OPC UA — struktūrizuoti duomenys iki debesies

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) yra pramoninio ryšio protokolas ir sistema OT, IT ir debesų įrenginių ir mašinų integracijai pramoninėje aplinkoje.

Pagrindinės OPC UA savybės yra šios:

• Platformos nepriklausomumas
• Saugus keitimasis duomenimis
• Mastelio keitimas nuo įterptųjų įrenginių iki įmonės sistemų
• Vieningi informaciniai modeliai skirtingoms pramonės sritims

OPC UA plačiai naudojamas pramonės automatikos, gamybos, energetikos ir kituose sektoriuose, siekiant sudaryti sąlygas įvairių sistemų ir komponentų sąveikai ir integracijai.

OPC UA patyrė keletą pokyčių, o specifikacija išaugo žingsnis po žingsnio:

• OPC UA klientas/serveris apibrėžia užklausos/atsakymo metodą, kuris turi keletą naudojimo atvejų, įskaitant žymų skaitymo/rašymą, skambinimo metodus ir įvykių/signalizacijų siuntimą
• “OPC UA PubSub” (14 dalis) apibrėžia naują požiūrį su “Publish and Subscribe” architektūra - leidžianti “one-to-many” bendravimą (“Multi-Cast”), taip pat debesų ryšį per MQTT
• OPC UA Safety (15 dalis) apibrėžia nuo pardavėjo nepriklausomą būdą keistis su sauga susijusiais mašinų duomenimis per klientą/serverį arba PubSub

Apibendrinant galima pasakyti, kad OPC UA klientas inicijuoja komunikaciją ir prašo duomenų ar paslaugų, o OPC UA serveris reaguoja į kliento užklausas ir suteikia reikiamą informaciją ar funkcionalumą.

OPC UA klientas:

• Klientas gali būti kompiuteryje veikianti programinės įrangos programa, žmogaus ir mašinos sąsaja (HMI), priežiūros kontrolės ir duomenų kaupimo (SCADA) sistema arba bet kuris kitas įrenginys ar sistema, kuriai reikia pasiekti duomenis iš OPC UA serverio.

OPC UA serveris:

• Serveris paprastai yra įrenginys, valdiklis arba programinės įrangos programa, kuriai priklauso duomenys ar funkcijos, kurias klientai nori pasiekti.
• Serveris atskleidžia savo duomenis ir paslaugas per standartizuotą OPC UA sąsają, leidžiančią klientams skaityti, rašyti ir prenumeruoti turimą informaciją.
• Serveris yra atsakingas už kliento ryšių valdymą, saugumo tvarkymą ir teikiamų duomenų vientisumo ir prieinamumo užtikrinimą.

Toliau pateikiami keli “Siemens” produktų portfelio pavyzdžiai:

• Siemens SIMATIC valdikliai (S7-1200, S7-1500) gali veikti kaip OPC UA serveris arba klientas, suteikiant prieigą prie jų proceso duomenų ir diagnostikos.
• Siemens SIMATIC HMI įrenginiai (pvz., Unified Comfort Panels, Mobile Panels) gali būti konfigūruojami kaip OPC UA serveriai arba klientai.
• Siemens SINAMICS diskus ir SIMOTION judesio valdiklius taip pat galima nustatyti kaip OPC UA serverius.
• Siemens SCADA sistemos, tokios kaip SIMATIC WinCC ar OA suteikia OPC UA serverio ar kliento funkcionalumą.
• “Siemens” inžinerinė programinė įranga, kaip ir TIA Portal, gali panaudoti OPC UA kliento galimybes integruoti duomenis iš įvairių OPC UA serverių.
• Nemokamas Siemens OPC UA modeliavimo redaktorius (SioMe) įrankis padeda jums sukurti savo OPC UA informacinius modelius arba žemėlapyje esamas kompanionų specifikacijas.

Be to, “Siemens” siūlo specifinius OPC UA produktus, pvz., SIMATIC NET OPC UA serverį, kuris suteikia atskirą OPC UA serverio sprendimą integruoti senus įrenginius ir sistemas į šiuolaikines OPC UA pagrįstas architektūras.

OPC UA FX yra specializuotas komunikacijos profilis OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) sistemoje, specialiai sukurtas siekiant patenkinti sudėtingus komunikacijos reikalavimus ir automatizavimo komponentus šiuolaikinėse pramoninėse valdymo sistemose.

Pagrindiniai pokyčiai:

• Konceptualizacija prasidėjo 2018 m
• Oficialus “OPC UA FX Controller-to-Controller” (C2C) standartas buvo oficialiai išleistas 2022 m

Techninė architektūra:

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standartas integruoja kelias pažangias OPC UA technologijas, leidžiančias sklandžiai sujungti automatikos valdiklius (PLC).

• Serverio/kliento funkcionalumas suteikia informacijos modelį duomenų struktūrizavimui, taip pat inžinerijos ir konfigūravimo sąsają
• PubSub komunikacija leidžia efektyviai, realaus laiko pajėgi bendrauti tarp kelių partnerių (vienas su daugeliu komunikacijos) per UDP
• Neprisijungęs failo formatas, nurodytas nuo pardavėjo nepriklausomam integravimui į inžinerinę programinę įrangą

Pagrindiniai tikslai:

• Standartizuokite ryšio protokolus tarp pramoninių valdiklių
• Didinti skirtingų automatizavimo platformų sąveiką
• Didinti keitimosi duomenimis efektyvumą ir patikimumą sudėtinguose pramonės tinkluose

Galimos programos:

• Gamybos automatizavimas
• Process control systems
• Pramoniniai daiktų interneto (daiktų interneto) diegimai
• Mašinos ir mašinos ryšys išmaniosiose gamyklose

Apskritai dabartinę OPC UA FX būklę galima apibūdinti kaip nebaigtą darbą. Nors specifikacija yra subrendusi ir pramonė aktyviai užsiima, plačiai paplitęs OPC UA FX palaikančių produktų priėmimas ir įgyvendinimas vis dar ankstyvosiose stadijose.

