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OPC UA




Qu'est-ce que l'OPC UA ?

 

 

 

 

OPC UA signifie OPC Unified Architecture (Architecture unifiée). Il s'agit d'une norme extensible et indépendante des plate-formes, qui permet d'échanger des informations de façon sécurisée dans les systèmes industriels. L'OPC UA a été publiée en 2008 par la fondation Open Platform Communications (OPC), qui réglemente et maintient la norme d'interopérabilité, les protocoles et les spécifications pour la communication des données, principalement dans les opérations d'automatisation industrielle.

L'OPC UA est compatible avec Windows, macOS, Android et Linux. Elle peut aussi être utilisée dans les systèmes embarqués et dans les systèmes bare-metal, qui n'utilisent pas de système d'exploitation. L'OPC UA fonctionne sur les PCs, les infrastructures Cloud, les PLCs, les micro-contrôleurs et les systèmes cyber-physiques (CPS).

L'objectif de l'OPC UA est d'augmenter l'intercompatibilité entre les équipements physiques et les logiciels de planification et d'automatisation des entreprises, en fournissant un cadre aux compagnies industrielles pour faire converger différentes technologies.

Les différences entre OPC UA et OPC Classic

 

 

L’OPC Classic, le prédécesseur de l'OPC UA, se base sur les technologies Microsoft, tandis que l’OPC UA est indépendante des plate-formes. 

L'OPC Classic n'intègre pas de sécurité pour contrôler les accès, l’authentification et le cryptage. L'OPC UA autorise le cryptage des données à leur source, permettant des transferts sécurisés, sans avoir recours à des pare-feux au cœur du système. Cela signifie que la sécurité est assurée dès le départ du transfert des données, au lieu d'être seulement confirmée, lorsqu'elle atteint le pare-feu du réseau. L'OPC UA implémente une sécurité multiplateforme, basée sur la public key infrastructure - infrastructure à clés publiques - (PKI) à l'aide de certificats numériques x.509 de norme industrielle.

Contrairement à l'OPC UA, l'OPC Classic ne supporte pas la modélisation des systèmes d'information permettant aux fabricants de définir des modèles de données personnalisés, répondant aux exigences de leur secteur.

Dans l'OPC UA, les spécifications OPC Classic fournissent des modules fonctionnels, qui peuvent être interrogés de façon pertinente. Ces spécifications sont : OPC DA (Data Access - accès aux données), OPC AE (Alarms and Events - alertes et évènements), OPC Security - sécurité, OPC Batch , OPC Command - commandes, OPC XML, OPC Data Exchange - échange des données (DX) et OPC HAD (History Access Data - historique de l'accès des données). Généralement, on les appelle OPC Classic ou simplement OPC. On les appelle profils dans OPC UA. Par exemple, la norme OPC DA est un profil OPC UA DA.

Ces profils forment une couche se trouvant au-dessus de la couche de base OPC UA, qui exécute les services courants. Tous les profils OPC UA utilisent la même base de code commune, alors que chaque norme a sa propre base de code dans une configuration OPC Classic. Cela crée des doublons dans les systèmes, où plusieurs spécifications OPC Classic sont implémentées.

OPC UA - Comment ça marche ?

 

 

Modèles

En utilisant des modèles, l'OPC UA définit des règles de base permettant de mettre à disposition les données à tous les équipements qui en ont besoin. L'OPC UA est elle-même un modèle de données, basé sur l'information. Il inclut un modèle d'objet générique avec un système de type extensible et des modèles intégrés pour accéder aux données. Ces modèles intégrés définissent les fonctions, telles que les alertes et les informations sur les évènements, les informations sur l'historique des données, les détails d'accès aux données, les descriptions des équipements et l'exécution des logiciels.

On peut également accéder aux données en utilisant des modèles personnalisés, qui sont référencés comme des modèles companion. Ceux-ci sont utilisés dans différents secteurs, comme la fabrication avec des machines de moulage par injection ou l'ingénierie robotique.

Flux des données et connexions

L'OPC UA supporte les communications entre les composants sur cinq niveaux dans les entreprises industrielles : la gestion des entreprises, les opérations, le contrôle et les équipements sur site (équipements spécifiques au fournisseur).

Les équipements mettent leurs données à disposition via OPC UA, ce qui permet le transfert de cette information à travers un réseau vers une application la traitant, en utilisant des services Web standards. Les données sont transférées en utilisant des protocoles IP et SOAP, les serveurs d'entrée de gamme pouvant utiliser UA TCP. L'utilisation de services Web de norme SOAP sur HTTP permet aux clients non-OPC UA de demander des données publiées par un serveur OPC UA.

