Предыдущая публикация
Протокол связи OPC Unified Architecture (OPC UA)
Open Platform Communications United Architecture (OPC UA) – это стандарт обмена данными, используемый в промышленной автоматизации и связи. OPC UA – это независимый стандарт, не связанный с конкретной системой или производителем, он осуществляет связь посредством связи компьютер-машина или связи машина-машина. Предлагаем статью инженера Энтони Кинг Хо, опубликованную в журнале Control Automation, посвященную истории, структуре и применении протокола OPC UA.
OPC Foundation поставила себе целью разработать единую спецификацию клиент/сервер, которая позволила бы любому поставщику разрабатывать программное обеспечение и приложения, способные обмениваться данными быстрым и надежным способом. И в то же время устранить проприетарные схемы, из-за которых эти поставщики дублировали свои усилия по разработке.
В результате сообщество OPC Foundation разработало первую спецификацию для OPC DA, Data Access Specification 1.0a. Она была выпущена вскоре после этого, в начале 1996 года. Стандарт Data Access Specification определяет, как должны быть построены интерфейсы клиентского и серверного приложений. Используя эту спецификацию, поставщики могли быстро разрабатывать клиентское/серверное программное обеспечение.
Чтобы преодолеть недостатки OPC DA, OPC Foundation разработал OPC UA, который значительно отличался от своего предшественника. Цель состояла в том, чтобы отойти от использования Windows DCOM в основном для лучшего удовлетворения меняющихся потребностей промышленной автоматизации.
Первая спецификация OPC UA была опубликована в 2006 году, а последняя версия, 1.04, была выпущена в ноябре 2017 года, добавив инфраструктуру связи публикации/подписки и новые политики безопасности.
Некоторые из улучшений, которые были введены в OPC UA, включают:
• Открытость – доступен для использования и внедрения любым пользователем по лицензии GPL 2.0;
• Кроссплатформенность – не привязан к одной операционной системе или языку программирования;
• Повышенная безопасность протокола – предоставляет пользователям доступ к аутентификации, авторизации, целостности и конфиденциальности;
• Введение метода, который представляет вызов функции объекта – метод вызывается (вызывается) и возвращается после завершения функции, независимо от того, была ли она успешной или нет;
• Интеграция информационной модели в IEC 62541 – эта спецификация является основой инфраструктуры, необходимой поставщикам для интеграции своей информации и моделирования своих сложных данных в пространстве имен OPC UA. Она использует преимущества богатой сервис-ориентированной архитектуры OPC UA.
История создания OPC UA
В 1994 году группа поставщиков программного и аппаратного обеспечения в секторе промышленной автоматизации и других инженерных дисциплинах сформировала то, что сейчас известно, как OPC Foundation.OPC Foundation поставила себе целью разработать единую спецификацию клиент/сервер, которая позволила бы любому поставщику разрабатывать программное обеспечение и приложения, способные обмениваться данными быстрым и надежным способом. И в то же время устранить проприетарные схемы, из-за которых эти поставщики дублировали свои усилия по разработке.
В результате сообщество OPC Foundation разработало первую спецификацию для OPC DA, Data Access Specification 1.0a. Она была выпущена вскоре после этого, в начале 1996 года. Стандарт Data Access Specification определяет, как должны быть построены интерфейсы клиентского и серверного приложений. Используя эту спецификацию, поставщики могли быстро разрабатывать клиентское/серверное программное обеспечение.
Как работает OPC UA?
Однако, поскольку OPC DA в значительной степени опирается на Windows Distributed Component Object Model (DCOM), многие поставщики признают, что OPC DA не является по-настоящему открытым стандартом, плохо ведет себя в отключенном состоянии, плохо работает с брандмауэрами и работает только в Windows.Чтобы преодолеть недостатки OPC DA, OPC Foundation разработал OPC UA, который значительно отличался от своего предшественника. Цель состояла в том, чтобы отойти от использования Windows DCOM в основном для лучшего удовлетворения меняющихся потребностей промышленной автоматизации.
Первая спецификация OPC UA была опубликована в 2006 году, а последняя версия, 1.04, была выпущена в ноябре 2017 года, добавив инфраструктуру связи публикации/подписки и новые политики безопасности.
Некоторые из улучшений, которые были введены в OPC UA, включают:
• Открытость – доступен для использования и внедрения любым пользователем по лицензии GPL 2.0;
• Кроссплатформенность – не привязан к одной операционной системе или языку программирования;
• Повышенная безопасность протокола – предоставляет пользователям доступ к аутентификации, авторизации, целостности и конфиденциальности;
• Введение метода, который представляет вызов функции объекта – метод вызывается (вызывается) и возвращается после завершения функции, независимо от того, была ли она успешной или нет;
• Интеграция информационной модели в IEC 62541 – эта спецификация является основой инфраструктуры, необходимой поставщикам для интеграции своей информации и моделирования своих сложных данных в пространстве имен OPC UA. Она использует преимущества богатой сервис-ориентированной архитектуры OPC UA.
