# IEC 62541 — OPC Unified Architecture (OPC UA)

> IEC 62541 ist die normative Norm für OPC UA (Unified Architecture) — das plattformunabhängige, serviceorientierte Kommunikationsprotokoll für die industrielle Automatisierung. OPC UA ermöglicht einen sicheren, zuverlässigen Datenaustausch zwischen SPSen, SCADA, MES, ERP und Cloud-Systemen und ist die Grundlage für Industrie-4.0- und IIoT-Architekturen.

- Quelle : https://industryhub.site/de/standards/iec-62541
- Herausgeber : IEC
- Familie : Industrielle Kommunikation
- Status : current
- Erstveröffentlichung : 2010
- Letzte Revision : 2020 (Ausgabe 3 je Teil)
- Ausgabe : 3
- Zugang : Kostenpflichtig (IEC-Webstore — Preis je Teil)
- Sprache : Deutsch

## Dokumentstruktur

- **IEC 62541-1** — Überblick und Konzepte : Architekturüberblick — das Adressraummodell, das Sitzungs-/Abonnementmodell, das Sicherheitsmodell und die Transportzuordnungen. Der Ausgangspunkt für das Verständnis von OPC UA.
- **IEC 62541-3** — Adressraummodell : Definiert den OPC UA-Adressraum — Knoten, Referenzen, Attribute und Knotenklassen. Der Adressraum ist der Container des Informationsmodells: Alles, was ein Server bereitstellt, ist ein Knoten in diesem Raum.
- **IEC 62541-4** — Dienste : Definiert die 37 OPC UA-Dienste — Erkennung, Sitzung, Attribut, Methode, Ansicht, überwachtes Element, Abonnement und Veröffentlichungsdienste. Die vollständige API-Spezifikation.
- **IEC 62541-6** — Zuordnungen : Transportprotokollzuordnungen — OPC UA Binary (UA TCP) für leistungskritische Anwendungen, OPC UA XML/HTTPS für Webdienste und OPC UA WebSocket. Umfasst auch Pub/Sub über MQTT und AMQP.
- **IEC 62541-7** — Profile : Konformitätsprofile — eingebettetes Nano-Gerät, eingebettetes Mikro, Standardserver usw. Profile legen fest, welche Dienste eine konforme Implementierung unterstützen muss. Verwendet in Beschaffungsspezifikationen.
- **IEC 62541-8** — Datenzugriff : Informationsmodell für Prozessdaten — Variablen, Datenpunkte, analoge Punkte mit Einheiten und Bereichen. Die Grundlage für die Bereitstellung von SPS-Tags und Instrumentenwerten.
- **IEC 62541-9** — Alarme und Zustände : Informationsmodell für die Alarmverwaltung — Alarmzustände, Unterdrückung, Quittierung. Ermöglicht eine einheitliche Alarmdarstellung über heterogene Systeme hinweg.
- **IEC 62541-11** — Historischer Zugriff : Informationsmodell für den Zugriff auf historische Daten — Rohdaten, verarbeitete (aggregierte) Daten, historische Ereignisse. Grundlage für die Historian-Integration.
- **IEC 62541-14** — PubSub : Publish-Subscribe-Erweiterung für OPC UA — entkoppelte Kommunikation über MQTT/AMQP-Broker und UDP-Multicast. Schlüssel für die IIoT-Cloud-Integration und Edge-to-Cloud-Datenpipelines.

## Schlüsselbegriffe

- **Informationsmodell** : Die zentrale Innovation von OPC UA: Statt nur Datenwerte zu übertragen, werden selbstbeschreibende Informationen übertragen. Ein Server stellt einen Adressraum bereit, in dem jeder Knoten einen Typ, Beziehungen zu anderen Knoten, Ingenieureinheiten und Metadaten hat. Companion-Spezifikationen (z. B. OPC UA für PROFINET, für PackML, für ISA-95) definieren Standardinformationsmodelle für spezifische Domänen.
- **Client-Server vs. Pub/Sub** : OPC UA unterstützt zwei Kommunikationsmuster: Client-Server (Pull-Modell — Client abonniert, Server überträgt bei Änderung, mit Sitzungsverwaltung und Sicherheit) und Pub/Sub (Push-Modell — Publisher sendet an Broker oder Multicast, ohne Sitzungs-Overhead). Client-Server für SCADA/MES-Integration; Pub/Sub für Cloud- und Edge-Szenarien.
- **Sicherheitsmodell** : OPC UA integriert Sicherheit auf Protokollebene: Authentifizierung (X.509-Zertifikate oder Benutzername/Passwort), Nachrichtensignierung und Nachrichtenverschlüsselung (AES-128/256). Drei Sicherheitsmodi: Keine (nur Erkennung), Signieren, Signieren+Verschlüsseln. Im Gegensatz zu OPC Classic (DCOM-basiert) funktioniert die OPC UA-Sicherheit durch Firewalls und über das Internet.
- **Companion-Spezifikation** : Domänenspezifische OPC UA-Informationsmodelle, die von Industriekonsortien definiert werden — OPC UA für Geräte (DI), für PLCopen-Bewegung, für PackML, für ISA-95 (Fertigungsbetrieb), für AutoID (RFID/Barcode), für CNC. Eine Companion-Spezifikation definiert Standard-Knotentypen, damit Werkzeuge von beliebigen Anbietern auf Anwendungsebene interoperieren können.
- **Pub/Sub über MQTT** : OPC UA PubSub (IEC 62541-14) über MQTT ist die Standardarchitektur für IIoT-Edge-to-Cloud-Pipelines. Die OPC UA JSON-Kodierung ist das Nachrichtenformat; ein MQTT-Broker (z. B. HiveMQ, Mosquitto) übernimmt das Routing. Ermöglicht die Integration von Azure IoT Hub, AWS IoT und Ignition Edge MQTT.

