Internet of Things (IoT): MitOPC-UA vomSensor bisin … · Thomas Hahn, Siemens AG...
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OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 1
Stefan HoppePresident OPC [email protected]
Vorsitzender der gemeinsamen ArbeitsgruppePLCopen & OPC Foundation
Internet of Things (IoT): Mit OPC-UA vom Sensor bis in die IT-Cloud
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 3
Das Industrie 4.0 Paradigma erfordert Standards auf mehreren Ebenen, um modulare Produktionsanlagen gemäß Plug ´n Play aufbauen zu können. OPC-UA ist ein wichtiger Standard, der uns hilft, die Kommunikation zwischen Anlagenteilen herstellerunabhängig und sicher zu gestalten.
Durch den industriegetriebenen Standardisierungsprozess ist eine hohe Akzeptanz seitens industrieller Anwender für OPC-UA als plattform- und herstellerunabhängige Kommunikationstechnologie über alle Ebenen der Automatisierungspyramide erkennbar.
Die Informationsmodelle innerhalb des OPC UA Standards bieten darüber hinaus die Grundlage zur Realisierung einer semantischen Interoperabilität.
Zitate
Prof. Dr. Dr. Detlef ZühlkeDirektor Innovative Fabriksysteme DFKI Kaiserslautern
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 4
»OPC-UA spielt in unserem Digital Enterprise Platform-Ansatz auf dem evolutionären Weg zur Visioneiner Industrie 4.0 eine wichtige Rolle«
Prof. Dr. Dieter WegenerSiemens Industry SectorVP Advanced Technologies & Standards
Zitate aus der Industrie
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 5
»Die Verschmelzung von Automatisierungstechnik und Informationstechnologien benötigt 2 Schlüsselelemente.Erstens - ein intelligentes, vernetztes System, welches regelbasierte Entscheidungen treffen kann und Daten speichert – also ein Manufacturing Execution System (MES) –und vielleicht wichtiger, zweitens - eine Kommunikationsschicht, die schnell,plattformunabhängig, skalierbar, sicher und sich horizontal sowie vertikal, von der Geräteebene bis in die ERP-Systeme integrieren lässt – OPC-UA. Per sehaben wir dann – unabhängig von dem Ort der gespeicherten Daten – ein Industrie 4.0 fähiges System oder ein so genanntes Cyber-Physical-System (CPS).«
Angelo BindiSenior Manager Central Control and Information SystemsContinental Teves
Zitate aus der Industrie
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 6
»As a founding member of the OPC Foundation, Siemens strives to create added value for its customers through driving automation as well as the furtherdevelopment and interoperability of technologies between different system manufacturers.In many of our innovations – such as the network management solution Sinema Server, the Human Machine Interface Simatic HMI, or the flexible, modularmotor management system Simocode pro – OPC standards have been applied. OPC UA is an implementation we attach especially great relevance to.Thus, we have always been strongly involved in this field, and were among the first companies to have their products certified. «
Thomas Hahn, Siemens AG
Quotes from Industry
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 7
»OPC UA unlocks the potential for ERP to Factory Floor communications.«
Dr. Jürgen K. WeinhoferVice President Control Architecture & Technology
Rockwell Automation
Quotes from Industry»OPC UA allows a platform independent, easy and secure connection between SAP business systems with distributed shop floor data even on smallest embedded devices.«
Veronika Schmid-LutzProduct Owner ManufacturingSAP AG
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 8
»OPC-UA hat das Potential die Basis für eine schnelle,herstellerübergreifende Implementierung von Industrie4.0 und der in diesem Zusammenhang benötigteninternetbasierten Dienste zu sein. Damit allediese Chance nutzen und davon profitieren können,ist es notwendig, proprietäre Lösungen dieser Visionunterzuordnen.«
Dr. Reinhold AchatzHead of Corporate Center Technology, Information & QualityThyssenKrupp AG
Zitate
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 10
Herstellerunabhängig / Neutralität
- Vereinheitlichung & Standardisierung NICHT durch Produkte bestimmter Hersteller
„Alle nehmen das Gerät „X“ vor die Maschine für die Anbindung an MES/SAP“„Alle nehmen den Editor „Y“ – dann haben wir alles es leichter“„Alle nehmen das Connectivity-PlugIn „Z“ – dann sind alle miteinander verbunden“
- Kundensicht- Ablehnung von Standards die nur von einer Firma gestützt wird
- Beispiel: - MDIS (Öl and Gas Branche) / Semiconductor Firmen Japan
- Einsatz von Geräte verschiedener Hersteller- Einigung auf Technologie EINES Herstellers nicht möglich
- ….
Interoperabilität: Kriterien
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 11
Branchenunabhängig!
- In diversen Branchen haben sich de-facto Standards als Insellösung gebildet Beispiele:
- Heimgeräte UPnP- Gebäude Automatisierung BACnet, EIB, KNX, LON, DALI- Elektrische Schaltanlagen IEC61850 - Windkraftanlagen IEC61400-25- Brauerei Weihenstephan (teilweise)- M2M AMQP (Finanzwesen), MQTT (IBM), „SIM-Card“- …..
