OPC UA — struktureeritud andmed kuni pilveni

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) on tööstuskommunikatsiooniprotokoll ja raamistik seadmete ja masinate OT-, IT- ja pilveintegreerimiseks tööstuskeskkonnas.

OPC UA peamised omadused on järgmised:

• Platvormi sõltumatus
• Turvaline andmevahetus
• Skaleeruvus sisseehitatud seadmetest ettevõtte süsteemideni
• Ühtsed infomudelid erinevate tööstusvaldkondade jaoks

OPC UA-d kasutatakse laialdaselt tööstusautomaatikas, tootmises, energeetikas ja muudes sektorites, et võimaldada erinevate süsteemide ja komponentide koostalitlusvõimet ja integreerimist.

OPC UA on läbi teinud mitu arengut ja spetsifikatsioon on samm-sammult kasvanud:

• OPC UA kliend/server määratleb taotluse/vastamise lähenemisviisi, millel on mitu kasutusjuhtumit, sealhulgas siltide lugemine/kirjutamine, helistamismeetodid ja sündmuste/alarmide saatmine
• OPC UA PubSub (14. osa) määratleb uue lähenemisviisi avaldamise ja tellimise arhitektuuriga - võimaldades ühe-paljudele suhtlemist (Multi-cast) ja pilveühenduvust MQTT kaudu
• OPC UA Safety (15. osa) määratleb müüjast sõltumatu viisi ohutusega seotud masinaandmete vahetamiseks kliendi/serveri või PubSubi kaudu

Kokkuvõtteks võib öelda, et OPC UA klient algatab suhtluse ja nõuab andmeid või teenuseid, samas kui OPC UA server vastab kliendi päringutele ja pakub vajalikku teavet või funktsionaalsust.

OPC UA klient:

• Kliendiks võib olla arvutis töötav tarkvararakendus, inime-masina liides (HMI), järelevalve kontrolli- ja andmete kogumise (SCADA) süsteem või mõni muu seade või süsteem, mis vajab juurdepääsu andmetele OPC UA serverist.

OPC UA server:

• Server on tavaliselt seade, kontroller või tarkvararakendus, mis omab andmeid või funktsioone, millele kliendid soovivad juurde pääseda.
• Server paljastab oma andmed ja teenused standarditud OPC UA liidese kaudu, võimaldades klientidel olemasolevat teavet lugeda, kirjutada ja tellida.
• Server vastutab kliendiühenduste haldamise, turvalisuse haldamise ning pakutavate andmete terviklikkuse ja kättesaadavuse tagamise eest.

Järgnevalt on loetletud mõned näited Siemensi tooteportfellist:

• Siemens SIMATIC kontrollerid (S7-1200, S7-1500) võivad toimida OPC UA serverina või kliendina, pakkudes juurdepääsu nende protsessiandmetele ja diagnostikale.
• Siemens SIMATIC HMI seadmeid (nt Unified Comfort Paneelid, Mobile Paneelid) saab konfigureerida OPC UA serveriteks või klientideks.
• Siemensi SINAMICS draive ja SIMOTION liikumiskontrollerid saab seadistada ka OPC UA serveritena.
• Siemensi SCADA süsteemid, nagu SIMATIC WinCC või OA, pakuvad OPC UA serveri või kliendi funktsionaalsust.
• Siemensi inseneritarkvara, nagu TIA Portal, saab kasutada OPC UA kliendi võimalusi erinevate OPC UA serverite andmete integreerimiseks.
• Tasuta Siemens OPC UA modelleerimisredaktori (SioMe) tööriist aitab teil luua oma OPC UA teabemudelid või kaardistada olemasolevad kaasspetsifikatsioonid.

Lisaks pakub Siemens konkreetseid OPC UA tooteid, näiteks SIMATIC NET OPC UA Server, mis pakub iseseisvat OPC UA serverilahendust pärandseadmete ja süsteemide integreerimiseks kaasaegsetesse OPC UA-põhistesse arhitektuuridesse.

OPC UA FX on spetsiaalne kommunikatsiooniprofiil OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) raamistikus, mis on spetsiaalselt loodud tänapäevaste tööstuslike juhtimissüsteemide keerukate kommunikatsiooninõuete ja automatiseerimiskomponentide vastamiseks.

Peamised arengud:

• Kontseptualiseerimine algas 2018. aastal
• Ametlik OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) standard ilmus ametlikult 2022. aastal

Tehniline arhitektuur:

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard integreerib mitu täiustatud OPC UA tehnoloogiat, et võimaldada automatiseerimiskontrollerite (PLC) sujuvat ühenduvust.

• Serveri/kliendi funktsionaalsus pakub andmete struktureerimiseks infomudelit ning inseneri- ja konfiguratsiooniliidese
• PubSubi suhtlus võimaldab tõhusat ja reaalajas toimivat suhtlust mitme partneri vahel (üks-mitme suhtlus) UDP kaudu
• Võrguühenduseta failivorming, mis on määratud müüjast sõltumatuks integreerimiseks insenerit

Põhieesmärgid:

• Standardige tööstuslike kontrollerite vahelised sideprotokollid
• Parandada koostalitlusvõimet erinevate automatiseerimisplatvormide
• Parandada andmevahetuse tõhusust ja töökindlust keerukates tööstusvõrkudes

Potentsiaalsed rakendused:

• Tootmise automatiseerimine
• Process control systems
• Tööstuslik IoT (asjade internet) rakendused
• Masina-masinaga suhtlus nutikates tehastes

Üldiselt võib OPC UA FX praegust seisundit iseloomustada kui pooleliolevat tööd. Kuigi spetsifikatsioon on küps ja tööstus tegeleb aktiivselt, on OPC UA FX-toega toodete laialdane kasutuselevõtt ja juurutamine alles varases staadiumis.

