OPC UA — Štruktúrované dáta až do cloudu

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) je priemyselný komunikačný protokol a rámec pre OT, IT a cloudovú integráciu zariadení a strojov v priemyselnom prostredí.

Medzi kľúčové vlastnosti OPC UA patria:

• Nezávislosť platformy
• Bezpečná výmena dát
• Škálovateľnosť od vstavaných zariadení po podnikové systémy
• Jednotné informačné modely pre rôzne priemyselné oblasti

OPC UA sa široko používa v priemyselnej automatizácii, výrobe, energetike a ďalších odvetviach s cieľom umožniť interoperabilitu a integráciu medzi rôznymi systémami a komponentmi.

OPC UA prešla niekoľkými vývojmi a špecifikácia sa postupne rozrástla:

• OPC UA Client/Server definuje prístup žiadosti/odpovede, ktorý má niekoľko prípadov použitia vrátane čítania/zapisovania značiek, spôsobov volania a odosielania udalostí a alarmov
• OPC UA PubSub (časť 14) definuje nový prístup s architektúrou Publish and Subscribe — umožňuje komunikáciu typu one-to-many (Multicast), ako aj cloudové pripojenie prostredníctvom MQTT
• OPC UA Safety (časť 15) definuje spôsob výmeny údajov týkajúcich sa bezpečnosti stroja prostredníctvom klienta/servera alebo PubSub nezávislý od dodávateľa

Stručne povedané, klient OPC UA iniciuje komunikáciu a požaduje údaje alebo služby, zatiaľ čo OPC UA server reaguje na požiadavky klienta a poskytuje potrebné informácie alebo funkcie.

Klient OPC UA:

• Klientom môže byť softvérová aplikácia bežiaca na počítači, rozhranie človek-stroj (HMI), systém dozornej kontroly a získavania údajov (SCADA) alebo akékoľvek iné zariadenie alebo systém, ktorý potrebuje prístup k údajom zo servera OPC UA.

OPC UA Server:

• Server je zvyčajne zariadenie, ovládač alebo softvérová aplikácia, ktorá vlastní údaje alebo funkcie, ku ktorým chcú klienti pristupovať.
• Server vystavuje svoje údaje a služby prostredníctvom štandardizovaného rozhrania OPC UA, ktoré umožňuje klientom čítať, písať a prihlásiť sa na odber dostupných informácií.
• Server je zodpovedný za správu klientskych pripojení, manipuláciu s bezpečnosťou a zabezpečenie integrity a dostupnosti údajov, ktoré poskytuje.

Ďalej uvádzame niekoľko príkladov z produktového portfólia spoločnosti Siemens:

• Regulátory Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500) môžu pôsobiť ako OPC UA server alebo klient a poskytujú prístup k ich procesným údajom a diagnostike.
• Zariadenia Siemens SIMATIC HMI (napr. Unified Comfort Panels, Mobile Panels) je možné nakonfigurovať ako OPC UA servery alebo klienty.
• Pohony Siemens SINAMICS a regulátory pohybu SIMOTION je možné nastaviť aj ako servery OPC UA.
• Systémy Siemens SCADA, ako napríklad SIMATIC WinCC alebo OA, poskytujú funkčnosť OPC UA servera alebo klienta.
• Inžiniersky softvér Siemens, ako napríklad TIA Portal, môže využívať možnosti klienta OPC UA na integráciu údajov z rôznych serverov OPC UA.
• Bezplatný nástroj Siemens OPC UA Modeling Editor (SioMe) vám pomôže vytvoriť vlastné informačné modely OPC UA alebo zmapovať existujúce sprievodné špecifikácie.

Okrem toho spoločnosť Siemens ponúka špecifické produkty OPC UA, napríklad SIMATIC NET OPC UA Server, ktorý poskytuje samostatné riešenie OPC UA serverov na integráciu starších zariadení a systémov do moderných architektúr založených na OPC UA.

OPC UA FX je špecializovaný komunikačný profil v rámci OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), špeciálne navrhnutý na riešenie komplexných komunikačných požiadaviek a automatizačných komponentov v moderných priemyselných riadiacich systémoch.

Kľúčový vývoj:

• Konceptualizácia sa začala v roku 2018
• Oficiálny štandard OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) bol formálne vydaný v roku 2022

Technická architektúra:

Štandard OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) integruje viacero pokročilých technológií OPC UA, ktoré umožňujú bezproblémové prepojenie medzi automatizačnými regulátormi (PLC).

• Funkčnosť servera/klienta poskytuje informačný model na štruktúrovanie údajov, ako aj inžinierske a konfiguračné rozhranie
• Komunikácia PubSub umožňuje efektívnu komunikáciu v reálnom čase medzi viacerými partnermi (komunikácia jeden k mnohým) prostredníctvom UDP
• Offline formát súboru určený pre integráciu nezávislú od dodávateľa do inžinierskeho softvéru

Základné ciele:

• Štandardizácia komunikačných protokolov medzi priemyselnými regulátormi
• Zlepšenie interoperability medzi rôznymi automatizačnými platformami
• Zlepšenie efektívnosti a spoľahlivosti výmeny údajov v zložitých priemyselných sieťach

Potenciálne aplikácie:

• Automatizácia výroby
• Process control systems
• Implementácie priemyselných IoT (Internet of Things)
• Komunikácia medzi strojom v inteligentných továrňach

Celkovo možno súčasný stav OPC UA FX charakterizovať ako prebiehajúcu prácu. Aj keď je špecifikácia vyspelá a priemysel je aktívne zapojený, rozšírené prijatie a implementácia produktov s podporou OPC UA FX je stále v počiatočných štádiách.

