OPC UA — Структуровані дані аж до хмари

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) - промисловий комунікаційний протокол та фреймворк для OT, ІТ та хмарної інтеграції пристроїв та машин у промисловому середовищі.

Основні характеристики OPC UA включають:

• Незалежність платформи
• Безпечний обмін даними
• Масштабованість від вбудованих пристроїв до корпоративних систем
• Уніфіковані інформаційні моделі для різних галузей промисловості

OPC UA широко використовується в промисловій автоматизації, виробництві, енергетиці та інших секторах, щоб забезпечити взаємодію та інтеграцію між різними системами та компонентами.

OPC UA зазнав декількох еволюцій, і специфікація зростала крок за кроком:

• Клієнт/сервер OPC UA визначає підхід запит/відповіді, який має кілька випадків використання, включаючи читання/запис тегів, методи виклику та надсилання подій/тривог
• OPC UA PubSub (частина 14) визначає новий підхід з архітектурою Publish and Subscribe - що забезпечує спілкування один до багатьох (Multi-cast), а також хмарне підключення через MQTT
• OPC UA Safety (частина 15) визначає незалежний від постачальника спосіб обміну даними машини, пов'язаних з безпекою, через клієнт/сервер або PubSub

Підсумовуючи, клієнт OPC UA ініціює зв'язок та запитує дані або послуги, тоді як сервер OPC UA відповідає на запити клієнта та надає необхідну інформацію або функціонал.

Клієнт OPC UA:

• Клієнтом може бути програмний додаток, що працює на комп'ютері, інтерфейсі людина-машина (HMI), система наглядового контролю та збору даних (SCADA) або будь-який інший пристрій або система, яка потребує доступу до даних з сервера OPC UA.

Сервер OPC UA:

• Сервер, як правило, є пристроєм, контролером або програмним додатком, який володіє даними або функціями, до яких клієнти хочуть отримати доступ.
• Сервер розкриває свої дані та послуги через стандартизований інтерфейс OPC UA, що дозволяє клієнтам читати, писати та підписуватися на доступну інформацію.
• Сервер відповідає за управління клієнтськими підключеннями, обробку безпеки та забезпечення цілісності та доступності даних, які він надає.

Нижче наведено кілька прикладів з асортименту продуктів Siemens:

• Контролери Siemens SIMATIC (S7-1200, S7-1500) можуть виступати в якості сервера або клієнта OPC UA, забезпечуючи доступ до їх технологічних даних і діагностику.
• Пристрої Siemens SIMATIC HMI (наприклад, Unified Comfort Panels, Mobile Panels) можуть бути налаштовані як сервери OPC UA або клієнти.
• Приводи Siemens SINAMICS і контролери руху SIMOTION також можуть бути налаштовані як сервери OPC UA.
• Системи SCADA Siemens, такі як SIMATIC WinCC або OA, забезпечують функціональність сервера або клієнта OPC UA.
• Інженерне програмне забезпечення Siemens, як-от TIA Portal, може використовувати можливості клієнта OPC UA для інтеграції даних з різних серверів OPC UA.
• Безкоштовний інструмент Siemens OPC UA Modeling Editor (SIOMe) допоможе вам створити власні інформаційні моделі OPC UA або скласти карту існуючих супутніх специфікацій.

Крім того, Siemens пропонує специфічні продукти OPC UA, такі як сервер SIMATIC NET OPC UA, який забезпечує автономне серверне рішення OPC UA для інтеграції застарілих пристроїв та систем у сучасні архітектури на базі OPC UA.

OPC UA FX - це спеціалізований комунікаційний профіль у рамках OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), спеціально розроблений для вирішення складних вимог зв'язку та компонентів автоматизації сучасних промислових систем управління.

Ключові розробки:

• Концептуалізація розпочалася в 2018 році
• Офіційний стандарт контролера-контролер OPC UA FX (C2C) був офіційно випущений у 2022 році

Технічна архітектура:

Стандарт OPC UA FX контролер-контролер (C2C) інтегрує кілька передових технологій OPC UA для забезпечення безперебійного взаємозв'язку між контролерами автоматизації (PLC).

• Функціональність сервера/клієнт забезпечує інформаційну модель для структурування даних, а також інженерний та конфігураційний інтерфейс
• Зв'язок PubSub дозволяє ефективно спілкуватися в режимі реального часу між кількома партнерами (спілкування один до багатьох) через UDP
• Офлайн-формат файлу, визначений для незалежної від постачальника інтеграції в інженерне програмне забезпечення

Основні цілі:

• Стандартизуйте протоколи зв'язку між промисловими контролерами
• Покращення взаємодії між різними платформами автоматизації
• Підвищення ефективності та надійності обміну даними в складних промислових мережах

Потенційні програми:

• Автоматизація виробництва
• Process control systems
• Індустріальні впровадження IoT (Інтернет речей)
• Зв'язок між машинами на розумних заводах

Загалом, поточний стан OPC UA FX можна охарактеризувати як незавершену роботу. Хоча специфікація зріла, а галузь активно займається, широке впровадження та впровадження продуктів з підтримкою OPC UA FX все ще знаходиться на ранніх стадіях.

