Expertenbeitrag

Dipl. Betriebswirt Otto Geißler

Dipl. Betriebswirt Otto Geißler

Freier Journalist

IoT-Standards mit OPC UA Ein Meilenstein für das IoT und die Digitalisierung?

Autor / Redakteur: Otto Geißler / Sebastian Human

Nur mit standardisierter Kommunikation und einer echten Interoperabilität verschmelzen Feldgeräte, Maschinen und die Cloud zu einem starken Team. Der OPC-Standard macht es möglich, verschiedene Maschinen in industriellen Anlagen miteinander kommunizieren zu lassen. Ist er der große Hoffnungsträger?

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Das Internet of Things vernetzt Maschinen und ermöglicht deren Kommunikation, doch für ein klares Verständnis ist ein entsprechender Kommunikationsstandard wichtig.
Das Internet of Things vernetzt Maschinen und ermöglicht deren Kommunikation, doch für ein klares Verständnis ist ein entsprechender Kommunikationsstandard wichtig.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Eine Reihe von Industrieunternehmen ist sich gegenwärtig noch unschlüssig, wie sie den Weg in die Digitalisierung begehen wollen. Viele sehen in vermeintlich fehlenden IoT-Standards jedoch hohe Einstiegsbarrieren. Denn solange die Maschinen im Shopfloor und der digitalen Welt mit unterschiedlichen Sprachen kommunizieren, können sie sich trotz Vernetzung kaum verstehen.

Jedoch durchdringen bereits im Zusammenhang mit der Maschinen- und Cloud-Service-Kommunikation verschiedene Protokolle wie beispielsweise MQTT (Message Queue Telemetry Transport) für den Nachrichtenaustausch zwischen Geräten, LWM2M (Lightweight Machine-to-Machine) zum IoT-Gerätemanagement und OPC UA (Open Platform Communication Unified Architecture) für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation den Markt.

Horizontale und vertikale Kommunikation

Dabei fragen Anwender vor allem konvergente, durchgängige, gesicherte und schnelle Netzwerke nach. Gleichzeitig sollen sie hohe Teilnehmerzahlen bewältigen, sich dynamisch anpassen und skalieren lassen. Vor dem Hintergrund dieser Anforderungen verzeichnet der offene, Ethernet-basierte Standard OPC UA kräftige Zuwächse.

OPC UA ist insbesondere ein offener Standard für die horizontale Kommunikation von Maschine zu Maschine (M2M) und für die vertikale Kommunikation von der Maschine bis hin zur Cloud. Offener Schnittstellenstandard bedeutet hier: unabhängig vom Hersteller oder Systemlieferanten der Applikation, von der Programmiersprache, in der die Software programmiert wurde, und vom Betriebssystem, auf dem die Anwendung läuft.

OPC UA erlaubt den Zugriff auf verschiedenste Datenarten in vertikaler und horizontaler Richtung. Mittlerweile ist der Standard dazu in der Lage, nicht nur Maschinendaten zu befördern, sondern sie auch maschinenlesbar beschreiben zu können. Zudem gestattet er es einem ERP-System, als vertikale Integration den Status einer Maschine, eines Gabelstaplers oder eines sonstigen Geräts direkt abzunehmen.

Darüber hinaus können Auslastungen in der Fließfertigung ausgelesen und Bestellungen komplett automatisiert ausgeführt werden. Den Anwendungsfällen sind damit keine Grenzen gesetzt. Auf diese Weise wird der komplette Herstellungsprozesse über alle Ebenen hinweg quasi per Klick transparent. Dies gilt als einer der größten Vorteile von OPC UA.

