OPC UA — jäsennelty data pilveen asti

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) on teollinen viestintäprotokolla ja kehys laitteiden ja koneiden OT-, IT- ja pilviintegraatioon teollisessa ympäristössä.

OPC UA: n tärkeimmät ominaisuudet ovat:

• Alustan riippumattomuus
• Turvallinen tiedonvaihto
• Skaalautuvuus sulautetuista laitteista yritysjärjestelmiin
• Yhtenäiset tietomallit eri teollisuuden aloille

OPC UA: ta käytetään laajalti teollisuusautomaatiossa, valmistuksessa, energiassa ja muilla aloilla mahdollistaakseen yhteentoimivuuden ja integroinnin erilaisten järjestelmien ja komponenttien välillä.

OPC UA on käynyt läpi useita muutoksia, ja spesifikaatio on kasvanut askel askeleelta:

• OPC UA Client/Server määrittelee pyyntö/vastausmenetelmän, jolla on useita käyttötapauksia, mukaan lukien tunnisteiden lukeminen/kirjoittaminen, kutsumenetelmät ja tapahtumien/hälytysten lähettäminen
• OPC UA PubSub (osa 14) määrittelee uuden lähestymistavan Publish and Subscribe -arkkitehtuurilla - mahdollistaa one-to-mony-viestinnän (Multi-Cast) sekä pilviyhteyden MQTT: n kautta
• OPC UA Safety (osa 15) määrittelee toimittajasta riippumattoman tavan vaihtaa turvallisuuteen liittyviä konetietoja asiakas/palvelimen tai PubSubin kautta

Yhteenvetona voidaan todeta, että OPC UA -asiakas aloittaa viestinnän ja pyytää tietoja tai palveluita, kun taas OPC UA -palvelin vastaa asiakkaan pyyntöihin ja tarjoaa tarvittavat tiedot tai toiminnot.

OPC UA -asiakas:

• Asiakas voi olla tietokoneella toimiva ohjelmistosovellus, ihmisen ja koneen käyttöliittymä (HMI), valvonta- ja tiedonkeruujärjestelmä (SCADA) tai mikä tahansa muu laite tai järjestelmä, jonka on päästävä tietoihin OPC UA -palvelimelta.

OPC UA -palvelin:

• Palvelin on tyypillisesti laite, ohjain tai ohjelmistosovellus, joka omistaa tiedot tai toiminnot, joita asiakkaat haluavat käyttää.
• Palvelin paljastaa tietonsa ja palvelunsa standardoidun OPC UA -käyttöliittymän kautta, jonka avulla asiakkaat voivat lukea, kirjoittaa ja tilata saatavilla olevia tietoja.
• Palvelin vastaa asiakasyhteyksien hallinnasta, turvallisuuden käsittelystä ja tarjoamiensa tietojen eheyden ja saatavuuden varmistamisesta.

Seuraavassa on lueteltu muutamia esimerkkejä Siemensin tuotevalikoimasta:

• Siemens SIMATIC -ohjaimet (S7-1200, S7-1500) voivat toimia OPC UA -palvelimena tai -asiakkaana tarjoamalla pääsyn prosessitietoihin ja diagnostiikkaan.
• Siemens SIMATIC HMI -laitteet (esim. Unified Comfort Panels, Mobile Panels) voidaan konfiguroida OPC UA -palvelimiksi tai -asiakkaiksi.
• Siemens SINAMICS -taajuusmuuttajat ja SIMOTION-liikeohjaimet voidaan asettaa myös OPC UA -palvelimiksi.
• Siemens SCADA -järjestelmät, kuten SIMATIC WinCC tai OA, tarjoavat OPC UA -palvelin- tai asiakastoiminnot.
• Siemensin suunnitteluohjelmisto, kuten TIA Portal, voi hyödyntää OPC UA -asiakasominaisuuksia integroidakseen tietoja eri OPC UA -palvelimista.
• Ilmainen Siemens OPC UA Modeling Editor (SIOMe) -työkalu auttaa sinua luomaan omia OPC UA -tietomalleja tai kartoittamaan olemassa olevia lisäominaisuuksia.

