Przemysł 4.0 - sieci komunikacyjne standard OPC UA.

Przemysł 4.0 to koncepcja opisująca złożony proces przemiany technologicznej i organizacyjnej przedsiębiorstw, który obejmuje integrację łańcucha wartości, wprowadzanie nowych modeli biznesowych oraz cyfryzację produktów i usług. Wdrażanie tych rozwiązań możliwe jest dzięki wykorzystaniu technologii sieci cyfrowych, zwłaszcza sieci opartych o Ethernet. Sieć Ethernet umożliwia gromadzenie zasobów danych oraz zapewnienia komunikację w sieci współpracujących maszyn, urządzeń i ludzi. Czynnikiem napędzającym przemiany w kierunku przemysłu 4.0 są coraz bardziej zindywidualizowane potrzeby klientów i narastający trend personalizacji produktów i usług.

Siłą napędową jest zwiększenie elastyczności, wydajności i produktywności. Te trendy, zawsze przenikały automatykę przemysłową. Urządzenia przyszłości zostaną połączone. I to jest dokładnie to, co robi SiTech3D projektując urządzenia. Przemysłowy Internet Rzeczy (IoT) oznacza podłączanie urządzeń przemysłowych do systemów sterowania i Internetu. Ten trend zwiększonej łączności nadaje Klientom SiTech3D rozpęd, umożliwia gromadzenie danych z podłączonych urządzeń badawczych, przemysłowych i wprowadzanie ich do systemów informatycznych, gdzie można je analizować i prezentować. Zapewnia naukowcom, operatorom i decydentom natychmiastowy wgląd w procesy badawcze i przemysłowe, umożliwiając im zapewnienie, że systemy działają zgodnie z przeznaczeniem, są prawidłowo dostosowane i że zasoby są optymalnie wykorzystywane. SiTech3D oferuje produkty i rozwiązania, które łączą urządzenia z sieciami i zapewniają bezpieczny dostęp do ważnych danych.

Analiza rynku sieci przemysłowych wskazuje, że segment Ethernetu przemysłowego zyskiwał na znaczeniu szybciej niż w latach ubiegłych - jego roczny wzrost zwiększył się z 20% do 22%, natomiast udział w całkowitym rynku sieci przemysłowych wyniósł 65%.

SiTech3D dostosowuje produkowane urządzenia do zmieniających się oczekiwań klientów. W naszych urządzeniach stosujemy sterowniki i sieci przemysłowe firmy B&R oraz Siemens, których urządzenia pracują w oparciu o sieć Ethernet IP oraz obsługują specyfikacje OPC UA oraz UA FX. Sieci Fieldbus takie jak Profibus-DP, DeviceNet, CANopen czy Modbus-RTU stosujemy wyłącznie jako pomocnicze służące głownie do integracji naszych systemów z systemami innych producentów, którzy jeszcze je stosują lub do integracji z urządzeniami wyprodukowanymi przed laty. Jesteśmy przygotowani do stosowania serwerów OPC UA wbudowanych w sterownikach PLC jak i serwerów innych producentów oraz własnego klienta OPC stworzonego do nadzoru i sterowania wytłaczarkami, liniami do wytłaczania, walcarkami oraz wtryskarkami. Klient OPC UA może być zastosowany do urządzeń laboratoryjnych jak i produkcyjnych produkcji SiTech3D oraz innych.

Przemysł 4.0, IoT - koncepcja gromadzenia, przetwarzania i wymiany danych poprzez sieć, infrastruktury chmurowe wymagają znacznie szerszego dostępu do informacji. Takie możliwości daje przemysłowy standard Ethernet. Na jego bazie rozwinęły się takie protokoły jak Profinet-IO, Ethernet Powerlink, Ethernet/IP czy Modbus-TCP. Dzięki poprawie parametrów oraz unifikacji topologii sieci, jakie niesie za sobą jego stosowanie, przemysłowy Ethernet stał się dominującą technologią sieci przemysłowych. Obecnie coraz trudniej znaleźć na rynku urządzenia nie wspierające tego standardu. Przemysłowe sieci oparte o Ethernet IP ułatwiają integracje systemów pracujących w różnych miejscach ośrodków badawczych oraz zakładów przemysłowych. Jako producent widzimy potencjał, jaki drzemie w integracji urządzeń na bazie Ethernetu. Obszar możliwych zastosowań rozwiązań Fieldbus przesuwa się w kierunku aplikacji niszowych, a przemysłowy Ethernet jawi się jako podstawowy sposób komunikacji w automatyce.

Sieci przemysłowe oparte o standard Ethernet.

ETHERNET POWERLINK.

