Quatro protocolos de comunicação baseados em TCP que são fundamentais para a IIoT – Parte 2: OPC UA
Quando se trata do futuro da automação, do desenvolvimento de redes IIoT e de fábricas inteligentes, a conectividade desempenha um papel fundamental. Grandes estruturas de rede nas quais nós individuais estão conectados e trocam dados uns com os outros estão substituindo cada vez mais pirâmides de automação rígidas e hierárquicas por camadas divisórias.
Para realizar essa rede inteligente, os dispositivos devem estar capacitados para IIoT. Eles devem, portanto, atender a certos requisitos, como padronização, escalabilidade, compatibilidade com sistemas de TI e OT e a capacidade de interoperar. Também é muito importante que garantam uma comunicação segura.
Vários protocolos de comunicação baseados em tcp, incluindo MQTT, OPC UA, AMQP e API REST, permitem a comunicação inteligente até a nuvem. Em nossa série de artigos de blog em várias partes, você pode saber mais sobre as caraterísticas desses protocolos de comunicação da IIoT e em quais casos de uso eles são particularmente adequados. A segunda parte dessa série de artigos concentra-se em OPC UA.
O que é OPC UA e como funciona?
O OPC Unified Architecture (OPC UA) é uma arquitetura baseada em serviços independente de plataforma. Sucessor do Classic OPC, o objetivo do OPC UA era eliminar as desvantagens do Classic OPC, especialmente suas dependências da Microsoft e dos COM/DCOM. A OPC Foundation, a mesma organização que desenvolveu o Classic OPC, é também responsável pelo desenvolvimento e gerenciamento do OPC UA. A primeira versão da especificação foi lançada em 2008 e foi certificada pela IEC (IEC 62541). O OPC UA, conhecido como uma arquitetura em vez de um protocolo de comunicação, oferece um ecossistema completo para implementações. Esse ecossistema é tão flexível que o OPC UA será capaz de vincular e usar novas tecnologias dentro do sistema existente à medida que surgirem novas tecnologias. Por exemplo, o OPC UA pub/sub foi lançado em 2018 (até então o OPC UA dependia principalmente da solicitação/resposta). Uma grande atenção está sendo dada atualmente aos padrões TSN (Time-Sensitive Network), que permitem o comportamento determinístico do tempo. Essa motivação para otimizar processos em termos do tempo que levam para ser concluídos é implementada através dos esforços contínuos da OPC Foundation em várias atividades técnicas e de marketing. Um aspecto essencial do OPC UA é que não existem arquivos de descrição do dispositivo. Cada dispositivo tem todas as informações de que necessita e não depende de arquivos externos para comunicação, identificação ou acesso a dados.
Mas essa nem é a parte mais fascinante. Os aspectos mais importantes que o OPC UA oferece ao setor são modelagem de dados, modelos de informação e a atividade de consórcios, como grupos de trabalho técnicos, que estão trabalhando na harmonização e comunicação de todos os dispositivos entre setores. Os elementos básicos da modelagem de dados OPC UA são os nós e as referências. Cada unidade de dados é chamada de nó e todos os nós se conectam através de referências. Existem vários tipos de nós e referências. Por exemplo, um nó pode ter o tipo Object, Variable, Method, ObjectType ou DataType. As referências também têm tipos, mas são combinadas em um nível mais alto em grupos hierárquicos e não hierárquicos. Os nós e as referências estão dentro de um intervalo de endereços e todos os nós podem ser acessados através de “IDs de nó”. O ID do nó corresponde a um endereço onde o nó apropriado (informações de dados) existe.
Modelos de informação
Os modelos de informação são elementos essenciais para a aplicação do OPC UA. Eles fornecem definições padrão de nó que permitem uma melhor harmonização entre dispositivos. Existem vários modelos de informação. A OPC Foundation define modelos básicos, como Acesso a dados (DA), Acesso a dados históricos (HDA), Alarmes e condições, e Programas, que fornecem informações sobre quais funções uma aplicação OPC UA aceita. O DA é o acesso padrão aos dados de processo e parâmetro. O HDA adiciona funções para armazenar várias medições a partir do mesmo nó para fins estatísticos. Alarmes e condições possibilitam o envio de eventos em caso de notificações de emergência, e os Programas permitem que máquinas de estado simples sejam definidas.
A escalabilidade do OPC UA permite implementar apenas o modelo de informações de acesso a dados, que é particularmente útil para dispositivos com uma quantidade limitada de memória e poder de computação. Além destes quatro modelos de informação, a OPC Foundation criou outro modelo denominado como modelo de informação de Integração de dispositivos (DI), que constitui a base para inúmeros outros modelos de informação de grupos de trabalho técnicos, como FDI, PLCopen, AutoID ou OPC UA para IO-Link. Esses modelos de informação contribuem significativamente para a harmonização dos dispositivos, uma vez que implementam as mesmas informações nos mesmos pontos de acesso (NodeIds). Isso significa que é muito fácil substituir um dispositivo por outro, mesmo que seja de outro fornecedor.
