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Digitale Vernetzung und Industrial IoT – OPC-UA-Datenmodelle im Testsystem erkunden

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Einleitung

Digitale Vernetzung und Industrial IoT – OPC-UA-Datenmodelle im Testsystem erkunden

Zielgruppe: Ausbildung in IT, Mechatronik und Automatisierungstechnik

Dauer: ca. 90–120 Minuten

Dein Lernziel: Du erkundest OPC UA, modellierst Objekte und Variablen und erkennst, warum industrielle Daten einen semantischen Bezug benötigen.

Du arbeitest mit einer fiktiven Abfüllanlage. Alle Daten sind erfunden. Du benötigst keine echte Maschine und kein Firmennetzwerk.

Video: OPC UA in einer Minute – OPC Foundation

Sicherheitsregel: Verwende ausschließlich lokale oder ausdrücklich autorisierte Testumgebungen. Die Beispiele verbinden sich nur mit dem eigenen Rechner über 127.0.0.1. Keine fremden Netze, Produktivanlagen, Kundendaten, Zugangsdaten oder ungefragten Datenübertragungen.

Deine Lernroute

Lerneinheit	Was Du erkundest	Praxis
1. Ausbildungsfall	Industrieanlage und IIoT	Modell erkennen
2. Kommunikation	Client und Server	Datenfluss erklären
3. Datenmodell	Objekte, Variablen und Referenzen	Knoten zuordnen
4. Bedeutung	Semantik und Datentypen	Messwerte interpretieren
5. Offline-Labor	Fiktive Testdaten	Python-Experiment
6. OPC-UA-Labor	Lokaler Server und Client	Adressraum erkunden

Lerninput: Sechs kurze Lerneinheiten

Ausbildungsfall: Die vernetzte Abfüllanlage

Eine fiktive Maschine füllt Getränkeflaschen ab. Für die Überwachung interessieren uns drei Werte: Temperatur, Status und Flaschenzahl.

Beispiel einer Abfülllinie. Unser Ausbildungsmodell ist davon unabhängig und vollständig simuliert.

Maschinendatum	Fiktiver Wert	Bedeutung
Temperatur	23,5 °C	Angenommener Messwert
Status	Bereit	Modellierter Betriebszustand
Flaschenzahl	12	Fiktiver Zählerstand

Merksatz: Das Industrial IoT verknüpft industrielle Geräte und Informationen. OPC UA ermöglicht dabei den strukturierten Datenaustausch.

Basisaufgabe: Welche drei Werte würdest Du einer Bedienperson anzeigen? Begründe Deine Auswahl.

Client und Server verstehen

Ein Server stellt Informationen bereit. Ein Client kann diese Informationen gezielt abfragen.

Die Grafik zeigt das allgemeine Client-Server-Prinzip.

Unser Testsystem verwendet ausschließlich OPC UA Client/Server. Der Client liest später Daten eines Servers auf demselben Computer.

Video: OPC UA Concepts – Uwe Steinkrauss, Unified Automation

Anwendungsaufgabe: Erkläre, weshalb die Anzeige eines Messwerts einen Client benötigt, der die Informationen des Servers versteht.

OPC-UA-Datenmodelle erkunden

Der Adressraum eines OPC-UA-Servers besteht aus Knoten und Referenzen.

Ein gerichteter Graph veranschaulicht Knoten und gerichtete Beziehungen. Er ist kein konkretes OPC-UA-Datenmodell.

Element	Funktion	Beispiel
Object	Repräsentiert einen Gegenstand oder ein System	Abfuellanlage
Variable	Stellt einen Datenwert bereit	Temperatur
Property	Beschreibt eine Eigenschaft eines Knotens	Einheit
HasComponent	Kennzeichnet eine Bestandteilbeziehung	Anlage zu Temperatur
HasProperty	Kennzeichnet eine Eigenschaftsbeziehung	Temperatur zu Einheit
HasTypeDefinition	Verweist auf eine Typdefinition	Variable zu VariableType

Unser vereinfachter Adressraum:

Objects
└── Abfuellanlage [Object]
    ├── Temperatur [Variable]
    │   └── Einheit [Property]
    ├── Status [Variable]
    ├── Flaschenzahl [Variable]
    └── Stationscode [Property]

Im echten OPC-UA-Adressraum sind Properties selbst Knoten der Klasse Variable. Die Unterscheidung erfolgt über die Referenz: HasProperty statt HasComponent.

