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Standardisiert und steuerungs-übergreifend kommunizieren

Effektiv kommunizieren mit PLCopen-OPC-UA-Client-Funktionsbausteinen
Standardisiert und steuerungs-übergreifend kommunizieren

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Die gemeinsame Arbeitsgruppe der Organisationen OPC Foundation und PLCopen hat Anfang September 2016 die neue Version 1.10 der ‚PLCopen OPC UA Client-Funktionsbausteine‘ aufgelegt. Die erste Version der Spezifikation wurde bereits 2014 freigegeben und von mehreren Unternehmen in ihre Produkte implementiert. Die dabei gemachten Erfahrungen sind in die aktuelle Überarbeitung eingeflossen.

Dem Anwender stellt sich die Frage, wozu die Client-Bausteine benötigt werden. Aufgrund der Betriebssystem-Unabhängigkeit und guten Skalierbarkeit von OPC UA war schnell klar, dass der OPC-UA-Server in vielen Konstellationen auch direkt auf der Steuerung laufen kann. Dieses Szenario erweist sich beispielsweise als vorteilhaft, weil in der Anlage kein weiterer Industrie-PC erforderlich ist, der neben den Anschaffungskosten konfiguriert und gewartet werden muss. Oftmals verfügen klassische Client-Lösungen – wie Scada- oder Asset Management-Systeme – parallel über einen OPC-UA-Server, um zum Beispiel untereinander Daten weiterzuleiten. Ein auf der Steuerung befindlicher Server wird jedoch nur dann aktiv, wenn sich der Client anmeldet und Daten, Methoden oder Alarme anfordert. Sollen allerdings applikationsgetrieben aus der IEC61131-Laufzeit Daten mit den überlagerten Leitsystemen ausgetauscht werden, kommen die PLCopen-OPC-UA-Client-Bausteine zum Einsatz. Durch diese Funktion werden Leitsystem und Steuerung zu gleichwertigen Kommunikationspartnern und die Kommunikationspyramide löst sich auf.

