Die Sprache der digitalen Fabrik

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) hat sich als Standard für den sicheren, plattformunabhängigen Datenaustausch in der industriellen Automatisierung etabliert. Maschinen, Geräte und Software nutzen ihn in der Fertigungs- und Prozessindustrie, ebenso wie in Energieversorgung und vielen anderen Anwendungsfeldern. Statt nur Rohdaten zu übertragen, beschreibt OPC UA Informationen in objektorientierten Modellen mit Variablen, Methoden und Beziehungen. Dadurch erhalten Daten eine systemübergreifend verständliche Bedeutung. Verschlüsselung, Authentifizierung und Autorisierung schützen Übertragung und Zugriff.

Klassisches OPC UA war jedoch nicht dafür vorgesehen, Feldbusse für die deterministische Steuerungskommunikation abzulösen. Diese Lücke schließt OPC UA FX: Die veröffentlichten Spezifikationen unterstützen zunächst die herstellerübergreifende Kommunikation zwischen Steuerungen. Die Erweiterungen für Steuerungs-Geräte- und Geräte-Geräte-Kommunikation befinden sich in Entwicklung.

Eine zentrale Rolle spielt dabei das Publish/Subscribe-Modell, kurz Pubsub. Es verteilt Daten effizient im industriellen Netzwerk. UDP/IP ermöglicht grundsätzlich die Kommunikation über IP-Netzwerkgrenzen hinweg. Ein direktes Mapping auf Ethernet Layer 2 reduziert den Protokoll-Overhead innerhalb eines lokalen Netzwerks. In Verbindung mit TSN und entsprechender Netzwerkkonfiguration entstehen vorhersehbare Latenzen und eine synchronisierte Zeitbasis.

Ethernet als gemeinsame Infrastruktur

Mehrere ergänzende Technologien schaffen die Voraussetzungen dafür, dass sich OPC UA in die Feldebene erweitern kann. Ethernet TSN (Time-Sensitive Networking) erweitert Ethernet um deterministische Übertragungsmechanismen. Präzise Zeitsynchronisation, die zeitliche Planung des Datenverkehrs und Bandbreitenreservierung ermöglichen ein berechenbares Echtzeitverhalten auf Ethernet-Netzwerken.

Single Pair Ethernet (SPE) überträgt Ethernet über ein einziges verdrilltes Adernpaar und ermöglicht eine schlanke, kostengünstige Anbindung von Feldgeräten. Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) baut darauf auf und erschließt Ethernet für die Prozessautomatisierung. Lange Kabelstrecken, Eigensicherheit für explosionsgefährdete Bereiche und einfache Installation machen die Technik auch für anspruchsvolle Prozessanlagen geeignet.

5G ergänzt kabelgebundene Netze um drahtlose Kommunikation für Anwendungen mit Echtzeitanforderungen. Das ist insbesondere für mobile Betriebsmittel, flexible Fertigung und modulare Produktionsumgebungen interessant.

OPC UA FX als Basis für Steuerungen und Feldgeräte

OPC UA FX ergänzt OPC UA um mehrere Bausteine. Die Automation Component (AC) bildet Geräte wie Steuerungen, Antriebe und E/A-Systeme standardisiert und modular ab. Sie umfasst Daten, Funktionen und Schnittstellen und erleichtert damit Integration und Wiederverwendung. Der Connection Manager richtet Kommunikationsbeziehungen zwischen Steuerungen beziehungsweise zwischen Steuerungen und Feldgeräten ein und verwaltet sie.

Die Konzepte für das Offline Engineering auf der Basis von AutomationML ermöglichen es, Geräte, Verbindungen und Parameter zu planen und zu konfigurieren, bevor die Hardware angeschlossen ist. Profile definieren standardisierte Funktionsumfänge und Fähigkeiten. Unterstützen Geräte verschiedener Hersteller dasselbe Profil, schafft dies die Voraussetzung für ein konsistentes Zusammenspiel.

Controller-to-Device (C2D) und Device-to-Device (D2D) sollen OPC UA FX direkt zu Antrieben, E/A-Geräten und Feldinstrumenten bringen. Parallel unterstützt OPC UA Safety die funktional sichere Kommunikation über dieselbe Netzwerkinfrastruktur. Damit können auch sicherheitsgerichtete Signale unter Einhaltung der einschlägigen industriellen Sicherheitsstandards übertragen werden.

Ein gemeinsames Profil für TSN

TSN stellt einen Werkzeugkasten für deterministisches Ethernet bereit. Für die Interoperabilität reicht die Verfügbarkeit einzelner Mechanismen jedoch nicht aus: Hersteller benötigen gemeinsame Regeln für deren Einsatz. Hier setzt der IEC/IEEE-60802-Standard an, welcher im Juni 2026 veröffentlicht wurde. Das gemeinsame Standardisierungsvorhaben definiert ein TSN-Profil für industrielle Automatisierungsnetzwerke.

