OPC UA — dane ustrukturyzowane aż do chmury

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) jest protokołem komunikacji przemysłowej i frameworkiem dla integracji urządzeń i maszyn w środowisku przemysłowym w OT, IT i chmurze.

Kluczowe cechy OPC UA obejmują:

• Niezależność platformy
• Bezpieczna wymiana danych
• Skalowalność od urządzeń wbudowanych do systemów korporacyjnych
• Ujednolicone modele informacyjne dla różnych dziedzin przemysłowych

OPC UA jest szeroko stosowany w automatyce przemysłowej, produkcji, energetyce i innych sektorach, aby umożliwić interoperacyjność i integrację różnych systemów i komponentów.

OPC UA przeszedł kilka ewolucji, a specyfikacja rosła krok po kroku:

• Klient/serwer OPC UA definiuje podejście żądanie/odpowiedzi, które ma kilka przypadków użycia, w tym odczyt/zapisywanie tagów, metody wywoływania i wysyłanie zdarzenia/alarmów
• OPC UA PubSub (część 14) definiuje nowe podejście z architekturą Publish and Subscribe — umożliwiającą komunikację jeden do wielu (Multi-Cast), a także łączność z chmurą za pośrednictwem MQTT
• OPC UA Safety (część 15) definiuje niezależny od dostawcy sposób wymiany danych związanych z bezpieczeństwem maszyn za pośrednictwem klienta/serwera lub PubSub

Podsumowując, klient OPC UA inicjuje komunikację i żąda danych lub usług, podczas gdy serwer OPC UA odpowiada na żądania klienta i dostarcza niezbędnych informacji lub funkcjonalności.

Klient OPC UA:

• Klientem może być aplikacja działająca na komputerze, interfejs człowiek-maszyna (HMI), system nadzorczej kontroli i akwizycji danych (SCADA) lub dowolne inne urządzenie lub system, który musi uzyskać dostęp do danych z serwera OPC UA.

Serwer OPC UA:

• Serwer jest zazwyczaj urządzeniem, kontrolerem lub aplikacją, która posiada dane lub funkcje, do których klienci chcą uzyskać dostęp.
• Serwer ujawnia swoje dane i usługi za pośrednictwem znormalizowanego interfejsu OPC UA, umożliwiającego klientom czytanie, zapisywanie i subskrybowanie dostępnych informacji.
• Serwer odpowiada za zarządzanie połączeniami z klientami, obsługę bezpieczeństwa oraz zapewnienie integralności i dostępności dostarczanych przez siebie danych.

Poniżej wymieniono kilka przykładów z portfolio produktów firmy Siemens:

• Kontrolery Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500) mogą działać jako serwer lub klient OPC UA, zapewniając dostęp do danych procesowych i diagnostyki.
• Urządzenia Siemens SIMATIC HMI (np. Unified Comfort Panels, Mobile Panels) mogą być skonfigurowane jako serwery lub klienty OPC UA.
• Napędy Siemens SINAMICS i kontrolery ruchu SIMOTION mogą być również skonfigurowane jako serwery OPC UA.
• Systemy Siemens SCADA, takie jak SIMATIC WinCC lub OA, zapewniają funkcjonalność serwera lub klienta OPC UA.
• Oprogramowanie inżynierskie Siemens, takie jak TIA Portal, może wykorzystywać możliwości klienta OPC UA do integracji danych z różnych serwerów OPC UA.
• Darmowe narzędzie Siemens OPC UA Modeling Editor (SioMe) pomaga tworzyć własne modele informacyjne OPC UA lub mapować istniejące specyfikacje towarzyszące.

Ponadto Siemens oferuje specyficzne produkty OPC UA, takie jak SIMATIC NET OPC UA Server, który zapewnia samodzielne rozwiązanie serwerowe OPC UA do integracji starszych urządzeń i systemów z nowoczesnymi architekturami opartymi na OPC UA.

OPC UA FX to wyspecjalizowany profil komunikacji w ramach OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), zaprojektowany specjalnie z myślą o złożonych wymaganiach komunikacyjnych i komponentów automatyki nowoczesnych przemysłowych systemów sterowania.

Kluczowe wydarzenia:

• Konceptualizacja rozpoczęła się w 2018 roku
• Oficjalny standard OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) został oficjalnie wydany w 2022 roku

Architektura techniczna:

Standard OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) integruje wiele zaawansowanych technologii OPC UA, aby umożliwić płynną łączność między sterownikami automatyki (PLC).

• Funkcjonalność serwera/klienta zapewnia model informacyjny do strukturyzacji danych, a także interfejs inżynierski i konfiguracyjny
• Komunikacja PubSub umożliwia wydajną komunikację w czasie rzeczywistym między wieloma partnerami (komunikacja jeden do wielu) za pośrednictwem UDP
• Format pliku offline określony do integracji niezależnej od dostawcy z oprogramowaniem inżynierskim

Podstawowe cele:

• Standaryzuj protokoły komunikacyjne między sterownikami przemysłowymi
• Zwiększenie interoperacyjności na różnych platformach automatyki
• Poprawa wydajności i niezawodności wymiany danych w złożonych sieciach przemysłowych

Potencjalne zastosowania:

• Automatyzacja produkcji
• Process control systems
• Wdrożenia przemysłowego IoT (Internet of Things)
• Komunikacja maszyna-maszyna w inteligentnych fabrykach

Ogólnie rzecz biorąc, obecny stan OPC UA FX można scharakteryzować jako prace w toku. Chociaż specyfikacja jest dojrzała, a branża jest aktywnie zaangażowana, powszechne przyjęcie i wdrażanie produktów obsługujących OPC UA FX jest wciąż na wczesnym etapie.

