OPC UA — структурированные данные вплоть до облака

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) — это промышленный коммуникационный протокол и платформа для интеграции устройств и машин в промышленную среду от, ИТ и облака.

Ключевые особенности OPC UA включают в себя:

• Независимость платформы
• Безопасный обмен данными
• Масштабируемость от встроенных устройств до корпоративных систем
• Унифицированные информационные модели для различных промышленных областей

OPC UA широко используется в промышленной автоматизации, производстве, энергетике и других секторах для обеспечения совместимости и интеграции различных систем и компонентов.

OPC UA претерпела несколько изменений, и спецификация постепенно росла:

• Клиент/сервер OPC UA определяет подход запроса/ответа, который имеет несколько вариантов использования, включая чтение/запись тегов, методы вызова и отправку событий/сигналов тревоги
• OPC UA PubSub (часть 14) определяет новый подход с архитектурой публикации и подписки, обеспечивающий связь «один ко многим» (многоадресная трансляция), а также подключение к облаку через MQTT
• OPC UA Safety (часть 15) определяет независимый от производителя способ обмена данными о машинах, связанными с безопасностью, через клиент/сервер или PubSub

Таким образом, клиент OPC UA инициирует связь и запрашивает данные или услуги, в то время как сервер OPC UA отвечает на запросы клиента и предоставляет необходимую информацию или функциональность.

Клиент OPC UA:

• Клиент может представлять собой программное приложение, работающее на компьютере, человеко-машинный интерфейс (HMI), систему диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) или любое другое устройство или систему, которым требуется доступ к данным с сервера OPC UA.

Сервер OPC UA:

• Сервер обычно представляет собой устройство, контроллер или программное приложение, владеющее данными или функциями, к которым клиенты хотят получить доступ.
• Сервер предоставляет свои данные и услуги через стандартизированный интерфейс OPC UA, позволяющий клиентам читать, записывать и подписываться на доступную информацию.
• Сервер отвечает за управление подключениями клиентов, обеспечение безопасности и обеспечение целостности и доступности предоставляемых им данных.

Ниже приведены несколько примеров из портфеля продуктов Siemens:

• Контроллеры Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500) могут выступать в роли сервера или клиента OPC UA, обеспечивая доступ к технологическим данным и диагностике.
• Устройства Siemens SIMATIC HMI (например, панели Unified Comfort Panels, Mobile Panels) можно настроить в качестве серверов или клиентов OPC UA.
• Приводы Siemens SINAMICS и контроллеры движения SIMOTION также можно настроить в качестве серверов OPC UA.
• Системы Siemens SCADA, такие как SIMATIC WinCC или OA, обеспечивают функциональность сервера или клиента OPC UA.
• Инженерное программное обеспечение Siemens, такое как TIA Portal, может использовать возможности клиента OPC UA для интеграции данных с различных серверов OPC UA.
• Бесплатный инструмент Siemens OPC UA Modeling Editor (SioME) помогает создавать собственные информационные модели OPC UA или сопоставлять существующие сопутствующие спецификации.

Кроме того, Siemens предлагает специальные продукты OPC UA, такие как SIMATIC NET OPC UA Server, который представляет собой автономное серверное решение OPC UA для интеграции устаревших устройств и систем в современные архитектуры на основе OPC UA.

OPC UA FX — это специализированный коммуникационный профиль в рамках платформы OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), специально разработанный для удовлетворения сложных коммуникационных требований и компонентов автоматизации в современных промышленных системах управления.

Ключевые разработки:

• Концептуализация началась в 2018 году
• Официальный стандарт OPC UA FX от контроллера к контроллеру (C2C) был официально выпущен в 2022 году

Техническая архитектура:

Стандарт OPC UA FX от контроллера к контроллеру (C2C) объединяет несколько передовых технологий OPC UA для обеспечения беспрепятственного взаимодействия между контроллерами автоматизации (PLC).

• Функциональность сервера/клиента предоставляет информационную модель для структурирования данных, а также интерфейс проектирования и настройки
• Связь PubSub обеспечивает эффективную связь между несколькими партнерами в реальном времени (связь «один ко многим») через UDP
• Автономный формат файла, указанный для независимой от поставщика интеграции в инженерное программное обеспечение

Основные цели:

• Стандартизация протоколов связи между промышленными контроллерами
• Улучшите совместимость между различными платформами автоматизации
• Повышение эффективности и надежности обмена данными в сложных промышленных сетях

Потенциальные приложения:

• Автоматизация производства
• Process control systems
• Внедрение промышленного Интернета вещей (Интернета вещей)
• Коммуникация между машинами на интеллектуальных фабриках

В целом текущее состояние OPC UA FX можно охарактеризовать как незавершенную работу. Несмотря на то, что спецификация уже разработана, а отрасль активно участвует в ней, широкое внедрение и внедрение продуктов с поддержкой OPC UA FX все еще находится на ранней стадии.

