Guia Definitivo: Entenda tudo sobre o que é OPC UA e como isso pode impactar a sua indústria

Descubra tudo sobre OPC UA, seu funcionamento e como essa tecnologia veio para facilitar o meio industrial

Sua indústria possui ineficiências operacionais no fluxo de informação em virtude dos dispositivos do chão de fábrica não estarem conectados? Então leia esse artigo sobre OPC UA, pois ele será de grande ajuda para você!

Antes de falar sobre o assunto, vamos fazer uma contextualização histórica sobre como e porque surgiu o OPC. Qual era a realidade de alguns anos atrás quando pensaram em criar essa tecnologia?

Anos atrás, os diversos dispositivos de chão de fábrica eram geralmente produzidos por diferentes fornecedores e cada um deles possuíam seus próprios drivers e protocolos de comunicação. Logo, a integração e conectividade entre esses diversos dispositivos era impossibilitada.

Você pode estar se perguntando: “e a internet?”. Então, ela não era uma opção viável devido a alta exposição de dados secretos à hackers.

Por isso, era mais seguro para as indústrias os dispositivos de chão de fábrica ter uma rede local. Como cada fornecedor tinha seu próprio protocolo de comunicação, surgiu a necessidade de criar um protocolo padrão.

Foi quando em meados de 1995, algumas empresas se reuniram com o objetivo de desenvolver este padrão. Como resultado dessa reunião, surgiu a OPC Foundation que contou com membros da Microsoft para suporte técnico à solução a ser adotada.

Dessa forma, foi criado o padrão OPC (Ole for Process Control) para acesso à dados em tempo real dentro do sistema operacional Windows. O primeiro padrão foi denominado OPC Classic e possui três especificações:

Especificações OPC Classic

1- OPC DA (Data access): Define a troca de dados, incluindo valores, tempo e informações de qualidade.

2- OPC A&E (Alarm and events): Define a troca de informações de mensagem de tipo de alarme e evento, bem como estados variáveis e gerenciamento de estado.

3- OPC HDA (Historical data access): Define métodos de consulta e análises que podem ser aplicadas em dados históricos.

Essa solução veio então para extinguir o problema de interconexão entre diversos dispositivos e teve rápida aceitação do mercado. Com o tempo, surgiu uma insatisfação entre algumas indústrias pelo fato de estarem limitadas ao Windows.

Além disso, existiam problemas técnicos, como: dificuldade na configuração do protocolo DCOM. Principalmente quando existia firewalls, pois o DCOM não é firewall friendly (compatível).

Isso deixava outros sistemas operacionais como Linux e Mac (Apple) de fora. Portanto, apareceu uma nova demanda de um protocolo de comunicação que permitisse a interconexão entre diferentes sistemas operacionais.

Foi então que surgiu em 2008 o OPC UA (Unified Architecture). É a solução mais atual que vem sendo implementado cada vez mais nas indústrias com o intuito de garantir a conexão entre os diversos dispositivos do chão de fábrica.

O OPC UA contém então todas as funcionalidades do OPC Classic e mais algumas que foram necessárias com o avanço da tecnologia, sendo que extensível para qualquer sistema operacional.

Depois dessa contextualização, vamos entrar mais a fundo no assunto. Neste artigo ainda discutiremos os seguintes tópicos:

1. O que é?
2. Funcionamento;
3. Tipos de especificações;
4. Vantagens.

1. O que é OPC UA?

Como OPC UA é uma derivação do OPC, vamos definir primeiro OPC. Se formos puxar uma definição, podemos classificar OPC como:

“Um padrão de interoperabilidade para a troca de dados segura e confiável no espaço de automação industrial e em outras indústrias. É uma plataforma independente que garante o fluxo de informação contínuo entre os dispositivos de diversos fornecedores.”

Conforme falamos no começo da introdução, OPC UA segue o mesmo raciocínio sendo que é uma arquitetura unificada para todos os sistemas operacionais, não somente o Windows.

A OPC Foundation (Open Platform Communications, depois da criação do OPC UA) é a organização responsável pelo desenvolvimento e manutenção deste protocolo de comunicação padrão.

OPC UA está seguindo exatamente no caminho da quarta revolução industrial, ou Indústria 4.0. Conceitos como comunicação independente de plataforma e fornecedor, segurança de dados, padronização e inteligência descentralizada são comuns entre os dois.

Portanto, tecnologias para dispositivos de business intelligence, IoT (Internet of Things) e IIoT (Industrial Internet of Things) já estão completamente disponíveis na Arquitetura Unificada do OPC.

2. Funcionamento do OPC UA

Ao longo da última década, o padrão OPC da OPC Foundation alcançou ampla adoção em toda a indústria. O padrão especifica uma API para desacoplar clientes e servidores de controle de processo.

Ou seja, um cliente compatível com OPC pode interagir com qualquer servidor compatível com OPC através de uma API padrão sem precisar conhecer as especificidades do próprio servidor.

Portanto, não precisa saber os detalhes pelos quais o servidor ler/escrever dados, por exemplo, acessar hardware subjacente. O padrão OPC é uma família de padrões e é baseado no Microsoft COM/DCOM.

