OPC UA — Strukturált adatok a felhőig

Az OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) egy ipari kommunikációs protokoll és keretrendszer az eszközök és gépek OT, IT és felhő integrációjához az ipari környezetben.

Az OPC UA főbb jellemzői a következők:

• Platform függetlensége
• Biztonságos adatcsere
• Méretezhetőség a beágyazott eszközöktől vállalati rendszerekig
• Egységes információs modellek különböző ipari területekhez

Az OPC UA-t széles körben használják az ipari automatizálásban, a gyártásban, az energiában és más ágazatokban, hogy lehetővé tegye a különböző rendszerek és alkatrészek közötti interoperabilitást és integrációt.

Az OPC UA több fejlődésen ment keresztül, és a specifikáció lépésről lépésre nőtt:

• Az OPC UA ügyfél/kiszolgáló olyan kérés/válasz megközelítést határoz meg, amely számos felhasználási esettel rendelkezik, beleértve a címkék olvasását/írását, a hívási módszereket és az események/riasztások küldését
• Az OPC UA PubSub (14. rész) új megközelítést határoz meg a Publish and Subscribe architektúrával - lehetővé teszi az egyéni kommunikációt (Multi-Cast), valamint az MQTT-n keresztüli felhőkapcsolatot
• Az OPC UA Safety (15. rész) meghatározza a szállítótól független módszert a biztonsággal kapcsolatos gépi adatok ügyfél/szerveren vagy PubSub segítségével történő cseréjére

Összefoglalva: az OPC UA kliens kezdeményezi a kommunikációt és adatokat vagy szolgáltatásokat kér, míg az OPC UA szerver válaszol az ügyfél kéréseire és biztosítja a szükséges információkat vagy funkciókat.

OPC UA ügyfél:

• Az ügyfél lehet számítógépen futó szoftveralkalmazás, ember-gép interfész (HMI), felügyeleti ellenőrző és adatgyűjtő (SCADA) rendszer, vagy bármely más eszköz vagy rendszer, amely hozzáférnie kell az OPC UA szerverről származó adatokhoz.

OPC UA szerver:

• A kiszolgáló általában olyan eszköz, vezérlő vagy szoftveralkalmazás, amely birtokolja azokat az adatokat vagy funkciókat, amelyekhez az ügyfelek hozzáférni akarnak.
• A szerver adatait és szolgáltatásait szabványosított OPC UA felületen keresztül teszi ki, lehetővé téve az ügyfelek számára, hogy olvassanak, írjanak és feliratkozzanak a rendelkezésre álló információkra.
• A szerver felelős az ügyfélkapcsolatok kezeléséért, a biztonság kezeléséért, valamint az általa biztosított adatok integritásának és elérhetőségének biztosításáért.

Az alábbiakban felsorolunk néhány példát a Siemens termékportfóliójából:

• A Siemens SIMATIC vezérlők (S7-1200, S7-1500) OPC UA szerverként vagy kliensként működhetnek, hozzáférést biztosítva folyamatadataikhoz és diagnosztikájukhoz.
• A Siemens SIMATIC HMI eszközök (pl. Unified Comfort Panels, Mobile Panels) OPC UA szerverként vagy kliensekként konfigurálhatók.
• A Siemens SINAMICS meghajtók és a SIMOTION mozgásvezérlők OPC UA szerverként is beállíthatók.
• A Siemens SCADA rendszerek, mint például a SIMATIC WinCC vagy OA biztosítják az OPC UA szerver- vagy kliens funkciókat.
• A Siemens mérnöki szoftverek, mint például a TIA Portal, felhasználhatják az OPC UA kliens képességeit a különböző OPC UA szerverek adatainak integrálására.
• Az ingyenes Siemens OPC UA Modeling Editor (SioMe) eszköz segít saját OPC UA információs modellek létrehozásában vagy a meglévő kísérő specifikációk feltérképezésében.

Ezenkívül a Siemens speciális OPC UA termékeket kínál, például a SIMATIC NET OPC UA kiszolgálót, amely önálló OPC UA kiszolgáló megoldást kínál a régi eszközök és rendszerek integrálására a modern OPC UA-alapú architektúrákba.

Az OPC UA FX egy speciális kommunikációs profil az OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) keretrendszerben, amelyet kifejezetten a modern ipari vezérlőrendszerek komplex kommunikációs és automatizálási követelményeinek kielégítésére terveztek.

Főbb fejlemények:

• A konceptualizálás 2018-ban kezdődött
• A hivatalos OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) szabvány hivatalosan 2022-ben jelent meg

Műszaki architektúra:

Az OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard több fejlett OPC UA technológiát integrál, hogy lehetővé tegye az automatizálási vezérlők (PLC) közötti zökkenőmentes összekapcsolhatóságot.

• A kiszolgáló/kliens funkcionalitás információs modellt biztosít az adatok szerkezetéhez, valamint egy mérnöki és konfigurációs felületet
• A PubSub kommunikáció lehetővé teszi a hatékony, valós idejű kommunikációt több partner között (egy-sok kommunikáció) UDP-n keresztül
• Offline fájlformátum megadva a gyártótól független integrációhoz a mérnöki szoftverbe

Alapvető célkitűzések:

• Az ipari vezérlők közötti kommunikációs protokollok szabványosítása
• A különböző automatizálási platformok közötti interoperabilitás javítása
• Az adatcsere hatékonyságának és megbízhatóságának javítása összetett ipari hálózatokban

Potenciális alkalmazások:

• Gyártási automatizálás
• Process control systems
• Ipari IoT (Internet of Things) megvalósítások
• Gép-gép közötti kommunikáció intelligens gyárakban

Összességében az OPC UA FX jelenlegi állapota folyamatban lévő munkaként jellemezhető. Bár a specifikáció kiérett és az ipar aktívan részt vesz, az OPC UA FX-kompatibilis termékek széles körű elfogadása és megvalósítása még a korai szakaszban van.

