OPC UA — strukturēti dati līdz mākonim

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) ir rūpniecisko komunikāciju protokols un ietvars ierīču un mašīnu OT, IT un mākoņa integrācijai rūpnieciskajā vidē.

OPC UA galvenās iezīmes ietver:

• Platformas neatkarība
• Droša datu apmaiņa
• Mērogojamība no iegultajām ierīcēm līdz uzņēmuma sistēmām
• Vienoti informācijas modeļi dažādām rūpniecības jomām

OPC UA tiek plaši izmantots rūpniecības automatizācijā, ražošanā, enerģētikā un citās nozarēs, lai nodrošinātu sadarbspēju un integrāciju starp dažādām sistēmām un komponentiem.

OPC UA ir piedzīvojusi vairākas izmaiņas, un specifikācija ir pieaugusi soli pa solim:

• OPC UA klients/serveris definē pieprasījuma/atbildes pieeju, kurai ir vairāki lietošanas gadījumi, tostarp tagu lasīšana/rakstīšana, zvanu metodes un notikumu/trauksmes sūtīšana
• OPC UA PubSub (14. daļa) definē jaunu pieeju ar publicēšanas un abonēšanas arhitektūru - nodrošinot saziņu vienam pret daudziem (Multi-Cast), kā arī mākoņa savienojamību, izmantojot MQTT
• OPC UA drošība (15. daļa) definē no pārdevēja neatkarīgu veidu, kā apmainīties ar drošību saistītiem mašīnas datiem, izmantojot klientu/serveri vai PubSub

Kopumā OPC UA klients uzsāk saziņu un pieprasa datus vai pakalpojumus, savukārt OPC UA serveris reaģē uz klienta pieprasījumiem un nodrošina nepieciešamo informāciju vai funkcionalitāti.

OPC UA klients:

• Klients var būt programmatūras lietojumprogramma, kas darbojas datorā, cilvēka-mašīnas saskarne (HMI), uzraudzības kontroles un datu iegūšanas (SCADA) sistēma vai jebkura cita ierīce vai sistēma, kurai nepieciešams piekļūt datiem no OPC UA servera.

OPC UA serveris:

• Serveris parasti ir ierīce, kontrolieris vai programmatūras lietojumprogramma, kurai pieder dati vai funkcionalitāte, kurai klienti vēlas piekļūt.
• Serveris atklāj savus datus un pakalpojumus, izmantojot standartizētu OPC UA saskarni, ļaujot klientiem lasīt, rakstīt un abonēt pieejamo informāciju.
• Serveris ir atbildīgs par klientu savienojumu pārvaldību, drošības apstrādi un sniegto datu integritātes un pieejamības nodrošināšanu.

Turpmāk ir uzskaitīti daži piemēri no Siemens produktu portfeļa:

• Siemens SIMATIC kontrolieri (S7-1200, S7-1500) var darboties kā OPC UA serveris vai klients, nodrošinot piekļuvi to procesa datiem un diagnostikai.
• Siemens SIMATIC HMI ierīces (piemēram, Unified Comfort Panels, Mobile Panels) var konfigurēt kā OPC UA serverus vai klientus.
• Siemens SINAMICS diskdziņus un SIMOTION kustības kontrolierus var iestatīt arī kā OPC UA serverus.
• Siemens SCADA sistēmas, piemēram, SIMATIC WinCC vai OA, nodrošina OPC UA servera vai klienta funkcionalitāti.
• Siemens inženierijas programmatūra, piemēram, TIA Portal, var izmantot OPC UA klienta iespējas, lai integrētu datus no dažādiem OPC UA serveriem.
• Bezmaksas Siemens OPC UA modelēšanas redaktora (SioMe) rīks palīdz jums izveidot savus OPC UA informācijas modeļus vai kartēt esošās pavadošās specifikācijas.

Turklāt Siemens piedāvā īpašus OPC UA produktus, piemēram, SIMATIC NET OPC UA serveri, kas nodrošina atsevišķu OPC UA servera risinājumu mantoto ierīču un sistēmu integrēšanai mūsdienu OPC UA arhitektūrās.

OPC UA FX ir specializēts komunikācijas profils OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) ietvarā, kas īpaši izstrādāts, lai risinātu sarežģītas komunikācijas prasības un automatizācijas komponentus mūsdienu rūpnieciskās vadības sistēmās.

Galvenie notikumi:

• Konceptualizācija sākās 2018. gadā
• Oficiālais OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) standarts tika oficiāli izlaists 2022. gadā

Tehniskā arhitektūra:

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) standarts integrē vairākas uzlabotas OPC UA tehnoloģijas, lai nodrošinātu nevainojamu savstarpēju savienojamību starp automatizācijas kontrolieriem (PLC).

• Servera/klienta funkcionalitāte nodrošina informācijas modeli datu strukturēšanai, kā arī inženierijas un konfigurācijas saskarni
• PubSub komunikācija nodrošina efektīvu, reāllaika komunikāciju starp vairākiem partneriem (saziņa viens pret daudziem), izmantojot UDP
• Bezsaistes faila formāts, kas norādīts no pārdevēja neatkarīgai integrācijai inženierprogrammatūrā

Galvenie mērķi:

• Standartizējiet komunikācijas protokolus starp rūpnieciskajiem kontrolieriem
• Uzlabot sadarbspēju dažādās automatizācijas platformās
• Uzlabot datu apmaiņas efektivitāti un uzticamību sarežģītos rūpniecības tīklos

Potenciālie lietojumi:

• Ražošanas automatizācija
• Process control systems
• Rūpnieciskā IoT (lietu interneta) ieviešana
• Mašīnas un mašīnas komunikācija viedajās rūpnīcās

Kopumā pašreizējo OPC UA FX stāvokli var raksturot kā nepabeigtu darbu. Lai gan specifikācija ir nobriedusi un nozare aktīvi iesaistās, OPC UA FX iespējotu produktu plašā ieviešana un ieviešana joprojām ir agrīnā stadijā.

