OPC UA: Interoperabilita pro IIoT
OPC UA slouží jako běžný standard datové konektivity a spolupráce pro místní a vzdálený přístup k zařízením v nastavení IoT, M2M a Industrie 4.0
Digitalizace je významný a velmi zajímavý trh, který trvale roste. Cílem je podpořit integraci IT technologií s výrobky, systémy, řešeními a službami v rámci celého hodnotového řetězce, který zahrnuje kompletní životní cykly produktů a služeb. Jakmile dojde k implementaci digitalizace, otevírají se dveře nebývalým novým obchodním příležitostem a vytváření nové hodnoty pro zákazníka; to však lze pouze tehdy, pokud je možné na všech úrovních otevřeně a bezpečně sdílet smysluplné informace. OPC UA je standard, který toto umožňuje.
Internet věcí (IoT)
IoT spojuje širokou škálu technologií, které dosud prostřednictvím současných téměř všudypřítomných sítí založených na IP propojeny nebyly, a dovoluje jim fungovat novými způsoby. Ethernet sice umožňuje, aby se věci k sobě „dostaly“, nicméně stále potřebují společný nástroj, jak vzájemně komunikovat, aby byly k užitku.
V rámci průmyslového internetu věcí (IIoT) řeší potřebu standardizované datové konektivity a interoperability pro horizontální i vertikální datovou komunikaci standard OPC UA. Příkladem horizontální komunikace je datová konektivita M2M (Machine-to-Machine) mezi jednotlivými dílenskými systémy. Příkladem vertikální komunikace je přenos dat ze zařízení do cloudu. V obou případech OPC UA poskytuje bezpečný a spolehlivý základ, který je dostatečně robustní pro zajištění standardizované datové konektivity a interoperability. Toto řešení nevzniklo přes noc. OPC Foundation již léta spolupracuje se společnostmi a asociacemi po celém světě a tuto spolupráci trvale rozšiřuje, aby mohlo být zajištěno, že standard OPC UA bude vyhovovat stále rostoucímu počtu nejrůznějších potřeb komunikace, které s sebou přináší éra IoT.
Rozvoj interakcí mezi stroji
M2M obvykle znamená komunikaci mezi dvěma stroji nebo mezi více či méně chytrými zařízeními a centrálním počítačem. Komunikačním médiem může být kabelový modem nebo bezdrátový modem. U modernějších zařízení, která sahají od prodejních automatů až po roboty, se datová komunikace stále častěji navazuje na stále rychlejší a odolnější mobilní sítě (například 5G) prostřednictvím SIM karet zabudovaných přímo do strojů.
Tato tzv. point-to-point spojení (spojení mezi dvěma body) umožňují vyhrazeným zabudovaným počítačům odesílat klíčová data informující např. o úrovni zásob, statistiky používání a výstražné zprávy, aby vlastníci strojů mohli co nejlépe plánovat zásobování a spravovat svůj strojový park. Tato viditelnost stroje otevírá dveře novým obchodním modelům, které se týkají především logistiky, údržby a monitorování specifických podmínek. Výhody, které to přináší v komerčním prostředí, lze ukázat na příkladu turbín, které nejsou umístěny na letištích, ale na palubě letadel, zatímco náhradní díly jsou skladovány na letištích. Nové řešení umožňuje optimalizovat plánování údržby, snižovat neplánované prostoje a zkracovat zpoždění letů – a to vše dohromady snižuje provozní náklady a maximalizuje spokojenost zákazníků.
Internet
Zatímco M2M je součástí IoT, IoT sám se neomezuje pouze na výměnu dat mezi chytrými zařízeními. Zahrnuje také data z jednoduchých čidel a akčních členů (např. nositelných řešení pro fitness ve spotřebitelském prostoru, bezpečnostních čidel, jako jsou detektory plynu a detektory přiblížení v průmyslovém prostředí), která se nejprve shromažďují a zpracovávají lokálně, a poté se odesílají přes brány (například prostřednictvím chytrého telefonu) do centralizovaných systémů na bázi cloudu. V rámci IoT vznikají složité sítě chytrých systémů. Podobný vývoj lze pozorovat v průmyslových řešeních, kde se od síťových, dílenských strojů a polních zařízení stále častěji očekává, že namísto pouhého odesílání svých vlastních nezpracovaných dat budou zpracovávat a kombinovat data i z jiných zařízení. V tom případě pak mohou využívat a poskytovat informace od/do jiných polních zařízení, a vytvářet tak pro uživatele novou hodnotu. Taková spolupráce s jinými stroji pak rovněž umožňuje, aby si technici mohli vyžádat historická data o údržbě a na jejich základě si lépe naplánovat servis. Jak vzdálené to již je od systémů založených pouze na sběru dat z čidel...
