OPC UA: Rozšíření komunikace řídicích prvků pomocí TSN a APL

Obrázek 1: OPC UA může fungovat jako integrované komunikační řešení až na provozní úroveň. Všechny obrázky poskytla společnost OPC Foundation Obrázek 1: OPC UA může fungovat jako integrované komunikační řešení až na provozní úroveň. Všechny obrázky poskytla společnost OPC Foundation

OPC UA používá k připojení řídicích prvků do sítě časově senzitivní sítě Ethernet (Time-Sensitive Network – TSN) a pokročilou fyzickou vrstvu Ethernet (Advanced Physical Layer – APL). Cíl: interoperabilita.

OPC UA (Unified Architecture) organizace OPC Foundation se nadále rozšiřuje a v rámci plánované standardní průmyslové interoperability a konektivity využívá časově senzitivní sítě Ethernet (TSN) a pokročilou fyzickou vrstvu Ethernet (APL) a komunikaci mezi řídicími prvky.

Dva roky po zahájení své činnosti v listopadu 2018 dokončila iniciativa OPC Foundation Field Level Communications (FLC) prvního kandidáta na vydání pro OPC UA-based Field eXchange (UAFX) pro případ použití komunikace mezi řídicími prvky („controller-to-controller“). Je to důležitý milník při zavádění OPC UA jako standardizovaného řešení průmyslové interoperability na provozní úrovni, které využívá klíčové technologie, jako je Ethernet TSN a Ethernet-APL.

Iniciativa FLC zveřejnila 40stránkový technický dokument, který podrobně popisuje technický přístup a základní koncepty pro rozšíření OPC UA na provozní úroveň pro různé požadavky a případy použití v automatizaci výroby a procesů.

Iniciativa FLC byla pod záštitou organizace OPC založena na veletrhu SPS 2018 v německém Norimberku. K březnu 2021 bylo k řídicímu výboru iniciativy připojeno 27 společností, včetně největších výrobců automatizace na světě, které ji podporují finančně, personálně i technickým know-how. Společným cílem je rozšířit oblast působnosti OPC UA až na provozní úroveň a zavést OPC UA jako jednotný a konzistentní komunikační standard v oblasti automatizace výroby a procesů (obrázek 1). V technických pracovních skupinách, které jsou otevřené všem členům OPC Foundation, pracuje více než 300 odborníků z více než 60 společností na vývoji příslušných koncepcí a specifikací.

Prototypy řešení komunikace mezi řídicími prvky (controller-to-controller)

Práce na první verzi specifikace v uplynulém roce slušně pokročily, a to i přes omezení vyplývající z pandemie covidu-19. Byly vypracovány základní koncepty pro případ použití C2C (controller-to-controller) a začleněny do prvního návrhu specifikací. V listopadu 2020 byl dokončen první kandidát na vydání. K ověření návrhu specifikací byly implementovány prototypy. Pracovní skupina vyvíjí specifikace testů, které se převádějí na testovací případy pro nástroj OPC UA Compliance Test Tool (UACTT).

Ve druhé verzi specifikace budou již vyvinuté koncepty rozšířeny na případy použití typu řídicí prvek – zařízení (controller-to-device – C2D) a zařízení–zařízení (device-to-device – D2D), aby bylo možné OPC UA používat jako jednotný a konzistentní prostředek komunikace na všech úrovních automatizace (obrázek 2). To otevírá nové možnosti zejména pro různé scénáře aplikací Průmyslu 4.0 a sbližování informačních technologií (IT) a provozních technologií (PT) (IT/PT).

CTL2105 MAG2 F2 TSN OPC PL CP Fig2 OPC UA C2C C2D D2D extensionsObrázek 2: Případy použití OPC UA s rozšířeními pro provozní úroveň (komunikace mezi řídicími prvky – C2C, komunikace mezi řídicími prvky a zařízeními – C2D a komunikace mezi zařízeními – D2D)

Na provozní úrovni: Architektura systému

Rozšíření specifikovaná iniciativou FLC vycházejí z rámce OPC UA (IEC 62541), který umožňuje bezpečnou a spolehlivou výměnu informací nezávislou na výrobci a platformě (obrázek 3). Řídicí prvky a provozní zařízení podporují jak komunikační model klient/server orientovaný na připojení, tak rozšíření typu publikování/odebírání, které jsou pro komunikaci na provozní úrovni nepostradatelné vzhledem k odpovídajícím požadavkům na flexibilitu, efektivitu a determinismus.

CTL2105 MAG2 F2 TSN OPC PL CP Fig3 OPC UA field extensionsObrázek 3: Architektura systému založená na OPC UA může zahrnovat rozšíření pro provozní úroveň

Používají se také bezpečnostní mechanismy specifikované v OPC UA, které mimo jiné podporují autentizaci. Ověřování zahrnuje podepisování a šifrování dat pro přenos, což lze použít pro komunikační vztahy typu klient/server a publikování/odebírání.

Kandidát na počáteční vydání iniciativy FLC, dokončený v listopadu 2020, se skládá ze čtyř specifikačních částí (OPC UA Parts 80-83) a zaměřuje se na komunikaci C2C (komunikace mezi řídicími prvky) pro výměnu procesních a konfiguračních dat prostřednictvím spojení peer-to-peer a základní diagnostiky:

  • část 80 (OPC 10000-80) obsahuje úvod a poskytuje přehled základních konceptů pro rozšíření OPC UA pro komunikaci s provozní úrovní a na provozní úrovni;
  • část 81 (OPC 10000-81) specifikuje základní informační model pro řídicí prvky a provozní zařízení (automatizační komponenty) a komunikační koncepty pro realizaci různých případů použití a plnění požadavků automatizace výroby a procesů;
  • část 82 (OPC 10000-82) popisuje síťové služby, jako je detekce topologie a synchronizace času;
  • část 83 (OPC 10000-83) popisuje datové struktury pro výměnu informací potřebných pro off-line technické zajištění pomocí deskriptorů a balíčků deskriptorů.

