Breve storia del protocollo OPC-UA e la sua importanza per l’Automazione Industriale

Le origini del protocollo OPC-UA: un salto evolutivo nella comunicazione industriale

Per comprendere appieno l’importanza del protocollo OPC-UA, è necessario fare un passo indietro nella sua storia.

Già nei primi anni ’90, l’automazione divenne un aspetto di vitale importanza per le industrie manifatturiere e sempre più aziende decisero di investire in questa direzione. Sebbene ci fossero soluzioni software disponibili per la raccolta dati dai dispositivi di controllo dell’automazione, queste erano principalmente proprietarie, utilizzavano driver personalizzati per la comunicazione e trasmettevano i dati in vari formati. Questo aveva un impatto significativo sulle aziende, che diventavano essenzialmente dipendenti dal fornitore una volta adottato il suo software e si trovavano costrette a contattarlo ogni volta che era necessaria un’integrazione in un nuovo ambiente, con relative spese per l’implementazione di una soluzione su misura.

In questo scenario, un gruppo di produttori decise di unire le forze per definire uno standard di comunicazione con i dispositivi per l’automazione industriale. L’obiettivo era creare una piattaforma che consentisse agli operatori di acquisire e monitorare dati in tempo reale, migliorando l’efficienza e l’affidabilità dei processi industriali.

Nata nel 1994, la OPC Foundation è l’organizzazione no-profit che si pose come scopo di definire uno standard Plug&Play per i driver di dispositivi industriali, fornendo così un’interfaccia comune per leggere e scrivere dati su tali device. Il risultato del progetto fu il protocollo Open Platform Communications Data Access, o OPC DA rilasciato nel 1996.

In origine la OPC Foundation era composta da cinque venditori di soluzioni per l’automazione industriale (Fisher-Rosemount, Rockwell Software, Opto 22, Intellution e Intuitive Technology). Oggi, dopo 25 anni, comprende più di 600 membri in Cina, Europa, Giappone e America.

L’OPC DA ottenne un successo immediato grazie all’utilizzo della tecnologia Microsoft COM/DCOM e OLE COM; negli anni successivi, la OPC Foundation continuò a sviluppare ulteriormente il protocollo, introducendo OPC Alarms & Events nel 1999, OPC Historical Data Access nel 2001 e numerose altre soluzioni. Questi nuovi standard ampliavano le funzionalità e le possibilità offerte dalla comunicazione OPC, consentendo una gestione più efficace degli allarmi, degli eventi e dei dati storici.

La creazione della OPC Foundation e lo sviluppo dei diversi standard OPC rappresentarono un passo significativo verso l’interoperabilità e l’armonizzazione delle soluzioni software per l’automazione industriale. Grazie a questi standard, le aziende poterono iniziare ad adottare soluzioni software basate sugli standard OPC, indipendentemente dal fornitore, senza dover affrontare costi e complessità aggiuntive per l’integrazione in nuovi ambienti.

L’OPC Data Access e gli altri standard OPC hanno fornito un framework affidabile e scalabile per la comunicazione tra dispositivi di automazione e sistemi di controllo. Questo ha facilitato l’acquisizione e la gestione dei dati di automazione, consentendo alle aziende di migliorare l’efficienza operativa, la qualità del prodotto e la capacità di prendere decisioni basate sui dati.

L’introduzione del protocollo OPC Data Access e il successivo sviluppo dei diversi standard OPC hanno rappresentato una pietra miliare nell’automazione industriale, contribuendo a superare le limitazioni delle soluzioni proprietarie, e consentendo una maggiore flessibilità, interoperabilità e scalabilità nelle applicazioni di automazione. Tuttavia, il protocollo OPC originale presentava alcune limitazioni significative. La sua dipendenza da Windows limitava la sua interoperabilità con sistemi operativi diversi, creando una sfida per l’implementazione in ambienti industriali eterogenei. Questo rese necessaria l’evoluzione del protocollo per superare tali ostacoli e fornire una soluzione più avanzata e flessibile.

Nel 2003, la OPC Foundation fece un primo tentativo di creare una versione platform-independent introducendo OPC XML-DA, che sostituiva COM/DCOM con HTTP/SOAP e Web Service. Tuttavia, a causa delle significative limitazioni in termini di performance, divenne chiaro fin da subito che XML-DA non avrebbe potuto sostituire OPC DA. La OPC Foundation decise quindi di concentrarsi sulla creazione di uno standard in grado di superare le soluzioni precedenti, mantenendo le eccellenti performance dell’OPC classico ma superando le sue limitazioni. Queste limitazioni includevano la dipendenza dalla piattaforma Windows a causa dell’adozione della tecnologia COM/DCOM, i problemi di DCOM negli accessi da remoto, oltre alla sua rigidità e complessità di configurazione, e la difficoltà delle aziende che utilizzavano OPC nel fornire l’esposizione dei dati e dei sistemi complessi.