POWERLINK został opracowany w 2001 roku przez firmę B&R, a obecnie jego rozwojem zajmuje się organizacja Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG). W zakresie kontroli dostępu do łącza jest w nim wykorzystywany mechanizm szczelin czasowych (timeslots), które są przyporządkowywane poszczególnym stacjom oraz procedura odpytywania (polling).

PROFINET.

Profinet został opracowany w 2003 przez firmę Siemens wspólnie z organizacją PNO (Profibus User Organization). Występuje w kilku wersjach przeznaczonych do realizacji zadań, które różnią się wymaganiami czasowymi transmisji. Ponadto każda z odmian Profinetu jest zaliczana do innej kategorii w zależności od tego, w jakim stopniu jest zgodna ze standardem Ethernet TCP/IP.

ETHERNET/IP.

Protokół EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol, EIP) został opracowany w 2000 roku przez firmę Rockwell Automation, obecnie zaś jego rozwojem zajmuje się m.in. organizacja ODVA (Open DeviceNet Vendors Association). Opiera się on na protokole CIP (Common Industrial Protocol), który definiuje profile różnych urządzeń przemysłowych. Charakteryzują one ich właściwości i metody komunikowania się urządzeń.

Sieci przemysłowe Fieldbus.

CAN/CANOPEN, DEVICENET.

Specyfikacja CAN (Control Area Network) została opracowana w latach 80. zeszłego wieku przez firmę Bosch na potrzeby branży samochodowej. W związku z tym, że w oparciu na sieciach tego typu zamierzano zorganizować systemy sterowania w samochodach, musiały one spełniać określone wymagania. Najważniejsze z nich to: duża szybkość transmisji danych, odporność na zakłócenia i elastyczność w zakresie liczby węzłów sieci. Sprawiło to, że magistralą CAN zainteresował się przemysł. Wkrótce też powstała organizacja CAN in Automation, która do dzisiaj zajmuje się rozwojem oraz promocją sieci tego typu.

PROFIBUS DP.

Profibus (Process Field Bus), został opracowany w Niemczech w 1989 roku. Na rynek wprowadziła go firma Siemens, zaś protokół został zestandaryzowany i opisany w normie DIN 19245 w 1991 roku. Podobnie jak i inne przemysłowe protokoły komunikacyjne, Profibus jest zgodny z dwoma normami: IEC 61158 oraz IEC 61784. W pierwszej z nich zebrano wytyczne w zakresie cyfrowej komunikacji danych w sieciach polowych, pomiarowych i sterujących w przemysłowych systemach sterujących, natomiast w drugiej opisano profile dla protokołów komunikacyjnych opartych na normie IEC 61158

MODBUS.

Protokół Modbus został opracowany przez firmę Modicon w 1979 roku, jest to zatem jeden z najdłużej użytkowanych protokołów komunikacji przemysłowej. Obecnie za jego promocję i rozwój odpowiada Modbus Organization. Bazuje on na modelu komunikacji master-slave. Węzeł nadrzędny, aby połączyć się z węzłem podrzędnym wysyła komunikat składający się z: adresu odbiorcy, treści wiadomości oraz sumy kontrolnej, której sprawdzenie pozwala wykryć ewentualne błędy transmisji. Komunikat jest widoczny dla wszystkich węzłów sieci, jednak odbiera go, interpretuje i odpowiada na niego wyłącznie węzeł o wskazanym adresie sieciowym. Węzły slave nie mogą inicjować transmisji, jedynie odpowiadają na zapytania węzłów master.

Sieci Fieldbus, będące starszym standardem komunikacji, są szeroko stosowane w wielu urzadzeniach, ale napotykają na ograniczenia w kontekście integracji z nowoczesnymi technologiami, takimi jak OPC UA oraz w bliskiej przyszłości z OPC UA FX. Sieci Fieldbus obejmują wiele różnych standardów, takich jak PROFIBUS, Modbus, DeviceNet, CAN i inne. Każdy z tych standardów ma swoje własne specyfikacje i protokoły, co utrudnia ich integrację i interoperacyjność w złożonych systemach. Integracja sieci Fieldbus z OPC UA może być skomplikowana i kosztowna ze względu na różnice w architekturze i protokołach komunikacyjnych. Konieczne jest stosowanie bramek (gateways) i konwerterów protokołów, co może zwiększać złożoność i koszty implementacji. Sieci Fieldbus często nie oferują zaawansowanych funkcji zarządzania danymi, takich jak modelowanie danych czy metadane, które są dostępne w OPC UA. To ogranicza możliwości analizy i wizualizacji danych w czasie rzeczywistym oraz utrudnia integrację z systemami IT.

Standard komunikacji OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture).

