Introdução ao OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture)

Olá caro leitor, tudo bem? No artigo de hoje iremos explanar algumas características do OPC UA, sucessor do conhecido OPC clássico, que se popularizou no cenário industrial por possuir serviços que garantem a interoperabilidade entre componentes de automação. Rapidamente falando, o OPC UA é um padrão que facilita a IIoT (Internet das Coisas Industrial) através de sua escalável e segura arquitetura, sendo aplicável em todas as camadas da arquitetura ISA95, desde a camada de dispositivo até a camada comercial.

 

Antes de falarmos do OPC UA, faz-se necessária uma rápida explanação sobre o OPC Clássico e o que levou a OPC Foundation a criar as novas especificações.

 

 

Conhecendo o OPC Clássico

 

Muitos produtos como PLC (Programmable Logic Controller), DCS (Distributed Control System) e SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) existem no mercado suportando componentes de clientes e servidores OPC.

 

Segundo Lehnhoff, o OPC Clássico é bem aceito no cenário industrial, pois 6 anos atrás já existiam mais de 22.000 produtos OPC disponíveis no mercado, distribuídos em mais de 3.500 empresas, incluindo todos os principais fornecedores de soluções para automação.

 

O OPC Clássico fornece as seguintes especificações: OPC DA (Data Access), OPC A&E (Alarm & Event) e OPC H&DA (Historical Data Access). Elas resultam na interoperabilidade entre componentes de automação, como, por exemplo, controladores, HMI, etc. A figura 1 ilustra a arquitetura do OPC Clássico.

 

Arquitetura do OPC Clássico
Figura 1 - Arquitetura do OPC Clássico

 

Apesar de o OPC Clássico ser bem aceito na indústria, algumas restrições tornam-se aparentes pelo fato do padrão ser baseado na tecnologia COM/DCOM da Microsoft. Dentre essas limitações, destacam-se:

  • Utilização do protocolo em plataformas independentes, pois o OPC pode ser adequado apenas para plataformas da Microsoft;
  • Os pacotes gerados pelo DCOM são complexos e difíceis de serem enviados pela internet, devido ao firewall;
  • Difícil gerenciamento dos independentes servidores DA, HDA e A&E.

 

Para sanar todos estes problemas, a OPC Foundation aproveitou algumas tecnologias (tendo como exemplo XML e .NET) para a elaboração de um padrão de objeto e arquitetura unificada, completamente orientada a serviços, visando o modelo de fabricação empresarial. Tal elaboração acarretou na criação do OPC UA que unifica todas as especificações do seu antecessor e as leva para o estado da arte usando SOA (Service-Oriented Architecture).

 

 

OPC UA - (Open Platform Communications Unified Architecture)

 

O OPC UA é um protocolo para comunicação industrial, padronizado na IEC 62541, e também definido como um padrão independente de uma determinada plataforma. Diversos tipos de dispositivos e sistemas podem se comunicar por meio de mensagens trocadas entre clientes e servidores nos mais variados tipos de redes, mantendo, assim, uma arquitetura baseada em padrões de tecnologias web. Em função disso, o protocolo busca assegurar a interoperabilidade entre seus componentes e apresenta como principal característica a definição de poderosos modelos de informações.

 

Dessa forma, o OPC UA pode ser aplicável a diversos componentes, em todos os domínios industriais, visando a troca de informações entre sensores, atuadores, sistemas de controle, sistemas de fabricação e sistemas de planejamento, conforme constata a figura 2.

 

Aplicação do OPC UA dentro da pirâmide de automação
Figura 2 - Aplicação do OPC UA dentro da pirâmide de automação

 

O OPC UA oferece uma série de recursos se comparado ao OPC Clássico. Dentre estes benefícios, destacam-se: endereço de espaço unificado, complexidade dos dados, múltiplas plataformas e mecanismos de segurança. A seguir serão elencadas algumas características de tais recursos.

  • Modo de acesso de dados unificado: no OPC Clássico cada especificação lida com um aspecto diferente dos dados. O OPC UA, por sua vez, integra os dados, alarmes e eventos em um único endereço de espaço. Com isso, o cliente OPC UA pode obter um bom conjunto de informações com apenas uma chamada. Dentro do OPC UA todos os dados são tratados de forma padronizada, o que resulta numa diminuição de tempo e desenvolvimento de aplicativos. Os dados atuais e históricos podem ser armazenados em variáveis; os comandos de controle dos dispositivos são considerados como métodos de serviços para execução; e a ocorrência de um alarme ou evento que provem de um dispositivo de hardware pode ser considerada como um serviço de evento. A figura 3 caracteriza o objeto do modelo unificado para dados, histórico, alarmes e eventos.

