Wprowadzenie do komunikacji na platformie otwartej (OPC)

Czym jest komunikacja na platformie otwartej?

OPC, czyli komunikacja na platformie otwartej, to standard interoperacyjności, który umożliwia wielu producentom bezpieczną wymianę danych z zakresu automatyki przemysłowej. Definiuje protokół transmisji w czasie rzeczywistym do zarządzania różnymi urządzeniami zakładu — między czujnikami, urządzeniami polowymi, sterownikami i aplikacjami na hali produkcyjnej, a także między systemami OT i IT (Cloud) przedsiębiorstwa.

OPC to protokół komunikacyjny M2M stosowany w branży automatyki przemysłowej. Gdy więcej komponentów systemu automatyki przemysłowej chce się komunikować, realna staje się potrzeba gromadzenia i analizowania informacji z każdego komponentu, rozbijania danych, poprawy efektywności, szybkości reakcji i podejmowanie lepszych decyzji biznesowych. Standard OPC (ang. Object Linking and Embedding for Process Control) jest oparty na technologii OLE, COM oraz DCOM i ma służyć jako pomost dla aplikacji opartych na systemie Windows i sprzętu do sterowania procesami. Serwer OPC konwertuje protokół komunikacyjny sprzętu, jak również każde oprogramowanie, które musi się połączyć ze sprzętem staje się klientem OPC. Instrukcje OPC są wykorzystywane przez klientów i serwery OPC do identyfikowania, wysyłania i kontrolowania poleceń, które są wykonywane w sterowniku lub module I/O.

OPC-UA (ang. Unified Architecture) to standard nowej generacji OPC Foundation, będący aktualizacją oryginalnego standardu interoperacyjności OPC, który odpowiada na potrzeby i nowe wyzwania w zakresie bezpieczeństwa i modelowania danych, zapewniając jednocześnie bogatą w funkcje architekturę otwartej platformy technologicznej, która jest przyszłościowa, skalowalna i rozszerzalna.

OPC-UA oraz IIoT

OPC-UA to ramy robocze architektury zorientowanej na usługi (SOA), które mogą być rozwijane w celu obsługi szerokiej gamy platform, od wbudowanych mikrokontrolerów po infrastrukturę chmury. Ponieważ jest to standard niezależny od platformy i adaptowalny od czujnika do chmury, może być zintegrowany z urządzeniami, co czyni go kompletnym rozwiązaniem dla aplikacji opartych na IoT. Umożliwia to również podmiotom z branży Internetu Rzeczy (IoT) modelowanie danych w oparciu o produkty specyficzne dla danej dziedziny. OPC-UA jest preferowanym protokołem dla przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT), ponieważ posiada wszystkie cechy, które taki protokół powinien mieć. Jest to przemysłowy standard pakowania danych z obrzeży sieci (maszyny w jednostkach przemysłowych, sterowniki PLC, sterowniki pneumatyczne itp.)

OPC i IoT działają na rzecz dla konsumentów z drugiego szeregu, a cele biznesowe obejmują wgląd w produktywność, OEE i jakość, a także platformę umożliwiającą podejmowanie decyzji opartych na danych, co ułatwia tworzenie rozwiązań OPC-UA opartych na technologii IIoT. OPC-UA pozwala na łatwe podłączenie odległych urządzeń do IoT w chmurze lub na obrzeżach sieci, umożliwiając diagnostykę urządzeń, zarządzanie aktywami oraz monitorowanie, raportowanie i inne aplikacje. Zapewnia bezpieczeństwo poprzez szyfrowanie danych, uwierzytelnianie użytkowników i audytowanie operacji. Jego rozwój następuje na bazie klasycznego standardu OPC, dostarczając możliwości na żądanie, możliwość identyfikacji serwerów i innych urządzeń w sieci oraz architekturę przestrzeni adresowej zaprojektowaną do obsługi bardziej zaawansowanych struktur danych.