Vorteile auf allen Automatisierungsebenen
Als Beispiel seien Asset- oder Qualitäts-Management-Systeme genannt, die konsolidierte Daten hinsichtlich der Betriebsstunden, Fertigungsparameter und Qualitätsmesswerte benötigen. Diese Informationen müssen aber erst am Ende einer Schicht oder eines Fertigungsauftrags vorliegen. Durch Nutzung der OPC-Client-Bausteine lassen sich die Daten standardisiert und durch die Steuerung initiiert in den Datenbanken der Leit- und Management-Systeme ablegen. Die Bausteine ermöglichen nicht nur die Anbindung an das Leitsystem: Auf die gleiche Weise kann der Anwender Daten an Cloud-basierte Server übertragen.
Die OPC-Client-Bausteine bieten zudem Vorteile auf der Steuerungsebene. Sofern andere Steuerungen ebenfalls einen UA-Server direkt implementiert haben, lässt sich eine flexible und leistungsfähige Steuerung-zu-Steuerung-Kommunikation realisieren. In diesem Zusammenhang geht es nicht nur um klassische (Netzwerk-)Variablen, sondern ebenso um Alarme oder Methodenaufrufe zur effektiven Interprozess-Kommunikation. Neben der Weiterleitung von Informationen zwischen den Steuerungen erlaubt der Ansatz auch einen Datenaustausch in die Feldebene, denn bei intelligenten Feldgeräten geht die Entwicklung ebenfalls in Richtung integrierter OPC-UA-Server. So kann der Anwender alle Parameter- und Diagnoseinformationen sowohl über die Feldbusschnittstelle wie ebenso via OPC-UA-Server auslesen. Das funktioniert selbstverständlich auch dann, wenn das Feldgerät kein Feldbusprotokoll mehr unterstützt. In puncto Leistungsfähigkeit erreicht die OPC-UA-Technologie derzeit nicht die Performance Ethernet-basierter Feldbusprotokolle wie Profinet. Dafür lässt sich das Gerät aber einfach applikativ in Betrieb nehmen, denn es erfordert lediglich eine IP-Adresse.
Wegfall oder Optimierung vieler Kommunikationsstrukturen
Die beschriebenen Szenarien zeigen das Potential der PLCopen-OPC-UA-Client-Funktionsbausteine auf. Durch Verwendung des herstellerübergreifenden Standards entfallen viele – heute proprietäre – Kommunikationsstrukturen oder werden optimiert. Im Zuge der aktuellen Überarbeitung auf die Version 1.10 sind die Funktionsbausteine flächendeckend von Einzelzugriffen auf Listen umgestellt worden. Anstatt den Baustein unzählige Male in einer Schleife zu durchlaufen und jede Schleife einzeln zu bearbeiten, können nun mehrere Objekte direkt an den Dienst angehängt werden. Auf diese Weise gestaltet sich die Datenübertragung zwischen Client und Server deutlich effektiver.
Im Detail lassen sich die Funktionen der Bausteine in folgende Rubriken einteilen:
Verbindungsauf- und -abbau
Die Verbindung zu einem Server wird initiiert – optional auch zugriffssicher – und kann durch Nutzung eines Status-Bausteins überwacht werden. Zu jeder Verbindung ist der NamespaceIndex einmal auszulesen und zu aktualisieren.
Browsen
Der Browsing-Dienst ermöglicht das gezielte Durchsuchen des OPC-UA-Namensraums des UA-Servers ab einem Startknoten auf Basis zusätzlicher Filterkriterien.
Auflösung von Typ-/Instanz-Namen
Mit dem TranslatePath-Dienst lässt sich der sogenannte Browse-Path in eine NodeID umwandeln. Die NodeID kann dann mit Hilfe des Relative-Path auf einen Instanz-Knoten zeigen, der die Werte zur Verfügung stellt.
Lesen, Schreiben oder Subscriben von Variablen
Als wichtigste Funktionen fungieren die Lese- und Schreib-Bausteine, die auf einer NodeHandle-Liste aufsetzen. Über diese Bausteine kann der Anwender direkt aus der Applikation Schreib- und Lesezugriffe für mehrere Knoten optimiert ausführen. Das gleiche gilt für Subscriptions über die MonitoredItems-Bausteine, bei denen eine Leseliste mit einer zugehörigen Update-Rate und optionalen Deadband-Einstellungen beim UA-Server angemeldet wird. Der Server bereitet die Werte anschließend auf und sendet sie zyklisch an den Client.
Anmeldung für Alarme
Mit den EventItem-Bausteinen kann sich das Applikationsprogramm bei beliebigen Knoten, welche die A&C-Funktion unterstützen, für die zugehörigen Alarme anmelden. Die Alarme müssen dann lediglich durch einen Baustein mit optionalen Filterkriterien in die Applikation übernommen werden.
Aufrufen von Methoden
Alle Methoden, die ein UA-Server zur Verfügung stellt, lassen sich direkt über einen einfachen Methodenaufruf anfordern. Der jeweiligen Methode können beliebige Übergabeparameter mitgegeben werden. Diese leistungsfähige Funktion erweist sich beispielsweise als optimale Unterstützung dezentraler Applikationen.
Entwicklung automatisierter Testfälle
Die beiden PLCopen-basierten Standards für OPC UA – also das PLCopen-Server-Profil sowie die Client-Bausteine – sind sowohl von der OPC Foundation als auch der PLCopen-Organisation frühzeitig aufgenommen und spezifiziert worden. Daher liegen bereits entsprechende Produkte und Erfahrungen vor. Zur Qualitätskontrolle werden derzeit für die PLCopen-konforme Server-Implementierung automatisierte Testfälle entwickelt. Bei den Client-Bausteinen muss dem Nutzer die Konformität zum Standard über eine Herstellererklärung dokumentiert werden.
Die Implementierung eines OPC-UA-Clients und -Servers auf den Steuerungen eröffnet die große Chance, einen weltweiten branchen- und herstellerübergreifenden Kommunikationsstandard für die azyklische, Event-orientierte und dezentrale Datenübertragung auf der SPS zu etablieren. Der eingeschlagene Weg lässt sich nicht mehr aufhalten. Die Bausteine erweisen sich darüber hinaus als optimale Methode zur Durchleitung der Kommunikationsaufgaben zwischen den Industrie 4.0-Komponenten über die sogenannte Verwaltungsschale. Was sich aus einer solchen Technologie an darüber liegendem applikativem Mehrwert für die Nutzer ergibt, bleibt zu beobachten. ge

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Phoenix Contact Deutschland GmbH
Blomberg
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Weitere Informationen zu OPC UA:
https://opcfoundation.de

OPC-UA-Server für PC-Worx-basierte Steuerungen

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PLUS

Mit dem PC-Worx-UA-Server von Phoenix Contact besteht die Möglichkeit, über das Kommunikationsprotokoll OPC- UA (Unified Architecture) auf alle Variablen von PCWorx-programmierbaren Steuerungen zuzugreifen. Der Server ist für große Mengengerüste ausgelegt: Er kann Daten von bis zu 200 Steuerungen an ein Visualisierungs- oder Produk-tionsleitsystem weitergeben. Die Abbildung der Variablen erfolgt über das PLCopen-Profil. Zum Datenaustausch nutzt der OPC-UA-Server das Binärprotokoll, wodurch er hohe Geschwindigkeiten bei der Übertragung erzielt. Ein zertifikatsbasiertes Sicherheitskonzept schützt vor unberechtigtem Zugriff, Manipulation und Bedienfehlern. Neben einer Authentifizierung über Zertifikate bietet der Server optional die Möglichkeit, die Kommunikation zu verschlüsseln. Mit der Version 1.10 des Servers werden nun ebenfalls die Redundanzsteuerungen RFC 460R unterstützt. Bei einer Redundanzumschaltung stellt der Server automatisch auf die neue prozessführende Steuerung um, ohne dass Variablen verloren gehen.

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Der Autor: Dipl.-Ing. Robert Wilmes, Mitarbeiter im Software Marketing der Business Unit Control Systems, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont
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