OPC UA, no entanto, é a próxima geração de especificação OPC. Um padrão novo que representa uma mudança profunda. Embora existam algumas opções de interoperabilidade, ele não se destina a ser compatível diretamente com o OPC clássico.

Fornece ainda um padrão completo, moderno, seguro e independente da plataforma para o controle de processos industriais.

Descoberta de Serviço e Iniciação de Sessão

Para sistemas OPC clássicos, o processo de um cliente que descobriu um servidor era uma operação baseada em registro do Windows.

O OPC UA, no entanto, foi projetado para ser independente da plataforma e, portanto, requer uma abordagem independente da plataforma para a descoberta do servidor.

Os servidores OPC UA precisam ser conhecidos por um servidor de descoberta. Estes, por sua vez, residem em um endereço fixo e conhecido na rede e, quando interrogados pelos clientes OPC UA, produzem os detalhes de conexão dos servidores registrados com eles.

É importante lembrar que os próprios servidores de descoberta não precisam ser servidores OPC UA com recursos completos. Eles só precisam cumprir um subconjunto muito pequeno da especificação relacionada ao fornecimento de informações do servidor OPC UA.

Segurança no OPC UA

O OPC UA é um padrão independente de plataforma e por isso implementa sua própria camada de segurança. Já OPC clássico é diferente, pois delega a segurança para o COM/DCOM.

A segurança do OPC UA é baseada em uma infraestrutura de chave pública (PKI) usando um padrão industrial de certificados digitais x.509 e autenticação de endereços, autorização, criptografia e integridade de dados.

Formatos de mensagem

OPC UA suporta dois formatos de mensagem: UA Binário e XML. O formato define então como os dados da mensagem são codificados.

O remetente de uma mensagem deve codificar os dados no formato relevante para transmissão. O receptor deve ser capaz de decodificar o conteúdo da transmissão para reconstruir os dados originais. Os dois formatos são apresentados a seguir:

1- UA Binário: este formato de mensagem codifica os dados serializados em uma array de bytes. Este método reduz o custo computacional em termos de codificação e decodificação, mas só podem ser interpretadas por clientes compatíveis.

O UA Binário é mais provável que seja usado em comunicações de nível de dispositivo, onde o poder de processamento é limitado e o desempenho é uma alta prioridade.

2- XML: os documentos XML são um protocolo onipresente de troca de dados de alto nível. As mensagens codificadas em XML podem ser interpretadas pelos clientes OPC UA e também por clientes genéricos usando o contrato de esquema XML.

Serializar e desserializar dados em formato XML é computacionalmente mais caro do que o formato binário UA. Portanto, é mais provável que a codificação XML seja usada para comunicação corporativa fim a fim.

Protocolos de transporte

OPC UA suporta dois protocolos de transporte: OPC TCP e SOAP / HTTP(S). O protocolo de transmissão define o meio pelo qual as mensagens são passadas entre o cliente e o servidor.

1- OPC TCP: Este é um protocolo TCP (sockets) que fornece um canal full-duplex entre o cliente e o servidor.

As mensagens são empacotadas em uma estrutura especificada pelo protocolo binário OPC TCP e a estrutura é transmitida usando um soquete ou um soquete seguro (dependendo dos requisitos de segurança do ponto final).

Como OPC TCP é específico para a especificação OPC UA, apenas os clientes OPC UA são capazes de receber dados transmitidos com OPC TCP.

2- SOAP / HTTP (S): Usando este protocolo de transmissão, as mensagens são empacotadas no corpo de uma mensagem SOAP e transmitidas via HTTP (S).

Uma mensagem SOAP é um documento XML, as vezes chamado de envelope, que está em conformidade com o esquema SOAP XML. O envelope SOAP tem um "titular" no qual os dados da mensagem são inseridos.

O envelope inteiro é então transmitido através de HTTP ou HTTPS (dependendo dos requisitos de segurança do ponto final).

SOAP / HTTP é um padrão de indústria estabelecido e é amplamente utilizado para troca de informações de nível empresarial, um cliente de serviço web genérico pode receber envelopes SOAP transmitidos por HTTP (S).

Enviando Mensagens

Para passar mensagens entre clientes e servidores OPC UA, são necessárias então três informações:

1. O formato da mensagem;
2. O protocolo de transporte;
3. As medidas de segurança do canal.

Em teoria, qualquer combinação é possível: mensagens XML não criptografadas podem ser enviadas através de OPC TCP, as mensagens binárias codificadas e assinadas podem ser enviadas via HTTP.

No entanto, na prática o formato mais provável e os emparelhamentos de transporte são os seguintes:

• UA Binary + OPC TCP - este é o método mais simples de formatação e transmissão de dados e, portanto, é a combinação mais provável usada no nível do dispositivo. Somente os clientes OPC UA e os servidores OPC UA podem trocar informações neste formato.
• XML + SOAP / HTTP (S) - esta combinação é mais amigável ao firewall e mais facilmente consumido da perspectiva dos clientes genéricos e, portanto, é a combinação mais provável usada no nível da empresa.