Fu così che nacque il protocollo OPC-UA (Unified Architecture) nel 2006. Con la sigla “UA”, venne introdotto un approccio completamente nuovo alla comunicazione industriale, con l’obiettivo di superare le sfide del protocollo OPC originale e fornire un livello superiore di interoperabilità, sicurezza e affidabilità.

Caratteristiche e specifiche del protocollo OPC-UA

Information Model e struttura dei dati

Le specifiche di OPC-UA offrono una struttura per la modellazione delle informazioni, che può essere utilizzata per creare modelli di informazione, noti come Information Model. La OPC Foundation mette a disposizione dei fornitori modelli di base, che possono essere estesi per aggiungere informazioni specifiche dei loro dispositivi. Questo approccio consente ai client di accedere in modo standard alle informazioni memorizzate nei server OPC UA forniti da diversi venditori.

Questo concetto non si limita solo ai modelli di informazione dei dispositivi per l’automazione, ma può essere esteso ad altri scenari, come il caricamento dei dati verso sistemi MES ed ERP.

I principi fondamentali della modellazione delle informazioni in OPC UA sono i seguenti:

• Utilizzo di tecniche orientate agli oggetti, come l’ereditarietà e le gerarchie di tipi, per la strutturazione delle informazioni.
• Accesso alle informazioni sui tipi di dati nello stesso modo in cui si accede alle istanze di quei tipi, garantendo una coerenza nell’accesso alle informazioni.
• Creazione di una rete di nodi interconnessi, in cui le informazioni sono collegate in vari modi, consentendo di fornire rappresentazioni diverse in base alla situazione.
• Estensibilità delle gerarchie di tipi e delle associazioni tra i nodi, per consentire una modellazione flessibile ed evolutiva delle informazioni.
• Assenza di limitazioni nella modellazione delle informazioni, offrendo la possibilità di rappresentare in modo completo e dettagliato i dati e le relazioni tra di essi.
• La modellazione viene eseguita sempre lato server, garantendo una gestione centralizzata e un controllo accurato delle informazioni.

Questi principi costituiscono le fondamenta dell’approccio di modellazione delle informazioni in OPC UA, consentendo una rappresentazione chiara, flessibile ed estensibile dei dati e delle relazioni tra di essi. L’utilizzo di questa metodologia offre ai sistemi e alle applicazioni basate su OPC UA un accesso uniforme e strutturato alle informazioni, favorendo l’interoperabilità e la coerenza dei dati all’interno dell’ambiente industriale.

Come funzionano i servizi OPC-UA

I servizi rappresentano il meccanismo con cui un client OPC-UA può accedere ai dati dell’Information Model di un server OPC-UA. Essi costituiscono quindi la struttura dell’interfaccia di comunicazione tra due applicazioni OPC-UA.

La definizione di un servizio è composta da due parti: il messaggio di richiesta e il messaggio di risposta. Il client invia una richiesta al server, che la elabora e restituisce una risposta. Tutte queste service call sono asincrone di default, il che significa che un’applicazione client può elaborare altre informazioni mentre attende la risposta del server alla chiamata. Tuttavia, per comodità molte implementazioni di OPC-UA offrono anche una versione sincrona delle service call.

In sostanza, i servizi OPC-UA fungono da ponte di comunicazione tra il client e il server, consentendo al client di richiedere dati specifici e al server di elaborare tali richieste e restituire i risultati corrispondenti. La possibilità di utilizzare service call asincrone consente al client di gestire in modo efficiente il flusso di dati e di continuare ad eseguire altre operazioni mentre attende la risposta del server. Allo stesso tempo, l’opzione di service call sincrone offre un’alternativa conveniente per alcune situazioni specifiche.

Il protocollo OPC-UA è stato progettato per essere utilizzato in sistemi distribuiti, consentendo lo scambio di dati tra applicazioni OPC-UA in contesti diversi. Queste applicazioni possono comunicare sia sulla stessa macchina, scambiandosi messaggi tra processi, sia su sistemi diversi all’interno della stessa rete locale, o addirittura su nodi geograficamente distanti. OPC-UA offre ai client la flessibilità di stabilire dei timeout individuali per ogni service call, consentendo loro di adattarsi alle diverse tempistiche di comunicazione. Questa caratteristica permette di gestire efficacemente le comunicazioni in ambienti distribuiti, garantendo che i client siano in grado di aspettare il tempo necessario per ricevere una risposta dalla controparte, anche se ci sono variazioni nella latenza o nella velocità di trasmissione dei dati. In altre parole, OPC-UA offre un meccanismo flessibile per la gestione dei tempi di comunicazione, consentendo alle applicazioni di adeguarsi alle diverse situazioni e garantendo un flusso di dati affidabile e tempestivo.