Spetsifikatsiooni arendamine:

• Kontroller-kontrolleri (C2C) suhtluse standardimine on lõppenud
• OPC UA FX spetsifikatsiooni uusim versioon on 1.00.02, mis ilmus 2024. aastal.
• OPC UA FX spetsifikatsiooni arendab ja täiustab aktiivselt OPC Foundation, organisatsioon, mis vastutab OPC UA standardite eest.

Vastuvõtmine ja rakendamine:

• OPC UA FX kasutuselevõtt ja rakendamine automaatika müüjate poolt on alles varases staadiumis.
• Kuigi mõned suuremad automaatikaettevõtted, näiteks Siemens, on väljendanud oma toetust OPC UA FX-le, on OPC UA FX-toega toodete kättesaadavus praegu piiratud.

Tööstuse aktsepteerimine ja teadlikkus:

• OPC UA FX teadlikkus ja arusaam tööstusautomaatika kogukonnas kasvab järk-järgult.
• Kuid OPC UA FX laialdane kasutuselevõtt ja aktsepteerimine jätkub, kuna tööstus läheb üle propeetaarsetelt sideprotokollidelt müüjatest sõltumatutele OPC UA lahendustele.

Ecosystem areng:

• OPC Foundation ja selle liikmesettevõtted töötavad aktiivselt OPC UA FX ümber ecosystem loomise nimel.
• See hõlmab tööriistade, juhiste ja ressursside väljatöötamist, mis toetavad OPC UA FX-põhiste süsteemide rakendamist ja integreerimist, samuti FX toodete sertifitseerimisprogrammi.

Siemens toetab OPC UA ja OPC UA FX ning oli üks esialgsetest ettevõtetest FLC (Field-Level Communication) algatusest, mis täpsustas OPC UA FX standardit.

Siemens osales koos teiste müüjatega kontseptsiooni tõestamise plugfestil, et tutvustada Controller-to-Controller (C2C) kontseptsiooni kasutatavust ja teostatavust. Selle töörühma/plugfesti kohta leiate ülevaadet siin.

PROFINET on jätkuvalt Siemensi peamine lahendus, pakkudes tööstuses tõestatud ja tugevat sidejõudlust tööstusvõrkudele kuni valdkonna tasemel iOS-ni.

Siemens jääb avatuks Controller-to-Device (C2D) projektile, mis on alles hiljuti jõudnud kontseptsioonifaasi ja vajab töötavate prototüüpide üksikasjalikumiseks ja kontrollimiseks rohkem aega. C2D juurutamine Siemensi toodetesse sõltub turu arengust ja tehnoloogilisest küpsusest.

TSN:

TSN tähistab ajatundlikku võrgustikku. See on erinevate standardite kogum andmete edastamiseks Etherneti võrkudes. Neid standardeid määratleb praegu Ethernet-põhise kommunikatsiooni standardimisorganisatsioon IEEE 802.1.

TSN koosneb ka üksikute standardite seeriast, mis laiendavad peamiselt sidesüsteemi andmelingi kihti (ISO-OSI mudeli kiht 2). TSN ei ole seega täielik kommunikatsiooniprotokoll, vaid pigem põhitehnoloogia, mida saavad kasutada kõrgema taseme rakendused.

OPC FX:

Praegune OPC UA FX spetsifikatsioon kontrolleri-kontrolleri (C2C) suhtlemiseks tugineb andmepakettide võrgu kaudu edastamiseks kasutaja datagrammi protokollil (UDP).

Seetõttu saab OPC UA FX-i kasutada tänapäeva standardsete Etherneti võrgu paigaldustega, et saavutada suure jõudlusega andmevahetus.

Kuid TSN-i laiendamisega tehase automatiseerimises saavad kõik C2C jaoks mõeldud OPC UA FX rakendused kasutada TSN-i riistvara ning kasu TSN-võrgu TSN-i mehhanismidest ja eelistest:

• Teenuse kvaliteet (QoS), sealhulgas ribalaiuse broneerimine
• Sünkroonimine
• Madal latentsus
• Sujuv koondamine

OPC UA on tööstusliku koostalitlusvõime standard ja pakub tööstusele palju eeliseid, näiteks:

• Platvormi sõltumatus — sisseehitatud mikrokontrolleritest pilvepõhise infrastruktuurini
• Integreeritud turvalisus — krüptimine, autentimine ja jälgimine
• Põhjalik teabe modelleerimine - keeruka teabe määratlus (näiteks kaasspetsifikatsioonid, näiteks PackML)
• Funktsionaalne turvalisus — põhineb tõestatud ProfiSafe mehhanismidel

Jah, sest OPC UA-l on oma tugevad küljed vertikaalses suhtluses ja masinate võrguühenduses juhtimistasandil, samas kui PROFINET vastab kõigile valdkonna nõuetele. Sellepärast jääb Siemensi strateegia samaks:

• Juhtimistase ja kõrgem = OPC UA, võimalik ka ohutusega
• Välja tase = PROFINET