Lisäksi Siemens tarjoaa erityisiä OPC UA -tuotteita, kuten SIMATIC NET OPC UA -palvelimen, joka tarjoaa erillisen OPC UA -palvelinratkaisun vanhojen laitteiden ja järjestelmien integroimiseksi nykyaikaisiin OPC UA-pohjaisiin arkkitehtuureihin.

OPC UA FX on erikoistunut viestintäprofiili OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) -kehyksessä, joka on erityisesti suunniteltu vastaamaan nykyaikaisten teollisuuden ohjausjärjestelmien monimutkaisiin viestintävaatimuksiin ja automaatiokomponentteihin.

Keskeiset kehityssuunnat:

• Konseptointi alkoi vuonna 2018
• Virallinen OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) -standardi julkaistiin virallisesti vuonna 2022

Tekninen arkkitehtuuri:

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) -standardi integroi useita edistyneitä OPC UA -tekniikoita, jotka mahdollistavat saumattoman yhteenliittämisen automaatio-ohjaimien (PLC) välillä.

• Palvelin/Asiakas-toiminnallisuus tarjoaa tietomallin tietojen rakentamiseen sekä suunnittelu- ja konfigurointirajapinnan
• PubSub-viestintä mahdollistaa tehokkaan, reaaliaikaisen viestinnän useiden kumppaneiden välillä (one-to-many -viestintä) UDP: n kautta
• Offline-tiedostomuoto, joka on määritetty toimittajasta riippumatonta integrointia suunnitteluohjelmistoihin

Keskeiset tavoitteet:

• Standardisoi tietoliikenneprotokollat teollisuuden ohjainten välillä
• Paranna yhteentoimivuutta eri automaatioalustoilla
• Paranna tiedonvaihdon tehokkuutta ja luotettavuutta monimutkaisissa teollisuusverkoissa

Mahdolliset sovellukset:

• Valmistusautomaatio
• Process control systems
• Teolliset IoT (esineiden internet) toteutukset
• Koneen välinen viestintä älykkäissä tehtaissa

Kaiken kaikkiaan OPC UA FX: n nykytilaa voidaan luonnehtia keskeneräiseksi työksi. Vaikka spesifikaatio on kypsä ja teollisuus on aktiivisesti mukana, OPC UA FX -yhteensopivien tuotteiden laaja käyttöönotto ja käyttöönotto on vielä alkuvaiheessa.

Erittelyn kehittäminen:

• Ohjainten ja ohjaimen välisen viestinnän (C2C) standardointi on valmis
• OPC UA FX -määrityksen uusin versio on 1.00.02, joka julkaistiin vuonna 2024.
• OPC UA FX -spesifikaatiota kehittää ja tarkentaa aktiivisesti OPC UA -standardeista vastaava organisaatio OPC Foundation.

Hyväksyminen ja täytäntöönpano:

• OPC UA FX: n käyttöönotto ja käyttöönotto automaatiotoimittajien toimesta on vielä varhaisessa vaiheessa.
• Vaikka jotkut suuret automaatioyritykset, kuten Siemens, ovat ilmaisseet tukensa OPC UA FX:lle, OPC UA FX -yhteensopivien tuotteiden saatavuus on tällä hetkellä rajallinen.

Toimialan hyväksyntä ja tietoisuus:

• OPC UA FX: n tietoisuus ja ymmärrys teollisuusautomaatioyhteisössä kasvaa vähitellen.
• OPC UA FX: n laaja käyttöönotto ja hyväksyminen on kuitenkin edelleen käynnissä, kun teollisuus siirtyy propietaarisista viestintäprotokollista toimittajasta riippumattomiin OPC UA -ratkaisuihin.

