OPC UA, DDS und MTConnect für I4.0 Jeder Anwendung ihr Protokoll

Unter dem Motto »integrating« stehen jetzt Softings Produkte und Dienstleistungen für den horizontalen und vertikalen digitalen Datenaustausch in industriellen Anwendungen.
Unter dem Motto »integrating« stehen jetzt Softings Produkte und Dienstleistungen für den horizontalen und vertikalen digitalen Datenaustausch in industriellen Anwendungen.

Während OPC UA im deutschsprachigen Raum als bevorzugtes Protokoll für die Industriekommunikation 4.0 gilt, spielen in anderen Weltregionen auch DDS und MTConnect eine wichtige Rolle.

Hans-Werner Auberg, Managing Director der Softing Industrial Automation GmbH, erläutert die Eigenschaften sowie die Vor- und Nachteile der drei Techniken.

Markt&Technik: Die deutsche Plattform Industrie 4.0 favorisiert OPC UA, das US-amerikanische Industrial Internet Consortium (IIC) tendiert zu DDS, ein paar große Unternehmen treiben MTConnect voran. Warum?

Hans-Werner Auberg: Als erstes muss man feststellen, dass sich alle genannten Protokolle mit Ethernet auf einem gemeinsamen Kommunikationsstandard festlegen und als offene Spezifikationen zur Verfügung stehen. Danach laufen aber die technischen Lösungen der verschiedenen Systeme teilweise weit auseinander. Getrieben von US-Werkzeugmaschinenherstellern entstand MTConnect als offener Standard, nach dem Werkzeugmaschinen ihre Daten übergeordneten Systemen zur Verfügung stellen. Das Protokoll arbeitet ausschließlich unidirektional (Read Only) und ist auf eine einfache Integration ausgelegt.

Ähnlich wie MTConnect handelt es sich bei DDS (Data Distribution Service) mehr um eine Protokollimplementierung als um eine Middleware. DDS kommt ursprünglich aus der Steuerungstechnik und glänzt durch geringe Latenzzeit, hohen Datendurchsatz und einfache Skalierbarkeit durch dezentrale Strukturen (Publisher/Subscriber). Die in der Industrial Internet Reference Architecture (IIRA) des IIC beschriebenen Verbindungsmerkmale sind über DDS gut umzusetzen. OPC UA geht einen Schritt weiter und steht als IEC 62451 für offene Datenmodelle und sichere Kommunikation. Jeder Hersteller kann mit OPC UA sein eigenes Datenmodell erstellen und mit anderen Teilnehmern im Netz kommunizieren. Das dazu nötige Protokoll ist austauschbar. Hier könnten dann auch die Protokolle DDS und MTConnect eingebunden werden.

Dass dieser Weg beschritten wird, ist absehbar. Bereits im April haben die OPC Foundation und die OMG (Object Management Group) eine gemeinsame Strategie zur Verbreitung ihrer Kommunikationsstandards angekündigt. In zwei Schritten soll die Integration über OPC-UA-/DDS-Gateways oder über ein OPC-UA-/DDS-Profile gewährleistet werden.
 
Worin liegen die technischen Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Datenübertragungstechniken OPC UA, DDS und MTConnect?

MTConnect beruht auf einer Client-Agent-Kommunikation. Der Client greift ausschließlich lesend über ein RESTful-Protokoll (Representational State Transfer) auf Daten zu, die einem Agent über einen Adapter zur Verfügung gestellt werden. REST ist immer eine zustandslose Kommunikation, so dass die Sitzungsverwaltung entfällt. Die Kommunikation wird einfacher, verzichtet aber auf wesentliche Security-Mechanismen wie User-Authentifizierung. Die Versorgung der Agents erfolgt weiterhin über proprietäre Kommunikation zwischen Geräten und Adaptern. Der einheitliche Zugriff auf Werkzeugmaschinen erfolgt über ein starres, im Standard beschriebenes Datenmodell. Erweiterungen sind damit nur über Änderungen der Spezifikationen möglich.

DDS basiert auf einer verteilten Publisher-Subscriber-Architektur. Publisher verteilen ihre Daten über ein schnelles Multicast an die Empfänger (Subscriber); unabhängig von der Anzahl der Empfänger werden Updates im Netz nur einmal versendet. Die Applikation nutzt die angebotenen Quality-of-Service-Dienste (QoS) zur Beschreibung der benötigten Daten sowie der Frequenz, mit der sie benötigt werden.

OPC UA fußt auf einer Client-Server-Architektur und ist in der aktuellen Version auf eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung beschränkt. Eine Erweiterung der Lösung in Richtung Publisher/Subscriber ist in der Spezifikationsphase. Erste Implementierungen gibt es beispielsweise von Softing.

OPC UA arbeitet verbindungsorientiert. Der erhöhte Verwaltungsaufwand wird in Kauf genommen, um ein möglichst ausgeprägtes Sicherheitskonzept mit Authentizität, Autorisierung, Integrität und Vertraulichkeit zu bieten. Die absolute Stärke von OPC UA ist aber das in der IEC 62451 beschriebene Objektmodell mit bidirektionalen Verbindungen zwischen Objekten, die auch auf verschiedenen Servern installiert sein können. Selbst zur Laufzeit eines Servers lässt sich das Informationsmodell noch ändern. Dieser Vorteil macht sich besonders im Hinblick auf die von Industrie 4.0 geforderte dynamische Konfiguration von Maschinen und Anlagen bemerkbar.