Leitura de dados do dispositivo

A especificação OPC UA descreve dois serviços pelos quais os clientes acessam os dados do dispositivo através dos servidores.

1- Read Service (Poll): Este serviço fornece um estilo simples de leitura através de um pool.

2- Serviço de Subscrição (Publish Subscribe): Este serviço permite que um cliente OPC UA se inscreva nas atualizações de dados do servidor OPC UA e solicite que ele receba notificações de atualização com uma periodicidade especificada.

Modelagem de dispositivos com OPC UA

O OPC clássico tem uma abordagem bastante simplista para modelar dispositivos e processos subjacentes - dados em uma estrutura em árvore.

O OPC UA fornece então um meio mais rico para modelar os detalhes e complexidades dos dispositivos e processos reais usando o paradigma Orientado a Objetos (OO).

Um cliente OPC UA tem acesso ao espaço de endereços OPC UA do servidor. Este espaço de endereço é preenchido com objetos, os objetos são os componentes central da modelagem. Cada objeto especifica suas variáveis, métodos e eventos.

Variáveis: Mantém os dados do sistema, as variáveis ​​podem ser subdivididas em 2 tipos principais: dados e propriedades. As variáveis ​​de dados são semelhantes aos itens OPC clássicos, eles contêm os dados do sistema dinâmico.

As propriedades são usadas para armazenar meta-informações que descrevem o objeto pai. Por exemplo, uma propriedade pode conter valores mínimos e máximos esperados para os dados do sistema do objeto pai ou uma descrição do que o objeto representa no processo ou no dispositivo.

Métodos: Um método em um objeto encapsula uma peça de funcionalidade específica para o papel do objeto.

Os clientes podem interagir com objetos invocando seus métodos para executar alguma tarefa do lado do servidor. Um cliente OPC UA pode procurar os métodos em um objeto, mas os detalhes de um método é específico da implementação.

Eventos: Um objeto pode definir os eventos que ele emite. Um objeto criado para representar algum aspecto de um dispositivo ou processo emitiria eventos específicos desse aspecto.

Os clientes com interesse em algum aspecto do dispositivo/processo subjacente se inscreveriam nos eventos emitidos por objetos que o modelam.

3. Especificações OPC UA

Na verdade, o padrão OPC é uma série de especificações desenvolvidas por fornecedores da indústria, usuários finais e desenvolvedores de software. Essas especificações definem a interface entre clientes e servidores, bem como servidores e servidores.

Isso inclui acesso a dados em tempo real, monitoramento de alarmes e eventos, acesso a dados históricos e outras aplicações. Com o lançamento do OPC UA, acrescentou-se novas especificações com as já existentes do OPC Classic, resultando na tabela mais a frente.

Após o lançamento do OPC UA, todas essas especificações em conjunto com novas demandas que apareceram foram unificadas em uma só. Você pode conferir a lista completa através deste link.

Portanto, dependendo do fim que sua indústria for utilizar, deve ir atrás da especificação correta. Por exemplo, para quem trabalha com gerenciamento de alarmes, deve-se utilizar a especificação OPC A&E.

Novas especificações

4. Vantagens de utilizar o OPC UA

Agora que você já tem uma noção maior do que consiste o OPC UA, quais são as vantagens de utilizá-lo? Vamos listar agora as principais vantagens para vocês.

Equivalência funcional

Como foi criado a partir do OPC Classic, o OPC UA tinha o objetivo de aprimorar e superar as capacidades das especificações do antecessor. Portanto, além de ser equivalente ao Classic, o OPC UA ainda é capaz de muito mais.

Independente de plataforma

O OPC UA veio justamente para suprir a dependência do Windows. Por isso, funciona em qualquer sistema operacional e plataformas de hardware como PC’s e servidores em nuvem.

Além disso, o OPC UA fornece a infraestrutura necessária para a interoperabilidade em toda a empresa, de máquina para máquina e máquina para empresa.

Segurança

A segurança sempre é um dos fatores mais importantes na hora de escolher uma tecnologia. Por isso, o OPC UA é compatível com firewall e fornece um conjunto de controles. Por exemplo, criptografia de sessão, autenticação, controle de usuário e mais.

Extensível

A arquitetura multi-camadas do OPC UA fornece uma estrutura “a prova do futuro”. Dessa forma, mesmo que surjam inovações tecnológicas tudo pode ser incorporado no OPC UA e manter a compatibilidade com versões anteriores para produtos existentes.

Você ainda pode conferir mais detalhes desses benefícios através deste link.

Conclusão

Chegamos então ao fim do nosso artigo. Esperamos que agora você tenha uma maior noção de como a tecnologia OPC UA pode impactar a sua indústria.

Se você tem problema de interconexão entre os seus dispositivos de chão-de-fábrica e quer integrar tudo isso para aumentar o fluxo contínuo de informação, é hora de começar a pensar em contar com o padrão OPC UA.

Caso tenha ficado alguma dúvida, ficarei muito feliz em ajudar através do matheus.romano@logiquesistemas.com.br. Fique à vontade também para nos mandar sugestões de conteúdo.

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