Структура OPC UA (IEC 62541)
Расширения полей, указанные в инициативе Field Level Communication (FLC), основаны на структуре OPC UA (IEC 62541). Эта структура предоставляет поставщикам независимую платформу, которая обеспечивает безопасный и надежный обмен информацией.Архитектура системы OPC UA FLC
Структура OPC UA поддерживает службы и протоколы клиент/сервер, а также модели и протоколы публикации/подписки (PubSub). OPC UA может работать на выделенных клиент/серверных отношениях. В сценарии PubSub сервер отправляет (публикует) данные в сеть, а клиент (подписавшийся) получает данные.
Важно отметить, что в спецификации OPC UA аутентификация, подписание и шифрование данных в значительной степени подчеркиваются как для моделей клиент/сервер, так и для моделей PubSub.
С информационной моделью OPC UA новые процессы между ПЛК и любым более высоким уровнем, ориентированным на бизнес-ориентированный уровень программного обеспечения, могут быть установлены очень эффективно.
Важно отметить, что в спецификации OPC UA аутентификация, подписание и шифрование данных в значительной степени подчеркиваются как для моделей клиент/сервер, так и для моделей PubSub.
Роль OPC UA в промышленной автоматизации
Помимо того, что OPC UA является протоколом связи между машинами для промышленной автоматизации, он также является идеальным кандидатом для соединения машин и бизнес-сетей. OPC UA не только передает информацию о машинах, такую как заданные значения, измеренные значения и параметры процесса, но также определяет и описывает данные. Это делается с помощью сопоставлений в спецификации OPC UA.С информационной моделью OPC UA новые процессы между ПЛК и любым более высоким уровнем, ориентированным на бизнес-ориентированный уровень программного обеспечения, могут быть установлены очень эффективно.
OPC UA в системе автоматизации
В промышленном процессе заданные значения и управляющие переменные можно легко и централизованно поддерживать, а также контролировать как часть основных данных материалов. Даже информацию, специфичную для заказа клиента, можно напрямую обменивать с ПЛК вместо копирования данных на разных уровнях программного обеспечения.
Кроме того, предоставление данных об измерениях и процессах в качестве улучшения бизнес-документов для комплексной аналитики также является простой задачей, поскольку подключение стандартизировано.
С появлением Industry 4.0 разделение уровней и подход «сверху вниз» к потоку информации начали смешиваться, что означает, что в интеллектуальной сети каждое устройство или служба могут автономно инициировать связь с другими службами.
PLCopen (ассоциация производителей контроллеров на основе IEC 61131-3) сотрудничала с OPC Foundation для определения соответствующих функциональных блоков клиента OPC UA. Она создала способ для PLC обмениваться сложными структурами данных по горизонтали с другими контроллерами или по вертикали через сервер OPC UA в системе управления производством (MES) или планирования ресурсов предприятия (ERP) для получения новых производственных заказов или записи данных в облако. Эти усилия позволили производственной линии работать автономно в сочетании с интегрированной безопасностью OPC UA.
Отрасли по всему миру внедрили вертикальную интеграцию с использованием OPC UA. Каждый компонент в промышленном процессе, такой как контроллер, датчик, робот, камера и измерительное устройство, служит независимым машинным блоком, каждый из которых одновременно служит сервером OPC UA и клиентом OPC UA.
Следовательно, каждый машинный блок может использовать методы, события или точки данных OPC UA, которые публикуют его режимы, атрибуты и функциональные возможности и предлагают себя в качестве услуги.
В 2015 году модель эталонной архитектуры для Industry 4.0 (RAMI 4.0) рекомендовала только стандарт IEC 62541 OPC UA для реализации уровня связи. В результате любой продукт, рекламируемый как «с поддержкой Industry 4.0», должен поддерживать OPC UA – интегрированный или через шлюз.
В модели клиент/сервер обычно используются TCP и HTTPS. В модели PubSub используются UDP, AMQP и MQTT.
Кроме того, предоставление данных об измерениях и процессах в качестве улучшения бизнес-документов для комплексной аналитики также является простой задачей, поскольку подключение стандартизировано.
С появлением Industry 4.0 разделение уровней и подход «сверху вниз» к потоку информации начали смешиваться, что означает, что в интеллектуальной сети каждое устройство или служба могут автономно инициировать связь с другими службами.
PLCopen (ассоциация производителей контроллеров на основе IEC 61131-3) сотрудничала с OPC Foundation для определения соответствующих функциональных блоков клиента OPC UA. Она создала способ для PLC обмениваться сложными структурами данных по горизонтали с другими контроллерами или по вертикали через сервер OPC UA в системе управления производством (MES) или планирования ресурсов предприятия (ERP) для получения новых производственных заказов или записи данных в облако. Эти усилия позволили производственной линии работать автономно в сочетании с интегрированной безопасностью OPC UA.