Mini-Aufgabe: Zeichne die Beziehungen zwischen Abfuellanlage, Temperatur und Einheit und beschrifte die Pfeile.

Semantischer Bezug: Ein Wert braucht Bedeutung

Die Zahl 23,5 allein sagt wenig aus. Erst Messgröße, Einheit, Typ und Kontext machen sie verständlich.

Information	Unser Modell
Objekt	Abfuellanlage
Variable	Temperatur
Datentyp	Double
Wert	23,5
Einheit	Grad Celsius
Kontext	Fiktiver Temperaturwert der Abfüllanlage

Wichtig: Unsere benutzerdefinierte Property „Einheit“ ist eine didaktische Vereinfachung. Eine standardisierte technische Einheitenbeschreibung kann in OPC UA über EngineeringUnits und den Datentyp EUInformation nach OPC UA Part 8 erfolgen.

NodeId bezeichnet einen Knoten innerhalb eines Servers. Ein BrowseName dient zur Navigation. Die Namespace-URI benennt den Namensraum; dessen numerischer Index kann zwischen Servern unterschiedlich sein.

Denkfrage: Warum dürfen zwei Temperaturwerte nicht ohne Prüfung ihrer Einheit und Bedeutung verglichen werden?

Offline-Labor: Interaktive Simulation ohne Netzwerk

Dieses Labor benötigt nur Python 3.10 oder neuer. Es ist eine Modellsimulation und kein OPC-UA-Protokollserver.

Speichere den folgenden Code als offline_labor.py und starte ihn lokal mit python offline_labor.py.

daten = {
    "Temperatur": 23.5,
    "Status": "Bereit",
    "Flaschenzahl": 12
}

while True:
    cmd = input(
        "baum | lesen | plot | set ZAHL | ende > "
    ).strip()

    if cmd == "baum":
        print("Objects -> Abfuellanlage")
        print("Temperatur, Status, Flaschenzahl")

    elif cmd == "lesen":
        for name, wert in daten.items():
            print(f"{name}: {wert}")

    elif cmd == "plot":
        for wert in (20.0, daten["Temperatur"], 27.0):
            print(f"{wert:4.1f} °C | "
                  + "█" * int(wert - 15))

    elif cmd.startswith("set "):
        try:
            wert = float(cmd.split()[1])
        except (ValueError, IndexError):
            print("Beispiel: set 24.0")
            continue

        if 0 <= wert <= 60:
            daten["Temperatur"] = wert
            print("Fiktiver Testwert geändert.")
        else:
            print("Nur 0 bis 60 im Übungsmodell.")

    elif cmd == "ende":
        break

    else:
        print("Unbekannter Befehl.")

Probiere diese Befehle aus:

Befehl	Beobachtung
baum	Struktur des Modells
lesen	Aktuelle fiktive Werte
plot	Balkendarstellung der Temperaturen
set 24.5	Temperatur wird lokal verändert
ende	Simulation endet

Visualisierung: Beispielwerte

Temperatur	Balkendarstellung über 15 °C
20,0 °C	█████
23,5 °C	████████
27,0 °C	████████████

Die Balken sind bewusst grob skaliert. Der Programmcode erzeugt sie direkt im Terminal. Es werden weder Daten versendet noch Verbindungen geöffnet.

Experiment: Ändere den Testwert auf 24,5 °C. Vergleiche lesen und plot vor und nach der Änderung.

OPC-UA-Labor: Lokaler Server und Client

Jetzt erkundest Du einen echten OPC-UA-Adressraum, jedoch ausschließlich auf Deinem eigenen Rechner.

Voraussetzung: Python ab Version 3.10 und das Open-Source-Paket asyncua. Die Installation erfolgt nur aus einer freigegebenen Paketquelle; bei einer Offline-Schulumgebung stellt die Lehrkraft das Paket lokal bereit.

python -m venv .venv
python -m pip install "asyncua==2.1.0"

Aktiviere vor der Installation die virtuelle Umgebung oder verwende deren Python-Interpreter. Ein möglicher Paketdownload erfolgt nur nach Freigabe. Die Version 2.1.0 wurde am 6. Oktober 2026 veröffentlicht.

