Um Probleme wie die Neukonfiguration von Arbeitszellen, kleine Losgrößen, flexible Automatisierung und Interoperabilität zwischen Anbietern zu lösen, bedarf es der Entwicklung von Architekturen. Statt durch die gerätezentrierte Integration lässt sich das wesentlich einfacher mit einer flexiblen, leistungsfähigen Software bewerkstelligen. Ein Vergleich von OPC UA und DDS, wie sie funktionieren und wo sie sich eignen.
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Dr. Stan Schneider, CEO, Real-Time Innovations (RTI), Sunnyvale, CA/USA
Zu den wichtigsten industriellen Architektur-Frameworks gehören die OPC Unified Architecture (OPC UA, verwaltet von der OPC Foundation) und der Data Distribution Service (DDS, verwaltet von der Object Management Group). DDS kommt in Anwendungen in medizinischen Systemen, dem Transportwesen, autonomen Fahrzeugen, der Verteidigung, Leistungssteuerung und Robotik sowie der Öl- und Gasindustrie zum Einsatz. Auch OPC UA findet in vielen dieser Branchen Verwendung, jedoch nicht in den Anwendungen. Vielmehr wird OPC UA in der industriellen Automatisierung und Fertigung eingesetzt. In den Anwendungsfällen gibt es fast keine Überschneidungen.
DDS wurde für die Robotik und verteilte Steuerung mit umfangreicher kundenspezifischer Software entwickelt, die von Informatikern geschrieben wurde. Er richtet sich direkt an Softwareteams, die intelligente verteilte Maschinen bauen. OPC UA hingegen ist in der Anlagenumgebung zu Hause, in der es kaum Softwareentwickler gibt. Ihr Hauptziel bestand schon immer darin, Fertigungsingenieure und Techniker beim Bau von Arbeitszellen zu unterstützen. OPC UA versucht eher, die Softwareentwicklung zu minimieren, statt sie zu fördern.
Auch wenn DDS Publish Subscribe sowie die neue Spezifikation für OPC UA Pubsub unterstützt, werden die Aufgaben von OPC UA niemals diejenigen von DDS umfassen. Im Grunde ist DDS eine verteilte Softwareentwicklungs-Architektur, OPC UA hingegen nicht. Deshalb geht es nicht darum, entweder DDS oder OPC UA zu wählen. Vielmehr besteht die Kunst darin, ihre jeweiligen Aufgaben zu verstehen und zu entscheiden, welche von beiden für das eigene Design infrage kommt, oder ob beide benötigt werden.
Wesentliche Unterschiede
OPC UA hat ein objektorientiertes Design. Die Designs nutzen Serverobjekte, die den Clients Daten anbieten. Um Daten abzurufen, fragen die Clients die Server ab. OPC UA PubSub bietet einen einfachen Mechanismus, um Variablen bei mehreren eng gekoppelten Geräten zu verbinden. Jedes Gerät erhält die gleichen Daten mit den gleichen Raten zur gleichen Zeit. Da OPC UA PubSub neu ist, ist es bisher in wenigen Anwendungen im Einsatz.
Anstelle von Client- und Serverobjekten zielt DDS auf softwaredefinierte Systeme mit Datenzentriertheit ab. Das bedeutet, es scheint als ob alle Daten in jedem Gerät und Algorithmus im lokalen Speicher gespeichert wären. DDS verfolgt, welche Anwendung welche Daten benötigt, weiß darüber hinaus, wann diese Daten gebraucht werden und stellt sie dann bereit, damit sie rechtzeitig im lokalen Speicher verfügbar sind. Anwendungen kommunizieren nur mit dem lokalen Datenraum, nicht untereinander.
DDS ist wie ein verteilter virtueller gemeinsamer Speicher. Die Datenzentriertheit bietet sofortigen lokalen Zugriff auf alle Daten von jedem Gerät und jedem Algorithmus aus – auf jede Ebene in derselben Form und zu jeder Zeit. Es gibt keine Server, Objekte oder spezielle Orte. Da DDS-Applikationen nur mit dem gemeinsam genutzten verteilten Speicher interagieren, ist jede unabhängig davon, wie die anderen Applikationen funktionieren, wo sie sich befinden und wann sie ausgeführt werden.
Interoperabilität
OPC UA ermöglicht die Interoperabilität von Geräten über Gerätemodelle und Begleitspezifikationen hinweg für Hunderte von Situationen. OPC-UA-Geräte überschwemmen die Messen und die große Anzahle der Geräte gelten als Beweis für Interoperabilität.
Im Gegensatz dazu ist DDS heute auf keinem Gerät vorinstalliert. Das liegt daran, dass DDS keine Geräte per se, sondern Softwaremodule integriert. Um Geräte zu einem System hinzuzufügen, modellieren DDS-Nutzer Geräte als Software. DDS integriert alles durch ein Systemdatenmodell. Die gefragte Layered-Databus-Architektur verbindet Datenmodelle zwischen Datenschichten. Trotz unterschiedlicher Schnittstellen lassen sich DDS-Systeme transparent mit Geräten, Webtechnologien und sogar mit OPC UA verbinden.
Kopplung
Eine gute Softwarearchitektur vermeidet Fremdkopplung. Eine Kopplung kann offensichtlich sein, wie das Koppeln von Clients an Server, oder auch subtil, etwa wenn Module in der richtigen Reihenfolge gestartet oder mit derselben Geschwindigkeit ausgeführt werden müssen. Die Kopplung bietet Vorteile, beispielsweise für die synchrone Rückkopplungssteuerung mit minimaler Verzögerung. In größeren Systemen wirkt sich die Kopplung negativ aus, locker gekoppelte Systeme lassen sich leichter skalieren, testen, bauen, bereitstellen und warten.