Specifikāciju izstrāde:

• Kontroliera un kontroliera (C2C) komunikācijas standartizācija ir pabeigta
• OPC UA FX specifikācijas jaunākā versija ir 1.00.02, kas tika izlaista 2024. gadā.
• OPC UA FX specifikāciju aktīvi izstrādā un pilnveido OPC fonds, organizācija, kas atbild par OPC UA standartiem.

Pieņemšana un īstenošana:

• OPC UA FX pieņemšana un ieviešana, ko veic automatizācijas pārdevēji, joprojām ir agrīnā stadijā.
• Lai gan daži lielākie automatizācijas uzņēmumi, piemēram, Siemens, ir pauduši atbalstu OPC UA FX, OPC UA FX iespējotu produktu pieejamība pašlaik ir ierobežota.

Nozares pieņemšana un izpratne:

• OPC UA FX izpratne un izpratne rūpnieciskās automatizācijas aprindās pakāpeniski palielinās.
• Tomēr OPC UA FX plašā ieviešana un pieņemšana joprojām turpinās, jo nozare pāriet no privātiem sakaru protokoliem uz OPC UA risinājumiem, kas nav atkarīgi no pārdevējiem.

Ekosistēmu attīstība:

• OPC fonds un tā dalībuzņēmumi aktīvi strādā, lai izveidotu ekosistēmu ap OPC UA FX.
• Tas ietver rīku, vadlīniju un resursu izstrādi, lai atbalstītu OPC UA FX balstītu sistēmu ieviešanu un integrāciju, kā arī FX produktu sertifikācijas programmu.

Siemens ir OPC UA un OPC UA FX atbalstītājs un bija viens no sākotnējiem uzņēmumiem no FLC (Field-Level Communication) iniciatīvas, kurā noteikts OPC UA FX standarts.

Siemens piedalījās koncepcijas pierādīšanas pasākumā kopā ar citiem pārdevējiem, lai parādītu Controller-to-Controller (C2C) koncepcijas lietojamību un iespējamību. Ieskatu par šo darba grupu/plugfest var atrast šeit.

PROFINET joprojām ir Siemens primārais risinājums, nodrošinot nozarē pārbaudītu un stabilu komunikāciju veiktspēju rūpnieciskajiem tīkliem līdz pat lauka līmeņa iOS.

Siemens joprojām ir atvērts projektam Controller-to-Device (C2D), kas tikai nesen ir nonācis koncepcijas fāzē, un būs nepieciešams vairāk laika, lai to detalizētu un pārbaudītu ar strādājošiem prototipiem. C2D ieviešana Siemens produktos būs atkarīga no tirgus attīstības un tehnoloģiskā brieduma.

TSN:

TSN apzīmē laika jutīgu tīklu veidošanu. Tas ir dažādu standartu kopums datu pārraidei Ethernet tīklos. Šos standartus pašlaik nosaka standartizācijas organizācija Ethernet balstītai komunikācijai IEEE 802.1.

TSN sastāv arī no virknes atsevišķu standartu, kas galvenokārt paplašina sakaru sistēmas datu saišu slāni (ISO-OSI modeļa 2. slānis). Tādējādi TSN nav pilnīgs sakaru protokols, bet drīzāk pamattehnoloģija, ko var izmantot augstāka līmeņa lietojumprogrammas.

OPC FX:

Pašreizējā OPC UA FX specifikācija kontrolera-kontroliera (C2C) komunikācijai balstās uz lietotāja datagrammas protokolu (UDP), lai pārsūtītu datu pakotnes tīklā.

Tāpēc OPC UA FX var izmantot ar mūsdienu standarta Ethernet tīkla instalācijām, lai panāktu augstas veiktspējas datu apmaiņu.

Tomēr, paplašinot TSN rūpnīcas automatizācijā, visas OPC UA FX lietojumprogrammas C2C varēs izmantot TSN aparatūru un gūt labumu no TSN mehānismiem un TSN tīkla priekšrocībām:

• Pakalpojuma kvalitāte (QoS), ieskaitot joslas platuma rezervēšanu
• Sinhronizācija
• Zems latentums
• Bezšuvju atlaišana

OPC UA ir rūpnieciskās savstarpējās izmantojamības standarts un piedāvā daudzas priekšrocības rūpniecībai, piemēram:

• Platformas neatkarība — no iegultiem mikrokontrolieriem līdz mākoņa infrastruktūrai
• Integrēta drošība — šifrēšana, autentifikācija un uzraudzība
• Visaptveroša informācijas modelēšana - sarežģītas informācijas definīcija (piemēram, pavadošās specifikācijas, piemēram, PackML)
• Funkcionālā drošība — pamatojoties uz pārbaudītiem ProfiSafe mehānismiem

Jā, jo OPC UA ir savas stiprās puses vertikālā komunikācijā un iekārtu tīklošanā vadības līmenī, savukārt PROFINET atbilst visām prasībām šajā jomā. Tāpēc Siemens stratēģija paliek nemainīga:

• Kontroles līmenis un augstāk = OPC UA, iespējams arī ar drošību
• Lauka līmenis = PROFINET