OPC UA — Dados estruturados até à nuvem

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) é um protocolo e estrutura de comunicação industrial para OT, TI e integração na nuvem de dispositivos e máquinas no ambiente industrial.

As principais características do OPC UA incluem:

• Independência da plataforma
• Troca segura de dados
• Escalabilidade de dispositivos incorporados a sistemas empresariais
• Modelos de informação unificados para diferentes domínios industriais

O OPC UA é amplamente utilizado na automação industrial, fabrico, energia e outros setores para permitir a interoperabilidade e integração entre diversos sistemas e componentes.

O OPC UA sofreu várias evoluções e a especificação cresceu passo a passo:

• O Cliente/Servidor OPC UA define uma abordagem de solicitação/resposta que tem vários casos de utilização, incluindo leitura/escrita de etiquetas, métodos de chamada e envio de eventos/alarmes
• O OPC UA PubSub (Parte 14) define uma nova abordagem com uma arquitetura Publish and Subscribe — permitindo a comunicação um-para-muitos (Multi-cast) bem como a conectividade na nuvem via MQTT
• OPC UA Safety (Parte 15) define uma forma independente do fornecedor de trocar dados de máquinas relacionados com a segurança através do cliente/servidor ou PubSub

Em resumo, o cliente OPC UA inicia a comunicação e solicita dados ou serviços, enquanto o servidor OPC UA responde aos pedidos do cliente e fornece as informações ou funcionalidades necessárias.

Cliente OPC UA:

• O cliente pode ser uma aplicação de software a funcionar num computador, uma interface homem-máquina (IHM), um sistema de controlo de supervisão e aquisição de dados (SCADA), ou qualquer outro dispositivo ou sistema que precise de aceder a dados do servidor OPC UA.

Servidor OPC UA:

• O servidor é tipicamente um dispositivo, controlador ou aplicação de software que possui os dados ou a funcionalidade que os clientes desejam aceder.
• O servidor expõe os seus dados e serviços através de uma interface OPC UA normalizada, permitindo aos clientes ler, escrever e subscrever as informações disponíveis.
• O servidor é responsável por gerir as ligações dos clientes, gerir a segurança e garantir a integridade e disponibilidade dos dados que fornece.

A seguir, estão listados alguns exemplos do portfólio de produtos da Siemens:

• Os controladores Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500) podem atuar como servidor OPC UA ou cliente, fornecendo acesso aos seus dados de processo e diagnósticos.
• Os dispositivos Siemens SIMATIC HMI (por exemplo, Unified Comfort Panels, Mobile Panels) podem ser configurados como servidores OPC UA ou clientes.
• As unidades Siemens SINAMICS e os controladores de movimento SIMOTION também podem ser configurados como servidores OPC UA.
• Os sistemas SCADA da Siemens, como o SIMATIC WinCC ou OA fornecem funcionalidade de servidor ou cliente OPC UA.
• O software de engenharia da Siemens, como o TIA Portal, pode utilizar as capacidades do cliente OPC UA para integrar dados de vários servidores OPC UA.
• A ferramenta gratuita Siemens OPC UA Modeling Editor (SioME) ajuda-o a criar os seus próprios modelos de informação OPC UA ou a mapear especificações complementares existentes.

Além disso, a Siemens oferece produtos OPC UA específicos, como o SIMATIC NET OPC UA Server, que fornece uma solução de servidor OPC UA autónoma para integrar dispositivos e sistemas legados em arquiteturas modernas baseadas em OPC UA.

OPC UA FX é um perfil de comunicação especializado dentro da estrutura OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), especificamente concebido para responder aos complexos requisitos de comunicação e componentes de automação em modernos sistemas de controlo industrial.

Principais desenvolvimentos:

• A conceptualização começou em 2018
• O padrão oficial OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) foi lançado formalmente em 2022

Arquitetura técnica:

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard integra várias tecnologias OPC UA avançadas para permitir uma interconectividade perfeita entre controladores de automação (PLCs).

• A funcionalidade Servidor/Cliente fornece um modelo de informação para estruturar dados, bem como uma interface de engenharia e configuração
• A comunicação PubSub permite uma comunicação eficiente e em tempo real entre vários parceiros (comunicação um-para-muitos) via UDP
• Formato de ficheiro offline especificado para integração independente do fornecedor em software de engenharia

Objetivos centrais:

• Padronizar protocolos de comunicação entre controladores industriais
• Melhorar a interoperabilidade em diferentes plataformas de automação
• Melhorar a eficiência e a fiabilidade do intercâmbio de dados em redes industriais complexas

Potenciais aplicações:

• Automação de fabrico
• Process control systems
• Implementações IoT industrial (Internet das Coisas)
• Comunicação máquina a máquina em fábricas inteligentes

No geral, o estado atual do OPC UA FX pode ser caracterizado como um trabalho em curso. Embora a especificação esteja madura e a indústria esteja ativamente envolvida, a ampla adoção e implementação de produtos habilitados para OPC UA FX ainda está nos estágios iniciais.