 

Modelo de objeto unificado para dados atuais, dados históricos e alarmes.
Figura 3 – Modelo de objeto unificado para dados atuais, dados históricos e alarmes.

 

  • Suporte a estruturas de dados complexos: As especificações anteriores do OPC fornecem uma simples organização hierárquica pra dados, enquanto o OPC UA dispõe modelos de informações Meta dados que podem se estender facilmente. Com isso, o cliente não precisa entender os significados com as descrições detalhadas do modelo de dados. Sendo assim, tal medida facilita a construção do software do cliente.

 

  • Múltiplas plataformas: o OPC UA pode ser desenvolvido em Windows, Linux e sistemas embarcados. Tal desenvolvimento só é possível pelo fato de que a OPC Foundation disponibiliza alguns SDKs (Software Development Kit) estruturados em algumas linguagens de programação, como, C/C++, C# e Java.

 

  • Mecanismos de segurança: A segurança do OPC Clássico depende exclusivamente da segurança da tecnologia COM/DCOM. Por outro lado, OPC UA fornece um modelo flexível de segurança que pode ser utilizado nos diferentes níveis da pirâmide de automação, atendendo às exigências para cada ambiente.

 

 

Referências

 

[1] - LEHNHOFF, S et al. IEC 61850 based OPC UA Communication - The Future of Smart Grid. In 17th Power Systems Computation Conference, Stockholm Sweden, p.1-9, 2011.

 

[2]-  HANNELIUS, T. Roadmap to adopting OPC UA. In The IEEE International Conference on Industrial Informatics, 2008 IEEE International Conference on IEEE, 2008.p 756-761.

 

[3] - GROSSMANN, D.; BENDER, K.; DANZER, B. OPC UA based Field Device Integration. In SICE Annual Conference. 2008 IEEE International Conference on.p.933-938, 2008.

 

[4]- HUIMING, L.; ZHIFENG, Y. Research on Key Technology of the Address Space for OPC UA Server. In 2nd International Conference on Advanced Computer Control. 2010 IEEE International Conference on. IEEE, 2010.p.278-281.

 

[5]-  GRUNER, S.; PFROMMER, J; PALM, F. RESTful Insdustrial Communication With OPC UA. Industrial Informatics, IEEE Transactions on, v.12, n.5, p.1832-1841, 2016.

 

[6]- DURKOP, L et al. Service-Oriented Architecture for the Autoconfiguration of Real-Time Ethernet Systems , Komma, p 2012.

 

[7]- ROHJANS, S.; USLAR, M.; APPELRATH, J. OPC UA and CIM: Semantics for the Smart Grid. In IEEE PES T&D.2010 IEEE Conference on, p.1-8, 2010.

 

[8] - Introduction to Classic OPC

 

[9] - OPC Architecture for Industrial Processes

 

[10] - OPC Unified Architecture- Interoperability for Industrie 4.0 and Internet of Things

 

[11] - OPC Foundation. Unified Archicture

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Pablo Melo
Tecnólogo em Eletrônica Automotiva pela Fatec Sorocaba. Mestrando em Engenharia Elétrica pela UNESP Sorocaba, com ênfase em Sistemas Mecatrônicos. Desenvolve estudos direcionados para aplicações do protocolo OPC UA voltadas para a Internet das Coisas Industrial, Indústria 4.0 e RAMI 4.0. Ama pesquisar tecnologias sobre sistemas embarcados, sempre acompanhado por uma boa dose de café.

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Gevoane
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Gevoane

Sou técnico de informática a mais de 15 anos e me formei em Engenharia de Produção recentemente e pretendo seguir a linha de automação industrial. Porém não vejo muitas referências sobre informática industrial, acredito que isso se deva por estar em Brasília e a industria por aqui não é tão forte.
Poderia me dar um norte ?

Pablo Melo
Visitante
PABLO FELIPE SOARES DE MELO

Certamente Geovane. Segue meu linkedin para discutirmos melhor :

https://www.linkedin.com/in/pablofsmelo/

Abraços