- Historisch sind diese Protokolle häufig „gewachsen“:- 1. Sammlung (Modellierung) der zu übertragenden Daten- 2. Austausch per Datei (früher INI-Datei – heute eher XML Format)- 3. Austausch per Serieller Schnittstelle – dann per TCP/IP Schnittstelle- 4. Austausch per WebService- 5. Erweiterung mit „Security“ (Passwort wird als HexCode mit übertragen)
Interoperabilität : Kriterien
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 12
Betriebssystem unabhängig
- Kundensicht- Ablehnung von Standards die nur eine bestimmte Plattform unterstützen- Patente?
Interoperabilität: Kriterien
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 13
Sprachunabhängig / Toolunabhängig
- Kundensicht- Ablehnung von Standards die eine bestimmte Sprache voraussetzen
Beispiel„Wir einigen uns auf Java, das ist Plattformunabhängig – damit geht alles“
Java benötigt eine Java-VM, diese ist nicht beliebig klein skalierbar.NET benötigt eine .NET Framework, nicht klein skalierbar
- Beispiel„Wir einigen uns auf die Toolkette „Eclipse“ oder „Microsoft Industry Program“ „Das Engineering wird dann für alle einfacher“
- Interoperabilität ist aber:„Wie arbeitet ein mit Eclipse erstellte Software mit einer Microsoft erstellen App zusammen“
Interoperabilität: Kriterien
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 14
Skalierbarkeit (vom Sensor bis IT MES / Cloud / Enterprise)Profilbildung
Interoperabilität: Kriterien
- Kundensicht- Ablehnung von Standards mit hohen Vorrausetzungen an Gerätehersteller
„Min. 500 MB RAM, min. 200MHz CPU…“
- Profilbildung ist somit notwendig- Geräte sollte ihren Leistungsumfang abfragbar anbieten können
- Full-Profil : Life Daten, Historische Daten, Security, …- Nano-Profil : Life Daten von 3 Sensoren- …
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 15
Protokoll
Interoperabilität: Kriterien
- Kundensicht- Transportschicht
muss für die Zukunft erweiterbar / austauschbar bzw auswählbar seinHistorisch: Seriell / TCP-binär, HTTP-XML, XMPP, …was bringt die Zukunft?
- Nicht nur Datenaustausch von Properties! Dienste müssen ausführbar seinz.B. Kommandos „Lade Rezept und Produziere 500 Teile“
- MetadatenDient der Beschreibung der übertragenden Daten
- Möglichkeiten zur Modellierung der Semantik - Datentyp (auch bei komplexen Datentypen)- Live Datum / Historisches Datum / Kommando / Alarm (Callback)- Zugriffsrechte (wer darf welche Daten sehen? Beschreiben?)
- Robustheit- Heartbeat um die Kommunikationsstrecke zu überwachen- Eindeutige Sequenznummer für jedes Telegramm
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 16
Security
Interoperabilität: Kriterien
- Kundensicht„Verschiedene Benutzer sollen eine unterschiedlichen Zugang zum System haben“„Visualisierung hat Zugriff auf 2000 Daten, das MES auf 50“„Schreib/Lese Zugriffsrechte an Benutzer koppelbar?“
- Security besteht aus
- Authentifizierung und Autorisierung von Benutzern über IT Standards- X509 Zertifikat- Benutzer/Password- Kerberos
- Integrität- Signieren der Nachricht verhindert Änderung der Nachricht
durch einen Dritten
- Vertraulichkeit- Verschlüsselung der Daten
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 17
Standardisierung & Zertifizierung
- Kundensicht„Vertrauen darauf, dass sich das Protokoll API nicht willkürlich ändert“„Was ist die internationale Norm“
- Standardisierung
- z.B. Internationale IEC Norm- IP Policies
- Zertifizierung „Interoperablität erfüllt?“
- Produkte und Dienste sollen „Interoperability“-Zertifikat vorweisen- Entwicklertools um während der Entwicklung zu Testen- Plug-Treffen: Internationale Treffen zum Geräte Test- Fremdzertifizierung durch Dritte
Interoperabilität: Kriterien
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 18
Kooperation
- Kundensicht„Kann die MES Welt sich auf ein Datenprofil einigen was alle Controller einbinden“
- Andere Organisationen haben historisch ihre Datenprofile definiert(und dann den Transport gelöst – aber nur sub-optimal, .B. keine Security)
- Organisationen wollen
- ihr Datenprofil behalten (Transport können andere übernehmen) Setzt Datenbeschreibung bzw Modellierung voraus
- setzen eine IEC Normierung voraus
Interoperabilität: Kriterien
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 19
Adaption
- Kundensicht„Kann man der Verbreitung trauen?“„Kann das nur Firma x – oder auch Firma Y?“
- Der beste Standard hilft ohne Akzeptanz und Verbreitung nichts
Interoperabilität: Kriterien
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 20
OPC-UA ist vom kleinsten Sensor bis in die Cloud Ebene adaptiert
Die Folie reicht nicht aus um alle verfügbaren OPC-UA Produkte zu listen
Interoperabilität: Adaption