Les logiciels de pontage et de passerelle, connus sous le nom de wrappers OPC UA, permettent le flux des données entre les niveaux OPC UA sur du matériel spécifique au fournisseur. Les wrappers OPC UA peuvent également être utilisés pour migrer d'OPC Classic vers OPC UA ou lorsqu'un serveur OPC supporte UA, mais pas un client OPC.

 

Service-oriented architecture - (SOA) - Architecture orientée service

L'OPC UA est basée sur la structure de communication client-serveur SOA. Dans l'OPC UA, il y a des serveurs OPC UA et des clients OPC UA.

Un serveur OPC UA fournit à un client OPC UA des applications et des systèmes de contrôle, par exemple MES et SCADA. Il fournit également des accès sécurisés aux données d'automatisation industrielle, utilisant des modèles d'information OPC UA, qui spécifient l'organisation, l'enregistrement et la collecte des données. Le terme serveur OPC UA se réfère à la norme du logiciel OPC UA sur la machine, et non pas à l'équipement lui-même, qui peut être un serveur virtuel.

Un client OPC UA est un client qui peut supporter un modèle d'information OPC UA. Les clients OPC UA demandent des données et les enregistrent dans les composants d'un système, via les serveurs OPC UA.

Les systèmes SOA, tels que l'OPC UA, intègrent des applications disparates à travers un réseau et connectent des équipements sur différents nœuds de réseau.

Nœuds

Un nœud est l'unité de base des données dans l'espace d'adressage OPC UA, qui fournit aux serveurs OPC UA un moyen standard de représenter des objets aux clients OPC UA. Les nœuds sont des informations (par exemple, une même température) et sont composés d'attributs, de la valeur réelle des données et d'une ou de plusieurs références à d'autres nœuds, chacun d'entre eux étant dans son propre espace d'adressage. Une même température aura donc de multiples adresses dans un espace d'adressage.

Les nœuds sont référencés par une ID de nœud unique : un espace de nom URI (unique resource identifier - identifiant unique de ressource), un type de données et l'identifiant lui-même. Chaque nœud appartient à un espace nom spécifique. L'espace nom URI se trouve dans une table d'espace nom, séparée sur le serveur OPC UA. Les tables d'espace nom stockent des URIs séparés pour les modèles d'information utilisés par des entreprises individuelles, ayant leur propres exigences en termes d'apparence et de comportement des données. Cela permet à l'OPC UA d'élargir ses services, sans avoir à changer le design de la couche inférieure de la norme.

Dans l'OPC UA, les nœuds ont de multiples classes, qui permettent de créer des variantes sur le nœud de base. Il y a huit classes de nœuds de base dans l'OPC UA, incluant des objets (entité physique), des méthodes (des fonctions qui enregistrent les données, si nécessaire) et des variables (données réelles).

Les classes de nœuds dans l'OPC UA sont la clé pour créer des données complexes et pour distinguer des entités similaires mais différentes, par exemple le capteur de température d'une climatisation et le capteur de température d'un ballon d'eau chaude.

 

Quelles sont les spécifications incluses dans la norme OPC UA ?

 

 

 

La norme OPC UA elle-même ne fait rien. La norme est un ensemble de spécifications (protocoles OPC UA), qui définissent les lignes directrices pour la communication entre les serveurs et les clients, incluant des règles pour différentes fonctions et structures de données.

L'OPC UA a les spécifications suivantes : la vue d'ensemble et les concepts, le modèle de sécurité, le modèle de l'espace d'adressage, les services, le modèle d'information, la cartographie, les profils, l'accès aux données, les alarmes et conditions, les logiciels, l'historique des accès, la découverte automatique et les services généraux, les agrégats, le PubSub, la sécurité et les noms alias. Chaque spécification a été conçue pour répondre à un problème commun dans les réseaux de communication des systèmes industriels.

Par exemple, la spécification alarmes et conditions relève le défi de standardiser la manière dont les informations sur les alertes et les évènements sont transmises du site vers les applications par les équipements. La spécification de l'historique des accès relève le défi de standardiser la manière dont les données historiques sont accessibles dans les processus d'audit. La spécification des logiciels inclut, entre autres, des informations sur la manière dont les développeurs doivent traiter les codes de retour dans leur programmation

 

Où l'OPC UA est-elle utilisée ?

 

 

 

L'OPC UA est utilisée dans les systèmes industriels, par exemple dans l'industrie du gaz et du pétrole, l'agriculture, les domaines de la médecine et de la pharmacie, dans les services essentiels, tels que les réseaux électriques et les stations d'épuration, et dans les systèmes IoT, tels les applications de cité intelligente.

