OPC UA — Strukturovaná data až do cloudu

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) je průmyslový komunikační protokol a rámec pro OT, IT a cloudovou integraci zařízení a strojů v průmyslovém prostředí.

Mezi klíčové vlastnosti OPC UA patří:

• Nezávislost platformy
• Bezpečná výměna dat
• Škálovatelnost od vestavěných zařízení po podnikové systémy
• Jednotné informační modely pro různé průmyslové domény

OPC UA je široce používán v průmyslové automatizaci, výrobě, energetice a dalších odvětvích, aby umožnil interoperabilitu a integraci mezi různými systémy a komponenty.

OPC UA prošel několika vývojem a specifikace rostla krok za krokem:

• OPC UA Client/Server definuje přístup požadavku/odpovědi, který má několik případů použití včetně čtení/zápisu značek, metod volání a odesílání událostí/alarmů
• OPC UA PubSub (část 14) definuje nový přístup s architekturou Publish and Subscribe - umožňující komunikaci typu one-to-many (Multi-cast) a cloudové připojení přes MQTT
• OPC UA Safety (část 15) definuje nezávislý na dodavateli způsob výměny dat strojů souvisejících s bezpečností prostřednictvím klienta/serveru nebo PubSub

Stručně řečeno, klient OPC UA iniciuje komunikaci a požaduje data nebo služby, zatímco OPC UA server reaguje na požadavky klienta a poskytuje potřebné informace nebo funkčnost.

Klient OPC UA:

• Klientem může být softwarová aplikace běžící na počítači, rozhraní člověk-stroj (HMI), systém řízení a sběru dat (SCADA) nebo jakékoli jiné zařízení nebo systém, který potřebuje přístup k datům ze serveru OPC UA.

OPC UA Server:

• Server je obvykle zařízení, řadič nebo softwarová aplikace, která vlastní data nebo funkce, ke kterým chtějí klienti přistupovat.
• Server vystavuje svá data a služby prostřednictvím standardizovaného rozhraní OPC UA, což klientům umožňuje číst, psát a přihlásit se k odběru dostupných informací.
• Server je zodpovědný za správu klientských připojení, zpracování zabezpečení a zajištění integrity a dostupnosti dat, která poskytuje.

V následujícím textu je uvedeno několik příkladů z produktového portfolia Siemens:

• Řadiče Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500) mohou fungovat jako OPC UA server nebo klient, poskytující přístup k jejich procesním datům a diagnostice.
• Zařízení Siemens SIMATIC HMI (např. Unified Comfort Panels, Mobile Panels) lze konfigurovat jako OPC UA servery nebo klienty.
• Jednotky Siemens SINAMICS a pohybové regulátory SIMOTION lze také nastavit jako servery OPC UA.
• SCADA systémy Siemens, jako je SIMATIC WinCC nebo OA, poskytují funkci serveru nebo klienta OPC UA.
• Inženýrský software Siemens, jako je TIA Portal, může využívat možnosti klienta OPC UA k integraci dat z různých serverů OPC UA.
• Bezplatný nástroj Siemens OPC UA Modeling Editor (SIOMe) vám pomůže vytvořit vlastní informační modely OPC UA nebo mapovat stávající doprovodné specifikace.

Kromě toho Siemens nabízí specifické produkty OPC UA, jako je SIMATIC NET OPC UA Server, který poskytuje samostatné serverové řešení OPC UA pro integraci starších zařízení a systémů do moderních architektur založených na OPC UA.

OPC UA FX je specializovaný komunikační profil v rámci OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), speciálně navržený pro řešení složitých komunikačních požadavků a automatizačních komponent v moderních průmyslových řídicích systémech.

Klíčový vývoj:

• Konceptualizace začala v roce 2018
• Oficiální standard OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) byl formálně vydán v roce 2022

Technická architektura:

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard integruje několik pokročilých technologií OPC UA, které umožňují bezproblémové propojení mezi řídicími jednotkami automatizace (PLC).

• Funkce Server/Client poskytuje informační model pro strukturování dat, stejně jako inženýrské a konfigurační rozhraní
• Komunikace PubSub umožňuje efektivní komunikaci v reálném čase mezi více partnery (one-to-many komunikace) prostřednictvím UDP
• Offline formát souboru určený pro integraci nezávislou na dodavateli do inženýrského softwaru

Základní cíle:

• Standardizace komunikačních protokolů mezi průmyslovými řídicími jednotkami
• Zlepšete interoperabilitu napříč různými automatizačními platformami
• Zlepšit efektivitu a spolehlivost výměny dat v komplexních průmyslových sítích

Potenciální aplikace:

• Automatizace výroby
• Process control systems
• Implementace průmyslového IoT (Internet of Things)
• Komunikace mezi stroji v inteligentních továrnách

Celkově lze současný stav OPC UA FX charakterizovat jako nedokončenou práci. Zatímco specifikace je vyspělá a průmysl je aktivně angažován, rozsáhlé přijetí a implementace produktů podporujících OPC UA FX je stále v raných fázích.