OPC-UA w stronę automatyki przemysłowej:

Przed opracowaniem OPC każdy producent OEM miał aplikacje, które korzystały z własnych sterowników i przechowywały dane w kompletnych ścieżkach danych. Stworzyło to szereg problemów dla producentów, ponieważ każdy sprzedawca generował swoje własne dane, których nie mogli wykorzystać do generowania raportów. Do tworzenia raportów musieli opracować unikalne rozwiązania od różnych dostawców. Ponieważ dane były zamknięte w ekskluzywnym formacie, tylko kilka kombinacji było możliwych. Dane były przechowywane w różnych modelach sterowników PLC, interfejsach HMI, maszynach CNC, ERP itd. Ponadto za każdym razem, gdy dodawano nowy system, zakłady miały problem z modyfikacją zarządzania. Zamiast opracowywać nowy produkt w celu uregulowania technologii bez wyłącznego formatu i ułatwienia powszechnej łączności, utworzono OPC jako rozwiązanie tych problemów. Przestrzeń nazw jest tworzona, gdy serwer OPC opisuje grupę zmiennych w ramach hierarchii przypominającej drzewo katalogowe. Każda zmienna ma różne typy danych, takie jak liczba całkowita, wartość boolowska, wartość rzeczywista, ciąg znaków i wartość domyślna. Do połączenia jednego lub więcej klientów OPC z serwerem OPC wykorzystywany jest protokół binarny oparty na TCP.

Zunifikowana architektura OPC (UA) została opisana i jest testowana oraz wdrażana w ramach programu wczesnych użytkowników. Może być zaimplementowana w środowiskach Java, Microsoft.NET lub C, eliminując konieczność posiadania przez poprzednie wersje OPC platformy opartej na Microsoft-Windows. Aby zapewnić wyższy poziom wsparcia MES i ERP, UA łączy możliwości obecnych interfejsów OPC z nowymi technologiami, takimi jak XML i usługi sieciowe.

Platforma Przemysłu 4.0 dokładnie zbadała OPC-UA i zatwierdziła ją jako kluczową technologię do wdrożenia „warstwy komunikacyjnej referencyjnego modelu architektury Przemysłu 4.0” (RAMI4.0). Protokół OPC-UA jest standaryzowany jako część serii IEC 62541. Należy zaznaczyć, że specyfikacja OPC-UA jest najnowszą, która nie jest oparta na technologii Microsoft COM, a więc umożliwia kompatybilność międzyplatformową.

Przedstawiony na poprzednim rysunku paradygmat OPC-UA opisuje sposób dostępu klientów do informacji na serwerze. Warstwa OPC-UA zawiera szczegółowy język opisu, a także usługi komunikacyjne wymagane dla modeli informacyjnych. Systemy te wyróżniają się wielkością, wydajnością, platformami oraz cechami funkcjonalnymi, takimi jak klient–serwer czy PubSub.

Rysunek: Model warstwy OPC-UA (odnośnik źródłowy: opcfounadation.org)

OPC-UA może być zintegrowany z istniejącymi sieciami przemysłowego Ethernetu i działać na istniejącej infrastrukturze PROFINET bez utraty jakości. Celem OPC-UA jest rozszerzenie interoperacyjności na aplikacje urządzeń i przedsiębiorstw, a niedawno wprowadzono publikację/subskrypcję do oryginalnej infrastruktury komunikacyjnej klient/serwer. Specyfikacja ma na celu także eliminację konieczności stosowania samodzielnego komputera z systemem Windows, umożliwiając integrację serwera z urządzeniem brzegowym.

Standardy OPC stosowane w systemach automatyki przemysłowej

Celem było wyabstrahowanie protokołów komunikacyjnych sterowników PLC, które są małymi komputerami specjalnego przeznaczenia, szeroko stosowanymi w automatyce przemysłowej. Poprzez wyabstrahowanie tych różnych protokołów powstał znormalizowany interfejs, który służył jako rodzaj pośrednika konwertującego żądania odczytu/zapisu pomiędzy oprogramowaniem HMI, które pracownicy wykorzystują do sterowania maszynami za pomocą sterowników PLC, a SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition), popularną architekturą komputerową do sterowania procesami przemysłowymi.

