Introducción a la comunicación de plataforma abierta (OPC)
¿Qué es la comunicación de plataforma abierta?
La comunicación de plataforma abierta (Open Platform Communications, OPC) es un estándar de interoperabilidad que permite a múltiples fabricantes intercambiar datos de automatización industrial de forma segura. Define un protocolo de transmisión en tiempo real para la gestión entre diversos dispositivos con sensores, dispositivos de campo, controladores y aplicaciones en plantas de producción, así como entre los sistemas operativos e informáticos de una empresa (nube).
OPC es un protocolo de comunicación entre máquinas que se usa en el sector de la automatización industrial. Cuando más componentes del sistema de automatización industrial desean comunicarse, se hace viable recoger y analizar la información de cada componente, desglosar los datos, mejorar la eficiencia, la capacidad de respuesta y tomar mejores decisiones empresariales. OPC, que significa Object Linking and Embedding for Process Control y se basa en tecnología OLE, COM y DCOM, pretende ser un puente entre las aplicaciones basadas en Windows y el hardware de control de procesos. El servidor OPC convierte el protocolo de comunicación del hardware, y cualquier software que necesite conectarse al hardware se convierte en el cliente OPC. Las instrucciones OPC las usan los clientes y servidores OPC para identificar, enviar y controlar los comandos que se ejecutan en un controlador o módulo E/S.
OPC UA (Unified Architecture) es el estándar de próxima generación de la OPC Foundation, una actualización del estándar de interoperabilidad OPC original que responde a las necesidades y los nuevos retos en materia de seguridad y modelado de datos, mientras ofrece una arquitectura de plataforma abierta con una tecnología llena de funcionalidades, lista para el futuro, escalable y ampliable.
OPC-UA y el IIoT
OPC UA es una arquitectura orientada a los servicios (SOA) que puede desarrollarse para soportar una amplia gama de plataformas, desde microcontroladores embebidos hasta infraestructuras en la nube. Al ser independiente de la plataforma y adaptable desde el sensor hasta la nube, puede integrarse en los dispositivos, lo que la convierte en una solución completa para las aplicaciones basadas en el IoT. Esto también permite a quienes trabajan en el internet de las cosas (IoT) modelar datos basados en productos específicos del sector. OPC UA es el protocolo preferido para el IIoT, ya que tiene todas las características necesarias. Es una norma industrial para el empaquetado de datos desde la periferia (máquinas en unidades industriales, PLC, controles neumáticos, etc.).
Tanto el OPC como el IoT funcionan entre bastidores para los consumidores, con objetivos empresariales que incluyen información sobre productividad, eficacia general de los equipos y calidad, así como una plataforma que permite tomar decisiones basadas en los datos, lo que facilita el desarrollo de soluciones OPC UA basadas en la tecnología del IIoT. OPC UA permite que los dispositivos distantes se conecten fácilmente al IoT en la nube o en la periferia, lo que hace posible el diagnóstico de dispositivos, la gestión de activos, la monitorización, la elaboración de informes y otras aplicaciones. Garantiza la seguridad cifrando los datos, autenticando a los usuarios y auditando las operaciones. Se desarrolla en OPC Classic ofreciendo capacidades bajo demanda, la posibilidad de identificar servidores y otros dispositivos en una red, y una arquitectura de espacio de direcciones diseñada para admitir estructuras de datos más sofisticadas.
OPC UA hacia una automatización industrial:
Antes del desarrollo del OPC, cada subcontratista tenía aplicaciones que usaban sus propios controladores y mantenían los datos en rutas de datos completas. Esto causaba un montón de problemas a los fabricantes porque cada proveedor generaba sus propios datos, que no podía utilizar para crear informes. Para la creación de informes, debían desarrollar soluciones únicas de los distintos proveedores. Como los datos estaban bloqueados en un formato exclusivo, solo eran posibles unas pocas combinaciones. Los datos se almacenaban en varios modelos de PLC, HMI, máquinas CNC, ERP, etc. Además, cada vez que se añadía un nuevo sistema, las plantas desatendían el problema de modificar la gestión. En lugar de desarrollar un nuevo producto para regular la tecnología sin un formato exclusivo y facilitar la conectividad generalizada, se estableció el OPC como solución a estas preocupaciones. Se define un espacio de nombres cuando un servidor OPC describe un grupo de variables dentro de una jerarquía en árbol de directorios. Cada variable tiene varios tipos de datos, como un número entero, un valor booleano, un valor real, una cadena y un valor por defecto. Se usa un protocolo binario basado en TCP para conectar uno o varios clientes OPC al servidor OPC.
OPC Unified Architecture (UA) ha sido descrito y está siendo probado e implementado como parte de la adopción temprana del programa. Puede implementarse en Java, Microsoft.NET o C, eliminando la necesidad de las versiones OPC anteriores de una plataforma basada en Microsoft-Windows. Para ofrecer soporte MES y ERP de más alto nivel, UA combina las capacidades de las interfaces OPC actuales con nuevas tecnologías como XML y los servicios web.
La Plataforma Industria 4.0 ha examinado a fondo OPC UA y la ha validado como una tecnología clave para implementar la "Capa de Comunicación" del "Modelo de Arquitectura de Referencia Industria 4.0". (RAMI4.0). El protocolo OPC UA está estandarizado como parte de la serie IEC 62541. Cabe destacar que la especificación OPC UA es la más reciente que no se basa en la tecnología COM de Microsoft, por lo que admite compatibilidad entre plataformas.
