OPC-UA NA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

O Padrão de Comunicação para Interconexão e Convergência de Dados na Indústria

A evolução nas conexões de dados industriais, é foco de nosso texto, grandes esforços e investimentos dos departamentos de pesquisa e desenvolvimento tecnológico estão criando novos padrões, equipamentos e softwares, permitindo pavimentar o caminho da Indústria 4.0.

Disponibilizamos três textos correlacionados, onde mostramos as novas tecnologias, o OPC-UA (OPC UA – Unified Architecture) , o TSN (Time-Sensitive Network) e o FDI (Field Device Integration), formando os novos padrões da conectividade industrial.

A transformação digital permitirá uma indústria mais inteligente, portanto mais eficiente, barata e segura, para que isso ocorra, a automação industrial tem grande papel nesta transformação, onde a Indústria 3.0, baseada na Pirâmide da Automação, se transforma nos Pilares da Automação, uma vez que Convergência, Padronização e Velocidade de dados, possibilitará que a Indústria 4.0 se torne uma realidade, rompendo as barreiras de interface, que hoje existem no modelo atual da indústria.

Em nosso texto de OPC-UA, vamos falar sobre:

  • Comunicação de Dados na Indústria;
  • Padronização de Tecnologias;
  • Evolução da Conectividade;
  • Conectividade para Indústria 4.0.

Para entender como chegamos ao OPC-UA, que é a tecnologia mais moderna hoje na padronização de comunicação, precisamos entender que para se fazer uma comunicação de dados digitais, antes de meados de 1990, eram necessários “drives” proprietários, isto é, cada fabricante desenvolvia o seu, com suas particularidades e características.

Com o advento do Windows da Microsoft, e a adoção desta plataforma na automação industrial, surge a tecnologia OPC (Clássica), onde através de um modelo de coleta de dados padronizados, utilizando os recursos do próprio sistema operacional, podemos comunicar entre sistemas e hardwares industriais, portanto, as limitações e novas demandas, levaram ao desenvolvimento do OPC-UA, onde vamos entender um pouco melhor.

Antes, vamos entender o que é o OPC – OLE for Process Controle, é um conjunto de padrões de comunicação de dados para indústria que se utiliza do OLE – Object Linking and Embedding, tecnologia da Microsoft (Windows), que permite a conexão entre objetos de dados, utilizando-se da interface COM/DCOM – Distributed Component Object Model, também do Windows, permitindo troca de dados entre aplicativos e dispositivos, por exemplo, um PLC e um sistema SCADA conectado com um OPC.

O OPC Clássico possui três especificações, DA – Data Access, para troca de dados em tempo real, o A&E – Alarm and Events, dados e mensagens de eventos de estados e HDA – Historical Data Access, dados para análise histórica de eventos.

O OPC Clássico, se mostrou limitado para alguns desafios do seu tempo, os principais abaixo:

  • Problemas frequentes de configuração com o DCOM;
  • Não há timeouts configuráveis;
  • Apenas Microsoft Windows;
  • Segurança muito simples;
  • Nenhum controle sobre DCOM.

Então, surge o OPC UA – Open Platform Communications – Unified Architecture (Plataforma Aberta de Comunicação – Arquitetura Unificada – nova terminologia), sendo um padrão aberto de comunicação de dados industriais, e ao contrário do OPC Classic, o OPC UA utiliza um modelo de informação orientado a objetos, que suporta estruturas, objetos, máquinas de estado, base legada, além de ser independe de sistema operacional (Windows), onde este:

  • Suporta arquitetura orientada a serviços (SOA) que permite a fácil personalização do OPC UA, para diversos tipos de dispositivos e aplicativos;
  • O OPC UA possibilita a troca de dados brutos e informações pré-processadas entre os sistemas incorporados nos sensores e nos dispositivos de campo e os sistemas de ERP, MES e de visualização de processos (IHM);
  • Possui segurança Robusta de dados.

As principais características do OPC-UA, são listadas abaixo:

  • Para trocar dados, o OPC UA usa um protocolo binário otimizado baseado em TCP. Basta abrir uma única porta no firewall;
  • Os usuários podem combinar livremente os diferentes recursos de segurança de acordo com suas necessidades específicas, para que possam criar soluções escaláveis;
  • OPC UA utiliza uma arquitetura robusta com mecanismos de comunicação confiáveis, monitoramento de tempo configurável e detecção automática de falhas;
  • Os mecanismos de correção de falha restabelecem automaticamente o link de comunicação entre o OPC UA Client e o OPC UA Server sem perda de dados;
  • O OPC UA fornece funcionalidade de redundância que pode ser integrada a aplicações Client e Server a fim de proporcionar alta disponibilidade do sistema e máxima confiabilidade;
  • O OPC-UA permite ainda, como recursos adicionais, redundância de conexão, monitoramento da conexão (interrupções) e buffer de dados e confirmação, conexões perdidas não levam a perda de dados.

Quanto aos principais benefícios do uso do OPC-UA, temos:

  • Fácil e rápida instalação e partida;
  • Implementação multiplataforma, incluindo implementações portáveis ANSI C , Java e .NET;
  • Escalabilidade: de sensores inteligentes e atuadores e dentro de equipamentos;
  • Operação multithread (múltiplas Threads – tarefas), bem como single-threaded / single-task – necessária comunicação de dispositivos embarcados IoT;
  • Segurança, baseada em novos padrões;
  • Tempos limite configuráveis para cada serviço;
  • Chunking (organizar dados em pacotes menores) de grandes datagramas;
  • A arquitetura OPC UA é uma arquitetura orientada a serviços (SOA).

