OPC UA — Strukturerad data upp till molnet

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) är ett industriellt kommunikationsprotokoll och ramverk för OT, IT och molnintegration av enheter och maskiner i den industriella miljön.

Viktiga funktioner i OPC UA inkluderar:

• Plattformsoberoende
• Säkert datautbyte
• Skalbarhet från inbyggda enheter till företagssystem
• Enhetliga informationsmodeller för olika industriområden

OPC UA används ofta inom industriell automation, tillverkning, energi och andra sektorer för att möjliggöra interoperabilitet och integration mellan olika system och komponenter.

OPC UA har genomgått flera utvecklingar, och specifikationen har vuxit steg för steg:

• OPC UA Client/Server definierar en förfrågan/svarsmetod som har flera användningsfall inklusive läsning/skrivning av taggar, anropsmetoder och sändning av händelser/larm
• OPC UA PubSub (del 14) definierar ett nytt tillvägagångssätt med en Publish and Subscribe-arkitektur - möjliggör en-till-många-kommunikation (Multi-Cast) samt molnanslutning via MQTT
• OPC UA Safety (del 15) definierar ett leverantörsoberoende sätt att utbyta säkerhetsrelaterade maskindata via klient/server eller PubSub

Sammanfattningsvis initierar OPC UA-klienten kommunikationen och begär data eller tjänster, medan OPC UA-servern svarar på kundens önskemål och tillhandahåller nödvändig information eller funktionalitet.

OPC UA-klient:

• Klienten kan vara ett program som körs på en dator, ett människa-maskingränssnitt (HMI), ett övervakande kontroll- och datainsamlingssystem (SCADA) eller någon annan enhet eller system som behöver komma åt data från OPC UA-servern.

OPC UA-server:

• Servern är vanligtvis en enhet, styrenhet eller programvara som äger de data eller funktioner som klienterna vill komma åt.
• Servern exponerar sina data och tjänster genom ett standardiserat OPC UA-gränssnitt, så att klienter kan läsa, skriva och prenumerera på tillgänglig information.
• Servern ansvarar för att hantera klientanslutningar, hantera säkerhet och säkerställa integriteten och tillgängligheten för de data som den tillhandahåller.

Nedan listas några exempel från Siemens produktportfölj:

• Siemens SIMATIC styrenheter (S7-1200, S7-1500) kan fungera som OPC UA-server eller klient, vilket ger åtkomst till deras processdata och diagnostik.
• Siemens SIMATIC HMI-enheter (t.ex. Unified Comfort Panels, Mobile Panels) kan konfigureras som OPC UA-servrar eller klienter.
• Siemens SINAMICS-enheter och SIMOTION rörelsekontroller kan också ställas in som OPC UA-servrar.
• Siemens SCADA-system, som SIMATIC WinCC eller OA, tillhandahåller OPC UA-server- eller klientfunktionalitet.
• Siemens ingenjörsprogramvara, som TIA Portal, kan använda OPC UA-klientfunktioner för att integrera data från olika OPC UA-servrar.
• Det kostnadsfria verktyget Siemens OPC UA Modeling Editor (SIOMe) hjälper dig att skapa dina egna OPC UA-informationsmodeller eller kartlägga befintliga kompletterande specifikationer.

Dessutom erbjuder Siemens specifika OPC UA-produkter, till exempel SIMATIC NET OPC UA Server, som tillhandahåller en fristående OPC UA-serverlösning för att integrera äldre enheter och system i moderna OPC UA-baserade arkitekturer.

OPC UA FX är en specialiserad kommunikationsprofil inom ramverket OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), speciellt konstruerad för att hantera komplexa kommunikationskrav och automationskomponenter i moderna industriella styrsystem.

Viktiga utvecklingar:

• Konceptualiseringen började 2018
• Officiell OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard släpptes formellt 2022

Teknisk arkitektur:

OPC UA FX Controller-to-Controller (C2C) Standard integrerar flera avancerade OPC UA-tekniker för att möjliggöra sömlös sammankoppling mellan automationsstyrenheter (PLC).

• Server/klientfunktionalitet ger en informationsmodell för att strukturera data samt ett ingenjörs- och konfigurationsgränssnitt
• PubSub-kommunikation möjliggör effektiv kommunikation i realtid mellan flera partners (en-till-många kommunikation) via UDP
• Offline-filformat specificerat för leverantörsoberoende integration i ingenjörsmjukvara

Kärnmål:

• Standardisera kommunikationsprotokoll mellan industriella styrenheter
• Förbättra driftskompatibiliteten mellan olika automationsplattformar
• Förbättra effektiviteten och tillförlitligheten för datautbyte i komplexa industriella nätverk

Potentiella tillämpningar:

• Tillverkningsautomation
• Process control systems
• Industriell IoT (Internet of Things) implementeringar
• Maskin-till-maskin-kommunikation i smarta fabriker

Sammantaget kan det nuvarande tillståndet för OPC UA FX karakteriseras som ett pågående arbete. Medan specifikationen är mogen och branschen är aktivt engagerad, är det utbredda antagandet och implementeringen av OPC UA FX-aktiverade produkter fortfarande i ett tidigt skede.