Rozwój specyfikacji:

• Standaryzacja komunikacji kontroler-kontroler (C2C) została zakończona
• Najnowsza wersja specyfikacji OPC UA FX to 1.00.02, która została wydana w 2024 roku.
• Specyfikacja OPC UA FX jest aktywnie rozwijana i udoskonalana przez Fundację OPC, organizację odpowiedzialną za standardy OPC UA.

Przyjęcie i wdrożenie:

• Przyjęcie i wdrożenie OPC UA FX przez dostawców automatyzacji jest wciąż na wczesnym etapie.
• Podczas gdy niektóre duże firmy zajmujące się automatyzacją, takie jak Siemens, wyraziły swoje poparcie dla OPC UA FX, dostępność produktów obsługujących OPC UA FX jest obecnie ograniczona.

Akceptacja i świadomość branży:

• Świadomość i zrozumienie OPC UA FX w społeczności automatyki przemysłowej stopniowo rośnie.
• Jednak powszechne przyjęcie i akceptacja OPC UA FX nadal trwa, ponieważ branża przechodzi od prowizyjnych protokołów komunikacyjnych do niezależnych od dostawców rozwiązań OPC UA.

Ecosystem:

• Fundacja OPC i jej firmy członkowskie aktywnie pracują nad budowaniem ecosystem wokół OPC UA FX.
• Obejmuje to opracowanie narzędzi, wytycznych i zasobów wspierających wdrażanie i integrację systemów opartych na OPC UA FX, a także program certyfikacji produktów FX.

Siemens jest zwolennikiem OPC UA i OPC UA FX oraz Była jedną z pierwszych firm inicjatywy FLC (Field-Level Communication), która określiła standard OPC UA FX.

Siemens wziął udział w proof-of-concept plugfest wraz z innymi dostawcami, aby zaprezentować użyteczność i wykonalność koncepcji Controller-to-Controller (C2C). Spostrzeżenia dotyczące tej grupy roboczej/plugfest można znaleźć tutaj.

PROFINET nadal jest głównym rozwiązaniem firmy Siemens, zapewniając sprawdzoną w branży i niezawodną wydajność komunikacyjną dla sieci przemysłowych aż po system iOS na poziomie terenowym.

Siemens pozostaje otwarty na projekt Controller-to-Device (C2D), który dopiero niedawno wszedł w fazę koncepcyjną i będzie potrzebował więcej czasu na szczegółowe informacje i zweryfikowanie działających prototypów. Wdrożenia C2D do produktów Siemens będą zależeć od rozwoju rynku i dojrzałości technologicznej.

TSN:

TSN oznacza sieć wrażliwą na czas. Jest to zestaw różnych standardów przesyłania danych w sieciach Ethernet. Normy te są obecnie definiowane przez organizację normalizacyjną dla komunikacji opartej na sieci Ethernet IEEE 802.1.

TSN składa się również z szeregu indywidualnych standardów, które głównie rozszerzają warstwę łącza danych (warstwa 2 modelu ISO-OSI) systemu komunikacyjnego. TSN nie jest zatem kompletnym protokołem komunikacyjnym, ale raczej podstawową technologią, która może być używana przez aplikacje wyższego poziomu.

OPC MA FX:

Obecna specyfikacja OPC UA FX dla komunikacji Controller-to-Controller (C2C) opiera się na protokole User Datagram Protocol (UDP) do przesyłania pakietów danych przez sieć.

Dlatego OPC UA FX może być używany z dzisiejszymi standardowymi instalacjami sieci Ethernet w celu uzyskania wysokowydajnej wymiany danych.

Jednak wraz z rozszerzeniem TSN w automatyce fabrycznej wszystkie aplikacje OPC UA FX dla C2C będą mogły korzystać ze sprzętu TSN i korzystać z mechanizmów TSN i zalet sieci TSN:

• Jakość usług (QoS), w tym rezerwacja przepustowości
• Synchronizacja
• Niskie opóźnienia
• Bezproblemowa redundancja

OPC UA jest standardem interoperacyjności przemysłowej i oferuje wiele korzyści dla przemysłu, takich jak:

• Niezależność platformy — od wbudowanych mikrokontrolerów do infrastruktury opartej na chmurze
• Zintegrowane zabezpieczenia — szyfrowanie, uwierzytelnianie i monitorowanie
• Kompleksowe modelowanie informacji — definicja złożonych informacji (takich jak specyfikacje towarzyszące, takie jak PackML)
• Bezpieczeństwo funkcjonalne — oparte na sprawdzonych mechanizmach ProfiSafe

Tak, ponieważ OPC UA ma swoje mocne strony w komunikacji pionowej i sieciowaniu maszyn na poziomie sterowania, podczas gdy PROFINET spełnia wszystkie wymagania w tej dziedzinie. Dlatego strategia firmy Siemens pozostaje taka sama:

• Poziom kontroli i wyższy = OPC UA, możliwe również z Bezpieczeństwem
• Poziom pola = PROFINET