Specifikacijos kūrimas:

• Valdiklio-valdiklio (C2C) ryšio standartizavimas baigtas
• Naujausia OPC UA FX specifikacijos versija yra 1.00.02, kuri buvo išleista 2024 m.
• OPC UA FX specifikaciją aktyviai kuria ir tobulina OPC fondas, organizacija, atsakinga už OPC UA standartus.

Priėmimas ir įgyvendinimas:

• Automatikos pardavėjų OPC UA FX priėmimas ir įgyvendinimas vis dar yra ankstyvoje stadijoje.
• Nors kai kurios pagrindinės automatizavimo įmonės, tokios kaip “Siemens”, išreiškė paramą OPC UA FX, OPC UA FX palaikančių produktų prieinamumas šiuo metu yra ribotas.

Pramonės pripažinimas ir žinomumas:

• OPC UA FX sąmoningumas ir supratimas pramonės automatizavimo bendruomenėje palaipsniui didėja.
• Tačiau plačiai paplitęs OPC UA FX priėmimas ir priėmimas vis dar tęsiasi, nes pramonė pereina nuo savitarinių ryšių protokolų prie pardavėjų nepriklausančių OPC UA sprendimų.

Ecosystem plėtra:

• OPC fondas ir jo narės įmonės aktyviai dirba kurdami ecosystem aplink OPC UA FX.
• Tai apima įrankių, gairių ir išteklių kūrimą, skirtą OPC UA FX pagrįstų sistemų diegimui ir integravimui, taip pat FX produktų sertifikavimo programos kūrimą.

“Siemens” yra OPC UA ir OPC UA FX rėmėjas ir buvo viena iš pradinių įmonių FLC (Field-Level Communication) iniciatyvos, kurioje buvo nurodytas OPC UA FX standartas.

“Siemens” dalyvavo koncepcijos įrodymo festivalyje su kitais pardavėjais, siekdama parodyti “Controller-to-Controller” (C2C) koncepcijos patogumą ir pagrįstumą. Įžvalgas apie šią darbo grupė/plugfest galite rasti čia.

PROFINET ir toliau yra “Siemens” pagrindinis sprendimas, užtikrinantis pramonėje patikrintą ir tvirtą ryšio našumą pramoniniams tinklams iki lauko lygio “iOS”.

“Siemens” išlieka atvira “Controller-to-Device” (C2D) projektui, kuris tik neseniai įžengė į koncepcijos fazę ir reikės daugiau laiko, kad jis būtų detalus ir patikrintas su veikiančiais prototipais. C2D įdiegimas į “Siemens” produktus priklausys nuo rinkos plėtros ir technologinės brandos.

TSN:

TSN reiškia laiko atžvilgiu jautrų tinklą. Tai įvairių standartų rinkinys, skirtas perduoti duomenis Ethernet tinkluose. Šiuos standartus šiuo metu apibrėžia standartizacijos organizacija Ethernet pagrindu veikiančiam ryšiui IEEE 802.1.

TSN taip pat susideda iš atskirų standartų serijos, kurios daugiausia išplečia ryšių sistemos duomenų ryšio sluoksnį (ISO-OSI modelio 2 sluoksnis). Taigi TSN nėra išsamus komunikacijos protokolas, o pagrindinė technologija, kurią gali naudoti aukštesnio lygio programos.

OPC FX:

Dabartinė OPC UA FX specifikacija, skirta ryšiui nuo valdiklio iki valdiklio (C2C), remiasi vartotojo datagramos protokolu (UDP), kad duomenų paketai būtų perkelti per tinklą.

Todėl OPC UA FX gali būti naudojamas su šiandienos standartiniais eterneto tinklo įrenginiais, kad būtų pasiektas didelio našumo duomenų mainai.

Tačiau išplėtus TSN gamyklos automatizavime, visos OPC UA FX programos, skirtos C2C, galės naudoti TSN aparatinę įrangą ir pasinaudoti TSN mechanizmais ir TSN tinklo pranašumais:

• Paslaugų kokybė (QoS), įskaitant pralaidumo rezervavimą
• Sinchronizavimas
• Maži vėlavimai
• Vientisas atleidimas iš darbo

OPC UA yra pramoninis sąveikos standartas ir suteikia daug privalumų pramonei, pavyzdžiui:

• Platformos nepriklausomumas — nuo įterptųjų mikrovaldiklių iki debesų technologijos pagrindu veikiančios infrastruktūros
• Integruotas saugumas — šifravimas, autentifikavimas ir stebėjimas
• Išsamus informacijos modeliavimas — sudėtingos informacijos apibrėžimas (pvz., kompanionų specifikacijos, pvz., PackML)
• Funkcinis saugumas — pagrįstas patikrintais “ProfiSafe” mechanizmais

Taip, nes OPC UA turi savo stipriąsias puses vertikalioje komunikacijoje ir mašinų tinklų kūrime valdymo lygmenyje, o PROFINET atitinka visus šios srities reikalavimus. Štai kodėl “Siemens” strategija išlieka ta pati:

• Valdymo lygis ir didesnis = OPC UA, taip pat įmanoma naudojant “Safety”
• Lauko lygis = PROFINET