OPC UA: datos estructurados hasta la nube

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) es un protocolo y marco de comunicación industrial para OT, TI y la integración en la nube de dispositivos y máquinas en el entorno industrial.

Las características clave de OPC UA incluyen:

• Independencia de la plataforma
• Intercambio seguro de datos
• Escalabilidad desde dispositivos integrados hasta sistemas empresariales
• Modelos de información unificados para diferentes dominios industriales

OPC UA es ampliamente utilizado en automatización industrial, fabricación, energía y otros sectores para permitir la interoperabilidad y la integración entre diversos sistemas y componentes.

OPC UA ha experimentado varias evoluciones y la especificación ha crecido paso a paso:

• OPC UA Cliente/Server define un enfoque de solicitud/respuesta que tiene varios casos de uso que incluyen etiquetas de lectura/escritura, métodos de llamada y envío de eventos/alarmas
• OPC UA PubSub (Parte 14) define un nuevo enfoque con una arquitectura de publicación y suscripción, que permite la comunicación uno a varios (multidifusión), así como la conectividad en la nube a través de MQTT
• OPC UA Safety (Parte 15) define una forma independiente del proveedor para intercambiar datos de máquinas relacionados con la seguridad a través de cliente/servidor o PubSub

En resumen, el cliente OPC UA inicia la comunicación y solicita datos o servicios, mientras que el servidor OPC UA responde a las solicitudes del cliente y proporciona la información o funcionalidad necesarias.

Cliente OPC UA:

• El cliente puede ser una aplicación de software que se ejecuta en una computadora, una interfaz hombre-máquina (HMI), un sistema de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) o cualquier otro dispositivo o sistema que necesite acceder a los datos del servidor OPC UA.

Servidor OPC UA:

• El servidor suele ser un dispositivo, controlador o aplicación de software que posee los datos o la funcionalidad a la que los clientes desean acceder.
• El servidor expone sus datos y servicios a través de una interfaz OPC UA estandarizada, que permite a los clientes leer, escribir y suscribirse a la información disponible.
• El servidor es responsable de administrar las conexiones del cliente, manejar la seguridad y garantizar la integridad y disponibilidad de los datos que proporciona.

A continuación, se enumeran algunos ejemplos de la cartera de productos de Siemens:

• Los controladores Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500) pueden actuar como servidor o cliente OPC UA, proporcionando acceso a sus datos de proceso y diagnósticos.
• Los dispositivos Siemens SIMATIC HMI (por ejemplo, Unified Comfort Panels, Mobile Panels) se pueden configurar como clientes o servidores OPC UA.
• Las unidades Siemens SINAMICS y los controladores de movimiento SIMOTION también se pueden configurar como servidores OPC UA.
• Los sistemas SCADA de Siemens, como SIMATIC WinCC u OA, proporcionan funcionalidad de cliente o servidor OPC UA.
• El software de ingeniería de Siemens, como TIA Portal, puede utilizar las capacidades del cliente OPC UA para integrar datos de varios servidores OPC UA.
• La herramienta gratuita Siemens OPC UA Modeling Editor (SioMe) le ayuda a crear sus propios modelos de información OPC UA o mapear las especificaciones acompañantes existentes.

Además, Siemens ofrece productos OPC UA específicos, como SIMATIC NET OPC UA Server, que proporciona una solución de servidor OPC UA independiente para integrar dispositivos y sistemas heredados en arquitecturas modernas basadas en OPC UA.

OPC UA FX es un perfil de comunicación especializado dentro del marco OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), diseñado específicamente para abordar los complejos requisitos de comunicación y los componentes de automatización en los sistemas de control industrial modernos.

Desarrollos clave:

• La conceptualización comenzó en 2018
• El estándar oficial OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) se lanzó formalmente en 2022

Arquitectura técnica:

El estándar OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) integra múltiples tecnologías OPC UA avanzadas para permitir una interconectividad perfecta entre los controladores de automatización (PLC).

• La funcionalidad servidor/cliente proporciona un modelo de información para estructurar datos, así como una interfaz de ingeniería y configuración
• La comunicación PubSub permite una comunicación eficiente y capaz en tiempo real entre múltiples socios (comunicación uno a varios) a través de UDP
• Formato de archivo sin conexión especificado para la integración independiente del proveedor en software de ingeniería

Objetivos principales:

• Estandarizar los protocolos de comunicación entre controladores industriales
• Mejore la interoperabilidad en diferentes plataformas de automatización
• Mejore la eficiencia y confiabilidad del intercambio de datos en redes industriales complejas

Aplicaciones potenciales:

• Automatización de fabricación
• Process control systems
• Implementaciones de IoT industrial (Internet de las cosas)
• Comunicación máquina a máquina en fábricas inteligentes

En general, el estado actual de OPC UA FX puede caracterizarse como un trabajo en progreso. Si bien la especificación es madura y la industria participa activamente, la adopción e implementación generalizadas de productos habilitados para OPC UA FX aún se encuentra en las primeras etapas.