Vantaggi del protocollo OPC-UA per l’automazione industriale

Una delle caratteristiche distintive del protocollo OPC-UA è la sua architettura open-standard unificata, che consente la comunicazione tra diversi dispositivi e piattaforme indipendentemente dal sistema operativo utilizzato. Questo significa che gli sviluppatori e gli utenti possono creare applicazioni che siano compatibili con una vasta gamma di dispositivi e piattaforme, garantendo un’interoperabilità senza soluzione di continuità. Grazie alla sua interoperabilità, il protocollo OPC-UA consente agli ingegneri e agli operatori di scegliere i dispositivi migliori per le loro esigenze, senza preoccuparsi della compatibilità dei protocolli di comunicazione.

L’OPC-UA ha trovato un ampio consenso nell’industria grazie ai suoi numerosi vantaggi. Non solo ha semplificato l’integrazione tra dispositivi e sistemi di produzione di diversi fornitori, migliorando l’efficienza operativa e consentendo una migliore gestione dei dati industriali, offre anche un’ampia gamma di funzionalità avanzate che migliorano l’efficienza e la sicurezza delle comunicazioni industriali. Ad esempio, supporta il trasferimento affidabile dei dati, garantendo che le informazioni vengano trasmesse correttamente e senza perdita, e implementa meccanismi di sicurezza robusti per proteggere le comunicazioni e prevenire accessi non autorizzati ai dati sensibili. Il protocollo, infatti, supporta l’autenticazione e la crittografia, garantendo che solo dispositivi e utenti autorizzati possano accedere ai dati sensibili. Ciò è particolarmente importante nell’era dell’Industrial Internet of Things (IIoT), in cui i dispositivi di campo sono sempre più connessi e il rischio di minacce alla sicurezza aumenta.

Un altro vantaggio del protocollo OPC-UA è la sua scalabilità. Il protocollo può essere utilizzato per collegare un numero limitato di dispositivi o per creare grandi reti industriali distribuite. In entrambi i casi, OPC-UA offre prestazioni affidabili e un’elevata velocità di comunicazione.

Anche per queto motivo, l’adozione dell’OPC-UA ha aperto la strada all’implementazione di soluzioni di automazione avanzate, come l’IIoT e l’integrazione di sistemi OT basati su cloud.

Il protocollo OPC-UA rappresenta un passo significativo nell’evoluzione della comunicazione industriale: grazie alla sua architettura unificata, alle funzionalità avanzate e alla sua capacità di superare le limitazioni del protocollo OPC originale, ha rivoluzionato la gestione dei dati OT. Con una maggiore interoperabilità, sicurezza e affidabilità, il protocollo OPC-UA ha aperto nuove opportunità per l’automazione industriale e l’integrazione dei sistemi, aprendo la strada al futuro dell’Industria 4.0.

Un’altra caratteristica chiave del protocollo OPC-UA è la sua capacità di gestire una varietà di dati complessi. Oltre alla semplice trasmissione di dati numerici, OPC-UA può gestire dati strutturati, file, immagini e persino informazioni contestuali. Ciò consente una maggiore flessibilità nella comunicazione e facilita l’integrazione di diversi dispositivi e sistemi all’interno di un’architettura industriale.

Conclusioni

Come abbiamo visto, il protocollo OPC-UA rappresenta uno standard di comunicazione fondamentale nell’automazione industriale. Grazie alla sua architettura aperta, interoperabilità e sicurezza avanzata, il protocollo offre alle aziende una soluzione affidabile e flessibile per lo scambio di dati tra macchine e dispositivi di campo e sistemi di supervisione. L’adozione del protocollo OPC-UA consente alle aziende di migliorare l’efficienza operativa, facilitare l’integrazione dei dispositivi e garantire la sicurezza dei dati.

Oggi, il protocollo OPC-UA è ampiamente utilizzato in diversi settori industriali, tra cui manifatturiero, energia, trasporti e automazione. La sua adozione nell’automazione industriale continua a crescere poiché sempre più aziende riconoscono i suoi benefici e la sua capacità di migliorare l’efficienza operativa e consentire una migliore gestione dei dati OT. Con il continuo sviluppo delle tecnologie industriali e dell’IIoT il protocollo OPC-UA svolgerà un ruolo sempre più importante del futuro.

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