OPC UA — Структурирани данни до облака

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) е индустриален комуникационен протокол и рамка за OT, ИТ и облачна интеграция на устройства и машини в индустриалната среда.

Основните характеристики на OPC UA включват:

• Независимост на платформата
• Сигурен обмен на данни
• Мащабируемост от вградени устройства до корпоративни системи
• Унифицирани информационни модели за различни индустриални области

OPC UA се използва широко в индустриалната автоматизация, производството, енергетиката и други сектори, за да даде възможност за оперативна съвместимост и интеграция между различни системи и компоненти.

OPC UA претърпя няколко еволюции и спецификацията нараства стъпка по стъпка:

• OPC UA Client/Server дефинира подход за искане/отговор, който има няколко случая на употреба, включително четене/писане на тагове, методи за повикване и изпращане на събития/аларми
• OPC UA PubSub (Част 14) дефинира нов подход с архитектура Публикуване и Абониране - позволяваща комуникация един към много (Multi-Cast), както и свързаност в облак чрез MQTT
• OPC UA Safety (Част 15) определя независим от доставчика начин за обмен на машинни данни, свързани с безопасността, чрез клиент/сървър или PubSub

В обобщение, клиентът на OPC UA инициира комуникацията и изисква данни или услуги, докато сървърът на OPC UA отговаря на исканията на клиента и предоставя необходимата информация или функционалност.

Клиент на OPC UA:

• Клиентът може да бъде софтуерно приложение, работещо на компютър, интерфейс човек-машина (HMI), система за надзорен контрол и събиране на данни (SCADA) или всяко друго устройство или система, която трябва да има достъп до данни от сървъра на OPC UA.

OPC UA сървър:

• Сървърът обикновено е устройство, контролер или софтуерно приложение, което притежава данните или функционалността, до която клиентите искат да имат достъп.
• Сървърът излага своите данни и услуги чрез стандартизиран интерфейс OPC UA, позволяващ на клиентите да четат, пишат и абонират наличната информация.
• Сървърът отговаря за управлението на клиентските връзки, обработката на сигурността и осигуряването на целостта и наличността на данните, които предоставя.

По-долу са изброени няколко примера от продуктовото портфолио на Siemens:

• Контролерите на Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500) могат да действат като OPC UA сървър или клиент, осигурявайки достъп до техните процесни данни и диагностика.
• Устройствата на Siemens SIMATIC HMI (напр. Унифицирани панели за комфорт, Mobile панели) могат да бъдат конфигурирани като OPC UA сървъри или клиенти.
• Устройствата на Siemens SINAMICS и контролерите за движение SIMOTION също могат да бъдат настроени като OPC UA сървъри.
• Системите на Siemens SCADA, като SIMATIC WinCC или OA, осигуряват OPC UA сървър или клиентска функционалност.
• Инженерният софтуер на Siemens, като TIA Portal, може да използва клиентските възможности на OPC UA за интегриране на данни от различни OPC UA сървъри.
• Безплатният инструмент на Siemens OPC UA Modeling Editor (SioMe) ви помага да създадете свои собствени информационни модели OPC UA или да картографирате съществуващите придружаващи спецификации.

Освен това Siemens предлага специфични OPC UA продукти, като SIMATIC NET OPC UA Server, който предоставя самостоятелно OPC UA сървърно решение за интегриране на стари устройства и системи в модерни архитектури, базирани на OPC UA.

OPC UA FX е специализиран комуникационен профил в рамките на OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), специално проектиран да отговори на сложните комуникационни изисквания и компоненти за автоматизация в съвременните индустриални системи за управление.

Основни разработки:

• Концептуализацията започна през 2018 г.
• Официалният стандарт OPC UA FX контролер към контролер (C2C) беше официално пуснат през 2022 г.

Техническа архитектура:

Стандартът OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) интегрира множество усъвършенствани OPC UA технологии, за да позволи безпроблемна взаимосвързаност между контролерите за автоматизация (PLC).

• Функционалността на сървър/клиент предоставя информационен модел за структуриране на данни, както и инженерен и конфигурационен интерфейс
• PubSub комуникацията позволява ефективна комуникация в реално време между множество партньори (комуникация един към много) чрез UDP
• Офлайн формат на файла, определен за независима от доставчика интеграция в инженерния софтуер

Основни цели:

• Стандартизирайте комуникационните протоколи между индустриалните контролери
• Подобряване на оперативната съвместимост между различни платформи за
• Подобряване на ефективността и надеждността на обмена на данни в сложни промишлени мрежи

Потенциални приложения:

• Автоматизация на производството
• Process control systems
• Внедряване на индустриални IoT (Интернет на нещата)
• Комуникация машина-машина в интелигентни фабрики

Като цяло текущото състояние на OPC UA FX може да се характеризира като в процес на работа. Въпреки че спецификацията е зряла и индустрията е активно ангажирана, широкото приемане и внедряване на продукти с възможност за OPC UA FX все още е в ранни етапи.

