OPC UA - co to jest i jak działa nowoczesny standard komunikacji w automatyce przemysłowej

Czym jest OPC UA?

Zakład produkcyjny może być pełen urządzeń mówiących różnymi językami – sterowników PLC, czujników, robotów, systemów SCADA, MES, ERP. Przez lata integracja tych systemów była prawdziwym wyzwaniem, często wymagającym kosztownych, dedykowanych tłumaczy, czyli bramek sieciowych i specjalistycznego oprogramowania. OPC UA - OPC Unified Architecture - to protokół komunikacyjny opracowany przez OPC Foundation właśnie po to, by ujednolicić tę komunikację i usprawnić sposób wymiany danych w przemyśle, stając się w efekcie globalnym, uniwersalnym standardem komunikacji przemysłowej. Wydaje się rozwiązaniem optymalnym z punktu widzenia kosztów wdrażania systemów służących poprawie efektywności zakładu.

Technologia OPC - OLE for Process Control (OLE - Object Linking and Embedding) - powstała w latach 90. Dziś skrót OPC oznacza Open Platform Communications. Architektura OPC Unified Architecture (UA) została opublikowana w 2008 r. Zatem jest to standard opracowywany i usprawniany od kilkunastu lat, mający na celu realizację wymagań IIoT (Industrial Internet of Things - Przemysłowy Internet Rzeczy), M2M (Machine-to-Machine) i Przemysłu 4.0. W przeciwieństwie do swoich poprzedników (nazywanych zbiorczo OPC Classic), ściśle związanych z technologią DCOM (Distributed Component Object Model) i systemem Windows, OPC UA jest niezależny od systemu operacyjnego i platformy sprzętowej, choć jest wspierany przez Microsoft. Można go zaimplementować na różnorodnym sprzęcie - od potężnych komputerów przemysłowych, po proste mikrokontrolery w systemach wbudowanych.

Dlaczego OPC UA zyskuje popularność w przemyśle?

OPC UA stał się poważnym kandydatem do roli uniwersalnego standardu wymiany danych w zakładach przemysłowych z kilku bardzo istotnych powodów:

1. Zapewnia niezależność od dostawców i platform, uwalniając użytkowników od konieczności zajmowania się niekompatybilnymi protokołami czy zastrzeżonymi systemami. Umożliwia komunikację między urządzeniami różnych producentów bez bramek sieciowych.
2. Gwarantuje interoperacyjność poprzez realizację założeń dotyczących zastąpienia wielu istniejących systemów fieldbus i umożliwienie swobodnej komunikacji urządzeniom różnych dostawców, co jest niezbędne przy integracji systemów w nowoczesnych fabrykach.
3. Zapewnia bezpieczeństwo - wbudowane mechanizmy bezpieczeństwa, takie jak uwierzytelnianie dostępu, szyfrowanie komunikatów, cyfrowe podpisy i certyfikaty, są nie do przecenienia przy obecnie coraz większych zagrożeniach cyberatakami, zwłaszcza w wyniku integracji z chmurą. Standard jest określany jako zaprojektowany w sposób zapewniający bezpieczeństwo - secure by design.
4. Umożliwia skalowalność - OPC UA pozwala na reprezentowanie systemów danych o dowolnej wielkości i komplikacji, od pojedynczych urządzeń, po całe przedsiębiorstwa. Specyfikacja definiuje różne profile funkcjonalności, które można dopasować do zasobów urządzenia, np. Nano Embedded Device Server Profile dla najprostszych rozwiązań.
5. Dysponuje bogatym modelem informacyjnym (Address Space), dzięki czemu pozwala na dokładne reprezentowanie procesu produkcyjnego, włączając w to strukturę, opis informacji i ich aktualne wartości. Możliwe jest zastosowanie modelu obiektu, klas i metod, co ułatwia konfigurację i przypisywanie zmiennych.
6. Architektura zorientowana na usługi i obiektowo zapewnia elastyczność, lepszą przenośność na różnych platformach, dostęp i bezpieczeństwo. Usługi są definiowane abstrakcyjnie i mogą być mapowane na różne technologie komunikacyjne.

Jak działa komunikacja w OPC UA?