Отрасли по всему миру внедрили вертикальную интеграцию с использованием OPC UA. Каждый компонент в промышленном процессе, такой как контроллер, датчик, робот, камера и измерительное устройство, служит независимым машинным блоком, каждый из которых одновременно служит сервером OPC UA и клиентом OPC UA.
Следовательно, каждый машинный блок может использовать методы, события или точки данных OPC UA, которые публикуют его режимы, атрибуты и функциональные возможности и предлагают себя в качестве услуги.
Industry 4.0 и OPC UA
Как упоминалось ранее, с Industry 4.0 и промышленным Интернетом вещей (IIoT) информация может свободно передаваться между различными устройствами в интеллектуальной сети. Это создало серьезную проблему для безопасного и стандартизированного обмена данными и информацией.В 2015 году модель эталонной архитектуры для Industry 4.0 (RAMI 4.0) рекомендовала только стандарт IEC 62541 OPC UA для реализации уровня связи. В результате любой продукт, рекламируемый как «с поддержкой Industry 4.0», должен поддерживать OPC UA – интегрированный или через шлюз.
В модели клиент/сервер обычно используются TCP и HTTPS. В модели PubSub используются UDP, AMQP и MQTT.
Схема работы OPC UA
Стоит отметить, что OPC UA также реализован в чипах, небольших устройствах и датчиках. Помимо использования на производстве, приложения OPC UA уже развернуты в других областях, например, в коммерческом кухонном оборудовании, таком как фритюрницы, духовки, кофемашины и посудомоечные машины.
С ростом популярности OPC UA во многих отраслях OPC UA является хорошим кандидатом для настройки. Простые задачи настройки можно решить с помощью методов, для более сложных процессов потребуются транзакции.
Метаданные в облаке
Когда данные публикуются в облачных приложениях, таких как Amazon Web Services (AWS) и Google Cloud, данные обычно не включают метаинформацию в адресном пространстве сервера. Метаданные помогут решить эту проблему в будущем.
Cloud Relay
Возможность облачной ретрансляции позволяет устанавливать связь между различными приложениями OPC UA, даже если и сервер, и клиент находятся за отдельными брандмауэрами.
Детерминированная связь
В текущем и прошлых поколениях связи связь не является детерминированной. С 5G, 5-м поколением беспроводных систем, она обеспечит лучшую производительность и детерминированность. Она будет похожа на Time Sensitive Networking (TSN), сопоставление модели PubSub с протоколом 5G сделает OPC UA более детерминированным.
Дополнительные сопоставления протоколов для детерминированной связи
В дополнение к 5G сопоставления с WiFi 6/7 могут сделать протокол детерминированным для беспроводных и мобильных промышленных приложений. Кроме того, сопоставление с сетевыми технологиями уровня 3 с поддержкой QoS (качество обслуживания) должно обеспечить детерминированную связь OPC UA, бесшовно маршрутизируемую по проводным и беспроводным сегментам сети.
Точно предсказать развитие OPC UA предсказать трудно, но похоже у данного протокола коммуникации есть большой потенциал.
---
Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА)
Планы развития OPC UA
ТранзакцииС ростом популярности OPC UA во многих отраслях OPC UA является хорошим кандидатом для настройки. Простые задачи настройки можно решить с помощью методов, для более сложных процессов потребуются транзакции.
Метаданные в облаке
Когда данные публикуются в облачных приложениях, таких как Amazon Web Services (AWS) и Google Cloud, данные обычно не включают метаинформацию в адресном пространстве сервера. Метаданные помогут решить эту проблему в будущем.
Cloud Relay
Возможность облачной ретрансляции позволяет устанавливать связь между различными приложениями OPC UA, даже если и сервер, и клиент находятся за отдельными брандмауэрами.
Детерминированная связь
В текущем и прошлых поколениях связи связь не является детерминированной. С 5G, 5-м поколением беспроводных систем, она обеспечит лучшую производительность и детерминированность. Она будет похожа на Time Sensitive Networking (TSN), сопоставление модели PubSub с протоколом 5G сделает OPC UA более детерминированным.
Дополнительные сопоставления протоколов для детерминированной связи
В дополнение к 5G сопоставления с WiFi 6/7 могут сделать протокол детерминированным для беспроводных и мобильных промышленных приложений. Кроме того, сопоставление с сетевыми технологиями уровня 3 с поддержкой QoS (качество обслуживания) должно обеспечить детерминированную связь OPC UA, бесшовно маршрутизируемую по проводным и беспроводным сегментам сети.
Точно предсказать развитие OPC UA предсказать трудно, но похоже у данного протокола коммуникации есть большой потенциал.
---
Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА)
Следующая публикация
Комментарии 1
Безопасность - закрыть доступ для всех.
Зачем эти два понятия смешивать на глобальном уровне?
Это тоже самое, что прийти на центральный рынок мегаполиса и показать одному из продавцов свои причиндалы. Показывали одному, подглядело несколько, а узнали все.