Introduzione alla comunicazione su piattaforma aperta (OPC)

Che cos'è la Open Platform Communication?

L'Open Platform Communications (OPC), comunicazione su piattaforma aperta, è uno standard di interoperabilità che consente a più produttori di scambiare in modo sicuro i dati dell'automazione industriale. Definisce un protocollo di trasmissione in tempo reale per la gestione di vari dispositivi tra sensori, dispositivi di campo, controllori e applicazioni in officina, nonché tra i sistemi OT e i sistemi IT aziendali (Cloud).

L’OPC è un protocollo di comunicazione M2M utilizzato nel settore dell'automazione industriale. Quando più componenti del sistema di automazione industriale desiderano comunicare, diventa possibile raccogliere e analizzare le informazioni di ciascuno di loro, scomporre i dati, migliorare l'efficienza, la reattività e prendere decisioni aziendali migliori. L’OPC, acronimo di Object Linking and Embedding for Process Control e basato sulle tecnologie OLE, COM e DCOM, ha lo scopo di fare da ponte tra le applicazioni basate su Windows e l'hardware di controllo dei processi. Il server OPC converte il protocollo di comunicazione dell'hardware e il software che deve connettersi all'hardware diventa il client OPC. Le istruzioni OPC sono utilizzate dai client e dai server OPC per identificare, inviare e controllare i comandi che vengono eseguiti in un controllore o in un modulo di I/O.

L’OPC UA (Unified Architecture) è lo standard di nuova generazione della OPC Foundation, un aggiornamento dello standard di interoperabilità OPC originale che affronta le esigenze e le nuove sfide in materia di sicurezza e modellazione dei dati, fornendo al contempo un'architettura tecnologica ricca di funzionalità e aperta alla piattaforma, a prova di futuro, scalabile ed estensibile.

OPC-UA e IIoT

L’OPC UA è un framework di architettura orientata ai servizi (service-oriented architecture, SOA) che può essere sviluppato per supportare un'ampia gamma di piattaforme, dai microcontrollori embedded alle infrastrutture cloud. Essendo indipendente dalla piattaforma e adattabile dal sensore al cloud, può essere integrato nei dispositivi, diventando così una soluzione completa per le applicazioni basate sull'IoT. Inoltre, consente agli operatori dell'Internet of Things (IoT) di modellare i dati in base a prodotti specifici per il dominio. L’OPC UA è il protocollo preferibile per l'IIoT perché possiede tutte le caratteristiche che dovrebbe avere. Si tratta di uno standard industriale per l'impacchettamento dei dati dal bordo (macchine nelle unità industriali, PLC, controlli pneumatici, ecc.)

OPC e IoT funzionano entrambi dietro le quinte per i consumatori, con obiettivi di business che includono approfondimenti su produttività, OEE e qualità, nonché una piattaforma che consente di prendere decisioni guidate dai dati, rendendo più facile lo sviluppo di soluzioni OPC UA basate sulla tecnologia IIoT. L’OPC UA permette di collegare facilmente dispositivi distanti all'IoT nel cloud o sull'edge, consentendo la diagnostica dei dispositivi, la gestione degli asset, il monitoraggio, la reportistica e altre applicazioni. Garantisce la sicurezza attraverso la crittografia dei dati, l'autenticazione degli utenti e la verifica delle operazioni. Si sviluppa su OPC Classic fornendo funzionalità on-demand, la possibilità di identificare server e altri dispositivi su una rete e un'architettura dello spazio degli indirizzi progettata per supportare strutture di dati più sofisticate.

OPC - UA verso l'automazione industriale:

Prima dello sviluppo di OPC, ogni produttore OEM aveva applicazioni che utilizzavano i propri driver e conservavano i dati in percorsi completi. Questo creava una serie di problemi ai produttori perché ogni fornitore generava i propri dati, che non potevano essere utilizzati per la generazione di report. Per la creazione dei report, dovevano sviluppare soluzioni uniche per i vari fornitori. Quindi, poiché i dati erano bloccati in un formato esclusivo, erano possibili solo poche combinazioni. I dati erano memorizzati in vari modelli di PLC, HMI, macchine CNC, ERP e così via. Inoltre, ogni volta che veniva aggiunto un nuovo sistema, gli stabilimenti trascuravano il problema di modificare la gestione. Piuttosto che sviluppare un nuovo prodotto per regolamentare la tecnologia senza un formato esclusivo e per facilitare la connettività diffusa, è stato creato l’OPC come soluzione a questi problemi. Quando un server OPC descrive un gruppo di variabili all'interno di una gerarchia ad albero, viene creato uno spazio dei nomi. Ogni variabile ha diversi tipi di dati, come un numero intero, un valore booleano, un valore reale, una stringa e un valore predefinito. Per connettere uno o più client OPC al server OPC viene utilizzato un protocollo binario basato su TCP.

L'Architettura Unificata OPC (UA) è stata descritta e viene testata e implementata nell'ambito del programma Early Adopters. Può essere implementata in Java, Microsoft.NET o C, eliminando la necessità delle precedenti versioni di OPC di una piattaforma basata su Microsoft-Windows. Per fornire un supporto MES ed ERP di livello superiore, UA combina le funzionalità delle attuali interfacce OPC con nuove tecnologie come XML e Web Services.

La Platform Industry 4.0 ha esaminato a fondo OPC UA e lo ha convalidato come tecnologia chiave per l'implementazione del "Livello di Comunicazione" del "Reference Architecture Model Industry 4.0." (RAMI4.0). Il protocollo OPC UA è standardizzato come parte della serie IEC 62541. Va notato che la specifica OPC UA è la più recente che non si basa sulla tecnologia COM di Microsoft e quindi consente la compatibilità multipiattaforma.

