Kurs EdgeLink cz. 4 - OPC UA

Na czym polega protokół OPC Unified Architecture?

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) to otwarty standard komunikacyjny dla systemów przemysłowych, który umożliwia bezpieczną i niezawodną wymianę danych między różnymi urządzeniami, aplikacjami i platformami w celu zwiększenia interoperacyjności i efektywności procesów przemysłowych.

Rysunek nr 1. Protokół OPC UA

W poprzedniej wersji standardu OPC, czyli OPC Classic (określane też jako po prostu OPC) każda ze specyfikacji (np. OPC-DA, OPC-HDA) definiowała swoją własną przestrzeń adresową i swój własny zestaw usług. OPC UA definiuje zunifikowaną przestrzeń adresową oraz szereg usług, które mogą być udostępnione przez serwery OPC.

Działanie

Komunikacja OPC UA opiera się na architekturze klient-serwer, gdzie klient (np. aplikacja) łączy się z serwerem OPC, aby pobierać lub wysyłać dane. Komunikacja między klientem a serwerem odbywa się z użyciem protokołu HTTP, SOAP lub TCP/IP, co zapewnia skalowalność rozwiązań.

Wymiana danych może odbywać się za pomocą różnych formatów, m.in. opartych na XML czy formacie binarnym. Takie rozwiązanie zapewnia jednolity interfejs komunikacyjny, niezależnie od użytego protokołu fizycznego lub sieciowego. Dzięki temu, urządzenia mogą bezproblemowo komunikować się między sobą, a także z oprogramowaniem przemysłowym, systemami informatycznymi, chmurą i innymi platformami, co pozwala na łatwe przetwarzanie i analizę informacji oraz kontrolę procesów produkcyjnych.

Wady i zalety OPC UA

Oto kilka wad i zalet, jakie można zauważyć w stosunku do tego protokołu:

Zalety:

• Bezpieczeństwo: OPC UA oferuje wiele funkcji związanych z bezpieczeństwem, takich jak uwierzytelnianie, szyfrowanie, podpis cyfrowy, czy weryfikacja integralności danych.

• Wysoka interoperacyjność: OPC UA jest niezależny od platformy, dzięki czemu zapewnia interoperacyjność między różnymi systemami, urządzeniami i platformami. W przeciwieństwie do swojego poprzednika, zapewnia komunikację niezależną od platformy czy języka programowania

• Wydajność: OPC UA wykorzystuje technologie kompresji danych, co pozwala na szybszą transmisję danych.

• Łatwość konfiguracji: OPC UA oferuje wiele narzędzi i aplikacji, które ułatwiają konfigurację i zarządzanie siecią.

• Możliwość integracji z istniejącymi systemami: OPC UA może być łatwo zintegrowany z istniejącymi systemami, dzięki czemu nie trzeba ich całkowicie przebudowywać.

Wady:

• Koszt: Implementacja OPC UA może być kosztowna ze względu na potrzebę zakupu oprogramowania i urządzeń sieciowych.

• Złożoność: OPC UA jest bardziej złożony niż jego poprzednik, OPC Classic, co może utrudniać integrację i konfigurację systemów.

• Konieczność szkoleń: Wymagane są specjalistyczne szkolenia dla personelu, który będzie obsługiwać system.

• Kompatybilność wsteczna: Niektóre starsze urządzenia mogą nie być w pełni kompatybilne z OPC UA, co może wymagać dodatkowych nakładów finansowych lub wymiany urządzeń.

• Wymagane zasoby sprzętowe: Wymagane są odpowiednie zasoby sprzętowe, aby zapewnić wydajną transmisję danych, co może prowadzić do dodatkowych kosztów.

Bezpieczeństwo

Protokół komunikacyjny OPC UA wymaga korzystania z dedykowanych narzędzi do zbierania danych pracujących na serwerach lub komputerach przemysłowych, dzięki czemu zapewniony jest wysoki poziom bezpieczeństwa. Technologia ta jest zgodna ze specyfikacjami bezpieczeństwa WS- (WS-Security, WSTrust itd.) [1]. Biała księga OPC Foundation wyróżnia kilka metod zapewnienia bezpieczeństwa w OPC UA, a oto niektóre z nich [2]:

• Uwierzytelnianie: OPC UA wymaga uwierzytelnienia użytkownika za pomocą certyfikatów X.509 lub nazwy użytkownika i hasła.

• Autoryzacja: OPC UA pozwala na kontrolę dostępu do zasobów na podstawie uprawnień użytkownika.