Specifikáció fejlesztése:

• A vezérlő-vezérlő (C2C) kommunikáció szabványosítása befejeződött
• Az OPC UA FX specifikáció legújabb verziója az 1.00.02, amely 2024-ben jelent meg.
• Az OPC UA FX specifikációt aktívan fejleszti és finomítja az OPC Alapítvány, az OPC UA szabványokért felelős szervezet.

Elfogadás és végrehajtás:

• Az OPC UA FX automatizálási szolgáltatók általi elfogadása és megvalósítása még korai szakaszban van.
• Míg néhány nagyobb automatizálási vállalat, mint például a Siemens, kifejezte támogatását az OPC UA FX számára, az OPC UA FX-kompatibilis termékek elérhetősége jelenleg korlátozott.

Iparági elfogadás és tudatosság:

• Az OPC UA FX tudatossága és megértése az ipari automatizálási közösségben fokozatosan növekszik.
• Az OPC UA FX széles körű elfogadása és elfogadása azonban továbbra is folyamatban van, mivel az ipar áttér a proprietáris kommunikációs protokollokról a szállítótól független OPC UA megoldásokra.

Ecosystem fejlesztése:

• Az OPC Alapítvány és tagvállalatai aktívan dolgoznak az OPC UA FX körüli ecosystem kiépítésén.
• Ez magában foglalja az OPC UA FX alapú rendszerek megvalósítását és integrációját támogató eszközök, iránymutatások és erőforrások kifejlesztését, valamint az FX termékek tanúsítási programját.

A Siemens támogatja az OPC UA és az OPC UA FX és az egyik kezdeti vállalat volt az FLC (Field-Level Communication) kezdeményezés, amely meghatározta az OPC UA FX szabványt.

A Siemens részt vett egy proof-of-concept plugfesten más gyártókkal, hogy bemutassa a Controller-to-Controller (C2C) koncepció használhatóságát és megvalósíthatóságát. Erre a munkacsoportban/plugfestre vonatkozó betekintést találhat itt.

A PROFINET továbbra is a Siemens elsődleges megoldása, amely iparágban bizonyított és robusztus kommunikációs teljesítményt nyújt az ipari hálózatok számára a terepi szintű iOS-ig.

A Siemens továbbra is nyitott a Controller-to-Device (C2D) projekt előtt, amely csak nemrég lépett be a koncepciófázisba, és több időre lesz szüksége a működő prototípusok részletezéséhez és ellenőrzéséhez. A Siemens termékeibe történő C2D bevezetése a piac fejlődésétől és a technológiai érettségtől függ.

TSN:

A TSN az időérzékeny hálózatépítést jelenti. Ez egy sor különféle szabvány az adatok továbbítására Ethernet hálózatokban. Ezeket a szabványokat jelenleg az IEEE 802.1 Ethernet-alapú kommunikációs szabványosítási szervezet határozza meg.

A TSN egyéni szabványok sorozatából is áll, amelyek elsősorban a kommunikációs rendszer adatkapcsolati rétegét (az ISO-OSI modell 2. rétege) bővítik. A TSN tehát nem egy teljes kommunikációs protokoll, hanem egy alapvető technológia, amelyet magasabb szintű alkalmazások használhatnak.

OPC FX:

A Controller-Controller (C2C) kommunikáció jelenlegi OPC UA FX specifikációja az adatcsomagok hálózaton keresztüli továbbításához a User Datagram Protocol (UDP) támaszkodik.

Ezért az OPC UA FX a mai szabványos ethernet hálózati telepítésekkel használható a nagy teljesítményű adatcsere elérése érdekében.

Azonban a TSN kibővítésével a gyári automatizálásban, a C2C összes OPC UA FX alkalmazás képes lesz használni a TSN hardvert, és élvezheti a TSN hálózat TSN mechanizmusait és előnyeit:

• Szolgáltatás minősége (QoS), beleértve a sávszélesség-foglalást
• Szinkronizálás
• Alacsony késleltetés
• Zökkenőmentes redundancia

Az OPC UA az ipari interoperabilitási szabvány, amely számos előnnyel jár az ipar számára, például:

• Platformfüggetlenség — a beágyazott mikrovezérlőktől a felhőalapú infrastruktúráig
• Integrált biztonság — titkosítás, hitelesítés és felügyelet
• Átfogó információmodellezés - összetett információk meghatározása (például kísérő specifikációk, például a PackML)
• Funkcionális biztonság — bizonyított ProfiSafe mechanizmusok alapján

Igen, mert az OPC UA erősségei vannak a vertikális kommunikációban és a gépek vezérlési szinten történő hálózatépítésében, míg a PROFINET megfelel a terület minden követelményének. Ezért a Siemens stratégiája változatlan marad:

• Ellenőrzési szint és magasabb = OPC UA, biztonsággal is lehetséges
• Mezőszint = PROFINET