Specifikationsutveckling:

• Standardiseringen för kommunikation mellan styrenhet och styrenhet (C2C) är klar
• Den senaste versionen av OPC UA FX-specifikationen är 1.00.02, som släpptes 2024.
• OPC UA FX-specifikationen utvecklas och förfinas aktivt av OPC Foundation, organisationen som ansvarar för OPC UA-standarderna.

Antagande och genomförande:

• Antagandet och implementeringen av OPC UA FX av automationsleverantörer är fortfarande i ett tidigt skede.
• Medan vissa stora automationsföretag, som Siemens, har uttryckt sitt stöd för OPC UA FX, är tillgången på OPC UA FX-aktiverade produkter för närvarande begränsad.

Branschacceptans och medvetenhet:

• Medvetenheten och förståelsen för OPC UA FX inom den industriella automationsgemenskapen ökar gradvis.
• Det utbredda antagandet och acceptansen av OPC UA FX pågår dock fortfarande, eftersom branschen övergår från propietära kommunikationsprotokoll till leverantörsoberoende OPC UA-lösningar.

Ekosystemutveckling:

• OPC Foundation och dess medlemsföretag arbetar aktivt med att bygga ett ekosystem kring OPC UA FX.
• Detta inkluderar utveckling av verktyg, riktlinjer och resurser för att stödja implementering och integration av OPC UA FX-baserade system samt ett certifieringsprogram för FX-produkter.

Siemens är en anhängare av OPC UA och OPC UA FX och var ett av de första företagen av FLC-initiativet (Field-Level Communication) som specificerade OPC UA FX-standarden.

Siemens deltog i en proof-of-concept plugfest med andra leverantörer för att visa upp användbarheten och genomförbarheten av konceptet Controller-to-Controller (C2C). Insikter om denna arbetsgrupp/plugfest finns här.

PROFINET fortsätter att vara Siemens primära lösning och ger branschbeprövad och robust kommunikationsprestanda för industriella nätverk ner till iOS på fältnivå.

Siemens är fortfarande öppen för projektet Controller-to-Device (C2D), som nyligen har gått in i konceptfasen och kommer att behöva mer tid för att detaljeras och verifieras med fungerande prototyper. C2D-implementeringar i Siemens produkter kommer att bero på marknadsutveckling och teknisk mognad.

TSN:

TSN står för tidskänsligt nätverk. Det är en uppsättning olika standarder för överföring av data i Ethernet-nätverk. Dessa standarder definieras för närvarande av standardiseringsorganisationen för Ethernet-baserad kommunikation IEEE 802.1.

TSN består också av en serie individuella standarder som huvudsakligen utökar datalänkskiktet (lager 2 i ISO-OSI-modellen) i kommunikationssystemet. TSN är alltså inte ett komplett kommunikationsprotokoll utan snarare en grundläggande teknik som kan användas av applikationer på högre nivå.

OPC FX:

Den nuvarande OPC UA FX-specifikationen för kommunikation mellan styrenhet och styrenhet (C2C) bygger på User Datagram Protocol (UDP) för att överföra datapaketen över ett nätverk.
Därför kan OPC UA FX användas med dagens standard Ethernet-nätverksinstallationer för att uppnå ett högpresterande datautbyte.

Men med en expansion av TSN inom fabriksautomation kommer alla OPC UA FX-applikationer för C2C att kunna använda TSN-hårdvara och dra nytta av TSN-mekanismerna och fördelarna med ett TSN-nätverk:

• Kvalitet på tjänsten (QoS), inklusive bandbreddreservation
• Synkronisering
• Låga latenser
• Sömlös redundans

OPC UA är den industriella interoperabilitetsstandarden och erbjuder många fördelar för industrin, till exempel:

• Plattformsoberoende — från inbyggda mikrokontroller till molnbaserad infrastruktur
• Integrerad säkerhet — kryptering, autentisering och övervakning
• Omfattande informationsmodellering - definition av komplex information (som kompletterande specifikationer som PackML)
• Funktionssäkerhet — baserat på beprövade ProfiSafe-mekanismer

Ja, eftersom OPC UA har sina styrkor inom vertikal kommunikation och nätverkande av maskiner på styrnivå, medan PROFINET uppfyller alla krav på fältet. Därför förblir strategin på Siemens densamma:

• Kontrollnivå och högre = OPC UA, även möjligt med säkerhet
• Fältnivå = PROFINET