Areva: - OPC-UA-Server ohne OS- 240kB Flash und 35kB RAM
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 22
OPC Foundation
OPC FoundationScottsdale, Arizona
OPC EuropeVerl, Germany
OPC JapanMusashino-shi, Tokyo
• Die Vision der OPC ist sichere, zuverlässige, herstellerunabhängige, plattformunabhängige Interoperabilität
• Die Zusammenarbeit ist der Schlüssel zur Vereinigung von zahlreichen “offenen” Standards zu einer einheitlichten Plattform Architektur
OPC AsiaChina
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CC-LinkTCP
Ethernet
HART
OAGIS
DDE
COM
BAPI
DeviceNetProfiBus
FieldBus
OPC-DA
HTTP
WMI
SOAP
OPC-A&EDCOM
802.1x
802.11
IPv4UDP
CAN
RS-232
IPv6
IPX
OLE
FTP
OPC-HDA
Kerberos
J1939
ModbusFDI
CANopen
AS-I
Interbus
IndustrialEthernet
ControlNet
DeviceLogixDHCP
DNS
XML
BluetoothLonworks
FIPIO
Firewire
USBRS-423
RS-485RS-422
IPsec
netDDE
802.3 V.35
RARP
ARP
ICMP
EBCDIC
ANSI
CORBA
.NET Remoting
SNMP
UNICODE
HEUTE: Vielzahl inkompatibler Protokolle
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OPC Vision: Interoperabilität
Microchip
Desktop PC
iPhonePLC/Controller
Laptop
Enterprise Servers
Tablet
CE
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China ; 29; 6%
Europa; 216; 47%
Japan ; 28; 6%
Nordamerika; 142; 31%
restliche Welt ; 43; 10%
OPC Foundation Mitgliedschaft
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Europe Activities 2013 - brochure
• OPC-UA brochure
Welcome, Vision Quotes OPC UA at a glance Organization UA Technology Complicance &
Certification Success studies Collaboration Further information
Japan version
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OPC: Vorlage Drucker-Treiber
• Die OPC Foundation definiert APIs um einen Zugang zu verschiedenen Typen von Prozessdaten zu erhalten
• Spezielle OPC Schnittstellen für aktuelle Prozessdaten, Ereignisse, Prozess-Alarme und für historische Daten
• Die OPC Schnittstellen nutzen die Microsoft Windows Basis-Technologie COM/DCOM
• Hardware Lieferanten können OPC Servers als Standard-Treiber liefern, und Software Lieferanten müssen nur einen Treiber als OPC Client implementieren um auf die Prozessdaten zuzugreifen
PCPC
Driver BDriver A Driver C
ApplicationOPC
Application
OPC OPC OPC
Basic Service of Microsoft OS
Field Bus
Device
OPC
OPC
DCOMCOM
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 29
OPC Unified Architecture
• Die OPC Foundation definiert High-Performance Protokolle (TCP Binary)• Ein fester Satz von Diensten um auf alle Informationen zuzugreifen (DA, AE,
HDA)• Vollkommen Plattformunabhängig (Win, Linux, vxWorks, QNX, Solaris, …)• Sicherheit (Authentifizierung, Verschlüsselung, Zertifikate)• Objekt-orientiertes Informationsmodel
PC, Panel, Cluster, Mainframe(WinCE, XP, 7, Linux, Unix, …)
Smart-Phone, iPad, …
Application
OPC UA
App
Device
OPC UA
UA UA UA UA UA
OPC UA
4840
unsecured Network
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 30
Anforderungen für OPC UA
Wide adoption of
OPC
OPC used as common system interface
Communication between distributed
systems
SecurityAccess control
InternetFirewalls
RobustnessFault tolerant
Platformindependent
Redundancy
Performance Scalability MESERP
Embeddeddevices
SCADA
Modeling Data
Common model for all
OPC data
Complex data
Method calls
Meta data
Base for otherstandard data
models
Type system
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Source: Acatech, Final report of the Industrie 4.0 Working Group, April 2013
Industrie 4.0
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 33 33
Schwerpunkte aus dem Vorentwurf vom 2.10.2012
1. Die Schaffung neuer Formen der intelligenten Produktionstechnik, um innovative Produkte für den Weltmarkt generieren zu können und heimische Fabriken ressourceneffizienter und flexibler zu machen.
2. Die Optimierung bestehender und die Erfindung neuer Produkte der Automatisierungstechnik, um Deutschland in seiner Automatisierungs-kompetenz einen größeren Wettbewerbsvorteil zu sichern.
3. Die Standort- und Beschäftigungssicherung durch intelligente Gestaltung der Produktion, des Engineerings und des Produktionsumfeldes, vor allem angesichts des demografischen Wandels und der damit verbundenen Herausforderungen für eine altersgerechte Arbeitsgestaltung.
4. Die Schaffung neuer kollaborativer Formen der Arbeitsorganisation in der Smart Factory, die auf qualitative Anreicherung, interessante Arbeitszusammen-hänge, zunehmende Eigenverantwortung und Selbstentfaltung ausgerichtet ist
Industrie 4.0
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 34
Herausforderung:
Die Mitglieder des BITKOM, VDMA und ZVEI nannten die Standardisierungals größte Herausforderung zur Umsetzung von Industrie 4.0.
