Introduction à Open Platform Communications (OPC)
Qu’est-ce qu’Open Platform Communications ?
Open Platform Communications (OPC) est une norme d’interopérabilité qui permet à plusieurs fabricants d’échanger des données d’automatisation industrielle en toute sécurité. Il définit un protocole de transmission en temps réel pour la gestion de divers appareils en usine entre les capteurs, les appareils de terrain, les contrôleurs et les applications dans l’atelier, ainsi qu’entre les systèmes OT et IT (cloud) de l’entreprise.
OPC est un protocole de communication M2M utilisé dans l’industrie de l’automatisation industrielle. Lorsque davantage de composants du système d’automatisation industrielle souhaitent communiquer, il devient possible de collecter et d’analyser les informations de chaque composant, de décomposer les données, d’améliorer l’efficacité et la réactivité, et de prendre de meilleures décisions pour l’entreprise. OPC, qui signifie « Object Linking and Embedding for Process Control » (« Liaison et incorporation d’objets pour le contrôle des processus ») et est basé sur les technologies OLE, COM et DCOM, est destiné à servir de pont pour les applications Windows et le matériel de contrôle des processus. Le serveur OPC convertit le protocole de communication matériel. De plus, tout logiciel qui doit se connecter au matériel devient le client OPC. Les instructions OPC sont utilisées par les clients et serveurs OPC pour identifier, envoyer et contrôler les commandes qui sont exécutées dans un contrôleur ou un module d’E/S.
OPC UA (Unified Architecture – Architecture unifiée) est la norme de nouvelle génération d’OPC Foundation, une mise à jour de la norme d’interopérabilité OPC originale qui répond aux besoins et aux nouveaux défis en matière de sécurité et de modélisation des données tout en fournissant une architecture à plateforme ouverte riche en fonctionnalités qui est à l’épreuve du temps, évolutive et extensible.
OPC UA et IIoT
OPC UA est un cadre d’architecture orientée services (SOA – Service-Oriented Architecture) qui peut être développé pour prendre en charge une large gamme de plateformes, des microcontrôleurs intégrés à l’infrastructure cloud. Puisqu’il est indépendant de la plateforme et peut être adapté du capteur au cloud, son intégration dans des appareils est possible, ce qui en fait une solution complète pour les applications basées sur l’IoT. Cela permet également aux acteurs de l’Internet des objets (IoT) de modéliser des données basées sur des produits spécifiques à un domaine. OPC UA est la meilleure option de protocole pour l’IIoT, car il possède toutes les fonctionnalités qui doivent être présentes. Il s’agit d’une norme industrielle pour le conditionnement des données depuis la périphérie (machines dans les unités industrielles, PLC, commandes pneumatiques, etc.).
OPC et l’IoT fonctionnent tous deux en arrière-plan pour les consommateurs, avec des objectifs pour l’entreprise comprenant des informations sur la productivité, le taux de rendement global (TRG) et la qualité. Ils représentent également une plateforme qui permet de prendre des décisions basées sur les données, ce qui facilite le développement de solutions OPC UA basées sur la technologie IIoT. OPC UA permet aux appareils distants d’être facilement connectés à l’IoT dans le cloud ou à la périphérie, rendant possibles le diagnostic des appareils, la gestion des actifs, la surveillance, la création de rapports et d’autres applications. Il assure la sécurité en chiffrant les données, en authentifiant les utilisateurs et en effectuant des audits des opérations. Il se développe sur OPC Classic en fournissant des capacités à la demande, la capacité d’identifier les serveurs et autres périphériques sur un réseau, et une architecture avec espace d’adresses conçue pour prendre en charge des structures de données plus sophistiquées.