• Szyfrowanie: OPC UA wykorzystuje szyfrowanie na poziomie danych z wykorzystaniem infrastruktury klucza publicznego, co zapobiega przechwyceniu i odczytaniu danych przez osoby trzecie.

• Monitoring systemu: OPC UA umożliwia zastosowanie narzędzi, pozwalających na śledzenie nieudanych prób połączenia, zmian konfiguracji, zmian systemowych czy interakcji użytkownika i odrzuceń sesji, co pozwala na monitorowanie w czasie rzeczywistym i historycznym działań w sieci i wykrywanie potencjalnych zagrożeń.

---

Serwer OPC

Serwer OPC to oprogramowanie, które działa na komputerze lub urządzeniu, umożliwiające komunikację między różnymi systemami lub maszynami w przemyśle.

Serwer OPC ma za zadanie zapewnić aktualność danych procesowych oraz umożliwić swobodny dostęp klientom. Dzięki elastycznym rozwiązaniom, takim jak algorytmy optymalnego przesyłania, skanowania adaptacyjnego, wielokanałowej transmisji danych i redundancji, serwery OPC minimalizują wykorzystanie pasma komunikacyjnego.

Niektóre serwery OPC umożliwiają zewnętrzne, dynamicznie przyłączane komponenty zwane DataProvider, które oferują funkcjonalność związaną z realizacją wybranego protokołu dzięki zdefiniowanemu uniwersalnemu interfejsowi.

---

Realne wdrożenia OPC UA

W praktyce protokół OPC UA jest wykorzystywany w wielu sektorach, takich jak energetyka, transport, produkcja czy medycyna. O wykorzystaniu protokołu OPC UA w systemach oczyszczania ścieków można przeczytać w artykule Rozwiązania OPC UA w systemach oczyszczania ścieków.

Rysunek nr 2. Rozwiązanie OPC UA w systemach oczyszczania ścieków

Często stosowany jest również w rozwiązaniach monitorowania SCADA, jak w przypadku wdrożenia dla stacji benzynowych opisanym w artykule OPC UA Enabled SCADA Monitoring Solution for Gas Stations (artykuł w języku angielskim).

Rysunek nr 3. Rozwiązanie OPC UA w monitorowaniu SCADA dla stacji benzynowych

---

OPC UA w EdgeLink

Spośród ponad 200 dostępnych w EdgeLink protokołów możemy wybrać także OPC UA i wdrożyć go na urządzeniach obsługujących EdgeLink, np. na bramce ECU-1051.

Stanowisko

Pokazowe stanowisko składa się z następujących elementów:

• brama ECU-1051D

• laptop jako klient

• przyciski cyfrowe

• sonda do pomiaru temperatury

• sterownik PLC z panelem HMI Unitronics US5-B5-B1

• Moduł I/O ADAM-6060

• Moduł I/O ADAM-4048+

• Switch przemysłowy ADAM-6520

Rysunek nr 4. Schemat stanowiska testowego

Serwer

Rolę serwera OPC UA pełni bramka ECU odbierając dane od urządzeń i przesyłając je dalej do odpowiednich klientów.

Klient

Wiadomości wysyłane przez protokół OPC UA są odbierane przez klientów takich jak SCADA. W celu zweryfikowania samej poprawności przesyłania danych można również skorzystać z oprogramowania klienckiego, np. UaExpert.

Rysunek nr 5. Odczytywanie przesyłanych danych przy pomocy UaExpert

Dane można też wizualizować przy pomocy narzędzia programistycznego node-red, dzięki któremu możemy stworzyć przejrzysty panel operatorski.

Rysunek nr 6. Wizualizacja danych przy pomocy narzędzia node-red

Na poniższym filmie przedstawiono krok po kroku jak skonfigurować EdgeLink do komunikacji z klientem SCADA od ICONICS.

---

Podsumowanie

OPC UA to standard komunikacyjny wykorzystywany w przemyśle do bezpiecznej i niezawodnej transmisji danych między różnymi systemami. Dzięki temu jest często stosowany w kontekście Internetu Rzeczy i Przemysłu 4.0. Oprogramowanie EdgeLink pozwala w prosty sposób na wdrożenie tego protokołu, konwertując dowolne inne protokoły.

 

Chcesz otrzymać instrukcję do tego stanowiska?

Napisz do nas!

e-mail: jaroslaw.molenda@elmark.com.pl

 

[1] W. Kaczmarek, J. Panasiuk, S. Borys, R. Dyczkowski, M. Siwek, „Robotyzacja i automatyzacja. Przemysł 4.0", PWN, Warszawa 2023

[2] R. Armstrong, P. Hunkar, „The OPC UA Security Model For Administrators. Whitepaper Version 1.00", 2021