## Überblick

OPC UA (IEC 62541) ist der **universelle Middleware-Standard für den industriellen Datenaustausch**. Er löst das Integrationsproblem, das die Automatisierung seit Jahrzehnten plagt: heterogene Steuerungssysteme (Siemens, Rockwell, ABB, Honeywell) mit inkompatiblen Protokollen, die anlagenweiten Datenzugriff und MES/ERP-Integration teuer und fehleranfällig machen.

OPC UA bietet:
1. **Einen einheitlichen Adressraum** — selbstbeschreibende Daten, zugänglich über eine Standard-API
2. **Integrierte Sicherheit** — zertifikatsbasierte Authentifizierung und Verschlüsselung by Design
3. **Plattformunabhängigkeit** — läuft auf Windows, Linux, eingebettetem RTOS, Cloud
4. **Skalierbarkeit** — vom Mikrocontroller bis zum Unternehmensserver

## Architekturmuster

### Klassische SCADA-/MES-Integration (Client-Server)
```
SPS / DCS  →  OPC UA-Server  →  OPC UA-Client (SCADA, Historian, MES)
```
Jede wichtige SPS (Siemens S7-1500, Rockwell 5380, Beckhoff, B&R) verfügt jetzt über einen eingebetteten OPC UA-Server. SCADA-Plattformen (Ignition, Wonderware, Inductive Automation) sind native OPC UA-Clients.

### IIoT-/Cloud-Integration (Pub/Sub)
```
SPS  →  OPC UA PubSub  →  MQTT-Broker  →  Cloud (Azure IoT / AWS IoT / InfluxDB)
```
Edge-Geräte (Hilscher netX, Moxa, Kepware) übersetzen Legacy-Feldbusse in OPC UA und veröffentlichen über MQTT.

## Companion-Spezifikationen — Die wichtigsten für Prozess und Fertigung

| Companion-Spezifikation | Domäne | Gepflegt von |
|------------------------|--------|-------------|
| OPC UA für Geräte (DI) | Geräteerkennung, Topologie | OPC Foundation |
| OPC UA für PackML | Zustände von Verpackungsmaschinen | OMAC / OPC Foundation |
| OPC UA für ISA-95 | Produktionsplanung, MES | OPC Foundation / ISA |
| OPC UA für PROFINET | PROFINET-Topologie in UA | PI + OPC Foundation |
| OPC UA für CNC | Werkzeugmaschinendaten | OPC Foundation |
| OPC UA für Wägetechnik | Waage / Dosierung | OPC Foundation |

## Checkliste zur Sicherheitshärtung

- Im Produktionsbetrieb immer den Modus **Signieren+Verschlüsseln** verwenden (niemals "Keine" außerhalb von Testlabors)
- Dedizierte OPC UA-Zertifikate je Server verwenden — jährlich erneuern
- Endpunkt-Exposition einschränken: OPC UA TCP (Port 4840) sollte nicht direkt gegenüber nicht vertrauenswürdigen Netzen exponiert sein
- **OPC UA-Gateway** oder **DMZ-Server** verwenden, um das Steuerungsnetz vom MES/ERP zu isolieren
- **Rollenbasierte Zugriffskontrolle (RBAC)** gemäß IEC 62541-18 (Rollen-Teil) für fein abgestufte Berechtigungen implementieren

## Betroffene Branchen

process, manufacturing, oil-and-gas, pharmaceuticals, food-and-beverage, energy, water-treatment

## Referenzen & Vertiefung

- [IEC 62541-Reihe — IEC-Webstore](https://webstore.iec.ch/searchform&q=62541)
- [OPC Foundation — OPC UA-Spezifikationen und Companion-Spezifikationen](https://opcfoundation.org/developer-tools/specifications-unified-architecture)
- [OPC UA-Interoperabilität — OPC Foundation](https://opcfoundation.org/about/opc-technologies/opc-ua/)