Industrie 4.0: Intelligente Steuerung
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 36
Besser: Wenn sie sich verstehen
Can I see
your ID
Here is my
ID
On?
YesPlease inform me if something
goes wrong
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 37
Verstehen = Informatonsmodelle!
Who are you? My name
is R2-D2
Can you lift me up to
the second floor?
What is your
weight?
What can you do for
me?I can
navigate, lift, drill and cut
200 kgOK, let’s
start
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 38
OPC UA: Was ist spezifiziert?• Kommunikationsinfrastruktur
– Sicher, Interoperable, Verlässlich, Performant, Skalierbar – Plattform-unabhängig– Technologie:
• Service-oriented• Technologieabbildung unabhängig von den Diensten
– Kleiner Satz an leicht zu benutzenden Diensten• 37 Operationen vs.
fast 70 Methoden in OPC DA• Adressiert Automatisierung (z.B. Zeitstempel, Status)
• Informationsmodellierung – Reiches, objektorientiertes und
erweiterbares Typmodell– Typmodell im Adressraum– Voll vermaschtes Netz von Knoten– Skalierbar:
Unterstützt einfache und komplexe Modelle– Standardisierte Informationsmodelle basieren auf OPC UA
• Geräteintegration (FDI, ADI), IEC 61131-3…
Corporate Network
Operations Network
Plant Floor Network
Firewall
Controllers Controllers
DCSHMI
MES
ERP
Firewall
Motor Starter 01
Configuration
Control Function Local Operation
Multifunction Input DI0
ParameterSet Motor Parameters
Motor Current Low
Motor Current High
Service Info
Number of Starts
Motor Starter 01
Parameter Set
Control Function
Local Operation
Configuration
Multifunction Input DIO
Motor Current Low
Motor Current High
Number of Starts
Motor Current Low
Motor Current High
Service Info
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 40
OPC UA: Standardisierte Informationsmodelle (I)
© ABB Group May 20, 2014 | Slide 40
Base OPC UA Information Model(Generisches Model, Basistypen)
Motor Starter 01
Configuration
Control Function
Local Operation
Multifunction Input DI0
ParameterSet
Motor Parameters
Motor Current Low
Motor Current High
Service Info
Number of Starts
Organizes
Organizes
Organizes
Organizes
Organizes
Organizes
OPC UA for IEC 61131-3
(Abbildung des Software-Models)
OPC UA for Devices(Generisches Model zur
Repräsentation von Geräten)
OPC UA for Analyser Devices(Spezielles Model für
Analysegeräte)
In Entwicklung
Veröffentlicht
ISA-95(Integration of control system with enterprise
system, MES)
BACnet(Building Automation)
FDI(Field Device Integration)
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 41
UA for ISA 95 Common Object Model
Version 1.0 Released in October 2013
ISA 95 defines a model for Enterprise/Control System integrationOPC UA mapping for ISA 95 Resources Models• Role based equipment information• Physical asset information• Personnel information• Material information
Modeling Target
Production Activity Capacity Definition
Production Definition
Production Schedule
Production Performance
Logical View of Resources Process Segment
Object Models
Resources Role Base Equipment
Physical Asset Personnel Material
Common Object Model
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 42
BACnet – Building Automation
OPC UA
MES
OP
C U
A
Release Candidate Specification
BACnet OPC UA Mapping• BACnet objects to OPC UA objects• BACnet events to OPC UA alarms• BACnet logging to OPC UA HA• BACnet structure to OPC UA structures• BACnet units to OPC UA units
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 43
Kooperationen: BACnet / BIG-EU
Für neue Möglichkeiten der Integration zwischen Industrie- und Gebäudeautomation kooperieren BACnet und OPC-UA bereits:
Energiedaten sind durch BACnet semantisch definiert und können bequemund interoperabel per OPC-UA an Enterprise-Systeme bereitgestellt werden:
Eine ideale Standardisierung vom Sensor bis in die IT-Abrechungssysteme
Frank SchubertMember of the Advisory Board of the BACnet Interest Group Europe
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 44
MDIS – Oil and Gas Industry
Working Group since 2012
MCS – DSC Interface StandardWorking Group consists of• All major Oil companies (operators)• All major DCS vendors• All major Subsea vendors
OPC UA forcommunication between
Subsea Productionand
DCS Systems
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 45
Beckhoff Bosch-Rexroth„PLC1“ „Logic“
... aber semantisch gleiche Objekte!
Verschiedene EingangspunktePLCopen:Inhalt „WAS“
Alle Informationen über IEC61131-3 Projekt:• Funktionsbausteine• POU‘s• Strukturen• Tasks / Resources..
PLCopen & OPC Group: Ergebnisse
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 46
• Connection >to the controller <
• Integrated: OPC-UA server expose PLC information model• Mapping: Support official mapping IEC61131-3 to OPC-UA• Benefit Secured, semantic interoperability
08.04.2014 46
Standard
Vendor specific
MESERP
Visu
PLC
RFID
#1: OPC-UA model for IEC61131-3: Results: Semantic interoperability
Vendor specific toolsVendorspecificdevices
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 48
FB‘s for Data Communication Prototype implementationof all FB‘s done !