Vývoj špecifikácie:

• Štandardizácia komunikácie medzi kontrolérom (C2C) je kompletná
• Najnovšia verzia špecifikácie OPC UA FX je 1.00.02, ktorá bola vydaná v roku 2024.
• Špecifikáciu OPC UA FX aktívne vyvíja a zdokonaľuje nadácia OPC, organizácia zodpovedná za štandardy OPC UA.

Prijatie a implementácia:

• Prijatie a implementácia OPC UA FX dodávateľmi automatizácie je stále v počiatočnom štádiu.
• Zatiaľ čo niektoré veľké automatizačné spoločnosti, ako napríklad Siemens, vyjadrili podporu OPC UA FX, dostupnosť produktov s podporou OPC UA FX je v súčasnosti obmedzená.

Prijatie a povedomie o odvetví:

• Povedomie a porozumenie OPC UA FX v komunite priemyselnej automatizácie sa postupne zvyšuje.
• Rozsiahle prijatie a akceptácia OPC UA FX však stále prebieha, pretože priemysel prechádza z propitárnych komunikačných protokolov na riešenia OPC UA neoddeliteľné od dodávateľa.

Vývoj ekosystému:

• Nadácia OPC a jej členské spoločnosti aktívne pracujú na vybudovaní ekosystému okolo OPC UA FX.
• To zahŕňa vývoj nástrojov, usmernení a zdrojov na podporu implementácie a integrácie systémov založených na OPC UA FX, ako aj certifikačný program pre FX produkty.

Siemens je podporovateľom OPC UA a OPC UA FX a bola jednou z počiatočných spoločností iniciatívy FLC (Field-Level Communication), ktorá špecifikovala normu OPC UA FX.

Spoločnosť Siemens sa zúčastnila na plugfeste proof-of-concept s ďalšími dodávateľmi, aby predstavila použiteľnosť a uskutočniteľnosť konceptu Controller-to-Controller (C2C). Pohľady na túto pracovnú skupinu/plugfest nájdete tu.

PROFINET je naďalej primárnym riešením spoločnosti Siemens, ktoré poskytuje priemyselne osvedčený a robustný komunikačný výkon pre priemyselné siete až po iOS na úrovni terénu.

Spoločnosť Siemens zostáva otvorená projektu Controller-to-Device (C2D), ktorý len nedávno vstúpil do koncepčnej fázy a bude potrebovať viac času na podrobnosť a overenie fungujúcimi prototypmi. Implementácia C2D do produktov spoločnosti Siemens bude závisieť od vývoja trhu a technologickej zrelosti.

TSN:

TSN je skratka pre časovo citlivé siete. Je to súbor rôznych štandardov pre prenos dát v sieťach Ethernet. Tieto normy v súčasnosti definuje organizácia pre normalizáciu pre komunikáciu založenú na Ethernet IEEE 802.1.

TSN tiež pozostáva zo série individuálnych štandardov, ktoré rozširujú hlavne vrstvu dátového spojenia (vrstva 2 modelu ISO-OSI) komunikačného systému. TSN teda nie je úplným komunikačným protokolom, ale skôr základnou technológiou, ktorú môžu používať aplikácie vyššej úrovne.

OPC FX:

Súčasná špecifikácia OPC UA FX pre komunikáciu Controller-to-Controller (C2C) sa spolieha na protokol User Datagram Protocol (UDP) na prenos dátových balíkov cez sieť.

Preto je možné OPC UA FX používať s dnešnými štandardnými ethernetovými sieťovými inštaláciami na dosiahnutie vysokovýkonnej výmeny údajov.

Avšak s rozšírením TSN v automatizácii tovární budú všetky aplikácie OPC UA FX pre C2C schopné využívať hardvér TSN a využívať mechanizmy TSN a výhody siete TSN:

• Kvalita služieb (QoS) vrátane rezervácie šírky pásma
• Synchronizácia
• Nízke latencie
• Bezproblémová redundancia

OPC UA je štandardom priemyselnej interoperability a ponúka pre priemysel mnoho výhod, ako napríklad:

• Nezávislosť platformy — od vstavaných mikrokontrolérov až po cloudovú infraštruktúru
• Integrované zabezpečenie — šifrovanie, autentifikácia a monitorovanie
• Komplexné informačné modelovanie — definícia komplexných informácií (napríklad sprievodné špecifikácie ako PackML)
• Funkčná bezpečnosť — založená na osvedčených mechanizmoch ProfiSafe

Áno, pretože OPC UA má svoje silné stránky vo vertikálnej komunikácii a sieťovaní strojov na úrovni riadenia, zatiaľ čo PROFINET spĺňa všetky požiadavky v tejto oblasti. Preto stratégia spoločnosti Siemens zostáva rovnaká:

• Úroveň kontroly a vyššie = OPC UA, možné aj s bezpečnostnou funkciou
• Úroveň poľa = PROFINET