Vývoj specifikace:

• Standardizace komunikace mezi kontrolérem a řadičem (C2C) je dokončena
• Nejnovější verze specifikace OPC UA FX je 1.00.02, která byla vydána v roce 2024.
• Specifikace OPC UA FX je aktivně vyvíjena a zdokonalována Nadací OPC, organizací odpovědnou za standardy OPC UA.

Přijetí a implementace:

• Přijetí a implementace OPC UA FX dodavateli automatizace je stále v rané fázi.
• Zatímco některé významné automatizační společnosti, jako je Siemens, vyjádřily podporu OPC UA FX, dostupnost produktů podporujících OPC UA FX je v současné době omezená.

Přijetí a povědomí o průmyslu:

• Povědomí a porozumění OPC UA FX v komunitě průmyslové automatizace se postupně zvyšuje.
• Rozsáhlé přijetí a přijetí OPC UA FX však stále pokračuje, protože průmysl přechází od propietárních komunikačních protokolů k řešení OPC UA nezávislým dodavateli.

Rozvoj ekosystému:

• Nadace OPC a její členské společnosti aktivně pracují na vybudování ekosystému kolem OPC UA FX.
• To zahrnuje vývoj nástrojů, pokynů a zdrojů na podporu implementace a integrace systémů založených na OPC UA FX, jakož i certifikační program pro produkty FX.

Siemens je podporovatelem OPC UA a OPC UA FX a Byla jednou z prvních společností iniciativy FLC (Field-Level Communication), která specifikovala standard OPC UA FX.

Společnost Siemens se zúčastnila proof-of-concept plugfestu s dalšími dodavateli, aby předvedla použitelnost a proveditelnost konceptu Controller-to-Controller (C2C). Informace o této pracovní skupině/plugfestu najdete tady.

PROFINET je i nadále primárním řešením Siemens, které poskytuje osvědčený a robustní komunikační výkon pro průmyslové sítě až po iOS na úrovni terénu.

Siemens zůstává otevřený projektu Controller-to-Device (C2D), který teprve nedávno vstoupil do fáze koncepce a bude potřebovat více času na podrobný popis a ověření pomocí funkčních prototypů. Implementace C2D do produktů Siemens bude záviset na vývoji trhu a technologické vyspělosti.

TSN:

TSN je zkratka pro časově citlivé sítě. Jedná se o soubor různých standardů pro přenos dat v sítích Ethernet. Tyto standardy jsou v současné době definovány normalizační organizací pro komunikaci založenou na Ethernetu IEEE 802.1.

TSN se také skládá z řady jednotlivých standardů, které hlavně rozšiřují vrstvu datového spojení (vrstva 2 modelu ISO-OSI) komunikačního systému. TSN tedy není úplným komunikačním protokolem, ale spíše základní technologií, kterou mohou používat aplikace vyšší úrovně.

OPC FX:

Současná specifikace OPC UA FX pro komunikaci Controller-to-Controller (C2C) spoléhá na protokol User Datagram Protocol (UDP) pro přenos datových balíčků po síti.

Proto lze OPC UA FX použít s dnešními standardními ethernetovými síťovými instalacemi k dosažení vysoce výkonné výměny dat.

S rozšířením TSN v tovární automatizaci však budou všechny aplikace OPC UA FX pro C2C moci používat hardware TSN a těžit z mechanismů TSN a výhod sítě TSN:

• Quality of Service (QoS), včetně rezervace šířky pásma
• Synchronizace
• Nízké latence
• Bezproblémová redundance

OPC UA je standard průmyslové interoperability a nabízí mnoho výhod pro průmysl, jako například:

• Nezávislost na platformě — od vestavěných mikrokontrolérů po cloudovou infrastrukturu
• Integrované zabezpečení — šifrování, autentizace a monitorování
• Komplexní informační modelování - definice komplexních informací (jako jsou doprovodné specifikace, jako je PackML)
• Funkční zabezpečení — založené na osvědčených mechanismech ProfiSafe

Ano, protože OPC UA má své silné stránky ve vertikální komunikaci a síťování strojů na řídicí úrovni, zatímco PROFINET splňuje všechny požadavky v oboru. To je důvod, proč strategie společnosti Siemens zůstává stejná:

• Kontrolní úroveň a vyšší = OPC UA, také možné s Safety
• Úroveň pole = PROFINET