Ekosysteemin kehitys:

• OPC-säätiö ja sen jäsenyritykset työskentelevät aktiivisesti ekosysteemin rakentamiseksi OPC UA FX: n ympärille.
• Tähän sisältyy työkalujen, ohjeiden ja resurssien kehittäminen OPC UA FX -pohjaisten järjestelmien käyttöönoton ja integroinnin tukemiseksi sekä FX-tuotteiden sertifiointiohjelman.

Siemens tukee OPC UA: ta ja OPC UA FX ja oli yksi ensimmäisistä yrityksistä FLC-aloitteesta (Field-Level Communication), jossa määriteltiin OPC UA FX -standardi.

Siemens osallistui muiden toimittajien kanssa konseptin proof-of-concept plugfestiin esittelemään Controller-to-Controller (C2C) -konseptin käytettävyyttä ja toteutettavuutta. Näkemyksiä tästä työryhmästä/plugfestistä löytyy tässä.

PROFINET on edelleen Siemensin ensisijainen ratkaisu, joka tarjoaa alan todistettua ja vankkaa viestintäsuorituskykyä teollisuusverkoille kenttätason iOS:iin asti.

Siemens on edelleen avoin Controller-to-Device (C2D) -projektille, joka on vasta hiljattain siirtynyt konseptivaiheeseen ja tarvitsee enemmän aikaa tarkentamiseen ja todentamiseen toimivien prototyyppien avulla. C2D-käyttöönotto Siemensin tuotteisiin riippuu markkinoiden kehityksestä ja teknologisesta kypsyydestä.

TSN:

TSN tarkoittaa aikaherkkää verkkoa. Se on joukko erilaisia standardeja tietojen siirtämiseksi Ethernet-verkoissa. Näitä standardeja määrittelee parhaillaan Ethernet-pohjaisen viestinnän standardointiorganisaatio IEEE 802.1.

TSN koostuu myös sarjasta yksittäisiä standardeja, jotka laajentavat pääasiassa viestintäjärjestelmän datalinkkikerrosta (ISO-OSI-mallin kerros 2). TSN ei siis ole täydellinen viestintäprotokolla, vaan pikemminkin perustekniikka, jota korkeamman tason sovellukset voivat käyttää.

OPC ON FX:

Nykyinen OPC UA FX -määritys ohjaimesta ohjaimeen (C2C) -viestinnälle perustuu User Datagram Protocol (UDP) datapakettien siirtämiseen verkon kautta.

Siksi OPC UA FX: tä voidaan käyttää nykypäivän tavanomaisten Ethernet-verkkoasennusten kanssa korkean suorituskyvyn tiedonvaihdon saavuttamiseksi.

Kuitenkin, kun TSN laajenee tehdasautomaatioon, kaikki C2C: n OPC UA FX -sovellukset voivat käyttää TSN-laitteistoa ja hyötyä TSN-verkon TSN-mekanismeista ja eduista:

• Palvelun laatu (QoS), mukaan lukien kaistanleveyden varaus
• Synkronointi
• Alhaiset viiveet
• Saumaton redundanssi

OPC UA on teollisuuden yhteentoimivuuden standardi, joka tarjoaa teollisuudelle monia etuja, kuten:

• Alustan riippumattomuus — sulautetuista mikrokontrollereista pilvipohjaiseen infrastruktuuriin
• Integroitu suojaus — salaus, todennus ja valvonta
• Kattava tietomallinnus - monimutkaisen tiedon määrittely (kuten oheistiedot, kuten PackML)
• Toiminnallinen turvallisuus — perustuu todistettuihin ProfiSafe-mekanismeihin

Kyllä, koska OPC UA: lla on vahvuutensa vertikaalisessa viestinnässä ja koneiden verkottamisessa ohjaustasolla, kun taas PROFINET täyttää kaikki alan vaatimukset. Siksi Siemensin strategia pysyy samana:

• Ohjaustaso ja yli = OPC UA, mahdollista myös Safety -toiminnolla
• Kenttätaso = PROFINET