OPC UA — Strukturirani podatki do oblaka

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) je industrijski komunikacijski protokol in okvir za OT, IT in oblačno integracijo naprav in strojev v industrijskem okolju.

Ključne značilnosti OPC UA vključujejo:

• Neodvisnost platforme
• Varna izmenjava podatkov
• Prilagodljivost od vgrajenih naprav do poslovnih sistemov
• Enotni informacijski modeli za različna industrijska področja

OPC UA se pogosto uporablja v industrijski avtomatizaciji, proizvodnji, energetiki in drugih sektorjih za omogočanje interoperabilnosti in integracije med različnimi sistemi in komponentami.

OPC UA je doživel več razvojev, specifikacija pa je naraščala korak za korakom:

• Odjemalec/strežnik OPC UA definira pristop zahteve/odziva, ki ima več primerov uporabe, vključno z branjem/pisanjem oznak, metodami klicanja in pošiljanjem dogodkov/alarmov
• OPC UA PubSub (14. del) opredeljuje nov pristop z arhitekturo Publish and Subscribe - omogoča komunikacijo med seboj proti številnim (Multi-Cast) in povezljivost v oblaku prek MQTT
• OPC UA Safety (15. del) opredeljuje od prodajalca neodvisen način izmenjave strojnih podatkov, povezanih z varnostjo, prek odjemalca/strežnika ali PubSub

Če povzamemo, odjemalec OPC UA sproži komunikacijo in zahteva podatke ali storitve, medtem ko se strežnik OPC UA odzove na zahteve stranke in zagotavlja potrebne informacije ali funkcionalnost.

Naročnik OPC UA:

• Odjemalec je lahko programska aplikacija, ki deluje na računalniku, vmesnik človek-stroj (HMI), sistem nadzornega nadzora in zbiranja podatkov (SCADA) ali katera koli druga naprava ali sistem, ki potrebuje dostop do podatkov s strežnika OPC UA.

OPC UA strežnik:

• Strežnik je običajno naprava, krmilnik ali programska aplikacija, ki ima v lasti podatke ali funkcije, do katerih želijo odjemalci dostopati.
• Strežnik svoje podatke in storitve izpostavlja prek standardiziranega vmesnika OPC UA, ki strankam omogoča branje, pisanje in naročanje na razpoložljive informacije.
• Strežnik je odgovoren za upravljanje povezav s strankami, upravljanje varnosti ter zagotavljanje celovitosti in razpoložljivosti podatkov, ki jih zagotavlja.

V nadaljevanju je navedenih nekaj primerov iz Siemensovega portfelja izdelkov:

• Siemens SIMATIC krmilniki (S7-1200, S7-1500) lahko delujejo kot strežnik ali odjemalec OPC UA in zagotavljajo dostop do njihovih procesnih podatkov in diagnostike.
• Naprave Siemens SIMATIC HMI (npr. Unified Comfort Panels, Mobilne plošče) lahko konfigurirate kot strežnike ali odjemalce OPC UA.
• Pogone Siemens SINAMICS in krmilnike gibanja SIMOTION lahko nastavite tudi kot strežnike OPC UA.
• Sistemi Siemens SCADA, kot sta SIMATIC WinCC ali OA, zagotavljajo funkcionalnost strežnika ali odjemalca OPC UA.
• Siemensova inženirska programska oprema, kot je TIA Portal, lahko uporablja zmogljivosti odjemalcev OPC UA za integracijo podatkov iz različnih strežnikov OPC UA.
• Brezplačno orodje Siemens OPC UA Modeling Editor (SioMe) vam pomaga ustvariti lastne informacijske modele OPC UA ali preslikati obstoječe spremljevalne specifikacije.

Poleg tega Siemens ponuja posebne izdelke OPC UA, kot je strežnik SIMATIC NET OPC UA, ki ponuja samostojno strežniško rešitev OPC UA za integracijo starejših naprav in sistemov v sodobne arhitekture, ki temeljijo na OPC UA.

OPC UA FX je specializiran komunikacijski profil v okviru OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), posebej zasnovan za reševanje zapletenih komunikacijskih zahtev in komponent avtomatizacije v sodobnih industrijskih krmilnih sistemih.

Ključni razvoj dogodkov:

• Konceptualizacija se je začela leta 2018
• Uradni standard OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) je bil uradno objavljen leta 2022

Tehnična arhitektura:

Standard OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) vključuje več naprednih OPC UA tehnologij, ki omogočajo brezhibno medsebojno povezljivost med krmilniki avtomatizacije (PLC).

• Funkcionalnost strežnika/odjemalca zagotavlja informacijski model za strukturiranje podatkov ter inženirski in konfiguracijski vmesnik
• PubSub komunikacija omogoča učinkovito komunikacijo v realnem času med več partnerji (komunikacija ena do mnogih) prek UDP
• Oblika datoteke brez povezave, določena za integracijo, neodvisno od prodajalca v inženirsko programsko opremo

Temeljni cilji:

• Standardizacija komunikacijskih protokolov med industrijskimi krmilniki
• Izboljšanje interoperabilnosti na različnih platformah za avtomatizacijo
• Izboljšanje učinkovitosti in zanesljivosti izmenjave podatkov v kompleksnih industrijskih omrežjih

Potencialne aplikacije:

• Avtomatizacija proizvodnje
• Process control systems
• Izvedbe industrijskih IoT (Internet of Things)
• Komunikacija med strojem v pametnih tovarnah

Na splošno je trenutno stanje OPC UA FX mogoče označiti kot delo v teku. Čeprav je specifikacija zrela in je industrija aktivno vključena, je široko sprejemanje in izvajanje izdelkov, ki podpirajo OPC UA FX, še vedno v zgodnjih fazah.