Podemos montar diversos arranjos de arquitetura de conexão com o OPC-UA, lembrando que seu conceito de comunicação básico é baseado em cliente-servidor, logo podemos ter, conexão de um sistema com um hardware, conexão de um ou mais hardwares, com diversos sistemas, como um Scada e um banco de dados, como cliente OPC e até mesmo, externar dados para Cloud, onde o OPC-UA, suporta estes tipos de conexão via Internet.

Quanto ao funcionamento, o OPC-UA, tem as seguintes principais características:

A comunicação OPC-UA suporta dois formatos, UA Binário e XML, o remetente codifica os dados para o formato relevante e o receptor deve ser capaz de decodificar o conteúdo (com todas premissas de integridade e segurança) de forma a reconstruir o dado original.

Formato UA Binário

O formato UA Binário é um conjunto de dados seriados em formato de array (conjunto ou estrutura de dados) de bytes, este é um método simples e de baixo custo, normalmente aplicado no nível de dispositivo, é de processamento limitado, mas de alta prioridade, deve ser interpretado somente por clientes compatíveis com OPC-UA.

Formato XML – Extensible Markup Language

O formato XML é uma linguagem de dados de marcação, isso facilita a interpretação por parte de diversos dispositivos, independe da plataforma e pode-se utilizar-se de esquemas de SOA.

Este formato normalmente está aplicado no nível mais alto de comunicação da planta e suporta clientes genéricos de XML (impressora, por exemplo), como codificar e decodificar XML é mais caro, normalmente esta solução se aplicação no nível de informação e gestão.

O OPC UA suporta dois protocolos de comunicação, o OPC/TCP e o SOA/HTTP(S):

Protocolo OPC/TCP – OLE for Process Control / Transmission Control Protocol

Este protocolo de baseia no TCP para transporte do dado, permitindo um canal full-dulplex entre o Server e o Client, no modelo Socket (soquete), o canal se comunica com pacotes Binários, permitindo canal seguro (soquete seguro), somente clientes OPC são capazes de receber informações de OPC-TCP.

Protocolo SOAP/HTTP (S) – Simple Object Access Protocol / Hypertext Transfer Protocol (Secure)

Este protocolo trabalha com mensagens estruturadas no modelo SOAP (XML), que são transmitidas via HTTP(S), normalmente são chamados de envelopes de mensagem. Estas mensagens são conjuntos de dados que são utilizados no nível de informação entre diversos tipos dispositivos que suportam XML, podendo trabalhar com modo seguro, criptografia e certificados digitais.

O OPC-UA utiliza as tecnologias SSL –  Secure Sockets Layer, TLS – Transport Layer Security e AES – Advanced Encrypton Standard, que permitindo os seguintes controles de segurança:

  • Proteção contra o acesso não autorizado, modificações de valores de processo, sabotagem e falhas causadas por uso negligente;
  • Os recursos de segurança são uma parte obrigatória do padrão e incluem autenticação de usuário e de aplicativo, assinaturas digitais de mensagem e criptografia de dados transmitidos;
  • A troca de dados entre dispositivos OPC-UA é segura, com controle de confidencialidade, integridade e autenticação;
  • Os mecanismos de dados de transporte de OPC-UA são acessíveis por Firewall e Internet, permitindo controles de acesso local e via Internet;

A nova tecnologia PUBLISHER / SUBSCRIBER:

A estrutura de aplicação do OPC-UA é baseada em Cliente-Servidor, este tipo de aplicação não é o modelo ideal quando consideramos soluções para IoT – Internet das Coisas aderente a Indústria 4.0, com isso, surge a solução baseada em Publisher / Subscriber, onde o “publicador” emite os dados para seus “inscritos” e os inscritos também podem enviar dados para o publicado, este conceito permite redes digitais de alta densidade, velocidade e performance.

Quanto as aplicações do OPC-UA, tanto em soluções quanto em descrições de produto, são importantes definir as entradas de dados e seus respectivos protocolos, definir as saídas da mesma forma, orientada as aplicações dos sistemas que vão “consumir” estes dados, inclusive com foco com Cloud, se for o caso, com os protocolos exigidos para tal, exemplo, MQTT.

Softwares de OPC-UA, normalmente são chamados se Suites, pois permitem uma série de funções adicionais, tais como, troca de dados entre protocolos e equipamentos diferentes, acesso a base de dados, tunelamento de dados, entre outros.

O OPC-UA tem total aderências as demandas da Indústria 4.0, podemos destacar alguns pontos:

  • Suporta convergência de padrões e unifica o conector (Protocolo) de saída;
  • Suporta MQTT Message Queuing Telemetry Transport e AMQP Advanced Message Queuing Protocol;
  • Permite comunicação direta em Cloud Computing (Azure, AWS, Google, MindSphere – Siemens…).

Como continuidade do desenvolvimento tecnológico, podemos descrever algumas tendências, baseado em indicares reais de desenvolvimento técnico em curso:

  • OPC-UA incorporado em qualquer dispositivo (coisa) IoT;
  • OPC-UA trabalhar com TSN – Time-Sensitive Networking;
  • OPC-UA conectar dispositivos de campo, independente de protocolos FDI – Field Device Integration.

Concluímos que a evolução da digitalização e a realidade da Indústria 4.0, passam por desafios técnicos de comunicação de dados de toda a cadeia de valor, as novas soluções devem permitir convergência, padronização e velocidade, o OPC-UA é uma proposta concreta e já aplicável.

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