Standard für Industrie 4.0

Kommunikationsstandards gelten als Schlüssel zur erfolgreichen Digitalisierung. OPC UA ist an dieser Stelle ein geeigneter Kandidat. Nicht jeder ist glücklich darüber.

Anfang des Jahres verkündeten Vertreter des IIC und der Plattform Industrie 4.0, künftig enger zusammenarbeiten zu wollen. Gemeinsam werde man Vernetzung und Digitalisierung quer über alle Branchen hinweg vorantreiben. Als eine der größten Hürden auf diesem Wege wird der Mangel an Standards und die Interoperabilität der Systeme angesehen. Daher regten die amerikanisch-deutschen Partner eine Zusammenarbeit der Industrie­organisationen OPC Foundation und OMG an.

OPC UA und DDS

Mithilfe der Kommunikationsprotokolle OPC UA und DDS könnte die Industrie 4.0-Kommunikation einfacher werden. Optimistisch wurde dieser Schritt von amerikanischer Seite gewürdigt: „Ich freue mich, sagen zu können, dass die OPC Foundation und die OMG Group nun extrem eng zusammen arbeiten“, sagt Dr. Richard Mark Soley, der Executive Director des Industrial Internet Consortium und Chairman der DDS-Standardisierungsgruppe OMG.
Die Zusammenarbeit der beiden Organisationen begann etwa vor eineinhalb Jahren. Den vier damit betrauten Personen ist es mittlerweile gelungen, technische Handlungsfelder einzukreisen und die jeweilige Positionierung abzuklären. So ist OPC UA für die Client-Server-Kommunikation zwischen Komponenten gedacht, DDS hingegen soll als datenzentrierte Bus-Technologie die Integration und Peer-to-Peer Datenübertragung leisten.

Innerhalb Europas liegt in der Gunst der Hersteller OPC UA ganz klar vorne: „In der OPC Foundation haben sich die führenden Steuerungshersteller und Softwareproduzenten zusammengeschlossen, um OPC immer auf dem Stand der Technik zu halten, insofern ist es nur folgerichtig, dass OPC UA auch als Standard für die Industrie 4.0 hoch gehandelt wird“, sagt Hanjo Schlüter, Pressesprecher von inray Industriesoftware.

Stefan Hoppe, President der OPC Europe, kann aus dem Stehgreif Dutzende von OPC Mitgliedern aufzählen, die OPC UA in ihre Automatisierungsgeräte integriert haben, unter ihnen die Firma SSV. Auch deren Geschäftsführer Klaus-Dieter Walter rechnet damit, dass OPC UA sich in Europa durchsetzt: „ ‚UA‘ wurde vor einigen Jahren verabschiedet und von vielen Automatisierungsanbietern unterstützt. Es wird sich in der Praxis auch im Umfeld von Industrie 4.0 und der durchgängigen Vernetzung in Europa im Laufe der Zeit sicherlich durchsetzen.“ Die SSV Software Systems stellt sowohl Mikrorechnermodule als auch Software für die Automatisierung her.

DDS in den USA

Jenseits des Atlantiks ist die Lage anders: „In den USA ist DDS recht stark. OPC UA wird es dort schwer haben, die gleiche Dominanz wie in Europa zu erreichen. Die beiden Standards werden in Zukunft wesentlich mehr Überschneidungen besitzen und in den gleichen Einsatzgebieten um Marktanteile konkurrieren, ähnlich wie es auch schon in Zeiten der Feldbusse war“, schätzt Walter. In Europa hingegen stehen laut Prof. Reinhard Langmann die Chancen für DDS schlecht: „DDS, das Protokoll der amerikanischen OMG-Group, ist eine schon lange bekannte klassische TCP Middleware, ein von Informatikern geprägtes System, das sich unter Automatisierern für die Belange von Industrie 4.0 vermutlich nicht durchsetzen wird.“ Prof. Langmann von der Fachhochschule Düsseldorf beschäftigt sich im Rahmen verschiedener Forschungsprojekte mit Internettechnologien für die Industrieautomation.

Stefan Hoppe, Vice President, OPC Foundation Europe
Stefan Hoppe, Vice President, OPC Foundation Europe „Jeder OPC UA Client kann sich sofort mit jedem OPC UA Server verbinden ohne jegliche zusätzliche Programmierung. OPC UA ist daher der De-facto-Standard in der Automatisierung mit all seinen Facetten und wächst von dort in andere Märkte wie dem Energie- oder Transportsektor.“ -Bild: OMG Group

Noch gibt es wenig Überschneidungen zwischen den beiden Protokollen. OPC UA ist eine eins-zu-eins Kommunikation, die sich durch hohe Interoperabilität auszeichnet: „Mit dem TCP- oder HTTPS-basierenden Client-Server Protokoll von OPC UA kommunizieren Maschinen und Geräte horizontal untereinander, aber auch vertikal bis in die IT Enterprise einer Fabrik und Cloud, unge­achtet des vom Maschinenbauer präferierten Feldbusses“, erläutert Hoppe. Ein großer Pluspunkt für den Anwender: „Wir wollen nicht auf proprietäre Protokolle angewiesen sein und unseren Kunden eine herstellerunabhängige Schnittstelle bieten können. Und OPC kann herstellerübergreifend kommunizieren“, sagt Schlüter.