Datei 1: local_server.py

import asyncio
from asyncua import Server, ua

URL = "opc.tcp://127.0.0.1:4840/ausbildung/"
NS = "urn:ausbildung:local:abfuellanlage"

async def main():
    server = Server()
    await server.init()
    server.set_endpoint(URL)
    server.set_server_name("Lokaler Ausbildungsserver")
    server.set_security_policy(
        [ua.SecurityPolicyType.NoSecurity]
    )

    idx = await server.register_namespace(NS)
    anlage = await server.nodes.objects.add_object(
        idx, "Abfuellanlage"
    )

    temperatur = await anlage.add_variable(
        idx, "Temperatur", 23.5
    )
    await temperatur.add_property(
        idx, "Einheit", "Grad Celsius"
    )

    await anlage.add_variable(
        idx, "Status", "Bereit"
    )
    await anlage.add_variable(
        idx, "Flaschenzahl", 12
    )
    await anlage.add_property(
        idx, "Stationscode", "A-01"
    )

    print("Lokaler Server:", URL)
    async with server:
        while True:
            await asyncio.sleep(1)

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main())

Datei 2: local_client.py

import asyncio
from asyncua import Client

URL = "opc.tcp://127.0.0.1:4840/ausbildung/"
NS = "urn:ausbildung:local:abfuellanlage"

async def main():
    async with Client(url=URL) as client:
        idx = await client.get_namespace_index(NS)
        anlage = await client.nodes.objects.get_child(
            f"{idx}:Abfuellanlage"
        )

        for node in await anlage.get_variables():
            name = (await node.read_browse_name()).Name
            print("HasComponent:", name,
                  await node.read_value())

        for node in await anlage.get_properties():
            name = (await node.read_browse_name()).Name
            print("HasProperty:", name,
                  await node.read_value())

        temp = await anlage.get_child(
            f"{idx}:Temperatur"
        )
        print("Temperatur-NodeId:", temp.nodeid)

        for prop in await temp.get_properties():
            name = (await prop.read_browse_name()).Name
            print("Temperatur-Property:", name,
                  await prop.read_value())

if __name__ == "__main__":
    asyncio.run(main())

Ablauf: Starte zuerst den Server mit python local_server.py. Öffne danach ein zweites Terminal und starte python local_client.py. Beende den Server mit Strg+C.

Erwartete Beobachtungen:

Beziehung	Erwarteter Befund
HasComponent	Temperatur, Status und Flaschenzahl
HasProperty	Stationscode
HasProperty an Temperatur	Einheit
NodeId	Vom Server zugewiesene Knotenkennung

Die konkrete NodeId wird vom Testserver vergeben und nicht vorausgesetzt. Der Client ermittelt den Namespace-Index über die Namespace-URI.

Sicherheit: NoSecurity dient hier ausschließlich dem isolierten Loopback-Experiment. Diese Einstellung ist nicht für Produktivanlagen geeignet. Der Server wird nur an 127.0.0.1 gebunden. Verwende keine fremden Endpunkte, Portfreigaben oder realen Maschinendaten.

Technischer Prüfstand: Die Offline-Simulation wurde ausgeführt. Die OPC-UA-Beispiele wurden mit der dokumentierten asyncua-API abgeglichen, aber nicht in einer installierten OPC-UA-Laufzeit ausgeführt.

Rückblick: Kommunikationsformen und sichere Übertragung

OPC UA unterstützt neben Client/Server auch Publish/Subscribe. Unser praktisches Testsystem nutzt ausschließlich Client/Server.

Diese Grafik zeigt die alternative Publish/Subscribe-Kommunikationsform. Sie ist nicht Teil des ausgeführten Laborbeispiels.

Video: OPC UA Security – Uwe Steinkrauss

Transferfrage: Warum genügt es für einen sicheren Produktiveinsatz nicht, wenn ein OPC-UA-Server technisch erreichbar ist?

