Internet of Things (IoT): MitOPC-UA vomSensor bisin … · Thomas Hahn, Siemens AG QuotesfromIndustry. OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 7 ... OPC-HDA Kerberos J1939 Modbus FDI

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

mailto:[email protected]


Zitate aus Wissenschaft & Industrie


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-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


»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


»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 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-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


Herausforderungen an Interoperabilität


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


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


Betriebssystem unabhängig

- Kundensicht- Ablehnung von Standards die nur eine bestimmte Plattform unterstützen- Patente?



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“



Skalierbarkeit (vom Sensor bis IT MES / Cloud / Enterprise)Profilbildung


- 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- …


Protokoll


- 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


Security


- 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


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



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



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



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 FoundationVision, Organisation, Aktionen, Events


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


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


OPC Vision: Interoperabilität

Microchip

Desktop PC

iPhonePLC/Controller

Laptop

Enterprise Servers

Tablet

CE


China ; 29; 6%

Europa; 216; 47%

Japan ; 28; 6%

Nordamerika; 142; 31%

restliche Welt ; 43; 10%

OPC Foundation Mitgliedschaft


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


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

• 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


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


IoT oder Industrie 4.0?

Oder ist das nicht identisch?

OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 3220/05/2014 32

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


Herausforderung:

Die Mitglieder des BITKOM, VDMA und ZVEI nannten die Standardisierungals größte Herausforderung zur Umsetzung von Industrie 4.0.

Industrie 4.0: Intelligente Steuerung


Wenn Maschinen kommunizieren…

35

On? Yes


Besser: Wenn sie sich verstehen

Can I see

your ID

Here is my

ID

On?

YesPlease inform me if something

goes wrong


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 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


Kooperationen

OPC UA Informations-Modelle


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)


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


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


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


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


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


• 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


PLCopen & OPC Group: Demo 2009


FB‘s for Data Communication Prototype implementationof all FB‘s done !

UaConnectUaNodeGetHandleUaNodeReleaseHandle Release 03. April 2014UaNodeGetInfoUaMonitoredItemCreateUaMonitoredItemDeleteUaRead / UaReadListUaWrite / UaWriteListUaMethodGetHandleUaMethodReleaseHandleUaMethodGetInfoUaMethodCall

DiagnosisUaConnectionGetStatus

PLCopen & OPC: Current status


- 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


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


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


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


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 & AutomationML


Auto-ID Interoperability - proprietary

MES

SCADA


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)


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


RFID Transponder RFID Reader

OPC-UA Protocol for Integrated Industry

OPC-UA

MES

SCADA

Connectivity Fieldbus independent Security


Erfolgsgeschichten

VertikalVon der Steuerung zu SAP MES via OPC UA


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


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


- 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


- 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


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


- 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


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


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

???


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: Controlling von Energieverbrauch

Vertikal: Vom Controller in Big data Cloud


Lösungen

Vom Sensor zu IT Enterprise & Cloud


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-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


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


Gateway Level

Firma SSVHW: IGW/865 Gateway serial/TCPCPU ARM9™ Atmel AT91SAM9263OS LinuxOPC OPC-UA Server

UA Lösungen


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


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


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


• 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


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


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

C:/Dokumente und Einstellungen/skrasuwe.ASCOLABNET/Desktop/OPC-UA_Arburg_HD_1.wmv

C:/Dokumente und Einstellungen/skrasuwe.ASCOLABNET/Desktop/OPC-UA_Arburg_HD_1.wmv


Die Automatisierungspyramide

..noch aktuell ?


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


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


Von der Steuerung zum IT LevelMorgen Übergangsprozess “Von Dienstleistung -> zu Dienstleistung”

Grafik: Prof. Zühlke, DFKI


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


Zusammenfassung… und was noch fehlt..


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


- 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…


Englisch: Technologie Deutsch: OPC-UA als Wegbereiter für IE4.0

OPC Ressourcen: Broschüre



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-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();


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


Getting startedwww.unified-automation.com

OPC-UA for Raspberry PI

OPC UA Evaluation Kit

- free- time limited execution- just register

http://www.unified-automation.com/


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


Sematische Interoperabilität

Internet of Things (IoT): Mit OPC-UA

vom Sensor bis in die IT-Cloud

Stefan HoppePresident OPC [email protected]

mailto:[email protected]

Documents

Internet of Things (IoT): MitOPC-UA vomSensor bisin … · Thomas Hahn, Siemens AG QuotesfromIndustry. OPC-Unified Architecture 20. Mai, 2014 7 ... OPC-HDA Kerberos J1939 Modbus FDI