Server- und -Client-Architekturen und was Anwender davon haben
PLCopen OPC UA
Die Digitalisierung der Produktion bedingt eine effiziente Verbindung von intelligenten Systemen, Sensoren und Aktoren als eines ihrer zentralen Elemente. Dieser Artikel zeigt, dass die aktuellsten Lösungen bereits den meisten Anforderungen genügen und mit Erweiterungen sogar die aufwändigsten Vorgaben mit Spezifikationen, Werkzeugen und Implementierungen erfüllen können – ein weiterer Schritt in Richtung Akzeptanz von neuen Technologien und Architekturen. 
Das Thema Kommunikation ist in der industriellen Steuerung nicht neu. Das berühmte CIM-Dreieck ist rund 30 Jahre alt und es werden heute in verschiedenen Industriezweigen nach wie vor viele historisch gewachsene Datenaustauschprotokolle genutzt. Sie bieten nur wenig Möglichkeit zum Transport von komplexen Daten und die Erweiterbarkeit ist sehr begrenzt. Doch die Welt der industriellen Automation ist in Bewegung. Immer mehr Funktionalitäten müssen bereitgestellt werden und dafür müssen immer mehr Geräte miteinander verbunden werden. Diese Geräte werden intelligent oder sogar Teil eines eigenen intelligenten Systems. Von höchster Priorität bei jeglicher Kommunikation ist außerdem der Aspekt der Security. Diesem Trend folgend werden neue Lösungen benötigt, um das Programmieren, die Installation, Wartungsmaßnahmen und Updates einfacher zu gestalten. Die PLCopen und die OPC Foundation haben sich zusammengeschlossen, um diesen Trend voranzutreiben und auf der OPC UA-Technologie basierende Lösungen für alle Ebenen der Automatisierung zu schaffen. Die Nutzung der OPC UA-Kommunikation als Standard für die industrielle Umgebung wird in vielen Industriesektoren zu einer völlig neuen Form des Informationsaustausches führen: Ist in einem Industriesektor ein spezifisches Profil definiert, z.B. eine Datenstruktur oder ein Funktionsblock, ist die Frage nach einem sicheren und effizienten Datenaustausch sowie nach der Wiederverwendbarkeit der Visualisierungsobjekte bereits beantwortet. Mit der Kombination von PLCopen und OPC UA befindet sich oberhalb der IEC61131-3 und der industriellen Steuerung eine zusätzliche Ebene von Interoperabilität.
Einführung in die OPC UA-Technologie
OPC Unified Architecture (OPC UA) bietet die Basis für universelle, offene, hardware- und softwareunabhängige, sichere und zuverlässige Netzwerkkommunikation – also für die Überwachung von konfigurierbaren Timeouts und Verbindungsunterbrechungen sowie verschlüsselte Kommunikation. Hierfür dient eine skalierbare Client/Server-Architektur, in der der Client die Datenabfrage initiiert und der Server darauf reagiert und – möglicherweise über einen abgesicherten Kanal – diese Daten gebrauchsfertig liefert (Siehe Abbildung 1). Diese Funktionalitäten waren die Basis für PLCopen, die OPC UA-Technologie zu nutzen, um in Kooperation mit der OPC Foundation die Kommunikation in industriellen Steuerungen zu harmonisieren.
Die OPC UA-Servertechnologie in der IEC61131-3
Zu diesem Zweck wurde eine gemeinsame Arbeitsgruppe gebildet. Der erste Schritt dieser Arbeitsgruppe war die Definitionsplanung und -darstellung des OPC UA-Informationsmodells im IEC61131-3-Softwaremodell. Das OPC UA-Informationsmodell beinhaltet einen standardisierten Weg, wie Server Objekte den Clienten freigeben. Objekte bestehen in der OPC UA-Bezeichnung aus anderen Objekten, Variablen und Methoden. In diesem Fall werden Objekte dazu genutzt, die Komponenten des IEC61131-3-Softwaremodells zu repräsentieren, wie ‚CtrlProgram‘, ‚CtrlTask‘, ‚CtrlResource‘ und ‚CtrlFunction Blocks‘, und Variablen repräsentieren Werte. Das führt zu einem standardisierten Weg, wie Steuerungen mit integrierter OPC UA-Servertechnologie Datenstrukturen und Funktionsblöcke an OPC UA-Clienten, wie HMIs und ERP-Systeme, weitergeben. In Abbildung 2 sind insgesamt vier Schichten zu sehen, wovon die obersten beiden in Bezug zu OPC UA stehen. In Schicht 3 ist die Verbindung zwischen IEC61131-3 und OPC UA abgebildet. Hier werden die Elemente des IEC-Softwaremodells gezeigt, die der untersten Schicht der Steuerungsarchitektur zugeordnet sind. Diese Zuordnung sorgt für transparente Kommunikation, da man heutzutage, wenn ein IEC61131-3-Steuerungsprogramm auf verschiedenen Steuerungsplattformen von verschiedenen Steuerungsanbietern läuft, durch die Nutzung von OPC UA und Zugangsprozess-Variablen mit diesen Steuerungen kommunizieren kann. Jedoch ist die Darstellung im Namensbereich der OPC UA-Server für jede Plattform verschieden: Ein Visualisierungsprogramm muss für jede Steuerung angepasst werden, auch wenn der Steuercode identisch ist. Das erfüllt nicht die Erwartungen der Kunden, nämlich dass ein identisches Steuerungsprojekt via OPC UA auf die selbe Art und Weise zugänglich ist. Hier kommt die Definition von PLCopen OPC UA ins Spiel. Diese definiert den Zugang zu den Instanzen der Steuerungsvariablen sowie die Beschreibungen, wie komplexe Datenstrukturen konstruiert sind, den genutzten Funktionsblock-Typ und welche Variable ein Ein- oder Ausgangs-Parameter ist. Andere Metadaten können die Anzahl an Aufgaben und ihre Zykluszeiten sein. Die PLCopen hat dafür gesorgt, dass das gesamte IEC61131-3-Softwaremodell und der Inhalt des Steuerungsprogrammes im OPC UA Namensbereich abgebildet sind. Dieser Namensbereich kann – sogar während des laufenden Betriebes – mithilfe eines OPC UA-Servers zur Verfügung gestellt werden, der in einem Embedded Controller integriert und mit Benennungskonventionen harmonisiert ist, wodurch er für verschiedene OPC UA-Clients, also verschiedene HMI- und ERP-Systeme, gleich aussieht. Allgemein gesagt definiert die OPC UA also ‚wie‘ und die PLCopen definiert ‚was‘ kommuniziert wird. Die Spezifikation für das PLCopen OPC UA-Informationsmodell kann auf der Webseite von PLCopen heruntergeladen werden.