Desenvolvimento de especificação:

• A normalização da comunicação controlador-a-controlador (C2C) está completa
• A versão mais recente da especificação OPC UA FX é a 1.00.02, que foi lançada em 2024.
• A especificação OPC UA FX está a ser ativamente desenvolvida e refinada pela OPC Foundation, a organização responsável pelas normas OPC UA.

Adoção e Implementação:

• A adoção e implementação do OPC UA FX pelos fornecedores de automação ainda está numa fase inicial.
• Embora algumas grandes empresas de automação, como a Siemens, tenham manifestado o seu apoio ao OPC UA FX, a disponibilidade de produtos habilitados para OPC UA FX é atualmente limitada.

Aceitação e sensibilização da indústria:

• A consciência e compreensão do OPC UA FX dentro da comunidade de automação industrial está a aumentar gradualmente.
• No entanto, a ampla adoção e aceitação do OPC UA FX ainda está em curso, à medida que a indústria faz a transição de protocolos de comunicação proprietários para soluções OPC UA independentes do fornecedor.

Desenvolvimento de Ecosystem:

• A OPC Foundation e as suas empresas membros estão a trabalhar ativamente para construir um ecosystem em torno do OPC UA FX.
• Isto inclui o desenvolvimento de ferramentas, orientações e recursos para apoiar a implementação e integração de sistemas baseados em OPC UA FX, bem como um programa de certificação para produtos FX.

A Siemens apoia o OPC UA e OPC UA FX e foi uma das empresas iniciais da iniciativa FLC (Field-Level Communication) que especificou o padrão OPC UA FX.

A Siemens participou num plugfest de prova de conceito com outros fornecedores para mostrar a usabilidade e viabilidade do conceito Controller-to-Controller (C2C). Informações sobre este grupo de trabalho/plugfest podem ser encontradas aqui.

O PROFINET continua a ser a principal solução da Siemens, fornecendo um desempenho de comunicação robusto e comprovado pela indústria para redes industriais até iOS de nível de campo.

A Siemens continua aberta ao projeto Controller-to-Device (C2D), que só recentemente entrou na fase de conceito e precisará de mais tempo para ser detalhado e verificado com protótipos em funcionamento. As implementações C2D nos produtos Siemens dependerão do desenvolvimento do mercado e da maturidade tecnológica.

TSN:

TSN significa redes sensíveis ao tempo. É um conjunto de vários padrões para a transmissão de dados em redes Ethernet. Estes padrões estão atualmente a ser definidos pela organização de normalização para a comunicação baseada em Ethernet IEEE 802.1.

O TSN também consiste numa série de normas individuais que expandem principalmente a camada de ligação de dados (Camada 2 do modelo ISO-OSI) do sistema de comunicação. O TSN não é, portanto, um protocolo de comunicação completo mas sim uma tecnologia básica que pode ser usada por aplicações de nível superior.

OPC US FAX:

A atual especificação OPC UA FX para comunicação Controller-to-Controller (C2C) depende do User Datagram Protocol (UDP) para transferir os pacotes de dados através de uma rede.

Portanto, o OPC UA FX pode ser usado com as instalações de rede ethernet padrão de hoje para conseguir uma troca de dados de alto desempenho.

No entanto, com uma expansão do TSN na automação de fábrica, todas as aplicações OPC UA FX para C2C poderão usar hardware TSN e beneficiar dos mecanismos TSN e vantagens de uma rede TSN:

• Qualidade de Serviço (QoS), incluindo reserva de largura de banda
• Sincronização
• Baixas latências
• Redundância perfeita

OPC UA é o padrão de interoperabilidade industrial e oferece muitos benefícios para a indústria, tais como:

• Independência da plataforma — de microcontroladores incorporados a infraestruturas baseadas na nuvem
• Segurança integrada — encriptação, autenticação e monitorização
• Modelação de informação abrangente — definição de informação complexa (como especificações adicionais, como PackML)
• Segurança funcional — com base em mecanismos comprovados ProSafe

Sim, porque o OPC UA tem os seus pontos fortes na comunicação vertical e rede de máquinas a nível de controlo, enquanto o PROFINET cumpre todos os requisitos no terreno. É por isso que a estratégia da Siemens continua a mesma:

• Nível de controlo e superior = OPC UA, também possível com Segurança
• Nível de campo = PROFINET