UaConnectUaNodeGetHandleUaNodeReleaseHandle Release 03. April 2014UaNodeGetInfoUaMonitoredItemCreateUaMonitoredItemDeleteUaRead / UaReadListUaWrite / UaWriteListUaMethodGetHandleUaMethodReleaseHandleUaMethodGetInfoUaMethodCall
DiagnosisUaConnectionGetStatus
PLCopen & OPC: Current status
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 49
- Standardisierte Kommunikation >aus der Steuerung<
MES SystemOPC UA Server
Plant EngineeringOPC UA Server
Industrie 4.0: Intelligente Steuerung
Virtual machineDatabase
- Controller initiiert Aktionen mit PLCopen standardisierten Funktionsbausteine
- Read / Write / Subscribe / Call Methode
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 50
Gerät-zu-Gerät Kommunikation basierend auf PLCopen OPC-UA-FB’s
Beckhoff, Bosch-Rexroth, B&R, Rockwell, Siemens, Yokogawa
Horizontal: Von der Steuerung zur Steuerung
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 51
Interoperabilität auf dem nächsten Level• Ermöglicht OPC Schnittstellen in Embedded Steuerung• PLC Informations-Model in einem standardisierten Format• Schnelles Engineering für HMI / MES / ERP• Verschieben von Information von der Produktionsebene bis ins ERP System• Sichere “out-of-the-PLCopen-box” Kommunikation • Basis Dienstleistungen für andere Organisationen im Bereich wie z.B. MES
PLCopen & OPC: Zusammenfassung
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 52
Ethernet
MESServer MES / ERP
API
UA TCP
OPC UA Server / Client
Ethernet
PLCOPC UA
PLCOPC UA
Ethernet
MESServer MES / ERP
PLCPLC
InterfacePC
OPC Connector
OPC Server
COM
OPC Client
OPC Server
API
Protocol Driver Protocol Driver
Klassik OPC OPC UA
Geringere Kosten
Vereinfachung
OPC-UA: Nutzen
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 53
MES-Konnektivität23. Januar 2013: OPC UA Workshop mit Fokus MES28 MES-DACH Firmen nahmen am OPC UA Workshop teil
Kooperationen: MES Konnektivität
ZielOptimimale Kopplung Factory Floor to Top Floor mit UMCM und OPC-UA
Semantik“Was” wird übertragen
Transport“Wie” wird übertragen
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 56
AIM and OPC Foundation(Association for Automatic Identification and Mobility)
AIM Global founded 1972 in USA (>700 members in 43 countries) Represents the large majority of AutoID technology and service
providers AIM Germany – Austria – Switzerland (more than 130 members) Contacts: ◦ Wolf-Rüdiger Hansen (AIM Managing Director) ◦ Markus Weinländer (Member of the AIM Board & OPC Alliance
Manager) ◦ Olaf Wilmsmeier (HARTING)
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 57
Companion specification for AutoID industry• Manufacturer-independent semantics• AutoID solutions to be build more easily and more cost-
effectively
AIM & OPC UA
Timeline: Announced at Hanover Fair 07.04.2014 … First version available at Hanover Fair 2015… … Project conducted by the AIM WG SI (Systems Integration)… … … Next meeting at Hans Turck GmbH in Mühlheim 28.05.2014
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 58
RFID Transponder RFID Reader
OPC-UA Protocol for Integrated Industry
OPC-UA
MES
SCADA
Connectivity Fieldbus independent Security
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 59
Erfolgsgeschichten
VertikalVon der Steuerung zu SAP MES via OPC UA
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 60
Elster: Auf einen Blick
Global Market
Upstream Transmission UtilizationHeating, Process Heat
MeteringGas, Water, Electricity
• 7,000 Mitarbeiter• 38 Standorte• 200 Millionen Installationen in den letzten 10 Jahren• 115 globale Märkte
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 61
Beispiel #1 Fertigung
M1
M3
M4
M5
D
F
M2
Drucker Serialschild
SAP
Brie
fkas
ten
Dru
cker
Ty
pens
child D
ruck
er
Verp
acku
ngs
-sch
ild
S1
S2
1
2
3
4 5
1 - Druck Seriennummer2 - Zusammenbau3 - Prüfung4 - Funktionstest5 - Packen
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 6220.05.2014 62
Erfolgsgeschichte: „Von der Produktion Shop Floor zum MES Top FloorDirekte Verbindung von der Steuerung in MES-SAP
Nutzen:- einfache Nutzung für PLC und MES Team- standarisierte Schnittstellen Schicht- Performance: schnelle Verbindung - Daten Beschaffenheit- Beinhaltet Sicherheit „out of the box“
Elster: - 7,000 Mitarbeiter, 38 Standorte- 200 Millionen Installationen in den letzten 10 Jahren- 115 globale Märkte
MeteringGas, Water, Electricity
UA Lösungen: PLC zu MES
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 63
- Zweckverbandes Wasser und Abwasser VogtlandBetreiber von trink- und abwassertechnischen Anlagen
M2M / IoT Szenario: Wasserwirtschaft
- Dezentralität- 576 Anlagen (Pumpwerke, Wasserwerke, Hochbehälter..)- Verteilt auf ca. 1.400 km²
- Direkte M2M Kommunikation zwischen Anlagenteilen- Pumpe1 an Pumpe2- Leitwarte an Komponenten
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 64
- Zweckverbandes Wasser und Abwasser VogtlandBetreiber von trink- und abwassertechnischen Anlagen
- Dezentralität- 576 Anlagen (Pumpwerke, Wasserwerke, Hochbehälter..)- Verteilt auf ca. 1.400 km²- Direkte M2M Kommunikation zwischen Anlagenteilen
- Pumpe1 an Pumpe2- Leitwarte an Komponenten
- Einsatz von 2G- oder 3G-Mobilfunkrouter, Vertrag Vodafone cda 2.0 (500MB Traffic/Monat)
- "einfaches" Abwasserpumpwerk mit 2 Pumpen und 1 Füllstandsmessungergibt ca. 200 Prozesswerte
- alle Störungen der elektrischen Bauteile- Füllstand und Betriebsstati der Aggregate- Messungen von Temperatur Schaltschrank usw
M2M Szenario: Beispiel Wasserwirtschaft
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 65
Hochbehälter
Pumpwerk 1
Pumpwerk 2
Wasserwerk 1
Wasserwerk 2
Füllstand erreicht
Störung Qualität Trinkwasser
Pumpen aus
Bitte „Füllen Hochbehälter“ übernehmen
Ich arbeite jetzt für dich!
