OPC UA — Strukturerede data op til skyen

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) er en industriel kommunikationsprotokol og ramme for OT, IT og cloud integration af enheder og maskiner i det industrielle miljø.

Nøglefunktioner i OPC UA inkluderer:

• Platformuafhængighed
• Sikker dataudveksling
• Skalerbarhed fra integrerede enheder til virksomhedssystemer
• Samlede informationsmodeller til forskellige industrielle domæner

OPC UA bruges i vid udstrækning inden for industriel automatisering, fremstilling, energi og andre sektorer for at muliggøre interoperabilitet og integration mellem forskellige systemer og komponenter.

OPC UA har gennemgået flere udviklinger, og specifikationen er vokset trin for trin:

• OPC UA Client/Server definerer en anmodning/svar-tilgang, der har flere brugssager, herunder læse/skrivning af tags, opkaldsmetoder og afsendelse af hændelser/alarmer
• OPC UA PubSub (del 14) definerer en ny tilgang med en Publish and Subscribe-arkitektur - muliggør en-til-mange-kommunikation (Multi-Cast) samt cloud-forbindelse via MQTT
• OPC UA Safety (del 15) definerer en leverandøruafhængig måde at udveksle sikkerhedsrelaterede maskindata via klient/server eller PubSub

Sammenfattende initierer OPC UA-klienten kommunikationen og anmoder om data eller tjenester, mens OPC UA-serveren reagerer på klientens anmodninger og leverer den nødvendige information eller funktionalitet.

OPC UA-klient:

• Klienten kan være et softwareprogram, der kører på en computer, et menneske-maskine-interface (HMI), et overvågnings- og dataindsamlingssystem (SCADA) eller enhver anden enhed eller system, der har brug for at få adgang til data fra OPC UA-serveren.

OPC UA-server:

• Serveren er typisk en enhed, controller eller softwareapplikation, der ejer de data eller funktionalitet, som klienterne ønsker at få adgang til.
• Serveren eksponerer sine data og tjenester gennem en standardiseret OPC UA-grænseflade, der giver klienter mulighed for at læse, skrive og abonnere på de tilgængelige oplysninger.
• Serveren er ansvarlig for at administrere klientforbindelser, håndtere sikkerhed og sikre integriteten og tilgængeligheden af de data, den leverer.

I det følgende er et par eksempler fra Siemens produktportefølje angivet:

• Siemens SIMATIC controllere (S7-1200, S7-1500) kan fungere som OPC UA-server eller klient, hvilket giver adgang til deres procesdata og diagnostik.
• Siemens SIMATIC HMI-enheder (f.eks. Unified Comfort Panels, Mobile Panels) kan konfigureres som OPC UA-servere eller klienter.
• Siemens SINAMICS-drev og SIMOTION bevægelsescontrollere kan også konfigureres som OPC UA-servere.
• Siemens SCADA-systemer, såsom SIMATIC WinCC eller OA, leverer OPC UA-server- eller klientfunktionalitet.
• Siemens ingeniørsoftware, som TIA Portal, kan bruge OPC UA-klientfunktioner til at integrere data fra forskellige OPC UA-servere.
• Det gratis Siemens OPC UA Modeling Editor (SIOMe) værktøj hjælper dig med at oprette dine egne OPC UA-informationsmodeller eller kortlægge eksisterende ledsagende specifikationer.

Derudover tilbyder Siemens specifikke OPC UA-produkter, såsom SIMATIC NET OPC UA Server, som leverer en selvstændig OPC UA-serverløsning til integration af ældre enheder og systemer i moderne OPC UA-baserede arkitekturer.

OPC UA FX er en specialiseret kommunikationsprofil inden for OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) -rammen, specielt udviklet til at imødekomme de komplekse kommunikationskrav til og automatiseringskomponenter i moderne industrielle kontrolsystemer.

Nøgleudviklinger:

• Konceptualisering begyndte i 2018
• Officiel OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard blev formelt frigivet i 2022

Teknisk arkitektur:

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard integrerer flere avancerede OPC UA-teknologier for at muliggøre problemfri sammenkobling mellem automationscontrollere (PLC'er).

• Server/klientfunktionalitet giver en informationsmodel til strukturering af data samt en ingeniør- og konfigurationsgrænseflade
• PubSub-kommunikation muliggør effektiv kommunikation i realtid mellem flere partnere (en-til-mange-kommunikation) via UDP
• Offline-filformat specificeret til leverandøruafhængig integration i ingeniørsoftware

Kernemål:

• Standardiser kommunikationsprotokoller mellem industrielle controllere
• Forbedring af interoperabiliteten på tværs af forskellige automatiseringsplatforme
• Forbedre effektiviteten og pålideligheden af dataudveksling i komplekse industrielle netværk

Potentielle anvendelser:

• Produktionsautomatisering
• Process control systems
• Industriel IoT (Internet of Things) implementeringer
• Maskin-til-maskin-kommunikation i smarte fabrikker

Samlet set kan den nuværende tilstand af OPC UA FX karakteriseres som et igangværende arbejde. Selvom specifikationen er moden, og branchen er aktivt engageret, er den udbredte anvendelse og implementering af OPC UA FX-aktiverede produkter stadig i de tidlige stadier.

