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Die automatische Identifikation per RFID oder optischen Codes ist ein wichtiges Element für die Digitalisierung der Industrie. Bild: Siemens
OPC UA

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Ident-Systeme bestens integriert

Text: Markus Weinländer, Siemens
Warum ist die Integration von Auto-Ident-Systemen eigentlich so aufwändig und damit teuer? Anwender klagen seit Jahren über fehlende Standards und Interoperabilität. Abhilfe schafft nun ein neuer Standard, den der AIM-Verband auf Basis von OPC UA entwickelt.

Die Vielfalt ist enorm: Anwender, die einen Barcode- oder RFID-Scanner integrieren wollen, müssen sich mit zahlreichen unterschiedlichen Schnittstellen und Protokollen wie ASCII-basierten (American Standard Code for Information Interchange) Telegrammschnittstellen, XML-Schemata (Extensible Markup Language) oder Programmieraufrufe für PC- oder Steuerungsprotokolle beschäftigen. Zwar gab es in der Vergangenheit verschiedene Initiativen zur Standardisierung, so zum Beispiel das RFID-Normprofil für Steuerungen oder die EPCglobal-Architektur mit dem Low-Level Reader Protocol (LLRP) und den Application-Level Events (ALE). Diese konnten sich aber nie durchsetzen.

Die Nachteile für Anwender sind erheblich. Der Wechsel zwischen Herstellern bedingt die Umprogrammierung beziehungsweise Schnittstellenanpassung der eigenen Applikationen, was mit hohen Kosten verbunden ist. Dementsprechend sorgfältig muss die Auswahl der Anbieter erfolgen. Da sich die Software-Häuser aus Kostengründen ebenfalls meist nur auf einige wenige Gerätehersteller spezialisieren, ist es zudem schwierig, den richtigen Projektpartner zu finden – oder man zahlt die Einarbeitung. Vor allem für kleine oder mittelständische Unternehmen kann dies zu einem Problem werden. Eine andere Schwierigkeit ist der Wechsel zwischen unterschiedlichen Ident-Techniken. Will ein Anwender etwa 2D-Codes und RFID parallel einsetzen, bieten nur wenige Gerätehersteller eine gemeinsame Integration. Letztlich führt die Situation dazu, dass Ident-Projekte teurer sind, als es notwendig wäre, so dass Projekte möglicherweise unwirtschaftlich werden und die Marktdurchdringung von RFID & Co. gebremst wird.

Die deutschen Ident-Anbieter, die sich im AIM-Verband – dem Verband für automatische Identifikation, Datenerfassung und mobile Datenkommunikation – organisieren, haben deshalb die Initiative ergriffen und eine neue Schnittstellenspezifikation erarbeitet. Federführend sind hier die Unternehmen Harting und Siemens, die zur Hannover-Messe 2015 bereits erste Konzeptstudien in ihren RFID-Geräten implementierten und mit weiteren Partnern live demonstrierten. Als Basis wurde OPC Unified Architecture (OPC UA) ausgewählt. Das industrielle M2M-Kommunikationsprotokoll selbst ist als ­IEEE-Standard verabschiedet und wird in der Industrie breit akzeptiert – neben den führenden Automatisierungsanbietern unterstützen auch Software-Konzerne wie SAP oder Microsoft diese Plattform.

Technische Vorteile sprechen für OPC UA

Es sind auch technische Gründe, die für die Nutzung von OPC UA sprechen. Durch die Objektorientierung von OPC UA ist es möglich, unterschiedlichste Gerätetypen in einer ­Hierarchie zusammenzufassen. Damit können zum Beispiel einfache ID-Scans über alle konkreten Ident-Geräteausprägungen gleich behandelt werden. Erst wenn zusätzliche Funktionen benötigt werden, die nicht von allen Ident-Techniken unterstützt werden, wird eine Ableitung des abstrakten Geräte­typs vorgenommen, zum Beispiel für die Schreibfunktion bei RFID. Wichtig ist auch die Möglichkeit, die Schnittstelle mit semantischen Informationen anzureichern.

Selbst die Kommunikation unterschiedlichster Applika­tionssysteme unterstützt OPC UA. Die Plattform setzt zunächst auf verschiedene Standardtechniken wie Web Services auf. Damit ist das Kommunikationsprotokoll nicht mehr an eine bestimmte Betriebssystem-Plattform gebunden wie noch der Vorgänger OPC Classic. Demzufolge sind OPC-UA-Implementierungen unter anderem für Linux, Solaris, QNx, VxWorks und Windows verfügbar. Gleichzeitig ist der OPC-UA-Stack skalierbar, so dass neben mächtig ausgestatteten Systemen wie UHF-RFID-Reader, die oft eine Zwei-Prozessoren-Architektur aufweisen, auch sehr kleine Ident-Sensoren etwa im HF-Bereich unterstützt werden. Definierte Profile legen dabei den konkreten Funktionsumfang fest.