Gestufte Lernhilfen und Feedback

Stufe	Hilfe
Hilfe 1: Denkimpuls	Suche nach Dingen, Werten und beschreibenden Eigenschaften.
Hilfe 2: Orientierung	Die Maschine ist ein Object. Temperatur ist eine DataVariable. Einheit ist in unserem Modell eine Property.
Hilfe 3: Lösungshinweis	Prüfe die Referenz: HasComponent kennzeichnet einen Bestandteil, HasProperty eine Eigenschaft. Über HasTypeDefinition wird die Typdefinition referenziert.

Niveau	Erwartung und begründetes Feedback
Basis	„Temperatur ist eine Variable“ ist richtig, weil sie einen Wert repräsentiert. „Einheit ist ein Object“ wäre hier falsch, weil sie als beschreibende Property modelliert wurde.
Anwendung	Nach „set 24.5“ muss „lesen“ den neuen Wert zeigen. Das belegt die Änderung der lokalen Simulation, nicht die Kommunikation mit einer echten Anlage.
Transfer	Die Namespace-URI sollte beim Zuordnen eines Namensraums berücksichtigt werden, weil ein numerischer Namespace-Index serverabhängig sein kann.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wofür wird OPC UA in diesem Lernkurs eingesetzt? (Zum strukturierten Austausch industrieller Informationen) (!Zum mechanischen Befüllen von Flaschen) (!Zum Bearbeiten von Fotos) (!Zum Entwerfen eines Stromnetzes)

Welche Knotenklasse repräsentiert unsere Abfüllanlage? (Object) (!Variable) (!DataType) (!ReferenceType)

Welche Knotenklasse repräsentiert den Temperaturwert? (Variable) (!ObjectType) (!Method) (!View)

Welche Referenz kennzeichnet eine Bestandteilbeziehung? (HasComponent) (!HasProperty) (!HasSubtype) (!HasEncoding)

Welche Referenz verbindet die Temperaturvariable mit ihrer Property Einheit? (HasProperty) (!HasComponent) (!Organizes) (!GeneratesEvent)

Warum ist ein einzelner Zahlenwert ohne Kontext unzureichend? (Weil Bedeutung und Einheit fehlen können) (!Weil OPC UA nur Text verarbeitet) (!Weil Zahlen niemals Messwerte darstellen) (!Weil jede Zahl automatisch geheim ist)

Welche Aufgabe übernimmt ein OPC-UA-Client in unserem Test? (Er liest bereitgestellte Informationen) (!Er füllt echte Flaschen ab) (!Er installiert eine Steuerung) (!Er verschlüsselt automatisch jede Verbindung)

Welcher Wert bezeichnet die lokale Loopback-Adresse? (127.0.0.1) (!192.168.1.1) (!8.8.8.8) (!255.255.255.255)

Was ist im Beispiel eine fiktive Property? (Stationscode) (!Abfuellanlage) (!Objects) (!Client)

Was gilt für die Sicherheit unseres OPC-UA-Labors? (NoSecurity ist nur im isolierten lokalen Test vorgesehen) (!NoSecurity ist für alle Produktivsysteme empfohlen) (!Alle erreichbaren Anlagen dürfen getestet werden) (!Eine Netzwerkverbindung benötigt niemals Freigabe)

Memory

Finde jeweils den Fachbegriff und seine passende Bedeutung.

Object	Repräsentation einer Maschine
DataVariable	Knoten mit Nutzdaten
Property	Beschreibendes Merkmal
HasComponent	Bestandteilbeziehung
HasProperty	Eigenschaftsbeziehung
Namespace	Namensraum
NodeId	Knotenkennung
Client	Informationsabfrager

Drag and Drop

Ordne jedem Fachbegriff seine Funktion zu.

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Abfuellanlage	Repräsentiertes Maschinenobjekt
Temperatur	Datenvariable mit Messwert
Stationscode	Beschreibende Objekteigenschaft
HasComponent	Hierarchische Bestandteilbeziehung
HasProperty	Hierarchische Eigenschaftsbeziehung
HasTypeDefinition	Verweis auf eine Typdefinition
BrowseName	Name zur Navigation im Adressraum

Kreuzworträtsel

Objekt	Wie heißt ein repräsentierter Gegenstand im deutschen OPC-UA-Fachwortschatz?
Variable	Welche Knotenklasse stellt Messwerte bereit?
Referenz	Wie heißt eine typisierte Beziehung zwischen Knoten?
Namespace	Wie lautet das englische Wort für Namensraum?
Client	Welche Rolle fragt Informationen bei einem Server ab?
Semantik	Wie heißt die fachliche Bedeutung einer Information?