OPC UA vers une automatisation industrielle :
Avant le développement d’OPC, chaque FEO possédait des applications qui utilisaient ses propres pilotes et conservaient les données dans des chemins de données complets. Cela créait une multitude de problèmes pour les fabricants, car chaque fournisseur générait ses propres données, qu’ils ne pouvaient pas utiliser pour générer des rapports. Pour la création de rapports, ils ont dû développer des solutions uniques à partir de ces différents fournisseurs. Ainsi, comme les données étaient verrouillées dans un format exclusif, seules quelques combinaisons étaient possibles. Les données étaient stockées dans divers(es) modèles PLC, IHM, machines CNC, ERP, etc. De plus, chaque fois qu’un nouveau système était ajouté, les usines ignoraient le problème de la modification de la gestion. Plutôt que de développer un nouveau produit pour réglementer la technologie sans format exclusif et pour faciliter une connectivité généralisée, OPC a été établi comme une solution à ces préoccupations. Un espace de noms est établi lorsqu’un serveur OPC décrit un groupe de variables dans une arborescence de répertoires. Chaque variable possède différents types de données, comme un entier, une valeur booléenne, une valeur réelle, une chaîne et une valeur par défaut. Un protocole binaire basé sur TCP est utilisé pour connecter un ou plusieurs clients OPC au serveur OPC.
L’architecture unifiée OPC (OPC UA) a été décrite et est actuellement testée et mise en œuvre dans le cadre des premiers utilisateurs du programme. Elle peut être implémentée en Java, Microsoft.NET ou C, supprimant la nécessité pour les versions précédentes d’OPC d’avoir besoin d’une plateforme basée sur Microsoft Windows. Pour fournir un support MES et ERP de plus haut niveau, l’architecture unifiée combine les capacités des interfaces OPC actuelles avec de nouvelles technologies telles que XML et les services Web.
Platform Industry 4.0 a examiné en profondeur OPC UA et l’a validée en tant que technologie clé pour la mise en œuvre de la « couche de communication » du « modèle d’architecture de référence de l’industrie 4.0 ». (RAMI4.0). Le protocole OPC UA est normalisé dans le cadre de la série CEI 62541. Il convient de noter que la spécification OPC UA est la plus récente. Elle n’est pas basée sur la technologie Microsoft COM et permet ainsi une compatibilité multiplateforme.
Le paradigme OPC UA, tel qu’illustré dans la figure précédente, décrit comment les clients accèdent aux informations sur le serveur. La couche OPC UA comprend un langage de description détaillé ainsi que les services de communication nécessaires aux modèles d’information. Ces systèmes se distinguent par leur taille, leurs performances, leurs plateformes et leurs fonctionnalités telles que Client-Server et PubSub.
Figure : Modèle de couche OPC UA (lien source : opcfoundation.org)
OPC UA peut être intégré dans les réseaux de l’Ethernet industriel Industrial existants et exécuté sur l’infrastructure PROFINET existante sans compromettre la qualité. L’objectif d’OPC UA est d’étendre l’interopérabilité aux appareils et aux applications d’entreprise. Il a récemment introduit la fonction « publier/s’abonner » à l’infrastructure de communication client/serveur d’origine. La spécification vise également à éliminer le besoin d’un PC Windows autonome en permettant à un serveur d’être intégré à un appareil en périphérie.
Normes d’OPC utilisées dans les systèmes d’automatisation industrielle
L’objectif était d’abstraire les protocoles de communication des PLC programmables, qui sont de petits ordinateurs spécialisés largement utilisés dans l’automatisation industrielle. En faisant abstraction de ces différents protocoles, une interface standardisée a été formée. Elle servait en quelque sorte d’intermédiaire en convertissant les requêtes de lecture/écriture entre les logiciels IHM que les employés utilisent pour contrôler les machines via les PLC et SCADA (supervisory control and data acquisition – contrôle de supervision et d’acquisition des données), une architecture informatique populaire pour le contrôle des processus industriels.
