Zweck von Companion Specifications in OPC UA?

• A) Die Definition von Sicherheitsprotokollen
• B) Die Erweiterung des Kernstandards für industriespezifische Anwendungsfälle
• C)</strong) Die Beschreibung der physischen Verbindungsspezifikationen</li>
• D) Die Definition von Datenkompressionsalgorithmen

Richtige Antwort: B. Companion Specifications erweitern den OPC UA-Kernstandard für industriespezifische Anwendungsfälle wie Maschinenbau oder Prozessautomatisierung, während die anderen Optionen nicht deren Hauptzweck sind.

Was beschreibt das Information Model in OPC UA?

• A) Die physische Verkabelung der Netzwerkkomponenten
• B) Die strukturierte Hierarchie von Objekten, Variablen und Methoden
• C) Die Konfiguration der Netzwerksicherheit
• D) Die Definition der Datentypen für die Kommunikation

Richtige Antwort: B. Das Information Model ist die strukturierte Hierarchie von Objekten, Variablen und Methoden, die die Semantik der Daten und Funktionen in einem OPC UA-System definiert, während die anderen Optionen nicht dessen Hauptzweck beschreiben.