Specifikationsudvikling:

• Standardiseringen af controller-til-controller (C2C) kommunikation er fuldført
• Den seneste version af OPC UA FX-specifikationen er 1.00.02, som blev frigivet i 2024.
• OPC UA FX-specifikationen udvikles og forbedres aktivt af OPC Foundation, den organisation, der er ansvarlig for OPC UA-standarderne.

Vedtagelse og gennemførelse:

• Vedtagelsen og implementeringen af OPC UA FX af automatiseringsleverandører er stadig i et tidligt stadium.
• Mens nogle større automatiseringsvirksomheder, såsom Siemens, har udtrykt deres støtte til OPC UA FX, er tilgængeligheden af OPC UA FX-aktiverede produkter i øjeblikket begrænset.

Brancheaccept og bevidsthed:

• Bevidstheden og forståelsen af OPC UA FX inden for industriel automatisering er gradvist stigende.
• Imidlertid er den udbredte vedtagelse og accept af OPC UA FX stadig i gang, da branchen skifter fra propietiske kommunikationsprotokoller til leverandøruafhængige OPC UA-løsninger.

Økosystemudvikling:

• OPC Foundation og dets medlemsvirksomheder arbejder aktivt på at opbygge et økosystem omkring OPC UA FX.
• Dette inkluderer udvikling af værktøjer, retningslinjer og ressourcer til støtte for implementering og integration af OPC UA FX-baserede systemer samt et certificeringsprogram for FX-produkter.

Siemens er tilhænger af OPC UA og OPC UA FX og Det var en af de første virksomheder af FLC-initiativet (Field-Level Communication), som specificerede OPC UA FX-standarden.

Siemens deltog i en proof-of-concept plugfest med andre leverandører for at vise anvendeligheden og gennemførligheden af konceptet Controller-to-Controller (C2C). Indsigt i denne arbejdsgruppe/plugfest kan findes her.

PROFINET fortsætter med at være Siemens primære løsning, der leverer brancheprøvet og robust kommunikationsydelse til industrielle netværk ned til iOS på feltniveau.

Siemens er fortsat åben over for projektet Controller-to-Device (C2D), som først for nylig er gået ind i konceptfasen og vil have brug for mere tid til at blive detaljeret og verificeret med fungerende prototyper. C2D-implementeringer i Siemens produkter vil afhænge af markedsudvikling og teknologisk modenhed.

TSNR:

TSN står for tidsfølsomt netværk. Det er et sæt forskellige standarder til transmission af data i Ethernet-netværk. Disse standarder defineres i øjeblikket af standardiseringsorganisationen for Ethernet-baseret kommunikation IEEE 802.1.

TSN består også af en række individuelle standarder, der hovedsageligt udvider datalinklaget (lag 2 i ISO-OSI-modellen) i kommunikationssystemet. TSN er således ikke en komplet kommunikationsprotokol, men snarere en grundlæggende teknologi, der kan bruges af applikationer på højere niveau.

OPC FX:

Den nuværende OPC UA FX-specifikation for Controller-to-Controller (C2C) kommunikation er afhængig af User Datagram Protocol (UDP) til at overføre datapakkerne over et netværk.

Derfor kan OPC UA FX bruges med nutidens standard Ethernet-netværksinstallationer for at opnå en højtydende dataudveksling.

Men med en udvidelse af TSN inden for fabriksautomatisering vil alle OPC UA FX-applikationer til C2C være i stand til at bruge TSN-hardware og drage fordel af TSN-mekanismerne og fordelene ved et TSN-netværk:

• Kvalitet af service (QoS), herunder reservation af båndbredde
• Synkronisering
• Lave ventetider
• Problemfri redundans

OPC UA er den industrielle interoperabilitetsstandard og tilbyder mange fordele for industrien, såsom:

• Platformuafhængighed — fra integrerede mikrocontrollere til cloud-baseret infrastruktur
• Integreret sikkerhed — kryptering, godkendelse og overvågning
• Omfattende informationsmodellering - definition af kompleks information (som ledsagende specifikationer som PackML)
• Funktionel sikkerhed — baseret på gennemprøvede ProfiSafe-mekanismer

Ja, fordi OPC UA har sine styrker inden for vertikal kommunikation og netværk af maskiner på kontrolniveau, mens PROFINET opfylder alle krav på området. Derfor forbliver strategien hos Siemens den samme:

• Kontrolniveau og derover = OPC UA, også muligt med sikkerhed
• Feltniveau = PROFINET