Les applications communes OPC UA incluent le diagnostic des équipements, la gestion des équipements, la gestion de la production, le contrôle qualité, l'acquisition des données, les rapports d'entreprise, la sécurité des données, l'intégration d'interfaces GUI, l'assistance aux employés à distance et la supervision des évènements.

Parmi les exemples concrets, on trouve la supervision des temps de fonctionnement des caméras de sécurité, l'envoi d'alertes pour les capteurs défectueux, le contrôle de la température des bureaux, la gestion à distance des machines automatiques, l'estimation des charges de travail, la liaison des équipements intégrés et la prise en charge des employés à distance.

L'OPC UA peut également supporter l'Internet des objets industriels (IIoT). Par exemple, l'OPC UA peut être utilisée pour transférer des données provenant d'équipements intégrés vers le Cloud, comme des capteurs de température, afin d'analyser l'utilisation et l'efficacité des équipements.

L'OPC UA utilise des objets pour : retrouver les données, fournir un moyen efficace aux systèmes de récupérer de petites quantités d'informations relatives à un contexte spécifique pour les employées à distance en ayant besoin pour une tâche spécifique. En alternative, il est aussi possible de demander aux objets d’afficher toutes les données relatives à l’ensemble des opérations d’une usine, par exemple pour créer des interfaces graphiques utilisateur destinées aux systèmes ERP, aux applications d’allocation de ressources et aux systèmes de comptabilité.

Lorsqu'il faut une synchronisation entre les équipements situés sur des sites distants et les systèmes de planification des ressources et de contrôle de fabrication, l'OPC UA permet l'échange vertical de données entre des pilotes hétérogènes et des applications high-level (de haut niveau).

L'OPC UA renforce les applications de sécurité industrielle. Les protocoles de gestion des évènements OPC UA peuvent arrêter automatiquement une usine en cas d'attaque cybernétique sur les équipements de l'usine, isoler les réseaux affectés ou autoriser un accès limité à des réseaux spécifiques, permettant la continuité de l'activité, pendant que l'attaque est analysée. 

Les avantages de l'OPC UA

 

 

Décentralisation

Historiquement, la pyramide d'automatisation des systèmes industriels a une structure hiérarchique, qui décrit le flux d'informations des équipements low-level (bas niveau) comme les contrôleurs, les capteurs ou les compteurs vers les applications ERP high-level ( haut niveau). Inversement, il y a un flux de contrôle des applications ERP high-level vers les équipements low-level. Les équipements low-level sont connectés par des réseaux MES via PLC et HMIs.

L'OPC UA supprime cette structure pyramidale, en décentralisant les composants du système et en facilitant l'utilisation de structures de modélisation de données plus flexibles dans un réseau maillé. L'OPC UA exécute cela en définissant des structures de données cohérentes que tous les composants utilisent, par exemple une application ERP et un capteur de terrain peuvent utiliser le même modèle d'information.

L'OPC UA permet aux applications de business intelligence de s'approvisionner en données brutes à partir d'un large éventail de sources de données en temps réel, de données événementielles et de données historiques.

Plate-forme indépendante

Historiquement, les systèmes industriels fonctionnent avec des logiciels basés sur Windows. L'OPC UA est indépendante des plate-formes, les systèmes industriels peuvent intégrer des logiciels provenant de nombreux fournisseurs, utilisant tous les systèmes d'exploitation. L'OPC UA peut être installée dans des systèmes intégrés et dans le Cloud.

 

Évolubilité

L'OPC UA est pérenne. Elle permet aux entreprises de développer des systèmes SCADA évolutifs, afin que les équipements existants puissent s'intégrer aux nouveaux modules logiciels, sans qu'une configuration supplémentaire soit nécessaire. On en trouve des exemples dans l'industrie du gaz et du pétrole, où les données de calibrage, de mesures et des débitmètres peuvent être collectées à distance, évitant aux inspecteurs d'effectuer des contrôles physiques dans l'installation.

Découverte automatique

L'OPC UA est compatible plug-and-play. Lorsque de nouveaux sites sont intégrés dans une entreprise ou que de nouveaux fournisseurs sont référencés, l'OPC UA peut automatiquement effectuer une découverte automatique de leurs réseaux et les intégrer au réseau de l'entreprise.

Interopérabilité

L'interopérabilité OPC UA permet aux utilisateurs de créer des systèmes industriels, en utilisant les équipements et les logiciels de différents fournisseurs.