Aus Sicht der AIM-Arbeitsgruppe bietet OPC UA noch weitere, wichtige Vorteile. Der erste ist das eingebaute Sicherheitskonzept. So sind Methoden zur Authentifizierung von Clients und Servern sowie von Benutzern vorgesehen, die auf Basis von X.509-Zertifikaten arbeiten. Die Vertraulichkeit wird über symmetrische und asymmetrische Verschlüsselung sichergestellt. Ein zweiter Vorteil vor allem im Hinblick auf Ident-Systeme ist die Robustheit, also das Vermeiden von Datenverlusten. Kommunikationsausfälle werden rasch erkannt, ohne dass Timeouts der unterlagerten Protokollschichten abgewartet werden müssen. Zudem stellt OPC UA ein Informa­tionsmodell namens Historical Access zur Verfügung, über das historische Events und Serverdaten abgerufen werden können. Aus Ident-Sicht eignet sich dieses Modell gut, um eine autonome Erfassung zum Beispiel an einem Warentor durchzuführen, auch wenn keine Verbindung zum Warenwirtschaftssystem besteht. Die Daten würden im Historical Access-Modell einfach zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen. Der dritte und wichtigste Vorteil ist jedoch die hohe Standardisierung und Marktdurchdringung von OPC UA. Damit wird sichergestellt, dass viele Funktionen für Ident-Geräte nicht anders arbeiten als die für alle anderen Gerätetypen – zum Beispiel das Device Management.

Vielfache Möglichkeiten

Eine gemeinsame Arbeitsgruppe von AIM und der OPC-Foundation hat zur Hannover-Messe 2015 einen ersten so genannten Release Candidate der OPC UA Companion Specification for AutoID vorgelegt. Diese Spezifikation berücksichtigt eine Vielzahl von Ident-Techniken, von optischen Systemen mit Barcodes und 2D-Codes über RFID mit unterschiedlichen Standards, wie ISO 14443, ISO 15693, ISO 18000-6, bis hin zu Echtzeit-Ortungssystemen. All diese Gerätetypen können über eine eventbasierte Kommunikation an PC/IT-Systeme angebunden oder aber über eine synchrone Schnittstelle zum Beispiel für speicherprogrammierbare Steuerungen aufgerufen werden. Die Datenstrukturen für beide Aufrufmodi sind identisch. Neben dem eigentlichen Scannen von Identifikationsträgern können auch die Anwenderdaten gelesen beziehungsweise geschrieben werden. Bei RTLS ­(Real-Time Location System) oder mobilen Systemen wird auch eine Geokoordinate mit übertragen.

Ausgenommen hat die Arbeitsgruppe zwei Aspekte: Zum einen werden die bestehenden Ident-Nummernsysteme unverändert unterstützt; zum anderen wird die Gerätekonfiguration als Blackbox betrachtet. Zwar bietet die Spezifikation eine Möglichkeit zum Austausch von Geräten gegen Ersatzkomponenten des gleichen Typs oder des gleichen Herstellers, der Inhalt der dabei verwendeten Konfigurationsdatei ist aber herstellerspezifisch – ein Kompromiss zwischen dem Anspruch einer weitgehenden Standardisierung und der praktischen Umsetzbarkeit. Zur Sicherstellung einer breiten Akzeptanz führte die Arbeitsgruppe eine Review-Phase durch, an der alle AIM-Mitglieder teilnehmen konnten. Derzeit läuft die Prototyping-Phase, um weitere Feinheiten bei der praktischen Implementierung zu definieren und die finale Version 1.0 zu erarbeiten. Geplant ist, diese Version 1.0 zur Hannover-Messe 2016 vorzustellen.

Wichtiger Meilenstein

Mit dem Erarbeiten der OPC-UA-Ergänzung haben die Verbände AIM und OPC-Foundation einen wichtigen Schritt unternommen, um die Integration der Identifikationssysteme deutlich zu vereinfachen und so die Kosten für die praktische Anwendung zu senken.

Doch damit nicht genug: OPC UA wird von Industrieverbänden wie dem VDMA als wichtige Plattform für die Digitalisierung in der Industrie eingeschätzt – ebenso wie RFID und andere Ident-Techniken, die als Basistechnik für die Synchronisierung der digitalen Systeme mit den realen Prozessen in den Fabrikhallen unverzichtbar sind. Die Kombination von beiden ist ein Meilenstein auf dem Weg zur Digitalisierung der Industrie.

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