Deterministischer Datenaustausch

DDS hingegen ist eine Publisher-Subscriber-Kommunikation, die bislang selten innerhalb von Fabriken eingesetzt wurde. Ihr großes Plus ist das hohe Tempo, das vorwiegend im Medizinbereich, der Verkehrsinfrastruktur, in autonomen Fahrzeugen, der Avionik und Verteidigungssystemen eine schnelle Datenübertragung erlaubt. DDS bietet – nach dem Compiling – einen deterministischen Datenaustausch mit hoher ‚Quality of Service‘ (Güte eines Kommunikationsdienstes aus Sicht des Anwenders). Trotz der differierenden Positionierung werden die beiden Technologien künftig enger zusammenrücken und ineinandergreifen. „Wenn OPC UA in Bezug auf die Echtzeitfähigkeit erst einmal aufgeholt hat, werden beide Systeme nebeneinander existieren und über Cloud-Connectoren auch miteinander kommunizieren können“, sagt Walter, dessen Unternehmen sowohl im Energiesektor – dort treffen die beiden Protokolle schon heute aufeinander – als auch im Maschinenbau aktiv ist. „Eine Durchgängigkeit in der Vernetzung kann aus meiner Sicht sowieso nur über das Bindeglied ‚Cloud‘ zustande kommen“, setzt Walter fort und erklärt, wie dies aussehen könnte: Die horizontale Vernetzung würden Cloud-Technologien leisten, die vertikale Vernetzung Protokolle wie DDS oder OPC UA.

Echtzeitfähigkeit

Um echtzeitfähig zu werden, hat die OPC Foundation einiges unternommen: „OPC UA wird aktuell mit Publisher/Subscriber Mechanismen per UDP und TSN-Echtzeit erweitert, ebenso hat Microsoft das AMQP Protokoll für eine direkte Cloud Anbindung integriert“, berichtet Hoppe. Das sei keine ‚echte‘ Echtzeit, meint Michael Stiller, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Eingebettete Systeme und Kommunikationstechnik ESK: „Der Trick, um OPC UA teilweise ‚echtzeitfähig‘ zu machen, besteht darin, OPC UA mit dem Publisher-Subscriber und TSN- Verfahren zu kombinieren. Betrachtet wird dann nur die Kommunikation, also die Zeit zwischen dem Sendevorgang und dem Empfang der Nachrichten. Bei einer echten Echtzeitfähigkeit des Gesamtsystems müssten jedoch alle Komponenten mit einbezogen werden.“

Schlank und schnell: MQTT

So bleibt die Übertragungsgeschwindigkeit ein Problem. „Für uns ist OPC UA zu langsam, wir nutzen sehr schnelle und schlanke Protokolle, weil wir Cloud-basierte Steuerungsanwendungen umsetzen“, meint Prof. Langmann, außerdem sei OPC UA zu kompliziert für Praktiker: „Es ist ein komplexes Modellierungsinstrument für Automatisierungsgeräte und daher für Forscher an den Universitäten ein sehr ergiebiges Umfeld. Für Praktiker allerdings ist beispielsweise das Protokoll MQTT aktuell geeigneter, weil es bereits fertig ist, außerdem weit verbreitet.“ Auch Walter schwärmt von MQTT: „Leider setzt OPC UA nicht auf das Messaging Protokoll MQTT, sondern AMQP, das ursprünglich für globale Bankgeschäfte entwickelt wurde.“ Dahinter steckt seiner Vermutung nach Microsoft, ein starker AMQP-Befürworter, „zufällig ist Microsoft auch Mitglied der OPC Foundation“, so Walter. MQTT hätte ihm besser gefallen, da es schlanker, schneller und sehr viel weiter verbreitet sei. „Außerdem lässt es sich in völlig unterschiedlichen Systemen einfach implementieren“, sagt Walter. Vom kleinsten Mikrocontroller über den größten Industrierechner gebe es MQTT-Implementierungen. Auch diverse Webseiten und Apps würden MQTT unterstützen. Dabei würden verschiedene Programmiersprachen, Laufzeitumgebungen und Cloud-Plattformen supported. „AMQP hingegen ist gegenwärtig nur in wenigen größeren Systemen implementiert und mit höheren Kosten behaftet“, schließt Walter.