Razvoj specifikacij:

• Standardizacija komunikacije od krmilnika do krmilnika (C2C) je končana
• Najnovejša različica specifikacije OPC UA FX je 1.00.02, ki je izšla leta 2024.
• Specifikacijo OPC UA FX aktivno razvija in izpopolnjuje fundacija OPC, organizacija, odgovorna za standarde OPC UA.

Sprejetje in izvajanje:

• Sprejetje in izvajanje OPC UA FX s strani prodajalcev avtomatizacije je še vedno v zgodnji fazi.
• Medtem ko so nekatera velika podjetja za avtomatizacijo, kot je Siemens, izrazila podporo OPC UA FX, je razpoložljivost izdelkov, ki podpirajo OPC UA FX, trenutno omejena.

Sprejemanje in ozaveščenost v industriji:

• Zavedanje in razumevanje OPC UA FX znotraj skupnosti industrijske avtomatizacije se postopoma povečuje.
• Vendar pa široko sprejemanje in sprejemanje OPC UA FX še vedno poteka, saj industrija prehaja iz propitarnih komunikacijskih protokolov na rešitve OPC UA, ki niso odvisne od prodajalcev.

Razvoj ekosistema:

• Fundacija OPC in njene družbe članice si aktivno prizadevajo za izgradnjo ecosystem okoli OPC UA FX.
• To vključuje razvoj orodij, smernic in virov za podporo izvajanju in integraciji sistemov, ki temeljijo na OPC UA FX, ter certifikacijski program za FX izdelke.

Siemens je zagovornik OPC UA in OPC UA FX in je bila ena izmed začetnih podjetij pobude FLC (Field-Level Communication), ki je določila standard OPC UA FX.

Siemens je skupaj z drugimi prodajalci sodeloval na proof-of-concept plugfestu, da bi predstavil uporabnost in izvedljivost koncepta Controller-to-Controller (C2C). Vpogledi v to delovno skupino/plugfest najdete tukaj.

PROFINET je še naprej primarna rešitev Siemensa, ki zagotavlja industrijsko dokazano in robustno komunikacijsko zmogljivost za industrijska omrežja vse do iOS-a na terenu.

Siemens ostaja odprt za projekt Controller-to-Device (C2D), ki je šele pred kratkim vstopil v fazo koncepta in bo potreboval več časa, da bo podrobno opisan in preverjen z delujočimi prototipi. Implementacija C2D v Siemensove izdelke bo odvisna od razvoja trga in tehnološke zrelosti.

TSN:

TSN pomeni časovno občutljivo mreženje. Gre za niz različnih standardov za prenos podatkov v omrežjih Ethernet. Te standarde trenutno opredeljuje organizacija za standardizacijo za komunikacijo, ki temelji na Ethernetu, IEEE 802.1.

TSN je sestavljen tudi iz vrste posameznih standardov, ki večinoma širijo sloj podatkovne povezave (sloj 2 modela ISO-OSI) komunikacijskega sistema. TSN torej ni popoln komunikacijski protokol, temveč osnovna tehnologija, ki jo lahko uporabljajo aplikacije višje ravni.

OPC FX:

Trenutna specifikacija OPC UA FX za komunikacijo od krmilnika do krmilnika (C2C) temelji na protokolu User Datagram Protocol (UDP) za prenos podatkovnih paketov prek omrežja.

Zato je OPC UA FX mogoče uporabiti z današnjimi standardnimi omrežnimi instalacijami ethernet za doseganje visoko zmogljive izmenjave podatkov.

Vendar bodo z razširitvijo TSN v avtomatizaciji tovarn vse aplikacije OPC UA FX za C2C lahko uporabljale strojno opremo TSN in izkoristile mehanizme TSN in prednosti omrežja TSN:

• Kakovost storitve (QoS), vključno z rezervacijo pasovne širine
• Sinhronizacija
• Nizke zakasnitve
• Brezhibna odvečnost

OPC UA je standard industrijske interoperabilnosti in ponuja številne prednosti za industrijo, kot so:

• Neodvisnost platforme — od vgrajenih mikrokrmilnikov do infrastrukture v oblaku
• Integrirana varnost — šifriranje, preverjanje pristnosti in spremljanje
• Celovito modeliranje informacij - opredelitev zapletenih informacij (kot so spremljevalne specifikacije, kot je PackML)
• Funkcionalna varnost — temelji na dokazanih mehanizmih ProfiSafe

Da, ker ima OPC UA svoje prednosti v vertikalni komunikaciji in mreženju strojev na ravni nadzora, medtem ko PROFINET izpolnjuje vse zahteve na tem področju. Zato strategija pri Siemensu ostaja enaka:

• Nadzorna raven in več = OPC UA, možno tudi z varnostjo
• Raven polja = PROFINET