Es beschreibt unter anderem Zeitsynchronisation, Regeln für die Verkehrsplanung, Verfahren zur Netzwerkkonfiguration und Anforderungen an die Interoperabilität. OPC UA FX ist auf dieses Profil abgestimmt. Dadurch soll die deterministische Kommunikation von Geräten unterschiedlicher Hersteller in einem gemeinsamen TSN-Netzwerk möglich werden.

Stand der Spezifikation

Mit der Fertigstellung und Veröffentlichung der OPC-UA-FX-Spezifikationen für den Anwendungsfall Controller-to-Controller (C2C) wurde bereits ein wichtiger Meilenstein erreicht. C2C legt fest, wie Steuerungen unterschiedlicher Hersteller zyklische Daten in Echtzeit austauschen.

Die laufenden Arbeiten konzentrieren sich auf die Spezifikationserweiterungen für die Anwendungsfälle C2D und D2D, an denen aktuell mit Hochdruck gearbeitet wird. Noch vor der SPS 2026 sollen die finalen Spezifikationsentwürfe (sogenannte Release Candidates) den Mitgliedern der OPC Foundation zur abschließenden Prüfung vorgelegt werden.

Im Mittelpunkt steht dabei die Erarbeitung von Informationsmodellen, welche Schnittstellen und das Verhalten von Feldgeräten beschreiben. Feldgeräte schließen Frequenzumrichter, Servoantriebe, dezentrale E/A-Systeme sowie Feldinstrumente ein. Standardisiert werden sowohl der zyklische Echtzeitdatenaustausch als auch azyklische Dienste für Konfiguration, Diagnose und Parametrierung.

Vom Entwicklungswerkzeug zum Demonstrator

Automatisierungshersteller, Softwareanbieter und spezialisierte Stack-Anbieter entwickeln SDKs und Kommunikationsstacks für OPC UA Pubsub und erste OPC-UA-FX-Profile. Dazu zählen kommerzielle und quelloffene Lösungen. Sie unterstützen die Integration in Steuerungen und Geräte, die Entwicklung interoperabler Anwendungen sowie Evaluierung und Prototypenbau durch Systemintegratoren und Maschinenbauer.

Interoperabilitätsdemonstrationen machen die Konzepte praktisch überprüfbar. An der OPC-UA-FX-C2C-Demowand kommunizieren Steuerungen mehrerer Hersteller über ein gemeinsames Netzwerk und tauschen zyklische Prozessdaten in Echtzeit aus. Ein weiteres Beispiel ist der Seilroboter-Demonstrator. Er zeigt koordinierte Bewegungssteuerung mit verteilten Steuerungen und veranschaulicht die Bedeutung präziser Synchronisation und geringer Latenzen.

Prüfung und Integration ins Feld

Für den industriellen Einsatz müssen Interoperabilität und Zuverlässigkeit durch systematische Konformitätsprüfungen abgesichert werden. Die OPC Foundation entwickelt dafür Testwerkzeuge: das Compliance Test Tool (CTT) für OPC-UA-FX-Kommunikation und das OPC UA Safety Compliance Test Tool (UASCTT) für sicherheitsgerichtete Kommunikation. Sie ermöglichen die automatisierte Prüfung von Implementierungen.

Premiere auf der SPS 2026

Die OPC Foundation präsentiert auf ihrem Messestand in Halle 5, Stand 140 eine neue, herstellerübergreifende OPC-UA-FX-Demowand, auf welcher Steuerungen, Feldgeräte und Edge-Devices in einem gemeinsamen Showcase, nämlich der einer vernetzten Flaschenabfüllanlage, zusammenspielen.

Zudem wird erstmals der sogenannte Cool Robot der Öffentlichkeit präsentiert. Der Cool Robot füllt vollautomatisch cremiges Softeis in knusprige Waffeln und reicht es direkt an die Besucher weiter. Mit seiner futuristischen Technik, bei der OPC UA FX mit VDMA Companion Specifications kombiniert wird, macht er jede Eisportion zu einem unterhaltsamen Erlebnis.

Zusammenfassung

OPC UA FX verbindet die Informationsmodelle und Sicherheitsmechanismen von OPC UA mit deterministischer Ethernet-Kommunikation und standardisiertem Engineering. Damit schafft es die Grundlage für flexible, skalierbare Automatisierungssysteme und eine durchgängige Kommunikation vom Feld bis zur Cloud. Die Entwicklung ist noch nicht abgeschlossen. Die bisherigen Spezifikationen, Werkzeuge und Demonstratoren zeigen jedoch, dass eine gemeinsame Kommunikationsbasis für die digitale Fabrik konkrete Formen annimmt.

SPS 2026: Halle 5, Stand 140