Technologia OPC obejmuje szereg standardów (OPC DA, OPC HAD, OPC AE, OPC Batch, OPC DX, OPC Security, OPC XML-DA, OPC Complex Data, OPC Commands oraz OPC UA), które opisują określony zestaw funkcjonalności. Najbardziej rozpowszechnionym standardem jest OPC DA (Data Access), który definiuje zbiór funkcji do wymiany danych w czasie rzeczywistym ze sterownikami PLC, DCS, HMI, CNC i innymi urządzeniami. Moduł OPC HDA (Historical Data Retrieve) umożliwia dostęp do wcześniej zarejestrowanych danych i historii. Inny standard, OPC AE (Alarms & Situations), zapewnia funkcje powiadamiania na żądanie o różnych zdarzeniach, w tym nagłych wypadkach, działaniach operatora, komunikatach informacyjnych i innych. OPC Batch kontroluje proces techniczny na poziomie kroku i receptury. Funkcja OPC DX (Data Interchange) zarządza wymianą danych pomiędzy serwerami OPC poprzez sieć Ethernet. Podstawowym celem tego standardu jest budowa bramek wymiany danych pomiędzy urządzeniami i aplikacjami różnych producentów. Funkcje organizowania uprawnień dostępu klienta do danych serwera OPC są zdefiniowane przez standard OPC Security. Standard OPC XML-DA (XML-Data Access) jest uniwersalnym, opartym na regułach formatem przesyłania danych poprzez XML, SOAP i HTTP. OPC Complex Data to zbiór uzupełniających specyfikacji OPC DA i XML-DA, które umożliwiają serwerom komunikację ze złożonymi typami danych, takimi jak struktury binarne i dokumenty XML. Polecenia OPC to zbiór interfejsów programistycznych, które umożliwiają klientom i serwerom OPC identyfikację, wysyłanie i sterowanie poleceniami wykonywanymi w sterowniku lub module I/O. OPC DA jest najczęściej stosowanym standardem, jednak posiada istotną wadę. W momencie tworzenia opierał się na nowoczesnych wówczas technologiach Windows, takich jak OLE, ActiveX i COM/DCOM, ale branża się zmieniła i inne systemy operacyjne oraz technologie zyskały na znaczeniu.

Przypadki użycia OPC

Płynna wymiana danych poprzez OPC-UA

Inteligencja przenosi się z systemów kontroli nadzorczej na komponenty lokalne, ponieważ przemysł zmierza w kierunku integracji poziomej i pionowej. Wzrost ten powoduje kolejny wzrost zapotrzebowania na komunikację, dla której odpowiednim rozwiązaniem jest otwarty standard OPC-UA, który może być stosowany również w urządzeniach wbudowanych. Wbudowany OPC-UA to brama serwerowa, która łączy świat sterowania i IT, zapewniając dostęp do danych procesowych, produkcyjnych i jakościowych w wielu różnych typach sterowników.

Zarządzanie wodą za pomocą inteligentnych urządzeń wyposażonych w OPC-UA

Zdecentralizowane, samodzielne sterowniki wbudowane mogą współpracować ze sobą w celu stworzenia inteligentnej sieci sterującej instalacjami wody pitnej i ścieków. OPC-UA jest odpowiednim rozwiązaniem do ustanowienia bezpiecznej i ustandaryzowanej komunikacji M2M w tych zakładach. OPC-UA jest wykorzystywany między zakładami do komunikacji M2M lub w technologii IoT do inteligentnego łączenia w sieć zdecentralizowanych, autonomicznie funkcjonujących i bardzo małych kontrolerów wbudowanych. Ponieważ sterownik posiada serwer OPC-UA, obiekty te są natychmiast wystawione na zewnątrz jako wyrafinowane struktury danych umożliwiające semantyczną interoperacyjność. W efekcie powstaje zdecentralizowana inteligencja, zdolna do podejmowania niezależnych decyzji i przekazywania informacji do sąsiednich systemów.

Dostępnych jest wiele zestawów narzędzi OPC, oprogramowania i modułów firmowych służących do wykonywania projektów, rozwoju, a także projektów do komunikacji na platformie otwartej (OPC). Farnell współpracuje z dostawcami oferującymi szeroki zakres komponentów przemysłowych OPC, takich jak OPC, zestaw narzędzi OPC, akcesoria do kontrolerów procesów, interfejsy przetwornic, zestawy startowe i oprogramowanie, sterowniki PLCoraz komputery przemysłowe.