El paradigma OPC UA, como lo muestra la figura anterior, describe cómo acceden los clientes a la información del servidor. La capa OPC UA incluye un lenguaje de descripción detallado, así como los servicios de comunicación necesarios para los modelos de información. Estos sistemas se distinguen por su tamaño, rendimiento, plataformas y características funcionales, como Cliente-Servidor y Pub-Sub.
Figura: Modelo de capa OPC UA (enlace de la fuente: opcfounadation.org)
OPC UA puede integrarse en las redes Ethernet industriales existentes y funcionar en la infraestructura PROFINET existente sin comprometer la calidad. El objetivo de OPC UA es ampliar la interoperabilidad a las aplicaciones de dispositivos y empresas, y recientemente ha introducido la función publicar/suscribir en la infraestructura original de comunicaciones cliente/servidor. La especificación también pretende eliminar la necesidad de un PC Windows independiente al permitir integrar un servidor con un dispositivo periférico.
Estándares de OPC empleados en los sistemas de automatización industrial
El objetivo era abstraer los protocolos de comunicación de los PLC, que son pequeños ordenadores con fines específicos, ampliamente utilizados en la automatización industrial. Al abstraer estos diversos protocolos, se formó una interfaz estandarizada que servía como una especie de intermediario que convertía las solicitudes de lectura/escritura entre el software HMI que los empleados usan para controlar las máquinas mediante PLC y SCADA (control de supervisión y adquisición de datos), una arquitectura informática popular para el control de procesos industriales.
La tecnología OPC incluye una serie de estándares (OPC DA, OPC HAD, OPC AE, OPC Batch, OPC DX, OPC Security, OPC XML-DA, OPC Complex Data, OPC Commands y OPC UA) que describen un conjunto específico de funcionalidades. El estándar más extendido es OPC DA (Data Access), que define un conjunto de funciones para el intercambio de datos en tiempo real con PLC, DCS, HMI, CNC y otros dispositivos. El módulo OPC HDA (Historical Data Retrieve) le permite acceder a los datos y al histórico registrados anteriormente. Otro estándar, el OPC AE (Alarms and Events), ofrece funcionalidades de notificación bajo demanda para una gran variedad de acontecimientos, como emergencias, acciones del operador, mensajes informativos y otros. OPC Batch controla el proceso técnico a nivel de paso y de fórmula. La función OPC DX (Data eXchange) gestiona el intercambio de datos entre servidores OPC a través de una red Ethernet. El objetivo principal de este estándar es construir pasarelas de intercambio de datos entre dispositivos y aplicaciones de diversos proveedores. OPC Security define las funciones de organizar los permisos de acceso de los clientes a los datos del servidor OPC. El estándar OPC XML-DA (XML-Data Access) es un formato versátil basado en reglas para transferir datos a través de XML, SOAP y HTTP. OPC Complex Data es una colección de especificaciones OPC DA y XML-DA suplementarias que permiten a los servidores comunicarse con tipos de datos complejos como estructuras binarias y documentos XML. OPC Commands son un conjunto de interfaces de programación que permiten a los clientes y servidores OPC identificar, enviar y controlar los comandos que se ejecutan en un controlador o módulo E/S. OPC DA es el estándar más utilizado, pero tiene una desventaja importante. En el momento de su desarrollo se basaba en tecnologías de Windows entonces modernas, como OLE, ActiveX y COM/DCOM, pero la industria ha cambiado y otros sistemas operativos y tecnologías han ganado protagonismo.
Casos prácticos de OPC
Intercambio fluido de datos a través de OPC-UA
A medida que la industria avanza hacia la integración horizontal y vertical, la inteligencia se está transfiriendo de los sistemas de control de supervisión a los componentes locales. Este crecimiento está aumentando la necesidad de comunicación, para lo que el estándar abierto OPC-UA (que también se puede usar para dispositivos embebidos) es una solución adecuada. Embedded OPC-UA es una pasarela de servidor que conecta los mundos del control y la informática ofreciendo acceso a los datos de procesamiento, fabricación y calidad en una variedad de tipos de controladores.
Gestión del agua con dispositivos inteligentes habilitados para OPC UA
Los controladores embebidos descentralizados y autónomos pueden trabajar en conjunto para construir una red inteligente que controle las plantas de agua potable y aguas residuales. OPC UA es la solución adecuada para establecer comunicaciones seguras y estandarizadas entre máquinas en esas plantas. OPC UA se usa entre plantas para la comunicación entre máquinas o tecnología del IoT para la interconexión inteligente de controladores embebidos descentralizados, de funcionamiento autónomo y muy pequeños. Dado que el controlador tiene un servidor OPC UA, estos objetos están expuestos de inmediato al mundo exterior como sofisticadas estructuras de datos que hacen posible la interoperabilidad semántica. El resultado es el surgimiento de la inteligencia descentralizada, capaz de tomar decisiones independientes y de transmitir información a los sistemas vecinos.
Existen muchos kits de desarrollo OPC, software y módulos de empresas para ejecutar diseños, desarrollos y proyectos de comunicación de plataforma abierta. Farnell se ha asociado con diversos fabricantes que ofrecen una amplia gama de componentes OPC industriales, como OPC, opc-toolkit, accesorios para controladores de procesos, convertidores-interfaces, kits de inicio de software, PLCe informática industrial.