Разработка на спецификации:

• Стандартизацията за комуникацията контролер-контролер (C2C) е завършена
• Последната версия на спецификацията OPC UA FX е 1.00.02, която беше пусната през 2024 г.
• Спецификацията OPC UA FX се разработва активно и усъвършенства от Фондация OPC, организацията, отговорна за стандартите OPC UA.

Приемане и изпълнение:

• Приемането и внедряването на OPC UA FX от доставчиците на автоматизация все още е в ранен етап.
• Докато някои големи компании за автоматизация, като Siemens, изразиха подкрепата си за OPC UA FX, наличността на продукти с възможност за OPC UA FX в момента е ограничена.

Приемане и осведоменост в индустрията:

• Осъзнаването и разбирането на OPC UA FX в общността за индустриална автоматизация постепенно се увеличават.
• Въпреки това, широкото приемане и приемане на OPC UA FX все още продължава, тъй като индустрията преминава от пропиетарни комуникационни протоколи към независими от доставчика решения OPC UA.

Развитие на екосистемата:

• Фондация OPC и нейните компании-членки активно работят за изграждането на ecosystem около OPC UA FX.
• Това включва разработването на инструменти, насоки и ресурси за подкрепа на внедряването и интегрирането на OPC UA FX базирани системи, както и програма за сертифициране на валутни продукти.

Siemens е поддръжник на OPC UA и OPC UA FX и е една от първоначалните компании на инициативата FLC (Field-Level Communication), която уточнява стандарта OPC UA FX.

Siemens участва в пробна програма за доказване на концепцията с други доставчици, за да покаже използваемостта и осъществимостта на концепцията Controller-to-Controller (C2C). Прозрения за тази работна група/plugfest могат да бъдат намерени тук.

PROFINET продължава да бъде основно решение на Siemens, осигуряващо доказани в индустрията и стабилни комуникационни характеристики за индустриални мрежи до iOS на ниво поле.

Siemens остава отворен за проекта Controller-to-Device (C2D), който едва наскоро влезе във фазата на концепция и ще се нуждае от повече време, за да бъде подробно описан и проверен с работещи прототипи. Внедряването на C2D в продуктите на Siemens ще зависи от развитието на пазара и технологичната зрялост.

ТСН:

TSN означава чувствителна към времето мрежа. Това е набор от различни стандарти за предаване на данни в Ethernet мрежи. Тези стандарти понастоящем се определят от организацията за стандартизация за комуникация, базирана на Ethernet, IEEE 802.1.

TSN също се състои от поредица от индивидуални стандарти, които основно разширяват слоя за връзка с данни (слой 2 от модела ISO-OSI) на комуникационната система. По този начин TSN не е пълен комуникационен протокол, а по-скоро основна технология, която може да се използва от приложения от по-високо ниво.

OPC ИМА FX:

Настоящата спецификация на OPC UA FX за комуникация от контролер към Controller (C2C) разчита на потребителския протокол за датаграма (UDP) за прехвърляне на пакетите с данни през мрежа.

Следователно OPC UA FX може да се използва с днешните стандартни Ethernet мрежови инсталации за постигане на високоефективен обмен на данни.

Въпреки това, с разширяването на TSN в автоматизацията на фабриката, всички приложения на OPC UA FX за C2C ще могат да използват TSN хардуер и да се възползват от TSN механизмите и предимствата на TSN мрежа:

• Качество на услугата (QoS), включително резервиране на честотна лента
• Синхронизация
• Ниски латентности
• Безпроблемно съкращаване

OPC UA е стандартът за промишлена оперативна съвместимост и предлага много предимства за индустрията, като например:

• Независимост на платформата — от вградени микроконтролери до облачна инфраструктура
• Интегрирана сигурност — криптиране, удостоверяване и мониторинг
• Изчерпателно информационно моделиране - дефиниране на сложна информация (като придружаващи спецификации като PackML)
• Функционална сигурност — базирана на доказани механизми ProfiSafe

Да, защото OPC UA има своите силни страни във вертикалната комуникация и свързването на машини на ниво управление, докато PROFINET отговаря на всички изисквания в областта. Ето защо стратегията в Siemens остава същата:

• Ниво на контрол и по-високо = OPC UA, възможно също с безопасност
• Ниво на полето = PROFINET