Das datenzentrierte DDS-Design lässt den Eindruck entstehen, dass alle Daten lokal sind, somit sind die Anwendungen standardmäßig nicht gekoppelt. DDS steuert die Interaktion mit QoS-Richtlinien, einschließlich Fristen, Latenzbudgets, Aktualisierungshäufigkeiten, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit, Eigentumsrecht, Bestellung und Filterung. Er verbindet transparent Hunderte von Plattformen, Dutzende von Netzwerken, Sprachen, Versionen, Betriebssysteme und Chip-Architekturen. Kopplung erfolgt nur durch Design-Planung und ist nicht zwangsläufig erforderlich.
Im Gegensatz dazu kommunizieren OPC-UA-Anwendungen direkt miteinander. Der Client/Server verbindet Clients durch Server. In PubSub erhält jeder Subscriber exakt dieselben Daten mit derselben Rate vom Publisher.
Erkennung und Datensicherheit
DDS erkennt automatisch benannte Topics im gesamten System, unabhängig davon, wo sich die Applikation befindet. Anwendungen müssen nichts tun oder über Kenntnisse verfügen, um ihre benötigten Daten zu finden. OPC-UA-Subscriber fragen einen Server ab, um eine Konfiguration zu erhalten, die den Publisher der benötigten Daten enthält. Sie können auch einen Publisher überprüfen um zu sehen, was er bereitstellen kann. Bei beiden handelt es sich um aktive Abfragen. OPC UA führt jedoch keine systemweite automatische Erkennung durch.
die Datensicherheit sichert OPC UA die zugrundeliegenden Transporte. Es gibt keine generische Möglichkeit um anzugeben, welche Daten zu welchem Client fließen dürfen. DDS hingegen bietet Sicherheit für den Datenfluss unabhängig von Netzwerk, Betriebssystem oder Standort. Secure DDS verwendet ein Zertifikat bzw. unterzeichnetes Berechtigungs-Dokument, das den Richtungszugriff (z.B. lesen, aber nicht schreiben) für jedes Topic und jede Anwendung spezifiziert. Dies erfordert keinen Code, Security lässt sich hinzufügen, wenn das System läuft.
Skalierung und Filterung
Mit transparentem Routing zwischen Subsystemen können DDS-Systeme auf viele tausend Anwendungen anwachsen. Von oben nach unten, über Subnetze hinweg und mit jedem beliebigen Muster (Pubsub, Request-Reply oder Queuing) bietet DDS ein einheitliches Datenmodell, ein einziges Security-Modell und einen konsistenten Zugriff auf die Daten. Mit MQTT oder AMQP kann ein Publisher mit einem Cloud-Server, jedoch nicht mit anderen OPC-UA-Client/Server- oder PubSub-Subscribern kommunizieren. Der OPC-UA-Client/Server kann Arbeitszellen zu einer größeren Fabrik zusammenfassen, OPC UA PubSub kann mehrere Geräte in einem Netzwerk unterstützen. Jedoch bietet OPC UA keinen einheitlichen Systemdatenzugriff wie DDS.
OPC-UA-Subscriber können ein DataSet mit einem Filter auswählen, jedoch nur um den Empfang der richtigen Daten sicherzustellen. Zudem können sie den Zugriff auf einen einzelnen Publisher beschränken. Die DDS-Datenzentrierung funktioniert im Wesentlichen durch das Filtern von Datenflüssen. Der QoS-Abgleich erlaubt es Subscribern, nur Informationen von geeigneten Quellen zu empfangen. Das zeitbasierte Filtern entkoppelt die Geschwindigkeit der Datenproduzenten von der Verwendung der Informationen. Die Inhaltsfilterung analysiert den Inhalt und liefert nur Daten, die der Spezifikation entsprechen. Zusammen stellen diese Filter sicher, dass die richtigen Daten an den richtigen Ort zur richtigen Zeit geliefert werden und nur eine minimale Bandbreite verbrauchen.
Time-Sensitive Networking
TSN (IEEE 802.1) bezeichnet einen Satz von Ethernet-Standards, um Daten in Echtzeit zu liefern. TSN ist auf kleinere Single-Subnet-Systeme beschränkt. Mit TSN kann OPC-UA-PubSub eine bessere Echtzeitleistung und Zuverlässigkeit in einem Subnetz liefern. DDS verwendet QoS-Einstellungen, um die Nutzung des zugrunde liegenden Netzwerks zu optimieren und unterstützt alles, von langsamen Netzwerken wie Satellitenverbindungen bis hin zu isochroner Datenkommunikation. Die Kombination von DDS mit TSN verknüpft den Datenzugriff auf hoher Ebene mit Echtzeit-Subnetzen.
Wer braucht was?
Der Hauptanwendungsfall von OPC UA besteht also darin, Fertigungsingenieuren beim Erstellen von Arbeitszellen mit minimaler Software zu helfen. Im Gegensatz dazu sind die meisten DDS-Nutzer Software-Ingenieure, die eng koordinierte Systeme erstellen. Intelligente Fertigungssysteme benötigen möglicherweise sowohl hochentwickelte Software als auch interoperable Geräte. Vor kurzem hat die OMG einen Standard für ein OPC-UA-DDS-Gateway verabschiedet, der das OPC-UA-Informationsmodell in DDS verfügbar macht. Der Übergang zu intelligenten Maschinen wird nicht reibungslos verlaufen, es stehen Produktlinien, Unternehmen und ganze Volkswirtschaften auf dem Spiel. Die bestimmende Technologie der nächsten 20 Jahre wird das exponentielle Computerwachstum sein. Architekturen müssen Software ermöglichen, die diese Rechenleistung nutzen kann.