Разработка спецификации:

• Стандартизация связи между контроллерами и контроллерами (C2C) завершена
• Последняя версия спецификации OPC UA FX — 1.00.02, выпущенная в 2024 году.
• Спецификация OPC UA FX активно разрабатывается и дорабатывается OPC Foundation, организацией, отвечающей за стандарты OPC UA.

Принятие и внедрение:

• Внедрение и внедрение OPC UA FX поставщиками средств автоматизации все еще находятся на ранней стадии.
• Хотя некоторые крупные компании по автоматизации, такие как Siemens, выразили поддержку OPC UA FX, доступность продуктов с поддержкой OPC UA FX в настоящее время ограничена.

Принятие и осведомленность отрасли:

• Осведомленность и понимание OPC UA FX в сообществе промышленной автоматизации постепенно растут.
• Однако широкое внедрение и признание OPC UA FX все еще продолжается, поскольку отрасль переходит от проприетарных коммуникационных протоколов к независимым от поставщиков решениям OPC UA.

Развитие экосистемы:

• Фонд OPC и входящие в него компании активно работают над созданием экосистемы на основе OPC UA FX.
• Сюда входит разработка инструментов, руководств и ресурсов для поддержки внедрения и интеграции систем на базе OPC UA FX, а также программа сертификации продуктов FX.

Siemens является сторонником OPC UA и OPC UA FX и была одной из первых компаний инициативы FLC (коммуникация на уровне поля), в рамках которой был определен стандарт OPC UA FX.

Компания Siemens совместно с другими поставщиками приняла участие в пробном тестировании концепции, чтобы продемонстрировать удобство использования и осуществимость концепции «контроллер — контроллер — контроллер» (C2C). Можно найти информацию об этой рабочей группе/plugfest здесь.

PROFINET по-прежнему остается основным решением Siemens, обеспечивая проверенную в отрасли и надежную производительность связи для промышленных сетей вплоть до iOS полевого уровня.

Siemens по-прежнему готова принять участие в проекте Controller-to-Device (C2D), который только недавно вступил в стадию разработки, и для его детализации и проверки с помощью рабочих прототипов потребуется больше времени. Внедрение C2D в продукты Siemens будет зависеть от развития рынка и технологической зрелости.

ДЕСЯТЬ:

TSN означает сети, чувствительные ко времени. Это набор различных стандартов для передачи данных в сетях Ethernet. В настоящее время эти стандарты определяются организацией по стандартизации связи на основе Ethernet IEEE 802.1.

TSN также состоит из ряда отдельных стандартов, которые в основном расширяют уровень канала передачи данных (уровень 2 модели ISO-OSI) системы связи. Таким образом, TSN — это не полноценный протокол связи, а базовая технология, которую могут использовать приложения более высокого уровня.

ОПЦИЯ И ИСПРАВЛЕНИЕ:

Текущая спецификация OPC UA FX для связи между контроллерами (C2C) использует протокол пользовательских дейтаграмм (UDP) для передачи пакетов данных по сети.

Таким образом, OPC UA FX можно использовать с современными стандартными сетевыми установками Ethernet для обеспечения высокопроизводительного обмена данными.

Однако с расширением TSN в сфере автоматизации производства все приложения OPC UA FX для C2C смогут использовать аппаратное обеспечение TSN и воспользоваться механизмами TSN и преимуществами сети TSN:

• Качество обслуживания (QoS), включая резервирование полосы пропускания
• Синхронизация
• Низкие задержки
• Беспрепятственное резервирование

OPC UA — это стандарт промышленной совместимости THE, который предлагает множество преимуществ для промышленности, таких как:

• Независимость от платформы — от встроенных микроконтроллеров до облачной инфраструктуры
• Интегрированная безопасность — шифрование, аутентификация и мониторинг
• Комплексное информационное моделирование — определение сложной информации (например, сопутствующих спецификаций, таких как PackML)
• Функциональная безопасность — на основе проверенных механизмов ProfiSafe

Да, потому что OPC UA имеет свои сильные стороны в вертикальной связи и объединении машин в сеть на уровне управления, в то время как PROFINET отвечает всем требованиям в этой области. Вот почему стратегия Siemens остается прежней:

• Уровень управления и выше = OPC UA, также возможно в режиме Safety
• Полевой уровень = PROFINET