Les désavantages de l'OPC UA

 

 

 

Limitations spécifiques des équipements

Certains éditeurs de logiciels propriétaires ont signalé des limitations spécifiques aux équipements, par exemple entre un serveur OPC UA et iFIX de General Electric et les composants HMI/SCADA utilisés dans les produits d'automatisation logicielle de l'entreprise. Ces limitations incluent un manque de prise en charge de fonctions spécifiques, telles que la signature électronique, le basculement amélioré et les sources de données historiques.

 

Configurations complexes

Dans la réalité, l'OPC UA gère l'échange des données entre MES et les systèmes d'information SCADA et entre les équipements low-level. Elle est parfaitement adaptée à la supervision et aux rapports. Bien que l'OPC UA ait été conçue pour gérer l'interopérabilité entre des équipements hétérogènes, elle a été critiquée pour son manque de flexibilité de la gestion de structures de données variées provenant de différents fournisseurs et pour son implémentation compliquée.

OPC UA et Industrie 4.0

 

 

Dans le secteur de la fabrication industrielle, le terme Industrie 4.0 et quatrième révolution industrielle sont utilisés de façon interchangeable pour faire référence à l'augmentation de l'industrialisation, en mettant, entre autres, l'accent sur l'interconnectivité des équipements, l'apprentissage automatique et l'Internet des objets. 

Les principales fonctions de l'OPC UA sont : la sécurité intégrée, la capacité de modélisation des informations, la découverte automatique des équipements, l'évolutivité, l'utilisation des données sémantiques et la normalisation des protocoles. Ces fonctions répondent aux exigences de conformité de l'Industrie 4.0.

Pour la production, l'un des principaux défis de l'Industrie 4.0 est la collecte des données des équipements low-level en temps réel. L'OPC UA permet une organisation industrielle pour intégrer un serveur OPC UA dans tous les équipements IT. Cela signifie qu'une quantité importante de données en temps réel peut être routée vers les systèmes de contrôle et vers les applications au niveau de l'entreprise, afin d'analyser, de trier et d'échanger les données avec diverses applications les utilisant.

Différents groupes de travail internationaux contribuent à faire de l'OPC UA la norme pour les produits de l'Industrie 4.0 et pour les services dans des industries spécifiques.

L'un de ces groupes de travail est le groupe de travail sur la modélisation de l'information ADI (Analyzer Devices). L'ADI est sponsorisée par la fondation OPC. Elle est constituée d'utilisateurs finaux et de fournisseurs dans les secteurs de la chimie et de la pharmacie. Un autre groupe est le groupe de travail OPC UA Tobacco Machine Communication, qui travaille sur l'implémentation d'équipements d'usine interopérables pour la fabrication de cigarettes.

Pour être classifié comme étant compatible Industrie 4.0 par la fondation OPC, un produit doit répondre aux normes OPC UA, en utilisant l'OPC UA intégrée ou des logiciels de passerelle.

 

Résumé

 

 

L'OPC UA fournit une norme définissant la manière, dont les serveurs affichent les données aux clients à l'aide d'un modèle orienté objet. L'OPC UA définit la manière dont les informations sont échangées dans les systèmes industriels. Les fournisseurs et les entreprises déterminent les informations devant être échangées. Cela s'applique à l'échange d'informations de machine à machine, à l'échange d'informations des machines aux applications et à l'échange d'informations au niveau du contrôle.

L'OPC UA indépendante des plate-formes supprime la dépendance de la fabrication industrielle aux technologies DCOM et OLE de chez Microsoft.

L’IIoT, l’Industrie 4.0 et les communications M2M sont des exigences de base pour les entreprises industrielles. Cela leur permet d'être compétitives au niveau mondial, de pouvoir fabriquer des produits sûrs et évolutifs et d'être en mesure d'accélérer les processus. L'une des utilisations principales de l'OPC UA est de raccourcir les cycles de développement des produits grâce à une utilisation plus efficace des ressources et à des processus automatisés, afin de fabriquer des produits autonomes complexes.

Pour réaliser une automatisation rentable en usine, les entreprises ont besoin d'un centre de supervision et de contrôle centralisé des informations. Cela leur permet d'analyser les données en temps réel et de développer des processus efficaces. PRTG s'intègre à l'OPC UA, fournissant aux équipes de numérisation plusieurs vues sur les informations, par exemple les temps d'arrêt des équipements, les anomalies de sécurité, les flux de travail en usine, les requêtes de données, les dysfonctionnements des machines et les nouvelles découvertes automatiques sur le réseau.

 

 

 


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Références

 

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