LearningApps

Erkunde weitere passende Lernaktivitäten in der thematischen Suche. Die Treffer sind externe Angebote und nicht automatisch Teil der isolierten Testumgebung.

Lückentext

OPC UA ermöglicht einen strukturierten Austausch von

zwischen Anwendungen.

Die simulierte Abfüllanlage wird im Adressraum durch ein

repräsentiert.

Ein Temperaturwert wird durch eine

dargestellt.

Ein beschreibendes Merkmal kann als

modelliert werden.

Die Beziehung zwischen einem Objekt und seiner Datenvariable heißt

.

Die Beziehung zwischen einem Knoten und seiner Eigenschaft heißt

.

Ein Knoten verweist mit

auf seine Typdefinition.

Eine eindeutige Knotenkennung innerhalb eines Servers heißt

.

Der fachliche Bedeutungszusammenhang wird als

bezeichnet.

Der lesende Kommunikationspartner heißt

.

Die Adresse 127.0.0.1 bezeichnet den lokalen

.

Das benutzerdefinierte Feld Einheit kann in einer fachlich erweiterten Implementierung durch standardisierte

ergänzt werden.

Offene Aufgaben

Bearbeite die folgenden zwölf Aufgaben. Nutze ausschließlich erfundene Werte und eine lokale oder ausdrücklich freigegebene Testumgebung.

Leicht – Basisaufgaben

IIoT-Skizze: Zeichne die fiktive Abfüllanlage mit einem OPC-UA-Server und einem lesenden Client. Markiere die Datenrichtung.
Objektmodell: Gestalte eine Tabelle mit den Elementen Abfuellanlage, Temperatur, Status und Flaschenzahl und ordne ihre Knotentypen zu.
Werte erklären: Schreibe einen kurzen Text darüber, warum der Wert 23,5 ohne Kontext unklar bleibt.
Balkendiagramm: Starte das Offline-Labor und zeichne die ausgegebenen Temperaturbalken ab. Beschreibe ihre Skalierung.

Standard – Anwendungsaufgaben

Offline-Experiment: Ändere den simulierten Temperaturwert nacheinander auf 21,0 und 28,0 und protokolliere die Beobachtungen.
Adressraumtest: Starte den lokalen OPC-UA-Server und den Client. Dokumentiere die gelesenen Variablen und Properties, sofern das Paket freigegeben installiert ist.
Eigenschaftsprüfung: Ergänze im ausschließlich lokalen Servermodell eine neue Property „Modellbezeichnung“. Prüfe mit dem Client, über welche Referenz sie gefunden wird.
Testprotokoll: Dokumentiere drei Tests mit Ausgangswert, Aktion, erwartetem Resultat, beobachtetem Resultat und Begründung.

Schwer – Transferaufgaben

Modellerweiterung: Entwirf für eine fiktive zweite Abfüllstation einen konsistenten Adressraum mit eigenen Variablen, eindeutigen Knoten und sinnvollen Beziehungen.
Systemvergleich: Erkläre an zwei erfundenen Anlagen, weshalb gleiche Variablennamen ohne definierte Semantik keine sichere Vergleichbarkeit garantieren.
Sicherheitskonzept: Entwerfe ein Konzept für den späteren autorisierten Betrieb mit Authentifizierung, Zertifikatsprüfung, verschlüsselter Kommunikation und minimalen Zugriffsrechten. Setze es nicht an einer Produktivanlage um.
Mini-Projekt: Entwickle eine lokale Demonstration, die zwei unterschiedliche fiktive Messgrößen mit Datentyp, Bedeutung und Einheit visualisiert. Präsentiere Modell und Testnachweis in einem Kurzvideo oder einer Bildschirmaufnahme ohne reale Daten.

