OPC UA — Strukturerte data opp til skyen

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) er en industriell kommunikasjonsprotokoll og rammeverk for OT-, IT- og skyintegrasjon av enheter og maskiner i det industrielle miljøet.

Viktige funksjoner i OPC UA inkluderer:

• Plattformuavhengighet
• Sikker datautveksling
• Skalerbarhet fra innebygde enheter til bedriftssystemer
• Enhetlige informasjonsmodeller for ulike industrielle domener

OPC UA er mye brukt i industriell automatisering, produksjon, energi og andre sektorer for å muliggjøre interoperabilitet og integrasjon mellom forskjellige systemer og komponenter.

OPC UA har gjennomgått flere utviklinger, og spesifikasjonen har vokst trinn for trinn:

• OPC UA Client/Server definerer en forespørsel/svar-tilnærming som har flere brukstilfeller, inkludert lesing/skriving av koder, anropsmetoder og sending av hendelser/alarmer
• OPC UA PubSub (del 14) definerer en ny tilnærming med en Publish and Subscribe-arkitektur - muliggjør en-til-mange-kommunikasjon (Multi-Cast) samt skytilkobling via MQTT
• OPC UA Safety (Del 15) definerer en leverandøruavhengig måte å utveksle sikkerhetsrelaterte maskindata via klient/server eller PubSub

Oppsummert initierer OPC UA-klienten kommunikasjonen og ber om data eller tjenester, mens OPC UA-serveren svarer på klientens forespørsler og gir nødvendig informasjon eller funksjonalitet.

OPC UA-klient:

• Klienten kan være et program som kjører på en datamaskin, et menneske-maskin-grensesnitt (HMI), et overvåkings- og datainnsamlingssystem (SCADA), eller en hvilken som helst annen enhet eller system som trenger tilgang til data fra OPC UA-serveren.

OPC UA-server:

• Tjeneren er vanligvis en enhet, kontroller eller programvare som eier dataene eller funksjonaliteten som klientene ønsker tilgang til.
• Serveren eksponerer sine data og tjenester gjennom et standardisert OPC UA-grensesnitt, slik at klienter kan lese, skrive og abonnere på tilgjengelig informasjon.
• Serveren er ansvarlig for å administrere klienttilkoblinger, håndtere sikkerhet og sikre integriteten og tilgjengeligheten til dataene den gir.

I det følgende er noen eksempler fra Siemens produktportefølje oppført:

• Siemens SIMATIC-kontrollere (S7-1200, S7-1500) kan fungere som OPC UA-server eller klient, og gi tilgang til prosessdata og diagnostikk.
• Siemens SIMATIC HMI-enheter (f.eks. Unified Comfort Panels, Mobile Panels) kan konfigureres som OPC UA-servere eller klienter.
• Siemens SINAMICS-stasjoner og SIMOTION bevegelseskontrollere kan også settes opp som OPC UA-servere.
• Siemens SCADA-systemer, som SIMATIC WinCC eller OA gir OPC UA-server- eller klientfunksjonalitet.
• Siemens ingeniørprogramvare, som TIA Portal, kan bruke OPC UA-klientfunksjoner til å integrere data fra forskjellige OPC UA-servere.
• Det gratis Siemens OPC UA Modeling Editor (SIOMe) verktøyet hjelper deg med å lage dine egne OPC UA-informasjonsmodeller eller kartlegge eksisterende ledsagerspesifikasjoner.

I tillegg tilbyr Siemens spesifikke OPC UA-produkter, for eksempel SIMATIC NET OPC UA Server, som gir en frittstående OPC UA-serverløsning for integrering av eldre enheter og systemer i moderne OPC UA-baserte arkitekturer.

OPC UA FX er en spesialisert kommunikasjonsprofil innenfor OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) rammeverket, spesielt konstruert for å møte de komplekse kommunikasjonskravene til og automatiseringskomponenter i moderne industrielle kontrollsystemer.

Viktige utviklinger:

• Konseptualiseringen begynte i 2018
• Offisiell OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard ble formelt utgitt i 2022

Teknisk arkitektur:

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard integrerer flere avanserte OPC UA-teknologier for å muliggjøre sømløs sammenkobling mellom automatiseringsstyringer (PLC).

• Server/klientfunksjonalitet gir en informasjonsmodell for å strukturere data samt et ingeniør- og konfigurasjonsgrensesnitt
• PubSub-kommunikasjon tillater effektiv kommunikasjon i sanntid mellom flere partnere (en-til-mange-kommunikasjon) via UDP
• Frakoblet filformat spesifisert for leverandøruavhengig integrering i ingeniørprogramvare

Kjernemål:

• Standardisere kommunikasjonsprotokoller mellom industrielle kontrollere
• Forbedre interoperabilitet på tvers av ulike automatiseringsplattformer
• Forbedre effektiviteten og påliteligheten for datautveksling i komplekse industrielle nettverk

Potensielle applikasjoner:

• Produksjonsautomatisering
• Process control systems
• Implementeringer av industriell IoT (tingenes internett)
• Maskin-til-maskin-kommunikasjon i smarte fabrikker

Samlet sett kan den nåværende tilstanden til OPC UA FX karakteriseres som et pågående arbeid. Selv om spesifikasjonen er moden og bransjen er aktivt engasjert, er den utbredte adopsjonen og implementeringen av OPC UA FX-aktiverte produkter fortsatt i de tidlige stadiene.