OPC UA pub/sub:
A extensão pub/sub no OPC UA tem seu próprio formato de mensagem, ou seja, NetworkMessage, e usa protocolos de comunicação diferentes da implementação do cliente/servidor. Ele usa MQTT, AMQP, OPC UA UDP e OPC UA Ethernet. O que é particularmente atraente é que esses quatro protocolos estão localizados em três camadas de modelo TCP/IP diferentes: a camada de rede, a camada de transporte e a camada de aplicação .
Figura 1: aplicação típica do OPC UA
A Figura 1 compara os dois padrões “Solicitação/Resposta” e “Pub/Sub”. O aplicativo OPC UA contém um servidor OPC UA e um cliente MQTT e se comunica com duas conexões TCP paralelas. Ele publica dados para o agente MQTT ou recebe uma solicitação do cliente OPC UA. O aplicativo não pode ser impedido de se comunicar com eles em paralelo. Isso requer apenas duas conexões TCP. A vantagem é que os dados são armazenados apenas uma vez, mas são transmitidos em dois canais separados.
Interoperabilidade do OPC UA
O OPC UA tem muitos recursos de interoperabilidade sintática e semântica. Sintaticamente, todos os dispositivos usam os mesmos tipos e serviços para comunicação. Eles também usam modelos de informações, todos armazenados no mesmo formato, em um arquivo nodeset. O arquivo nodeset contém uma coleção de todos os nós e referências definidas além das regras básicas de modelagem no OPC UA, e fornece os dados definidos em um modelo de informação em formato legível por máquina. Os arquivos nodeset fornecem interoperabilidade sintática e semântica. Do ponto de vista sintático, esses arquivos têm a mesma estrutura e podem ser analisados a partir de qualquer aplicação OPC UA. Do ponto de vista semântico, muitos grupos de trabalho estão trabalhando para harmonizar os nomes dos seus dados de parâmetros e processos, sua disponibilidade de métodos, seus eventos, etc., para que diferentes dispositivos se assemelhem e se comportem de forma similar. Um exemplo é o modelo de informações AutoID, que visa unificar todos os dispositivos de identificação, como leitores RFID e leitores de código de barras. Além disso, eles podem ter parâmetros individuais específicos do fornecedor, mas devem ter uma base comum. Isso simplifica a implementação do cliente OPC UA, porque não é necessário nenhum link para versões personalizadas individuais. Em resumo, o OPC UA é capaz de interações máquina-máquina. Ao usar ferramentas de visualização para representar o modelo de informação, ele também é interoperável de pessoa para máquina.
Comportamento em tempo real do OPC UA
Depois de se expandir para o mundo pub/sub, o OPC UA teve oportunidades de competir em tempo real. Com seu padrão de solicitação/resposta, dificilmente poderia ter acompanhado o ritmo do MQTT e do AMQP.
Segurança de OPC UA
O OPC UA segue as Especificações de segurança do serviço Web para sua conversa segura do WS e cria uma variante binária para o caminho binário TCP chamado Conversação segura da UA. Além disso, ele fornece mecanismos de segurança, como nome de usuário/senha, certificados X.509 e tokens emitidos, bem como recursos de auditoria de mensagens para registrar alterações por clientes, rastreando o valor atualizado e o tempo de alteração.
Implementação de OPC UA
O único protocolo que pode ser estendido (devido às suas muitas funções) é o OPC UA. Além do dimensionamento de segurança padrão, o que significa apenas desligar a segurança (o que não é recomendado para OPC UA ou outros protocolos), o OPC UA pode ser dimensionado de pelo menos duas maneiras. Selecionar um perfil OPC UA adequado para dispositivos pequenos e incorporados (Perfil de servidor de nanodispositivos incorporados) limitará o número de conexões TCP a uma. Além disso, o aplicativo pode ser restrito a modelos básicos de informações, como o Data Access (DA).
Esforço necessário:
OPC UA também é complexo em termos de conceito, especialmente quando se trata de construir um modelo de informação completo. Portanto, recomendamos que você use modelos de informações existentes que correspondam ao caso de uso. De uma perspectiva de protocolo e segurança, também recomendamos que você use e crie uma biblioteca existente.
Aplicação do OPC UA
O OPC UA é particularmente adequado para aplicações em que os dados compartilhados precisam ser padronizados e harmonizados, em que os dispositivos precisam ser facilmente intercambiáveis usando os mesmos modelos de informação, em que eventos, alarmes e dados históricos são úteis, e mesmo quando uma mistura de comunicação por solicitação/resposta e pub/sub é usada. Não admira que o OPC UA tenha sido instalado em milhões de máquinas e fábricas em todo o mundo, desde o setor de logística até o automotivo, o químico etc.
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