Розробка специфікації:

• Стандартизація зв'язку контролер-контролер (C2C) завершена
• Остання версія специфікації OPC UA FX - 1.00.02, яка була випущена в 2024 році.
• Специфікація OPC UA FX активно розробляється та вдосконалюється Фондом OPC, організацією, відповідальною за стандарти OPC UA.

Прийняття та впровадження:

• Прийняття та впровадження OPC UA FX постачальниками автоматизації все ще знаходиться на ранній стадії.
• Хоча деякі великі компанії з автоматизації, такі як Siemens, висловили свою підтримку OPC UA FX, доступність продуктів з підтримкою OPC UA FX наразі обмежена.

Прийняття та обізнаність галузі:

• Поступово зростає обізнаність та розуміння OPC UA FX у спільноті промислової автоматизації.
• Однак широке впровадження та прийняття OPC UA FX все ще триває, оскільки галузь переходить від протоколів пропіетального зв'язку до рішень OPC UA, незалежних від постачальника.

Розвиток екосистеми:

• Фонд OPC та його компанії-члени активно працюють над створенням екосистеми навколо OPC UA FX.
• Це включає розробку інструментів, керівних принципів та ресурсів для підтримки впровадження та інтеграції систем на основі OPC UA FX, а також програми сертифікації продуктів FX.

Компанія «Сіменс» є прихильником OPC UA і OPC UA FX і була однією з перших компаній ініціативи FLC (Field-Level Communication), яка визначила стандарт OPC UA FX.

Компанія Siemens взяла участь у програмі «підтвердження концепції» з іншими постачальниками, щоб продемонструвати зручність використання та доцільність концепції контролер-контролер (C2C). Події щодо цієї робочої групи/plugfest можна знайти тут.

PROFINET продовжує залишатися основним рішенням Siemens, забезпечуючи перевірену в галузі та надійну комунікаційну продуктивність для промислових мереж аж до iOS польового рівня.

Siemens залишається відкритим для проекту Controller-to-Device (C2D), який лише нещодавно вступив у фазу концепції і потребуватиме більше часу для деталізації та перевірки робочими прототипами. Впровадження C2D в продукцію Siemens залежатиме від розвитку ринку та технологічної зрілості.

ТСН:

TSN розшифровується як мережа, чутлива до часу. Являє собою набір різних стандартів передачі даних в мережах Ethernet. Ці стандарти в даний час визначаються організацією стандартизації для зв'язку на основі Ethernet IEEE 802.1.

TSN також складається з серії індивідуальних стандартів, які в основному розширюють рівень зв'язку даних (рівень 2 моделі ISO-OSI) системи зв'язку. Таким чином, TSN не є повним протоколом зв'язку, а скоріше базовою технологією, яку можуть використовувати додатки вищого рівня.

ОПК ФКС:

Поточна специфікація OPC UA FX для зв'язку контролер-контролер (C2C) спирається на протокол користувача Datagram (UDP) для передачі пакетів даних через мережу.

Таким чином, OPC UA FX можна використовувати з сучасними стандартними мережевими установками Ethernet для досягнення високопродуктивного обміну даними.

Однак з розширенням TSN в заводській автоматизації всі додатки OPC UA FX для C2C зможуть використовувати апаратне забезпечення TSN і скористатися механізмами TSN та перевагами мережі TSN:

• Якість обслуговування (QoS), включаючи резервування пропускної здатності
• Синхронізація
• Низькі затримки
• Безшовна резервування

OPC UA є стандартом промислової сумісності і пропонує багато переваг для промисловості, таких як:

• Незалежність платформи — від вбудованих мікроконтролерів до хмарної інфраструктури
• Інтегрована безпека — шифрування, аутентифікація та моніторинг
• Комплексне інформаційне моделювання - визначення складної інформації (наприклад, супутніх специфікацій, таких як PackML)
• Функціональна безпека — заснована на перевірених механізмах ProfiSafe

Так, тому що OPC UA має свої сильні сторони у вертикальному зв'язку та мережі машин на рівні управління, тоді як PROFINET відповідає всім вимогам у галузі. Ось чому стратегія Siemens залишається незмінною:

• Рівень контролю і вище = OPC UA, також можливий з безпекою
• Рівень поля = ПРОФІНЕТ