Pumpe 1 bitte stoppen! Pumpwerk 2 macht das jetzt!
OPC UA Client
OPC UA Server
LTE / UMTS / GPRS
Logik: PLCopen IEC6-1131-3 SPSIO Hardware: Sensorik / Aktorik
Abstraktionslayerje M2M device
Geschlossene Mobilfunk-Benutzergruppe
Abfrage von Prozesswerten, Anlagenstati
Abfrage von Prozesswerten, Anlagenstati
1
2
3
4
1
2
1
2
Leitsystem
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 66
- Ziel erreicht durch: Standardisierung auf Stand der Technik
- Moderne SPS mit Objekt orientiertem SPS Projekt
- Intelligente M2M Kommunikation direkt zwischen Komponenten Vereinheitlichung der Datenübertragung: Bedeutet NICHT die Standardisierung durch Produkte bestimmter Hersteller. SONDERN der Standardisierung von Technologien der Datenkommunikation: Weniger Schnittstellen zu nachbar- bzw. übergeordneten SystemenAnforderung erfüllt mit OPC-UA bis in den Controller
- Security: Datenintegrität und Schutz vor unautorisiertem Zugriff+ Mobilfunk mit geschlossener Benutzergruppe, User/Password+ Authentifizierung, Verschlüsselung, Zugriffsrechte erfüllt mit OPC-UA
- Zwischenpufferung (Ausfall der Datenkommunikation bedeutet nicht Verlust der Daten) Anforderung erfüllt mit OPC-UA
- OPC-UA erzielte 90% Kosteneinsparung an Lizenzgebühren zum vorherigen proprietären System, zusätzlich einfacheres Engineering
M2M Szenario: Beispiel Wasserwirtschaft
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 67
Wer
- Regio IT Gesellschaft für Informationstechnologie mbH in Kooperation mit dem Gebäudemanagement der Stadt Aachen
Lösung
- Energiemonitoring-System „e2Watch“- Lösung für alle Anforderungen zur energetischen Betriebsführung
Beispiel
- Im kommunalen Sektor werden bis zu 2000+ Liegenschaften mit der Gebäudeverwaltung verwaltet
Smart Metering: Messen, Puffern, Pushen von Daten in Big Data
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 68
Anforderungen
- Verteilt: Große Anzahl dezentraler Geräte / Meßstellen (2000+)
- Handhabung Einfachheit! - Vor Ort unterschiedliche Anzahl MesspunkteABER: Keine lokale Konfiguration der Meßgeräte
- Auslieferung eines Schaltschrankes, dann nur „Plug & Work“- Einfacher Austauschmöglichkeit
- Sicherheit Keine offenen Ports in der Firewall in den Meßgeräten
???
Smart Metering: Messen, Puffern, Pushen von Daten in Big Data
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 69Beckhoff IPC Diagnostics 20.05.2014 69
VM / CloudMandant y
Controller1
Controller2 …
VM / CloudMandant x
Controller1
Controller2
Anforderungen
- Skalierbar: Jeder Mandant bekommt eigenen Datenpool
Smart Metering: Messen, Puffern, Pushen von Daten in Big Data
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 70
Smart Metering: Controlling von Energieverbrauch
Vertikal: Vom Controller in Big data Cloud
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 72
OPC-UA at Chip Level: Software
• One of the smallest OPC-UA server thatmakes software integration easy for thesimplest devices in the Internet of things.
• Ported into very resource limited devicessuch as a sensor integrated with acommunication interface, andcommunicate directly for verticalintegration.
