OPC UA — Dati strutturati fino al cloud

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) è un protocollo e framework di comunicazione industriale per l'integrazione OT, IT e cloud di dispositivi e macchine nell'ambiente industriale.

Le caratteristiche principali di OPC UA includono:

• Indipendenza dalla piattaforma
• Scambio sicuro di dati
• Scalabilità dai dispositivi integrati ai sistemi aziendali
• Modelli informativi unificati per diversi settori industriali

L'OPC UA è ampiamente utilizzato nell'automazione industriale, nella produzione, nell'energia e in altri settori per consentire l'interoperabilità e l'integrazione tra diversi sistemi e componenti.

L'OPC UA ha subito diverse evoluzioni e le specifiche sono cresciute passo dopo passo:

• Il client/server OPC UA definisce un approccio di richiesta/risposta che ha diversi casi d'uso, tra cui lettura/scrittura di tag, metodi di chiamata e invio di eventi/allarmi
• OPC UA PubSub (Parte 14) definisce un nuovo approccio con un'architettura Publish and Subscribe, che consente la comunicazione uno-a-molti (Multi-cast) e la connettività cloud tramite MQTT
• L'OPC UA Safety (Parte 15) definisce un modo indipendente dal fornitore per scambiare i dati delle macchine relativi alla sicurezza tramite client/server o PubSub

In sintesi, il client OPC UA avvia la comunicazione e richiede dati o servizi, mentre il server OPC UA risponde alle richieste del cliente e fornisce le informazioni o le funzionalità necessarie.

Cliente OPC UA:

• Il client può essere un'applicazione software in esecuzione su un computer, un'interfaccia uomo-macchina (HMI), un sistema di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA) o qualsiasi altro dispositivo o sistema che deve accedere ai dati dal server OPC UA.

Server OPC UA:

• Il server è in genere un dispositivo, un controller o un'applicazione software che possiede i dati o le funzionalità a cui i clienti vogliono accedere.
• Il server espone i suoi dati e servizi tramite un'interfaccia OPC UA standardizzata, che consente ai clienti di leggere, scrivere e sottoscrivere le informazioni disponibili.
• Il server è responsabile della gestione delle connessioni dei client, della sicurezza e della garanzia dell'integrità e della disponibilità dei dati che fornisce.

Di seguito sono elencati alcuni esempi tratti dal portafoglio di prodotti Siemens:

• I controllori Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500) possono fungere da server o client OPC UA, fornendo l'accesso ai dati di processo e alla diagnostica.
• I dispositivi HMI Siemens SIMATIC (ad esempio, Unified Comfort Panel, Mobile Panel) possono essere configurati come server o client OPC UA.
• Gli azionamenti Siemens SINAMICS e i controller di movimento SIMOTION possono essere configurati anche come server OPC UA.
• I sistemi SCADA Siemens, come SIMATIC WinCC o OA, forniscono funzionalità server o client OPC UA.
• Il software di progettazione Siemens, come TIA Portal, può utilizzare le funzionalità del client OPC UA per integrare i dati provenienti da vari server OPC UA.
• Lo strumento gratuito Siemens OPC UA Modeling Editor (SioMe) La aiuta a creare i propri modelli informativi OPC UA o a mappare le specifiche complementari esistenti.

Inoltre, Siemens offre prodotti OPC UA specifici, come il SIMATIC NET OPC UA Server, che fornisce una soluzione server OPC UA autonoma per l'integrazione di dispositivi e sistemi legacy nelle moderne architetture basate su OPC UA.

OPC UA FX è un profilo di comunicazione specializzato all'interno del framework OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), specificamente progettato per soddisfare i complessi requisiti di comunicazione e i componenti di automazione nei moderni sistemi di controllo industriale.

Sviluppi chiave:

• La concettualizzazione è iniziata nel 2018
• Lo standard ufficiale OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) è stato rilasciato formalmente nel 2022

Architettura tecnica:

Lo standard OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) integra diverse tecnologie OPC UA avanzate per consentire una perfetta interconnettività tra i controllori di automazione (PLC).

• La funzionalità Server/Client fornisce un modello informativo per strutturare i dati e un'interfaccia di progettazione e configurazione
• La comunicazione PubSub consente una comunicazione efficiente e in tempo reale tra più partner (comunicazione uno-a-molti) tramite UDP
• Formato di file offline specificato per l'integrazione indipendente dal fornitore nel software di progettazione

Obiettivi principali:

• Standardizzare i protocolli di comunicazione tra controllori industriali
• Migliora l'interoperabilità tra diverse piattaforme di automazione
• Migliora l'efficienza e l'affidabilità dello scambio di dati in reti industriali complesse

Potenziali applicazioni:

• Automazione della produzione
• Process control systems
• Implementazioni dell'IoT industriale (Internet of Things)
• Comunicazione da macchina a macchina nelle fabbriche intelligenti

Nel complesso, lo stato attuale di OPC UA FX può essere caratterizzato come un work in progress. Sebbene le specifiche siano mature e il settore sia attivamente impegnato, l'adozione e l'implementazione diffuse di prodotti compatibili con OPC UA FX sono ancora nelle fasi iniziali.