Feedback zu den offenen Aufgaben

Niveau	Begründetes Beurteilungsfeedback
Leicht	Erfolgreich ist Deine Lösung, wenn Objekt, Wert und Bedeutung getrennt dargestellt werden. Dadurch wird die Struktur des Informationsmodells verständlich.
Standard	Erfolgreich ist Deine Lösung, wenn die lokale Ausführung reproduzierbar ist und Du tatsächliche Beobachtungen von Erwartungen unterscheidest. Eine Messwertänderung allein beweist keine OPC-UA-Kommunikation.
Schwer	Erfolgreich ist Deine Lösung, wenn verschiedene Systeme fachlich vergleichbar modelliert sind und Du die Grenzen der Testumgebung erklärst. Semantik und Sicherheit müssen begründet werden.

Lernkontrolle

Dateninterpretation: Zwei fiktive Server liefern jeweils den Wert 23,5. Erläutere, welche Informationen Du benötigst, bevor Du die Messwerte gleichsetzt.
Referenzmodell: Eine Lernende bezeichnet die Property Einheit als eigenständigen Bestandteil der Maschine. Prüfe diese Aussage anhand der Referenztypen.
Fehleranalyse: Ein Client findet nach einer Änderung der Namespace-Reihenfolge einen Knoten nicht mehr. Erkläre eine robuste Vorgehensweise.
Systemarchitektur: Vergleiche einen reinen Zahlenwertspeicher mit einem semantisch modellierten OPC-UA-Adressraum anhand eines Ausbildungsfalls.
IT-Sicherheit: Bewerte, warum ein nur lokal erreichbarer NoSecurity-Testserver nicht unverändert in eine Produktionsumgebung übernommen werden darf.
Transfer: Entwirf eine begründete Teststrategie, mit der Du die Erweiterung des fiktiven Datenmodells überprüfen kannst, ohne reale Systeme anzusprechen.

Lernnachweis

Dein Lernnachweis besteht aus einer kurzen Dokumentation und einer praktischen Demonstration mit fiktiven Daten.

Modell: Erstelle ein korrekt beschriftetes Diagramm mit Objekten, Variablen, Properties und Referenzen.
Semantik: Dokumentiere Messgröße, Einheit, Datentyp und Kontext von mindestens zwei Werten.
Praxis: Zeige die lokale Simulation und, falls möglich, die erfolgreiche Kommunikation zwischen lokalem OPC-UA-Server und lokalem Client.
Nachvollziehbarkeit: Lege Eingaben, erwartete Ergebnisse und tatsächliche Beobachtungen offen.
Fehlerverständnis: Erläutere eine mögliche Modellierungs- oder Zuordnungsstörung und ihre Behebung.
Sicherheit: Begründe die Isolation Deiner Testumgebung und die Grenzen von NoSecurity.
Reflexion: Erkläre, welchen Nutzen die semantische Beschreibung für die industrielle Vernetzung hat.

Bewertungsvorschlag: Fachmodell 30 %, praktische Durchführung 30 %, Analyse und Transfer 25 %, Sicherheitsbewusstsein 15 %.

OERs zum Thema

Wikipedia: OPC Unified Architecture

Geprüfte Fachquellen

OPC Foundation – AddressSpace Concepts: Offizielle Grundlage für Objekte, Knoten und Beziehungen.
OPC Foundation – Variables: Definition von DataVariables und Properties.
OPC Foundation – ReferenceTypes: Definition von HasComponent, HasProperty und weiteren Referenzen.
OPC Foundation – NodeId: Knotenkennungen und Namespace-Index.
OPC Foundation – Data Access: EngineeringUnits und EUInformation.
opcua-asyncio – Minimal Server: Grundlage des lokalen Serverbeispiels.
opcua-asyncio – Minimal Client: Grundlage des lokalen Clientbeispiels.
FreeOpcUa – Projekt und Quellcode: Open-Source-Implementierung unter LGPL-3.0-or-later.

Mediennachweise und Nutzungsrechte

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Rechtehinweis: Alle modellierten Messwerte und Testanlagen dieses Kurses sind fiktiv. Die eingebundenen Abbildungen zeigen allgemeine technische Sachverhalte beziehungsweise illustrative Industrieanlagen und keine tatsächlich untersuchte Kundenanlage.