• Platform specification:– TPS-1 Chip, ARM9@100MHz– Available memory < 64 Kb– Operating system: EmbOS– Connectivity: Ethernet (two port switch
and non real-time TCP/IP channel parallel with a real-time channel)
OPC-UA at Chip Level enables Internet of Things
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 73
OPC-UA at Chip Level: Software
• OPC UA Services– Nano Embedded Device Server
Profile– Read, Browse
• OPC UA Information Model– Simple sensor data– Basic device information
• Footprint (15 Kbyte)– OPC UA Stack: 10 Kbyte– Micro TCP/IP stack: 5 Kbyte
OPC-UA at Chip Level enables Internet of Things
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 74
Areva: OPC-UA-Server im Strom-Mess-Sensor240kB Flash und 35kB RAM
UA Lösungen: Sensor level
• 15kB footprint ermöglicht Integration für kleinste in “Internet of things”.• Portierung in kleine Geräte mit begrenzten Ressourcen, wie z.B. ein Sensor.• Mit integriertem OPC-UA ist das Gerät für vertikale Kommunikation fähig.
Fraunhofer Institut, Lemgo
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Gateway Level
Firma SSVHW: IGW/865 Gateway serial/TCPCPU ARM9™ Atmel AT91SAM9263OS LinuxOPC OPC-UA Server
UA Lösungen
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Firma SiemensHW: SIMOCODE pro V PN
SIRIUS Motor ManagementSystem
CPU ERTEC200 mit ARM946OPC UA-Server
UA Lösungen: Feldgerät Level
RFID Transponder on field level
RFID Reader
MESERP
Visu
PLC
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Firma SiemensHW: KTP400 Comfort HMI Panel
WinCC V11 (TIA Portal)CPU ARM11OS Windows Embedded CE6OPC OPC-UA Client
Firma Garz&Fricke (HW) / Inosoft (SW)HW: Panel PC Cupid CPU ARM11™ Freescale i.MX35OS Windows CE6.0R3SW VisiWin HMI softwareOPC OPC-UA Client
UA Lösungen: Operator / HMI level
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 79
Firma Unified Automation (SW)HW: Samsung CPU ARMOS AndroidOPC OPC-UA Client C++
Firma ProSys (SW)HW: SamsungCPU ARMOS AndroidOPC OPC-UA Client Java
UA Lösungen: Verbraucher-Level
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 80
• Areva Multibrid 5000 Windturbine Offshore (Alpha Ventus)• Verbindung zu IT: OPC-UA
• Steuerung: Windows Embedded CE PLC mit integriertem UA Server
• GUI:C# Client basierend auf Toolkit von Unified Automation
UA Lösungen: Windturbinen
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UA Lösungen: @ Miele
Verbindung zwischen- HMI Siemens WinCC V7.0- PLC BECKHOFF TwinCAT
Ethernet TCP/IP
30 Teststationen mit OPC-UA Server
OPC-UA
Company Allmendinger„ OPC UA Client for WinCC“
„Because of the use of OPC-UA we got a stabil and high-performance system, which meets our requirements.“
Frank Mestekemper, Miele
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Firma: Arburgweltweit führender Lierferant von Spritzgieß-Maschinen
Applikation: VxWorks basierend auf PLCOPC UA: Embedded OPC UA Server
• Visualisierung• Konfiguration• Diagnose• Vertikale Integration
HMI/SCADAMES
Pre-installedPre-configured
Data consistence
UA Lösungen: @ Arburg
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Von der Steuerung zum IT LevelGestern
“Vom Signal -> via Daten -> via Funktionen –> zur Dienstleistung”
Aus Kommunikationssicht:
- obere Ebene initiiert und fordert Daten an
- unterlagerte Ebene liefert
- viele Datenkonvertierungen
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 85
Von der Steuerung zum IT Level
• Verbindungsschichten in unserer modernen Welt
• Vertikal: SCADA / MES / ERP mit SPS
– OPC-UA für gleichen Zugang zu Datenprofilen in Produktionsgeräten
• Horizontal: PLC mit PLC
• OPC-UA für gleichen Protokoll-Zugang für Datenaustausch
• I/O: PLC mit Fieldbus
– Gleicher Zugang zu Datenprofilen in Produktionsgeräten
• Cloud: PLC mit Cloud
– OPC-UA für gleicher Zugang zur
Cloud für Daten-Logging
ERP
MES
SCADA / HMI
PLCs
Factory FloorO
PC
-UA
OPC-UA
OPC
-UA
OP
C-U
A
Cloud
OP
C-U
A
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Von der Steuerung zum IT LevelMorgen Übergangsprozess “Von Dienstleistung -> zu Dienstleistung”
Grafik: Prof. Zühlke, DFKI
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IOP-Europe Workshops hosted each year by Siemens, Nuremberg
Zertifizierung – IOP workshops
2011: more UA than „classic“ products registered2012: nearly only UA products tested2013: OPC-UA stress test
Karl Heinz DeiretsbacherChair OPC Technical Advisory Siemens AG
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 89
Industrie 4.0: Anforderungen Interoperabilität OPC UA Kommentar
Unabhängigkeit Internationale non Profit Organisation. Zur Erzeugung von OPC-UA Produkten muss keine Mitgliedschaft erfolgen
Hersteller Ja, größte Verbreitung im Industrial Automation Bereich