Rozšířená komunikační diverzita
Požadavky na komunikaci mezi „věcmi“ a službami v éře internetu věcí jsou mnohem širší než to, co vidíme v dnešních zavedených infrastrukturách, které se primárně spoléhají na „point-to-point“ komunikaci. Například namísto dotazování směrem k jednotlivým čidlům a zařízením přímo prostřednictvím dvoubodové komunikace se širší systémy IoT přihlásí k odběru dat, které tyto dílčí komponenty publikují prostřednictvím publikačních protokolů (PubSub) přes IP sítě. To současně usnadňuje vysokou škálovatelnost a zlepšuje zabezpečení. Výhody pro zákazníka, které vznikají kombinací chytrých zařízení a systémů, spolu s rozšířenými službami nabízenými operátory a dodavateli, poslouží jako základ pro realizaci potenciálních výhod, které IoT musí nabízet.
OPC UA pro všestrannou interoperabilitu
Vize IoT může být realizována pouze v případě, že je základní komunikace mezi komponentami založena na globálním komunikačním standardu, který splňuje širokou škálu komplexních požadavků.
Zatímco model PubSub je zásadní pro nízkozdrojovou komunikaci typu „one-to-many“ (jeden s mnoha), kde je potřeba vysoká škálovatelnost a rychlost, standard musí podporovat i zabezpečený model připojení klient/server, kde probíhá obousměrná komunikace a kde dochází k odesílání řídicích příkazů aktérům. OPC UA podporuje oba tyto modely.
Kromě jednoduchého sdílení dat musí klíčový standard z IoT éry zajišťovat rozsáhlou výměnu informací, a proto musí podporovat sémantický model metadat, který popisuje data i jejich účel, aby se tato dala co nejlépe napřímo využít. To je obzvláště důležité, když se shromažďuje (agreguje) velké množství dat z rozmanitého ekosystému systémů třetích stran. Standard OPC UA, objektově orientované mechanismy modelování informací, tento požadavek zcela splňuje.
Požadavkem je škálovatelnost a možnost integrace napříč všemi vrstvami sítě, jakož i nezávislost na platformě a dodavateli. I zde standard OPC UA splňuje tyto požadavky v jediném integrovaném balíčku.
Výzva
Aby průmyslové země a jejich podniky zůstaly v prostředí moderní globální ekonomiky konkurenceschopné, musejí reagovat na výzvy spojené se zvyšováním efektivity se stále kratšími výrobními cykly: efektivnějším využíváním energie a zdrojů, zkrácením doby uvedení na trh, rychlejší výrobou komplexnějších produktů, rychlými inovačními cykly a zvýšením flexibility prostřednictvím individualizované hromadné výroby.
Vize
Čtvrtá průmyslová revoluce (Průmysl 4.0) je poháněna pokročilými informačními a komunikačními technologiemi (ICT), které čím dál tím více převládají v průmyslové automatizaci. V těchto distribuovaných chytrých systémech se fyzické komponenty a jejich datové virtuální protějšky spojují do tzv. kyberfyzických systémů (CPS). Když se tyto CPS komponenty připojí do sítě, začnou vytvářet „chytré“ objekty, ze kterých lze dále sestavovat „chytré továrny“, kde se výrobní jednotky mohou samy organizovat a stávají se soběstačnými, protože mají všechny potřebné informace, anebo je samostatně mohou získávat.
Tyto systémy se mohou samy překonfigurovat a optimalizovat a lze je rozšiřovat způsobem „plug-and-produce“ (zapoj a vyráběj) bez nutnosti technického zásahu nebo ruční instalace. Kromě samotného výrobního procesu jsou v produktu samotném udržovány také informace o digitálním produktu, a to po celou dobu jeho životního cyklu a v celém hodnotovém řetězci, kterým prochází. Po připojení do sítě se tyto „chytré“ produkty připojí k širší konverzaci IoT a reagují na interní a externí události naučenými vzorci chování – což je přínosem pro spotřebitele i výrobce.
Požadavky
K úspěšné implementaci vize Průmyslu 4.0 je zapotřebí značného úsilí, protože, aby vše fungovalo, musí být splněna široká škála požadavků. Zvládnout tento závazek v celé jeho složitosti nelze bez nutné komplexní modularizace, rozsáhlé standardizace a důsledné digitalizace. Vzhledem k tomu, že tyto požadavky jsou více evoluční než revoluční, technologie k jejich řešení již existují – nicméně, aby se vytvořil základ pro Průmysl 4.0, tyto požadavky je třeba řádně propojit.
