OPC UA (IEC 62541) ist die konsolidierte Weiterentwicklung der klassischen OPC-Spezifikationen (DA, HDA, A&E) zu einer einheitlichen, plattformunabhängigen Architektur. Es wurde 2006 von der OPC Foundation verabschiedet und hat sich als der De-facto-Standard für die vertikale und horizontale Integration in der Industrie 4.0 etabliert – von eingebetteten Mikrocontrollern bis zu unternehmensweiten ERP-Systemen.
Grundarchitektur: Client/Server und PubSub
OPC UA unterstützt zwei fundamentale Kommunikationsmuster:
Das klassische Client/Server-Modell eignet sich für parametrierungsintensive Anwendungen: Ein Client (z. B. SCADA, MES) verbindet sich mit einem OPC-UA-Server (integriert in SPS oder Edge Gateway) und liest/schreibt Datenpunkte auf Anfrage. Session-basiert, verbindungsorientiert, mit vollem Sicherheitshandshake.
Das seit OPC UA Version 1.04 standardisierte PubSub-Modell ist für hochfrequente Telemetrie ausgelegt: Publisher senden Daten-Datasets ohne Verbindungsaufbau in Netzwerk-Multicast oder an einen MQTT-Broker. Subscriber empfangen selektiv. Latenz unter 1 ms im PROFINET-Netz (über OPC UA over TSN) ist erreichbar.
Das Informationsmodell: der entscheidende Unterschied
Was OPC UA von einfachen Protokollen wie Modbus oder MQTT unterscheidet, ist das Meta-Modell: Daten werden nicht nur übertragen, sondern mit Typ, Einheit, Grenzwerten und Beziehungen zu anderen Datenpunkten beschrieben. Ein Temperatursensor-Knoten im OPC-UA-Adressraum enthält neben dem Messwert (CurrentValue) auch die Einheit (EngineeringUnit, °C), den Messbereich (EURange), den Zeitstempel (SourceTimestamp) und einen Verweis auf die zugehörige Maschinen-Baugruppe.
Diese Selbstbeschreibung ermöglicht es Clients, den Adressraum eines Servers zu durchsuchen (Browsing), ohne vorab wissen zu müssen, welche Datenpunkte existieren – ein fundamentaler Vorteil gegenüber fest verdrahteten Adressen in Modbus-Registern.
Companion Specifications: semantische Normen für jede Branche
Die OPC Foundation arbeitet mit Branchenverbänden zusammen, um OPC-UA-Informationsmodelle für spezifische Maschinentypen zu standardisieren. Diese „Companion Specifications" definieren, welche Datenpunkte ein Server einer bestimmten Maschinenkategorie zwingend bereitstellen muss:
- OPC UA for Machinery (VDMA 40001): Basisinformationsmodell für alle Maschinen – Identifikation, Betriebsmodi, Fehlercodes
- umati / OPC UA for Machine Tools: Erweiterung für Werkzeugmaschinen (Details im Abschnitt umati)
- OPC UA for Robotics (EUROMAP 79): Roboter-spezifische Kennzahlen und Steuerbefehle
- OPC UA for Plastics (EUROMAP 77): Spritzgussmaschinen
- OPC UA for PackML: Verpackungsmaschinen nach ISA-88
Sicherheit in OPC UA
OPC UA implementiert Sicherheit auf Protokollebene – ohne Abhängigkeit von der Netzwerkinfrastruktur. Die drei Sicherheitsmodi sind None (nur für Testzwecke), Sign (Integrität) und SignAndEncrypt (Integrität + Vertraulichkeit). Authentifizierung erfolgt über X.509-Zertifikate oder Username/Password. Das Sicherheitsmodell ist konform zu IEC 62443 und ist damit für OT-Umgebungen geeignet.
OPC UA over TSN: Die Kombination von OPC UA PubSub mit Time-Sensitive Networking (TSN, IEEE 802.1Qbv) ermöglicht harte Echtzeit-Kommunikation über Standard-Ethernet – ohne proprietäre Hardware. Dies ebnet den Weg zur einheitlichen Fabriknetzinfrastruktur.