OPC UA oferuje elastyczną architekturę komunikacyjną, która może działać na dwa główne sposoby. Pierwszy model - klient-serwer - czyli model tradycyjny, w którym klient łączy się z serwerem, by odczytać dane, zapisać wartości, wywołać metody czy subskrybować zmiany. Serwer udostępnia zestaw usług i definiuje format danych. Model drugi - Publish-Subscribe (Pub/Sub) - opublikowany został przez OPC Foundation w 2018 roku (specyfikacja z marca 2018). W tym modelu nie jest wymagane utrzymywanie stałego połączenia, co redukuje zużycie pamięci. Wiadomości są rozgłaszane do całej sieci, a urządzenia (subskrybenci) odbierają tylko te, którymi są zainteresowane. Jest to dobre rozwiązanie szczególnie dla systemów IIoT i tworzenia systemów działających w czasie rzeczywistym. Model Pub/Sub obsługuje protokoły takie, jak MQTT, AMQP czy UDP, zachowując jednocześnie kompatybilność z modelem klient/serwer.

Komunikacja w OPC UA wykorzystuje różne technologie transportowe, takie jak web serwisy (oparte na HTTP/HTTPS i SOAP) oraz binarne strumienie danych (przez TCP). Standard definiuje także różne sposoby kodowania danych, np. binarne i XML. Stos komunikacyjny OPC UA składa się z warstw, które mogą być implementowane przez różne protokoły (np. warstwa bezpieczeństwa, kodowania, transportu). Standard określa profile komunikacji, precyzujące protokoły używane na każdej z warstw.

Dodatkowo, OPC UA jest ściśle powiązany ze standardem TSN - Time-Sensitive Networking. TSN to nowy standard przemysłowego Ethernetu opracowywany przez IEEE, który zapewnia dużą niezawodność, determinizm i dostarczanie komunikatów w określonym czasie z niewielkim opóźnieniem, bez strat. OPC UA over TSN ma umożliwić komunikację w systemach IIoT pomiędzy urządzeniami różnych producentów, niezależnie od platformy i oprogramowania. Połączenie modelu Pub/Sub z TSN umożliwia tworzenie systemów działających w czasie rzeczywistym.

Zastosowania OPC UA w automatyce przemysłowej

OPC UA znajduje zastosowanie w szerokiej gamie aplikacji przemysłowych - od najniższego poziomu urządzeń, po systemy zarządzania przedsiębiorstwem. Celem jest możliwość przekazywania danych bezpośrednio z czujników czy napędów do systemów wykorzystujących zebrane dane, z minimalną liczbą urządzeń pośredniczących.

Dzięki OPC UA możliwa jest integracja systemów nadrzędnych, czyli łatwe powiązanie danych z maszyn, z systemami takimi, jak SCADA, DCS, MES i ERP. Dane zebrane z urządzeń na hali produkcyjnej mogą być bezpośrednio dostępne dla systemów biznesowych. Dla wymiany danych między urządzeniami i maszynami, np. wchodzącymi w skład jednej linii produkcyjnej, kluczowa jest komunikacja między maszynami - M2M.

Naturalnym zastosowaniem jest implementacja serwera OPC UA na sterownikach PLC i modułach I/O, ponieważ pośredniczą one między sprzętem a systemami nadrzędnymi. Podobnie jesli chodzi o urządzenia IIoT i wbudowane - dzięki niezależności od systemu Windows, OPC UA może być implementowany w prostych, wbudowanych urządzeniach i mikrokontrolerach, takich jak przetworniki pomiarowe czy czujniki. Pozwala to na skrócenie "pionowej drabiny" pośredniczących urządzeń.

OPC UA znajduje zastosowanie także w innych urządzeniach. Jest wykorzystywane w czytnikach RFID czy kodów kreskowych, w systemach monitoringu i diagnostyki napędów, a nawet w narzędziach do parametryzacji urządzeń.

Bezpieczeństwo danych w OPC UA

W kontekście Przemysłu 4.0 i integracji systemów przemysłowych z systemami zewnętrznymi, np. chmurowymi, bezpieczeństwo danych jest absolutnie kluczowe. OPC Foundation podjęła to wyzwanie, tworząc rozwiązania zapewniające wysoki poziom bezpieczeństwa.