Požadavky v rámci Průmyslu 4.0 | Řešení OPC UA |
Nezávislost komunikační technologie na výrobci, sektoru, operačním systému, programovacím jazyku | OPC Foundation je nezisková organizace nezávislá na dodavateli. Pro používání technologie OPC UA ani pro vývoj produktů OPC UA není vyžadováno členství. Standard OPC se často používá v automatizaci, je ale vůči tomuto oboru technicky neutrální. OPC UA běží na všech operačních systémech – existují dokonce implementace na čipové vrstvě bez operačního systému. OPC UA lze implementovat ve všech jazycích – v současné době jsou k dispozici komunikační zásobníky v Ansi C/C ++, .NET a Java. |
Škálovatelnost pro integrovanou síť včetně nejmenších senzorů, vestavěných zařízení a programovatelných logických automatů (PLC), počítačů, chytrých telefonů, centrálních počítačů a cloudových aplikací. Horizontální a vertikální komunikace napříč všemi vrstvami | OPC UA je škálovatelný od velikosti 15 kB (Fraunhofer Lemgo) až po jednojádrový a vícejádrový hardware s širokou škálou architektur CPU (Intel, ARM, PPC atd). Používá se ve vestavěných polních zařízeních, jako jsou čtečky RFID, převaděče protokolů atd., a prakticky ve všech kontrolérech, produktech SCADA/HMI a systémech MES/ERP. Projekty již byly úspěšně realizovány v různých cloudových prostředích, včetně Amazon, Foxconn, Google, a Microsoft Azure Cloud. |
Zabezpečený přenos a ověřování na úrovni uživatelů a aplikací | OPC UA poskytuje mechanismy pro ověřování aplikací a uživatelů. Dále zahrnuje podepsané a kryptované mechanismy přenosu pro zachování integrity a důvěrnosti dat a také koncept práv na úrovni datových bodů pro autorizaci, včetně funkcionality auditu. |
SOA, přenos prostřednictvím zavedených standardů, jako je TCP/IP pro výměnu živých a historických dat, příkazů a událostí (událost / zpětné volání) | OPC UA je nezávislý na způsobu přenosu. Pro různé případy použití jsou k dispozici různé vazby protokolů (např. vysoce výkonné aplikace, přístup k webovému prohlížeči). Lze také použít komunikační model Publish/Subscribe (PubSub). Konzistentní přenos všech dat OPC UA zaručují komunikační zásobníky. Kromě živých dat a dat v reálném čase jsou v OPC UA standardizována také historická data a jejich matematické agregáty. Kromě toho jsou podporována volání metod s komplexními argumenty, spolu s generováním výstrah a událostí prostřednictvím mechanismu založeného na tokenech (pozdější dotazování). |
Mapování informačního obsahu s jakýmkoli stupněm složitosti pro modelování virtuálních objektů tak, aby reprezentovaly skutečné produkty a kroky jejich výroby | OPC UA poskytuje plně síťový objektově orientovaný adresní prostor (hierarchické a úplné sítě), který zahrnuje metadata a popisy objektů. Struktury objektů lze generovat pomocí odkazování mezi instancemi objektů a jejich základními definicemi typu, které jsou také objektově orientované a lze je rozšířit pomocí inheritance. Vzhledem k tomu, že servery OPC UA nesou jak instance svých objektů, tak objekty přidruženého typu, mohou klienti OPC UA procházet libovolný daný adresní prostor serveru OPC UA a získat tak všechny potřebné informace o instanci a typu, a to i pro typy, které jim dříve nebyly známy. Toto je základní požadavek na funkcionalitu „plug-and-produce“, bez předchozí konfigurace zařízení. |
Neplánovaná komunikace ad hoc pro funkci „plug-and-produce“ s popisem přístupových údajů a nabízených funkcí (služeb) pro samoorganizovanou (také autonomní) účast v „inteligentní“ síťové orchestraci/kombinaci komponent | OPC UA definuje různé „zjišťovací“ mechanismy pro identifikaci a notifikaci zařízení podporujících OPC UA a jejich funkcí v síti. Účastníci protokolu OPC UA mohou být umístěni (na stejném hostiteli), v podsíti nebo distribuováni globálně (v rámci podniku). K identifikaci a adresování účastníků sítě se používají agregace napříč podsítěmi a inteligentní postupy bez konfigurace (např. Zeroconf). |
Integrace do technických oborů a sémantické rozšíření | Společnost OPC Foundation úspěšně spolupracovala s dalšími organizacemi (PLCopen, MDIS, FDI, AIM, VDMA, MTConnect, AutomationML atd.) a pokračuje v rozšiřování svých aktivit v rámci spolupráce se skupinami ze stále širší škály průmyslových odvětví. |
Ověření shody se stanovenou normou | OPC UA je norma IEC (IEC 62541), pro kterou jsou k dispozici nástroje a zkušební laboratoře pro testování a certifikaci shody. Další testovací události (např. Plugfest) zvyšují kvalitu a zajišťují kompatibilitu. Pro rozšíření/změny se vyžadují rozšířené testy (např. doprovodné standardy, sémantika). Kromě toho různé validace zabezpečení dat a funkční bezpečnosti provádějí také externí zkušební a certifikační orgány. |
Zdroj: OPC Foundation, „OPC Unified Architecture“, verze 11, červen 2020
Přečtěte si také
Pro společnost Compas znamená čtvrtá průmyslová revoluce hlavně přesné technické standardy
Digitální dvojče – Asset Administration Shell
Trojrozměrná mapa ukazující strukturovaný přístup k iniciativám Industrie 4.0