Velmi pokročily také práce na bezpečnostní specifikaci pro OPC UA (OPC UA Safety). První specifikace OPC UA Safety, založená na mechanismech klient/server a vzešlá ze společné pracovní skupiny s Profibus & Profinet International (PI), byla přijata v listopadu 2019 (část 15, OPC 10000-15). Revize specifikace OPC UA Safety popisují rozšíření pro OPC UA typu publikování/odebírání a parametrizaci účastníků bezpečnosti. Díky bezpečnostnímu konceptu OPC UA lze do komunikace dynamicky integrovat bezpečné účastníky pomocí jedinečné identifikace, a to i v případě, že je stroj nebo systém v provozu.

Pokrok lze zaznamenat také v souvislosti s OPC UA Motion. Pracovní skupina od poloviny roku 2020 vyvíjí specifikaci Motion založenou na OPC UA. OPC UA Motion zahrnuje specifikaci funkcí polohování pro různé typy polohovacích zařízení, jako jsou řídicí prvky, standardní pohony, frekvenční měniče a servopohony. Řídicí výbor FLC se dohodl, že bude vycházet ze specifikací CIP Motion a Sercos a přizpůsobí je informačnímu modelování a systémové architektuře OPC UA, přičemž zohlední příslušné případy použití Průmyslu 4.0. Stejně jako v případě OPC UA Safety urychluje použití stávajících konceptů a specifikací pro OPC UA Motion práci na specifikaci.

OPC UA s TSN, APL a 5G

Rámec OPC UA je nezávislý na metodě přenosu a lze jej používat s různými základními komunikačními protokoly a fyzickými formami přenosu. OPC Foundation považuje Ethernet TSN a Ethernet-APL za důležité prvky strategie rozšiřování OPC UA na všechny případy použití a požadavky v oblasti automatizace výroby a procesů a je součástí vize vytvoření škálovatelného průmyslového řešení interoperability.

Použití časově senzitivní sítě Ethernet (TSN) umožňuje deterministický přenos dat prostřednictvím OPC UA, který je nezbytný pro náročné automatizační aplikace. Kromě toho TSN umožňuje provozovat různé aplikace a protokoly pomocí standardizovaného hardwaru a společné síťové infrastruktury. To umožňuje realizovat konvergentní sítě průmyslové automatizace, v nichž mohou vedle sebe existovat různé protokoly IT a PT.

Pracovní skupina FLC vypracovává dílčí standardy TSN, které budou povinné pro koncová zařízení a součásti infrastruktury založené na OPC UA, aby splňovaly stanovené požadavky na výkon, flexibilitu a snadné použití. OPC Foundation se jasně zavázala k profilu TSN-IA (Industrial Automation), který vyvíjí pracovní skupina IEC/IEEE 60802. Z tohoto důvodu uzavřela OPC Foundation partnerské dohody s normalizačními orgány IEC SC65C a IEEE 802.1.

Ethernet-APL popisuje fyzickou vrstvu pro Ethernet speciálně vyvinutou pro požadavky procesního průmyslu. Ethernet-APL umožňuje přenos dat vysokou rychlostí na velké vzdálenosti, napájení a odesílání dat prostřednictvím společné kroucené dvojlinky a ochranná opatření pro bezpečné použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. Ethernet-APL lze použít k umožnění realizace OPC UA a dalších protokolů založených na Ethernetu v procesním průmyslu. OPC Foundation se v červnu 2020 společně s dalšími neziskovými organizacemi a různými průmyslovými partnery připojila k projektu Ethernet-APL za účelem rozvoje a propagace APL.

Výměna dat prostřednictvím OPC UA není omezena na kabelovou nebo bezdrátovou komunikaci přes Ethernet. Podpora standardu mobilní komunikace 5G je jedním z rozvojových plánů nadace OPC Foundation. Mapování 5G bude hladce integrováno do stávající architektury OPC UA, takže všechna rozšíření protokolů a profilů iniciativy OPC UA FLC bude možné používat prostřednictvím sítě Ethernet, Ethernet TSN a v budoucnu i 5G.

Interoperabilita průmyslové automatizace

Rámec OPC UA (IEC 62541) s rozšířeními pro provozní úroveň specifikovanými iniciativou FLC v kombinaci se základními komunikačními standardy, jako jsou APL, TSN a v budoucnu 5G, nabízí kompletní, otevřené, standardizované a interoperabilní řešení. Splňuje požadavky na průmyslovou komunikaci a umožňuje konzistenci a sémantickou interoperabilitu z provozní úrovně do cloudu a naopak (obrázek 4). Díky tomuto přístupu jsou pomocí různých doprovodných specifikací OPC UA zpřístupněny informace se standardizovanou sémantikou u zdroje dat.

CTL2105 MAG2 F2 TSN OPC PL CP Fig4 OPC UA interoperabilityObrázek 4: Sémantická interoperabilita ze senzoru do cloudu s OPC UA

Kupříkladu případ použití, kdy průtokoměr nabízí standardizovaná „data měření průtoku OPC UA“ po připojení kabelu APL. Servopohony by také mohly zpracovávat standardizované „žádané hodnoty pohonu OPC UA“ a poskytovat standardizované „skutečné hodnoty pohonu OPC UA“, když jsou integrovány do sítě stroje pomocí Ethernet TSN.

Článek připravil Peter Lutz, ředitel iniciativy OPC Foundation FLC. OPC Foundation je obsahovým partnerem vydavatelství CFE Media. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel, Control Engineering, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com