Najważniejsze mechanizmy bezpieczeństwa przewidziane w OPC UA to:

• Uwierzytelnianie dostępu - w warstwie aplikacji stosowane jest uwierzytelnianie za pomocą nazwy użytkownika i hasła lub certyfikatu X.509.
• Autoryzacja - uprawnienia do odczytu/zapisu danych są nadawane na podstawie uprawnień użytkownika lub jego roli.
• Szyfrowanie komunikatów - zapewnia poufność danych w warstwie transportowej. Standard specyfikuje różne polityki bezpieczeństwa z określonymi algorytmami kryptograficznymi i poziomami bezpieczeństwa, np. Basic256Sha256, Aes256Sha256RsaPss.
• Cyfrowe podpisy - wykorzystywane w warstwie transportowej do zapewnienia spójności i autentyczności danych.
• Certyfikaty cyfrowe (X.509) - stosowane do sprawdzenia autentyczności komunikujących się aplikacji i użytkowników.

Analizy bezpieczeństwa protokołu przeprowadzone przez niemiecki BSI w 2015 roku określiły go jako bezpieczny z niewielkimi uwagami. Analiza Kaspersky Labs z 2017 roku wskazała na kilkanaście zagrożeń, na które OPC Foundation zapewniła odpowiedź i działania naprawcze. Należy jednak pamiętać, że wysoki poziom bezpieczeństwa zależy od właściwej konfiguracji aplikacji implementujących OPC UA.

Przyszłość OPC UA - kierunki rozwoju

OPC UA nieustannie się rozwija. Jak wspomniano, integracja z TSN (OPC UA over TSN) ma rozszerzyć możliwości standardu na komunikację na poziomie polowym (czujniki, aktuatory), zastępując wiele systemów fieldbus. Nowe grupy robocze w OPC Foundation pracują nad standaryzacją profili aplikacji- np. I/O, kontrola ruchu - oraz modeli informacyjnych dla urządzeń terenowych.

Istotna jest integracja z chmurą i edge computingiem. OPC UA jest podstawowym sposobem połączenia urządzeń automatyki przemysłowej z usługami chmurowymi, np. platformy Microsoft Azure. Jest również wykorzystywany przez czołowych dostawców oprogramowania przemysłowego, np. SAP, do implementacji rozwiązań IIoT i M2M. Z kolei edge computing wykorzystuje potencjał OPC UA do przetwarzania danych bliżej źródła.

Mimo szerokiej specyfikacji, wcześniejsze implementacje korzystały z niej wybiórczo, co nie sprzyjało pełnej kompatybilności. Działania OPC Foundation i współpracujących firm mają na celu dopracowanie standardu, stworzenie dobrych praktyk oraz dalsze ujednolicenie implementacji i upowszechnienie OPC UA, zwłaszcza "na dole", czyli na poziomie prostych urządzeń pomiarowych i wykonawczych. Wiodący producenci automatyki współpracują nad wykorzystaniem TSN.

Podsumowując, OPC UA to znacznie więcej niż tylko protokół komunikacyjny. To uniwersalna architektura, która definiuje model informacyjny, usługi i mechanizmy bezpieczeństwa, umożliwiając integrację danych z całego zakładu produkcyjnego – od najprostszego czujnika, po systemy zarządzania na najwyższym poziomie. Niezależność od platformy, wbudowane bezpieczeństwo i elastyczność sprawiają, że jest on postrzegany jako standard niezbędny dla realizacji koncepcji Przemysłu 4.0 i IIoT. Choć wdrożenie wsparcia dla OPC UA wymaga przemyślenia, np. wyboru odpowiednich profili i polityk bezpieczeństwa, dostępne zestawy narzędzi (SDK) od firm, takich jak Matrikon OPC, Prosys, Softing, Unified Automation czy sama OPC Foundation, znacznie ułatwiają ten proces. Czas pokaże, czy stanie się on powszechnym standardem w całej branży, ale kierunek wydaje się jasny – ku ujednoliconej, bezpiecznej i elastycznej komunikacji w przemyśle.

Przeczytaj więcej na temat OPC UA w artykułach poniżej - pod nagłówkiem "Powiązane treści" 👇⤵