Spesifikasjonsutvikling:

• Standardisering for kontroller-til-kontroller-kommunikasjon (C2C) er fullført
• Den siste versjonen av OPC UA FX-spesifikasjonen er 1.00.02, som ble utgitt i 2024.
• OPC UA FX-spesifikasjonen utvikles og foredles aktivt av OPC Foundation, organisasjonen som er ansvarlig for OPC UA-standardene.

Adopsjon og implementering:

• Adopsjonen og implementeringen av OPC UA FX av automatiseringsleverandører er fortsatt i et tidlig stadium.
• Mens noen store automatiseringsselskaper, som Siemens, har uttrykt sin støtte til OPC UA FX, er tilgjengeligheten av OPC UA FX-aktiverte produkter foreløpig begrenset.

Bransjeaksept og bevissthet:

• Bevisstheten og forståelsen av OPC UA FX i det industrielle automatiseringssamfunnet øker gradvis.
• Imidlertid er den utbredte adopsjonen og aksepten av OPC UA FX fortsatt pågående, ettersom bransjen går fra gunstige kommunikasjonsprotokoller til leverandøruavhengige OPC UA-løsninger.

Økosystemutvikling:

• OPC Foundation og dets medlemsbedrifter jobber aktivt med å bygge et økosystem rundt OPC UA FX.
• Dette inkluderer utvikling av verktøy, retningslinjer og ressurser for å støtte implementering og integrering av OPC UA FX-baserte systemer, samt et sertifiseringsprogram for FX-produkter.

Siemens er tilhenger av OPC UA og OPC UA FX og var et av de første selskapene av FLC-initiativet (Field-Level Communication) som spesifiserte OPC UA FX-standarden.

Siemens deltok i en proof-of-concept plugfest med andre leverandører for å vise brukervennligheten og gjennomførbarheten til Controller-to-Controller (C2C) -konseptet. Innsikt i denne arbeidsgruppen/plugfest finner du her.

PROFINET fortsetter å være Siemens primære løsning, og gir bransjebevist og robust kommunikasjonsytelse for industrielle nettverk ned til iOS på feltnivå.

Siemens er fortsatt åpen for Controller-to-Device (C2D) -prosjektet, som først nylig har gått inn i konseptfasen og vil trenge mer tid på å bli detaljert og verifisert med fungerende prototyper. C2D-implementeringer i Siemens produkter vil avhenge av markedsutvikling og teknologisk modenhet.

TSN:

TSN står for tidssensitive nettverk. Det er et sett med forskjellige standarder for overføring av data i Ethernet-nettverk. Disse standardene defineres for tiden av standardiseringsorganisasjonen for Ethernet-basert kommunikasjon IEEE 802.1.

TSN består også av en serie individuelle standarder som hovedsakelig utvider datalinklaget (lag 2 av ISO-OSI-modellen) i kommunikasjonssystemet. TSN er dermed ikke en komplett kommunikasjonsprotokoll, men snarere en grunnleggende teknologi som kan brukes av applikasjoner på høyere nivå.

OPC FX:

Den nåværende OPC UA FX-spesifikasjonen for Controller-to-Controller (C2C) kommunikasjon er avhengig av User Datagram Protocol (UDP) for å overføre datapakkene over et nettverk.

Derfor kan OPC UA FX brukes med dagens standard Ethernet-nettverksinstallasjoner for å oppnå en høyytelses datautveksling.

Men med en utvidelse av TSN i fabrikkautomatisering, vil alle OPC UA FX-applikasjoner for C2C kunne bruke TSN-maskinvare og dra nytte av TSN-mekanismene og fordelene ved et TSN-nettverk:

• Kvalitet på tjenesten (QoS), inkludert båndbreddereservasjon
• Synkronisering
• Lav forsinkelse
• Sømløs redundans

OPC UA er den industrielle interoperabilitetsstandarden og gir mange fordeler for industrien, for eksempel:

• Plattformuavhengighet — fra innebygde mikrokontrollere til skybasert infrastruktur
• Integrert sikkerhet — kryptering, autentisering og overvåking
• Omfattende informasjonsmodellering - definisjon av kompleks informasjon (som ledsagende spesifikasjoner som PackML)
• Funksjonell sikkerhet — basert på velprøvde ProfiSafe-mekanismer

Ja, fordi OPC UA har sine styrker innen vertikal kommunikasjon og nettverksbygging av maskiner på kontrollnivå, mens PROFINET oppfyller alle krav i feltet. Derfor forblir strategien hos Siemens den samme:

• Kontrollnivå og over = OPC UA, også mulig med sikkerhet
• Feltnivå = PROFINET