OPC UA powstał w odpowiedzi na potrzeby przemysłu w zakresie interoperacyjności, bezpieczeństwa, elastyczności i skalowalności. Zapewniając platformę niezależną, zaawansowane funkcje modelowania danych i wsparcie dla różnych protokołów, OPC UA został zaprojektowany jako zintegrowana platforma, która unifikuje te różne protokoły, umożliwiając płynną wymianę danych między urządzeniami i systemami od różnych producentów.

W dzisiejszym świecie każdy komputer lub inne urządzenie IT można podłączyć do sieci lokalnej Ethernet (LAN). Ethernet to ustandaryzowany protokół sieciowy i technologia używana do kontrolowania transmisji danych i połączenia urządzeń w sieciach LAN oraz WAN. Jednak w systemie automatyki przemysłowej łączenie maszyn poprzez sieć Ethernet nie jest tak proste, jak łączenie komputera z infrastrukturą IT. Powodem tego jest to, że wiele wyspecjalizowanych magistrali fieldbus używanych w maszynach jest niekompatybilnych i nakłada surowe wymagania na sieci, aby pomóc osiągnąć niezbędne gwarancje komunikacji dla aplikacji. W celu podłączenia magistral typu Fieldbus do sieci Ethernet konieczne są drogie dedykowane kontrolery, bramy i urządzenia specyficzne dla aplikacji. Dobra wiadomość jest taka, że nie musi tak pozostać. Pojawienie się sieci Ethernet Time Sensitive Networking (TSN) oznacza teraz, że komunikacja badawcza i przemysłowa może zostać ujednolicona w sieci Ethernet w taki sam sposób, w jaki  to ma miejsce w sieciach IT.

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) to nowoczesny standard komunikacyjny stworzony dla przemysłu, który umożliwia wymianę danych między różnymi urządzeniami i systemami w sposób niezależny od dostawcy i platformy sprzętowej lub programowej. Jest to rozwinięcie wcześniejszego standardu OPC (OLE for Process Control) i oferuje szereg zaawansowanych funkcji oraz korzyści:

• Niezależność platformowa: OPC UA działa na różnych systemach operacyjnych i sprzęcie, co pozwala na integrację szerokiego spektrum urządzeń i systemów.
• Bezpieczeństwo: OPC UA zawiera zaawansowane mechanizmy bezpieczeństwa, takie jak szyfrowanie danych, uwierzytelnianie użytkowników i kontrola dostępu, co jest kluczowe w aplikacjach przemysłowych.
• Modelowanie danych: Umożliwia tworzenie złożonych modeli danych, co pozwala na dokładne odwzorowanie struktur danych wykorzystywanych w przemyśle.
• Skalowalność: Może być stosowany w małych urządzeniach wbudowanych jak i w dużych systemach przemysłowych, co czyni go bardzo elastycznym rozwiązaniem.
• Integracja z innymi technologiami: OPC UA może współpracować z innymi technologiami i standardami, co ułatwia integrację istniejących systemów z nowymi rozwiązaniami.

W skrócie, OPC UA to wszechstronny i bezpieczny standard komunikacyjny, który umożliwia skuteczną i efektywną wymianę danych w różnorodnych zastosowaniach badawczych i przemysłowych.

OPC UA FX: Nowoczesne Rozwiązanie dla Przemysłu 4.0.

W erze Przemysłu 4.0 oraz Industrial Internet of Things (IIoT), interoperacyjność, deterministyczna komunikacja i skalowalność stają się kluczowymi wymogami dla nowoczesnych systemów automatyki przemysłowej. OPC UA FX (Field eXchange) jest rozszerzeniem standardu OPC UA, które adresuje te potrzeby, oferując zaawansowane funkcje integracji, bezpieczeństwa i precyzyjnej wymiany danych na poziomie produkcyjnym. Przemysł 4.0 to koncepcja, która integruje nowoczesne technologie, takie jak IoT, analiza danych, sztuczna inteligencja i zaawansowane systemy sterowania, w celu stworzenia inteligentnych środowisk przeznaczonych do prowadzenia badań lub produkcji. Kluczowym elementem tej koncepcji jest zdolność do bezpiecznej i efektywnej wymiany danych między różnymi urządzeniami i systemami. OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) jest jednym z wiodących standardów komunikacyjnych w automatyce przemysłowej, a jego rozszerzenie, OPC UA FX, zostało zaprojektowane, aby sprostać specyficznym wymaganiom komunikacji na poziomie produkcyjnym.

Architektura OPC UA FX

OPC UA FX zachowuje kluczowe elementy architektury OPC UA, takie jak niezależność od platformy, bezpieczeństwo i modelowanie danych, wprowadzając jednocześnie nowe funkcje, które zwiększają jego zdolności w kontekście deterministycznej komunikacji i integracji na poziomie produkcyjnym.