Zukunftsfähigkeit durch Flexibilität

Da sich mit dem Standard OPC UA nahezu beliebige Software- oder Hardwarekomponenten vernetzt lassen, wird er heute schon durch alle wichtigen SPS-, MES- und Visualisierungshersteller unterstützt. OPC UA erlaubt die Skalierung von IoT-Anwendungen selbst auf kleinsten Geräten bis hin in große IT-Ebenen. Einem Fraunhofer-Institut gelang es, einen OPC-UA-Server auf 10-kB abzuspecken, damit er auf kleinsten Sensoren untergebracht werden kann.

Ein anderer wichtiger Punkt ist der ausreichende Schutz vor möglichen Hacker-Attacken. So ermöglicht eine serviceorientierte Architektur bewährte Sicherheitskonzepte, die aus den strengen Anforderungen der Praxis bekannt sind. Als Basis dient die Anwender- und Anwendungsauthentifikation. Verschlüsselungen mit AES, TLS und SSL sind fest im Standard integriert.

Synchronisation und Echtzeit-Kontrolle

Da OPC UA gegenwärtig noch keine Kommunikation in Echtzeit erlaubt beziehungsweise keine geringen Latenzzeiten leisten kann, wird an der Erweiterung TSN (Time Sensitive Networking) für OPC UA gearbeitet. Daran sind mehrere Unternehmen wie beispielsweise darunter ABB, Bosch, Cisco, GE oder Kuka beteiligt.

Zum Beispiel fordert Kuka eine Echtzeit-Kommunikation mit OPC UA, um mit einer einzigen Komplettlösung von der horizontalen Robotersteuerung zur Roboterhandsteuerung bis in die MES- und IT-Ebene zu skalieren. Das bedeutet, OPC UA ist nicht nur ein Protokoll, sondern eine Architektur, die sich entsprechend des Marktbedarfs anpassen lässt.

Die Anforderungen für OPC UA TSN wurden gemeinsam von der OPC Foundation mit dem Industrial Internet Consortium (IIC) erstellt. Wobei offizielle Gremien der Standardisierung zusehends die Rolle als Impulsgeber an Industriekonsortien, Allianzen oder frei organisierte Ökosysteme verlieren.

Bemerkenswert ist die Tendenz, dass große Player wie Google oder Amazon ohne Kooperationen zu bilden ihre eigenen Produkte direkt in den Markt pressen. Damit wird versucht, Kunden an ihre geschlossenen Lösungen mit besonders niedrigen Einstiegshürden zu binden. In der Folge kann sich eine solche Entscheidung unter Umständen als recht kostspielig erweisen. Dagegen wäre es gerade für die Digitalisierung wichtig, wenn sich möglichst offene Entwicklungen als durchsetzungsfähig erweisen würden.

Am Standort oder in der Cloud

Bevor Unternehmen ihre IoT-Projekte ausrollen, empfiehlt es sich, in Erfahrung zu bringen, welche Daten lokal oder in der Cloud vorzuhalten sind. Hier gilt die Faustregel: Daten, die an einem bestimmten Standort ausgetauscht werden, sollte auch dort in die Speichersysteme.

Beispielsweise eignen sich eher einfachere Services – schon alleine aus sicherheitstechnischen Gründen der Datensparsamkeit – dafür, sie on site vorzuhalten. Die Cloud entfaltet dagegen ihre Stärken, wenn es um die Vernetzung von Geräten und Maschinen verschiedener Anbieter über eine gesamte Lieferkette geht.

Das bedeutet, solche IoT-Infrastrukturen sind also immer dann sinnvoll, wenn standort- oder anbieterübergreifend Daten transferiert und viele Services im Einsatz sein sollen oder Redundanz großgeschrieben wird. Die Cloud-IoT-Plattformen stellen dazu geeignete Schnittstellen, Bridges oder eine Middleware bereit, um Maschinen bzw. sonstige Geräte zu verbinden.

Dazu werden die Nutzer der maschinellen Anlagen oft forciert, eine populäre Sprache zu verwenden. Hier ist anzumerken, dass die Kommunikation zwischen einzelnen Cloud-Anbietern sich immer noch als recht problematisch gestaltet.

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