Il paradigma OPC UA, come illustrato nella figura precedente, descrive il modo in cui i client accedono alle informazioni del server. Il livello OPC UA include un linguaggio di descrizione dettagliato e i servizi di comunicazione necessari per i modelli di informazione. Questi sistemi si distinguono per dimensioni, prestazioni, piattaforme e caratteristiche funzionali come Client-Server e PubSub.

Figura: Modello di livello OPC UA (collegamento alla fonte: opcfounadation.org)

L’OPC UA può essere integrato nelle reti Ethernet industriali esistenti e funzionare sull'infrastruttura PROFINET esistente senza compromettere la qualità. L'obiettivo di OPC UA è quello di estendere l'interoperabilità ai dispositivi e alle applicazioni aziendali e di recente ha introdotto la funzione pubblica/sottoscrivi nell'infrastruttura di comunicazione client/server originale. La specifica cerca anche di eliminare la necessità di un PC Windows autonomo, consentendo l'integrazione di un server con un dispositivo edge.

Gli standard di OPC utilizzati nei sistemi di automazione industriale

L'obiettivo era quello di astrarre i protocolli di comunicazione dei PLC, piccoli computer speciali molto utilizzati nell'automazione industriale. Astraendo i vari protocolli, è stata creata un'interfaccia standardizzata che fungeva da intermediario per la conversione delle richieste di lettura/scrittura tra il software HMI, utilizzato dai dipendenti per controllare le macchine tramite i PLC, e lo SCADA (supervisory control and data acquisition), una popolare architettura informatica per il controllo dei processi industriali.

La tecnologia OPC comprende una serie di standard (OPC DA, OPC HAD, OPC AE, OPC Batch, OPC DX, OPC Security, OPC XML-DA, OPC Complex Data, OPC Commands e OPC UA) che descrivono un insieme specifico di funzionalità. Lo standard più diffuso è l'OPC DA (Data Access), che definisce una serie di funzioni per lo scambio di dati in tempo reale con PLC, DCS, HMI, CNC e altri dispositivi. Il modulo OPC HDA (recupero cronologia dati) consente di accedere ai dati e allo storico registrati in precedenza. Un altro standard, OPC AE (allarmi e situazioni), fornisce funzioni di notifica on-demand per una serie di eventi, tra cui emergenze, azioni dell'operatore, messaggi informativi e altro. OPC Batch controlla il processo tecnico a livello di fase e di ricetta. La funzione OPC DX (interscambio dati) gestisce lo scambio di dati tra i server OPC attraverso una rete Ethernet. L'obiettivo principale di questo standard è quello di creare gateway di scambio dati tra dispositivi e applicazioni di diversi fornitori. Le funzioni di organizzazione dei permessi di accesso dei client ai dati del server OPC sono definite da OPC Security. Lo standard OPC XML-DA (XML-Data Access) è un formato versatile e basato su regole per il trasferimento di dati tramite XML, SOAP e HTTP. OPC Complex Data è una raccolta di specifiche supplementari OPC DA e XML-DA che consentono ai server di comunicare con tipi di dati complessi come strutture binarie e documenti XML. I Comandi OPC sono una raccolta di interfacce di programmazione che permettono ai client e ai server OPC di identificare, inviare e controllare i comandi eseguiti da un controllore o da un modulo I/O. OPC DA è lo standard più diffuso, ma ha un notevole svantaggio. All'epoca del suo sviluppo si basava sulle moderne tecnologie Windows come OLE, ActiveX e COM/DCOM, ma il settore è cambiato e altri sistemi operativi e tecnologie hanno preso piede.

Casi d'uso OPC

Scambio di dati senza soluzione di continuità tramite OPC-UA

L'intelligenza si sta trasferendo dai sistemi di controllo di supervisione ai componenti locali, mentre l'industria si muove verso l'integrazione orizzontale e verticale. Questa crescita comporta un aumento della necessità di comunicazione, per la quale lo standard aperto OPC-UA, che può essere utilizzato anche per i dispositivi embedded, rappresenta una soluzione adeguata. L'OPC-UA incorporato è un server gateway che collega il mondo del controllo e quello dell'IT fornendo l'accesso ai dati di processo, di produzione e di qualità in una serie di diversi tipi di controllori.

Gestione dell'acqua con dispositivi intelligenti abilitati a OPC UA

I controllori embedded decentralizzati e autonomi possono lavorare insieme per creare una rete intelligente per il controllo degli impianti di acqua potabile e acque reflue. OPC UA è la soluzione adatta per stabilire una comunicazione M2M sicura e standardizzata in questi impianti. OPC UA viene utilizzato tra gli impianti per la comunicazione M2M o la tecnologia IoT per il collegamento in rete intelligente di controllori embedded decentralizzati, funzionanti in modo autonomo e molto piccoli. Poiché il controllore dispone di un server OPC UA, questi oggetti sono immediatamente esposti al mondo esterno come strutture dati sofisticate che consentono l'interoperabilità semantica. Di conseguenza, emerge un'intelligenza decentralizzata, capace di prendere decisioni indipendenti e di trasmettere informazioni ai sistemi vicini.

Sono disponibili molti kit di strumenti OPC, software e moduli di aziende che permettono di realizzare progetti di design, sviluppo e anche di comunicazione su piattaforma aperta. Farnell ha stretto una partnership con diversi fornitori che si occupano di una serie di componenti OPC industriali come OPC, opc-toolkit, accessori per controllori di processo, interfacce per convertitori, starter kit software, PLC, and informatica industriale.