Deterministyczna komunikacja.

Jednym z najważniejszych aspektów OPC UA FX jest deterministyczna komunikacja, która jest kluczowa dla aplikacji wymagających precyzyjnego czasu odpowiedzi. Dzięki integracji z Time-Sensitive Networking (TSN), OPC UA FX zapewnia, że dane są przesyłane z gwarantowanym opóźnieniem, co umożliwia realizację aplikacji czasu rzeczywistego.

Time-Sensitive Networking (TSN).

TSN to zestaw standardów IEEE, które umożliwiają precyzyjne zarządzanie czasem i niskie opóźnienia w sieciach Ethernet. W kontekście OPC UA FX, TSN pozwala na deterministyczną transmisję danych, co jest kluczowe dla aplikacji, takich jak sterowanie procesami badawczymi i produkcyjnymi ma też duże znaczenie w procesach automatyzacji badań i produkcji.

Bezpieczeństwo.

Bezpieczeństwo jest kluczowym aspektem OPC UA FX. Wprowadza ono zaawansowane mechanizmy ochrony danych, takie jak szyfrowanie, uwierzytelnianie użytkowników oraz kontrola dostępu, co zapewnia ochronę przed nieautoryzowanym dostępem i cyberatakami. Zwiększone bezpieczeństwo komunikacji jest kluczowe, zwłaszcza w kontekście Przemysłu 4.0, gdzie liczba połączeń i wymiana danych są znacznie większe niż w tradycyjnych systemach przemysłowych.

Zastosowania OPC UA FX.

OPC UA FX znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu, w tym:

• Automatyka przemysłowa: W zaawansowanych liniach produkcyjnych, gdzie wymagana jest precyzyjna i niezawodna komunikacja między różnymi komponentami systemu, OPC UA FX umożliwia skuteczną integrację i kontrolę procesów.
• Robotyka: W systemach sterowania robotami, deterministyczna komunikacja zapewniana przez OPC UA FX jest kluczowa dla precyzyjnych operacji i synchronizacji ruchów robotów.
• Systemy SCADA: W systemach nadzoru i akwizycji danych, OPC UA FX umożliwia szybkie i bezpieczne przesyłanie informacji, co jest kluczowe dla monitorowania i sterowania procesami w czasie rzeczywistym.
• Badania: W zarządzaniu i monitorowaniu badań, OPC UA FX zapewnia niezawodność i szybkość transmisji danych z urządzeń, czujników oraz gromadzenie i przetwarzanie tych danych, co jest niezbędne dla efektywnego zarządzania zasobami informacji.
• Wnioski: OPC UA FX jest zaawansowanym rozszerzeniem standardu OPC UA, które spełnia wymagania nowoczesnych systemów w kontekście Przemysłu 4.0 i IIoT. Dzięki integracji technologii TSN, deterministycznej komunikacji oraz zaawansowanym mechanizmom bezpieczeństwa, OPC UA FX umożliwia precyzyjną, niezawodną i bezpieczną wymianę danych na poziomie badań oraz produkcji. Jego zastosowanie w różnych dziedzinach przyczynia się do zwiększenia efektywności, elastyczności i interoperacyjności systemów automatyki. Specyfikacja OPC UA FX definiuje rozszerzenia struktury OPC UA, które umożliwiają jednolite połączenie sieciowe pomiędzy sterownikami za pośrednictwem wspólnej infrastruktury sieciowej w celu wymiany danych procesowych w oparciu o interfejs niezależny od producenta. W ten sposób OPC UA staje się przemysłowym standardem interoperacyjności nie tylko dla integracji pionowej od poziomu sterowania do krawędzi lub aż do chmury, ale także jako interfejs do wymiany danych procesowych pomiędzy sterownikami, niezależnie od protokołu, którego te sterowniki używają do komunikować się z podstawowymi urządzeniami obiektowymi, np. serwonapędami, rozproszonymi wejściami/wyjściami, czujnikami. Umożliwia to stopniową migrację konwencjonalnych protokołów Ethernetu przemysłowego do jednolitego rozwiązania komunikacyjnego opartego na OPC UA, a bariery wynikające z niekompatybilnych protokołów i profili można krok po kroku usuwać. Decydującym czynnikiem sukcesu jest to, że OPC UA jest wspierany przez wszystkich głównych dostawców automatyki na świecie, dzięki czemu użytkownicy będą mogli w przyszłości swobodnie decydować, jakich systemów i komponentów użyją w swoich zakładach produkcyjnych i fabrykach.