Branchen Ja
Betriebssystem Ja
Sprache Ja (Stacks in Ansi C, C++, C#, Java verfügbar)
Skalierbarkeit - Ja
Sensor - 10kb footprint: Fraunhofer Institut Lemog
Embedded Geräte Ja
Steuerungen / Visualisierungen Ja
MES / ERP Ja, verfügbar bei iTAC, SAP, andere (Success stories öffentlich verfügbar: „Fa Elster: Von der Produktionszelle per OPC-UA bis in das SAP“)
Cloud Ja (getestet z.B. Amazon, Microsoft Azure)
Protokoll
Transport austauschbar Ja: TCP-UA, http-XML, (Roadmap: xmpp oder andere)
Daten (Live / Historisch) Ja
Kommandos Ja (Stack garantiert datenkonsitenten Transport der In/Out-Argumente)
Events (Callbacks) - Ja (basiert auf Token)
Modellierung - Ja, (voll vernetztes Objekt-Orientiertes Konzept für Namensraum)
-> Metadaten für Objektbeschreibung - Ja
Robustheit Ja
Heartbeat - Ja, Heartbeat KANN (optional) konfiguriert werden
Eindeutige Telegrammnummer - Ja
Automatischer Puffer Ja, Client KANN (optional) Daten im Server puffern lassen bei Verbindungsunterbrechung
Security - Ja, keine eigene Lösung, sondern Nutzung aktueller internationaler Standards
Authentifizierung auf Applikationsebene Ja, x509 Zertifikat / User-Password / Kerberos
Integrität auf Applikationsebene Ja
Vertraulichkeit auf Applikationsebene Ja, SSL Verschlüsselungen
Standardisierung IEC Ja, OPC-UA ist IEC62541 Norm
Zertifizierung / Konformitätstests Ja, jährliche Meetings weltweit, unabhängige Testlabore
Kooperationen Ja, Modellierung wird von anderen Organisationen genutzt (PLCopen, MES, …)
Adaption / Akzeptanz Ja / Ja
Interoperabilität: Gelöst mit
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 90
- Wenn „Interoperabilität mit OPC-UA gelöst“ ist…
… was fehlt denn dann für die Lösung von „Standards für Industrie 4.0“ ?
- Interoperabilität beschreibt die Interaktion zwischen Softwaremodulen verschiedener Hersteller „Wie tauschen die Daten und Informationen aus“
- Es fehlen die Gremien und Organisationen zur Beschreibung der „Semantik“
- „Was tauschen die für Daten und Informationen aus“
- Wie beschreibt die Säge, dass „sie eine Säge“ ist?Wie soll das Brett sonst das Gerät mit dem Dienst „Sägen“ finden?Wo ist die „Vereinigung der „Sägehersteller“ …
Was fehlt…
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Englisch: Technologie Deutsch: OPC-UA als Wegbereiter für IE4.0
OPC Ressourcen: Broschüre
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OPC-UA: Complex?
• Internally it‘s not easy (super complex!) …but it‘s easy to use!
Connection:Session opcUaSession = new Session(uaChannel, uaConfiguration,
uaEndpoint, clientCertificate);opcUaSession.Open("SessionName", null);
Polling read:NodeId node = new NodeId("MAIN.bBool", 4);DataValue read = opcUaSession.ReadValue(node);
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 94
OPC-UA: Complex?Subscription:// Step 1: Create UA-Subscription for existing UA-Session
Subscription subscription = new Subscription();subscription.PublishingInterval = 100;subscription.PublishingEnabled = true;opcUaSession.AddSubscription(subscription);subscription.Create();
// Step 2: Create MonitoredItem(s)NodeId node = new NodeId("MAIN.bBool", 4);
MonitoredItem monitoredItem = new MonitoredItem();monitoredItem.StartNodeId = node;monitoredItem.SamplingInterval = 10;monitoredItem.Notification += new MonitoredItemNotificationEventHandler(callbackMethod);
// Step 3: Bind MonitoredItem(s) to Subscriptionsubscription.AddItem(monitoredItem);subscription.ApplyChanges();
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 95
Expensive? Getting started„Build“ versus „Buy“
• Build: For members of OPC Foundation:
OPC UA Server or Client on the basis of OPC stacks asprovided by OPC Foundation
• Buy: For everybody – memers or non-members
Build OPC UA Server or Client with help of an OPC UA Toolkit bought from a Toolkit vendor
~ 1.000,-€ once for .NET C# binaries for UA client~ 15.000€ once for ANSI C/C++ client and server source
Buy once – resell your product multiple times withoutruntime fees for OPC-UA stack or toolkit vendor
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 96
Getting startedwww.unified-automation.com
OPC-UA for Raspberry PI
OPC UA Evaluation Kit
- free- time limited execution- just register
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 97
Secure, Cross Platform Protocols and Generic Services
OPC UA: Summary
Multi Vendor Interoperability
Semantic Interoperability – More than a protocol
Multi Standard Interoperability
The enabler for Industry 4.0 and Internet of Things
OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 98
Sematische Interoperabilität
Internet of Things (IoT): Mit OPC-UA
vom Sensor bis in die IT-Cloud
Stefan HoppePresident OPC [email protected]