OPC UA na Automação Industrial

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.

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 Industrial – 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 atualmente na padronização de comunicação, precisamos entender que para se fazer uma comunicação de dados digitais, antes de meados de 1990, eram necessários “drives” proprietários.

Na prática, isso significava que cada fabricante desenvolvia o seu, com suas particularidades e características.

Com o advento do sistema operacional Microsoft Windows e a adoção desta plataforma na automação industrial, surge a tecnologia OPC (Clássica).

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.

O que é o OPC (OLE for Process Control)?

Se você sempre quis saber o que significa OPC, saiba que é a abreviação para OLE for Process Control.

Na prática, é um conjunto de padrões de comunicação de dados para indústria que se utiliza do OLE (Object Linking and Embedding), tecnologia da Microsoft utilizada no sistema operacional Windows, que permite a conexão entre objetos de dados.

Utiliza-se da interface COM/DCOM (Distributed Component Object Model), também do Microsoft 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:

1. DA (Data Access): para troca de dados em tempo real
2. A&E (Alarm and Events): dados e mensagens de eventos de estados
3. HDA (Historical Data Access): dados para análise histórica de eventos

O OPC Clássico se mostrou limitado para alguns desafios do seu tempo. As principais limitações que surgiram na época foram:

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

Sendo assim, existia a necessidade de uma nova tecnologia que resolve-se as limitações encontradas na época.

Surge então o OPC UA…

O OPC Unified Architecture foi a tecnologia desenvolvida para ser sucessora do OPC Clássico, sendo um padrão aberto de comunicação de dados industriais.

Ao contrário do OPC Clássico, o OPC UA utiliza um modelo de informação orientado a objetos, que suporta estruturas, máquinas de estado, base legada, além de ser independe de sistema operacional. Além disso, estas são mais algumas ventagens do OPC UA em relação ao OPC Clássico:

• Suporta arquitetura orientada a serviços (SOA) que permite a fácil personalização do OPC UA, para diversos tipos de dispositivos e aplicativos
• 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

Principais características do OPC UA

As principais características do OPC UA, são listadas abaixo:

• Para trocar dados, o OPC UA usa um protocolo binário otimizado baseado em TCP, bastando abrir uma única porta no firewall
• Os usuários podem combinar livremente os diferentes recursos de segurança, de acordo com suas necessidades, permitindo a criação de soluções escaláveis
• 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
• Fornece redundância, que pode ser integrada a aplicações Client e Server, proporcionando alta disponibilidade do sistema e máxima confiabilidade
• Possui recursos adicionais, como: redundância de conexão, monitoramento da conexão (interrupções), buffer de dados e confirmação, onde conexões perdidas não levam a perda de dados

Principais benefícios do uso do OPC UA

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 ou mais hardware, sistemas como um SCADA e um banco de dados como cliente OPC e até mesmo, externar dados para algum serviço em nuvem, ja que o OPC UA suporta estes tipos de conexão via internet.

Funcionamento do OPC UA

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 (por exemplo: impressoras). 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/HTTPS:

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/HTTPS (Simple Object Access Protocol / Hypertext Transfer Protocol Secure)

Este protocolo trabalha com mensagens estruturadas no modelo SOAP (XML), que são transmitidas via HTTPS, 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 publicador. 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, etc.)

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

• OPC UA incorporado em qualquer dispositivo via IoT
• OPC UA trabalhando com TSN (Time-Sensitive Networking)
• OPC UA conectando a dispositivos de campo independente de protocolos FDI (Field Device Integration)

Conclusão

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.