Sviluppo delle specifiche:

• La standardizzazione per la comunicazione da controllore a controller (C2C) è completa
• L'ultima versione della specifica OPC UA FX è la 1.00.02, rilasciata nel 2024.
• La specifica OPC UA FX viene attivamente sviluppata e perfezionata dalla OPC Foundation, l'organizzazione responsabile degli standard OPC UA.

Adozione e implementazione:

• L'adozione e l'implementazione di OPC UA FX da parte dei fornitori di automazione sono ancora in una fase iniziale.
• Sebbene alcune importanti aziende di automazione, come Siemens, abbiano espresso il loro sostegno all'OPC UA FX, la disponibilità di prodotti compatibili con OPC UA FX è attualmente limitata.

Accettazione e consapevolezza del settore:

• La consapevolezza e la comprensione dell'OPC UA FX all'interno della comunità dell'automazione industriale stanno gradualmente aumentando.
• Tuttavia, l'adozione e l'accettazione diffuse di OPC UA FX sono ancora in corso, poiché il settore passa dai protocolli di comunicazione proprietari alle soluzioni OPC UA indipendenti dal fornitore.

Sviluppo dell'ecosistema:

• L'OPC Foundation e le sue aziende associate stanno lavorando attivamente per costruire un ecosistema attorno a OPC UA FX.
• Ciò include lo sviluppo di strumenti, linee guida e risorse per supportare l'implementazione e l'integrazione di sistemi basati su OPC UA FX, nonché un programma di certificazione per i prodotti FX.

Siemens è sostenitrice di OPC UA e OPC UA FX e era una delle aziende iniziali dell'iniziativa FLC (Field-Level Communication) che ha specificato lo standard OPC UA FX.

Siemens ha partecipato a un proof-of-concept plugfest con altri fornitori per dimostrare l'usabilità e la fattibilità del concetto Controller-to-Controller (C2C). È possibile trovare approfondimenti su questo gruppo di lavoro/plugfest qui.

PROFINET continua a essere la soluzione principale di Siemens, che fornisce prestazioni di comunicazione solide e comprovate nel settore per reti industriali fino a iOS a livello di campo.

Siemens rimane aperta al progetto Controller-to-Device (C2D), che è entrato solo di recente nella fase concettuale e richiederà più tempo per essere dettagliato e verificato con prototipi funzionanti. Le implementazioni C2D nei prodotti Siemens dipenderanno dallo sviluppo del mercato e dalla maturità tecnologica.

TSN:

TSN è l'acronimo di Time-Sensitive Networking. È un insieme di vari standard per la trasmissione di dati nelle reti Ethernet. Questi standard sono attualmente definiti dall'organizzazione di standardizzazione per le comunicazioni basate su Ethernet IEEE 802.1.

Il TSN è costituito anche da una serie di standard individuali che ampliano principalmente il livello di collegamento dati (livello 2 del modello ISO-OSI) del sistema di comunicazione. TSN non è quindi un protocollo di comunicazione completo, ma piuttosto una tecnologia di base che può essere utilizzata da applicazioni di livello superiore.

OPC UA-FX:

L'attuale specifica OPC UA FX per la comunicazione da controller a controller (C2C) si basa sul protocollo User Datagram Protocol (UDP) per trasferire i pacchetti di dati su una rete.

Pertanto, OPC UA FX può essere utilizzato con le odierne installazioni di rete Ethernet standard per ottenere uno scambio di dati ad alte prestazioni.

Tuttavia, con l'espansione di TSN nell'automazione di fabbrica, tutte le applicazioni OPC UA FX per C2C saranno in grado di utilizzare l'hardware TSN e beneficiare dei meccanismi e dei vantaggi TSN di una rete TSN:

• Qualità del servizio (QoS), inclusa la prenotazione della larghezza di banda
• Sincronizzazione
• Latenze basse
• Ridondanza senza interruzioni

L'OPC UA è LO standard di interoperabilità industriale e offre molti vantaggi per l'industria, come:

• Indipendenza dalla piattaforma: dai microcontrollori integrati all'infrastruttura basata su cloud
• Sicurezza integrata: crittografia, autenticazione e monitoraggio
• Modellazione completa delle informazioni: definizione di informazioni complesse (come specifiche complementari come PackML)
• Sicurezza funzionale — basata su meccanismi PROFIsafe comprovati

Sì, perché OPC UA ha i suoi punti di forza nella comunicazione verticale e nel collegamento in rete delle macchine a livello di controllo, mentre PROFINET soddisfa tutti i requisiti sul campo. Ecco perché la strategia di Siemens rimane la stessa:

• Livello di controllo e superiore = OPC UA, possibile anche con Safety
• Livello di campo = PROFINET