La technologie OPC comprend un certain nombre de normes (OPC DA, OPC HAD, OPC AE, OPC Batch, OPC DX, OPC Security, OPC XML-DA, OPC Complex Data, OPC Commands et OPC UA) qui décrivent un ensemble spécifique de fonctionnalités. La norme la plus répandue est OPC DA (Data Access – Accès aux données), qui définit un ensemble de fonctions pour l’échange de données en temps réel avec des PLC, des DCS, des IHM, des CNC et d’autres appareils. Le module OPC HDA (Historical Data Retrieve – Récupération des données historiques) vous permet d’accéder aux données et à l’historique précédemment enregistrés. Une autre norme, OPC AE (Alarms & Events – Alarmes et événements), fournit des fonctionnalités de notification à la demande pour une variété d’événements, y compris les urgences, les actions de l’opérateur, les messages d’information, etc. OPC Batch contrôle le processus technique au niveau de l’étape et de la recette. La fonction OPC DX (Data interchange – Échange de données) gère les échanges de données entre les serveurs OPC via un réseau Ethernet. L’objectif principal de cette norme est de créer des passerelles d’échange de données entre les appareils et les applications de différents fournisseurs. Les fonctions d’organisation des autorisations d’accès des clients aux données du serveur OPC sont définies par OPC Security. La norme OPC XML-DA (XML-Data Access – Accès aux données XML) est un format polyvalent basé sur des règles pour le transfert de données via XML, SOAP et HTTP. OPC Complex Data est un ensemble de spécifications OPC DA et XML DA supplémentaires qui permettent aux serveurs de communiquer avec des types de données complexes tels que des structures binaires et des documents XML. Les commandes OPC sont un ensemble d’interfaces de programmation qui permettent aux clients et serveurs OPC d’identifier, d’envoyer et de contrôler les commandes exécutées dans un contrôleur ou un module d’E/S. OPC DA est la norme la plus largement utilisée, mais elle présente un inconvénient majeur. Elle était basée sur les technologies Windows alors modernes telles qu’OLE, ActiveX et COM/DCOM au moment de son développement, mais l’industrie a changé et d’autres systèmes d’exploitation et technologies ont pris de l’importance.
Cas d’utilisation d’OPC
Échange de données transparent via OPC UA
L’intelligence évolue des systèmes de contrôle de supervision vers des composants locaux à mesure que l’industrie se transforme vers une intégration horizontale et verticale. Cette croissance crée une augmentation des besoins de communication, pour lesquels la norme ouverte OPC UA, qui peut également être utilisée pour les équipements embarqués, est une solution appropriée. Embedded OPC UA est une passerelle de serveur qui relie les mondes du contrôle et de l’informatique en fournissant un accès aux données de processus, de fabrication et de qualité dans une gamme de différents types de contrôleurs.
Gestion de l’eau avec les appareils intelligents compatibles avec OPC UA
Les contrôleurs embarqués décentralisés et autonomes peuvent fonctionner ensemble pour construire un réseau intelligent permettant de contrôler les usines d’eau potable et de traitement des eaux usées. OPC UA est la solution appropriée pour établir une communication M2M sécurisée et standardisée dans ces usines. OPC UA est utilisé entre les usines pour la communication M2M ou la technologie IoT afin de permettre la mise en réseau intelligente de contrôleurs embarqués décentralisés, autonomes et de très petite taille. Comme le contrôleur dispose d’un serveur OPC UA, ces objets sont instantanément exposés au monde extérieur sous forme de structures de données sophistiquées permettant une interopérabilité sémantique. En conséquence, une intelligence décentralisée émerge, capable de prendre des décisions indépendantes et de transmettre des informations aux systèmes voisins.
De nombreux kits d’outils, de logiciels et de modules d’entreprises OPC sont disponibles pour exécuter la conception, le développement et également des projets avec Open Platform Communications. Farnell s’est associé à plusieurs fournisseurs proposant une gamme de composants OPC industriels, par exemple OPC, une boîte à outils pour OPC, des accessoires pour contrôleurs de processus , des interfaces de convertisseurs, des kits de démarrage logiciels, des PLC et l’informatique industrielle.