Desarrollo de la especificación:

• La estandarización para la comunicación de controlador a controlador (C2C) está completa
• La última versión de la especificación OPC UA FX es 1.00.02, que se lanzó en 2024.
• La especificación OPC UA FX está siendo desarrollada y refinada activamente por la OPC Foundation, la organización responsable de los estándares OPC UA.

Adopción e implementación:

• La adopción e implementación de OPC UA FX por parte de los proveedores de automatización aún se encuentra en una etapa temprana.
• Si bien algunas de las principales empresas de automatización, como Siemens, han expresado su apoyo a OPC UA FX, la disponibilidad de productos habilitados para OPC UA FX es actualmente limitada.

Aceptación y conciencia de la industria:

• La conciencia y comprensión de OPC UA FX dentro de la comunidad de automatización industrial está aumentando gradualmente.
• Sin embargo, la adopción y aceptación generalizadas de OPC UA FX aún está en curso, a medida que la industria pasa de protocolos de comunicación patentados a soluciones OPC UA independientes del proveedor.

Desarrollo Ecosystem:

• La OPC Foundation y sus empresas miembros están trabajando activamente para construir un ecosystem alrededor de OPC UA FX.
• Esto incluye el desarrollo de herramientas, directrices y recursos para apoyar la implementación e integración de sistemas basados en OPC UA FX, así como un programa de certificación para productos FX.

Siemens es partidario de OPC UA y OPC UA FX y fue una de las compañías iniciales de la iniciativa FLC (Field-Level Communication) que especificó el estándar OPC UA FX.

Siemens participó en un plugfest de prueba de concepto con otros proveedores para mostrar la usabilidad y viabilidad del concepto Controller-to-Controller (C2C). Puede encontrar información sobre este grupo de trabajo/plugfest aquí.

PROFINET continúa siendo la solución principal de Siemens, que proporciona un rendimiento de comunicación sólido y probado en la industria para redes industriales hasta iOS de nivel de campo.

Siemens sigue abierto al proyecto Controller-to-Device (C2D), que recientemente ha entrado en la fase de concepto y necesitará más tiempo para ser detallado y verificado con prototipos que funcionen. Las implementaciones de C2D en los productos Siemens dependerán del desarrollo del mercado y de la madurez tecnológica.

TSN:

TSN significa redes sensibles al tiempo. Es un conjunto de varios estándares para la transmisión de datos en redes Ethernet. Estos estándares están siendo definidos actualmente por la organización de estandarización para la comunicación basada en Ethernet IEEE 802.1.

TSN también consiste en una serie de estándares individuales que amplían principalmente la capa de enlace de datos (capa 2 del modelo ISO-OSI) del sistema de comunicación. Por lo tanto, TSN no es un protocolo de comunicación completo, sino más bien una tecnología básica que puede ser utilizada por aplicaciones de nivel superior.

OPC U FX:

La especificación OPC UA FX actual para la comunicación de Controller a controlador (C2C) se basa en el Protocolo de datagrama de usuario (UDP) para transferir los paquetes de datos a través de una red.

Por lo tanto, OPC UA FX se puede utilizar con las instalaciones de red Ethernet estándar actuales para lograr un intercambio de datos de alto rendimiento.

Sin embargo, con una expansión de TSN en la automatización de fábricas, todas las aplicaciones OPC UA FX para C2C podrán usar hardware TSN y beneficiarse de los mecanismos TSN y las ventajas de una red TSN:

• Calidad de servicio (QoS), incluida la reserva de ancho de banda
• Sincronización
• Latencias bajas
• Redundancia sin fisuras

OPC UA es EL estándar de interoperabilidad industrial y ofrece muchos beneficios para la industria, tales como:

• Independencia de la plataforma: desde microcontroladores integrados hasta infraestructura basada en la nube
• Seguridad integrada: cifrado, autenticación y supervisión
• Modelado de información integral: definición de información compleja (como especificaciones adicionales como PackML)
• Seguridad funcional, basada en mecanismos probados de ProfiSafe

Sí, porque OPC UA tiene sus fortalezas en comunicación vertical y redes de máquinas a nivel de control, mientras que PROFINET cumple con todos los requisitos en el campo. Es por eso que la estrategia en Siemens sigue siendo la misma:

• Nivel de control y superior = OPC UA, también posible con seguridad
• Nivel de campo = PROFINET