OPC UA چیست؟ نقش آن در انقلاب صنعتی 4

OPC UA یا به طور کامل Open Platform Communications Unified Architecture ، یک استاندارد ارتباطی (مجموعه‌ای از چند پروتکل) ماشین به ماشین ایمن و به‌روز برای انتقال داده‌های سنسوری، وضعیت عملکرد تجهیزات و دستورات کنترلی میان دستگاه‌ها و سیستم‌های اتوماسیون صنعتی است. او پی سی بر روی انواع سیستم‌عامل‌ها قابل اجرا است و ارتباطی ساده و موثر بین دستگاه‌ها و سیستم‌های متنوع ایجاد می‌کند. این پروتکل به دلیل پشتیبانی از محیط‌های مختلف، یکی از پایه‌های اصلی انقلاب صنعتی 4 است.

بخوانید: پروتکل مدباس Modbus

نقش OPC UA در انقلاب صنعتی 4

صنعت ۴.۰ به عنوان انقلاب صنعتی 4 ، به‌سوی تولید محصولات هوشمند و دیجیتالی پیش می‌رود. این تحول، فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند اینترنت اشیا صنعتی (IIoT) و هوش مصنوعی (AI) را در بر می‌گیرد.

بخوانید: انقلاب صنعتی پنجم چیست و چه زمانی رخ می‌دهد؟

OPC UA در این تحول نقش حیاتی دارد زیرا با ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، ارتباطی امن بین تمام دستگاه‌های یک محیط صنعتی برقرار می‌کند. این قابلیت، باعث بهبود عملکرد و بازده زنجیره تأمین و فرایندهای تولیدی می‌شود.

OPC کلاسیک : اساس و پایه توسعه OPC UA

 OPC کلاسیک که قبلا مخفف OLE for Process Control بود برای استانداردسازی پروتکل‌های ارتباطی دستگاه‌های صنعتی، در سال 1996 توسط مایکروسافت معرفی شد واز فناوری COM/DCOM برای برقراری ارتباطات کلاینت-سرور استفاده می‌کرد. این استاندارد، با وجود نوآوری چشمگیر خود در زمان عرضه، محدودیت‌هایی داشت که شامل موارد زیر می‌شد:

• امنیت محدود: DCOM تنها به احراز هویت اولیه اکتفا می‌کرد و فاقد سیستم امنیتی کامل و قدرتمند بود.
• راه‌اندازی دشوار: برای رفع خطاها، اپراتورها مجبور به تنظیم دستی بودند که باعث کندی در عملیات می‌شد.
• ‌عدم سازگاری پروتکل‌ها: شامل پنج مشخصه استاندارد در OPC کلاسیک بوده‌اند؛ مجزا بود و هیچ نقطه اشتراکی با هم نداشتند.
  • دسترسی به داده‌ها (OPC DA): نحوه خواندن و نوشتن داده‌ها و همچنین انواع داده‌ها و ساختارهای موجود را تعریف می‌کرد.
  • هشدارها و رویدادها (OPC AE): راهکارهایی برای نظارت بر سیستم‌ها و ارسال هشدارها به کلاینت ارائه می‌داد.
  • دسترسی به داده‌های تاریخی (HDA): امکان پرس‌وجو و تحلیل داده‌های جمع‌آوری‌شده در گذشته را فراهم می‌کرد.
  • دسترسی به داده‌های XML (XML DA): برای انتقال داده‌ها از طریق XML طراحی شده بود.
  • تبادل داده (DX): قابلیت تبادل اطلاعات میان سیستم‌ها را تعریف می‌کرد.

این محدودیت‌ها نیاز به یک جایگزین جدیدتر و بهتر را ایجاد کرد.

ظهور OPC UA و دگرگونی صنعت 4

OPC UA در سال ۲۰۰۶ توسط OPC Foundation به‌عنوان نسخه‌ای بهبودیافته برای رفع محدودیت‌های OPC کلاسیک معرفی شد. این استاندارد جدید بر پایه پروتکل TCP/IP ساخته شده و توانست دامنه وسیع‌تری از سیستم‌ها و زیرساخت‌ها را پشتیبانی کند.

ویژگی‌های اصلی OPC UA شامل موارد زیر است:

• استقلال از پلتفرم: این استاندارد می‌تواند بر سیستم‌عامل‌های مختلف مانند ویندوز، لینوکس، مک‌او‌اس، اندروید و حتی میکروکنترلرها اجرا شود.
• امنیت بالا: مجهز به قابلیت رمزنگاری برای حفاظت از محرمانگی و صحت اطلاعات، احراز هویت برای اطمینان از هویت کاربران و سرورها، و مجوزدهی برای مدیریت دسترسی به منابع.
• مقیاس‌پذیری: از دستگاه‌های ساده تا سیستم‌های پیچیده سازمانی و صنعتی را پوشش می‌دهد.
• مدل‌سازی اطلاعات: این قابلیت امکان دسته‌بندی و گروه‌بندی تگ‌ها و تخصیص نام به آن‌ها را فراهم می‌کند، که مدیریت داده‌ها را بسیار آسان‌تر می‌سازد.

تفاوت‌های اصلی بین OPC کلاسیک و OPC UA: 

1. حذف وابستگی به DCOM: برخلاف OPC کلاسیک که به فناوری‌های OLE و DCOM وابسته بود، OPC UA این وابستگی را حذف کرده است. این تغییر نه‌تنها امنیت را افزایش داده، بلکه مشکلات مرتبط با پیکربندی و محدودیت‌های شبکه را نیز از میان برده است.
2. پشتیبانی از سیستم‌های متنوع: OPC UA می‌تواند روی طیف وسیعی از سیستم‌عامل‌ها و حتی زیرساخت‌های ابری پیاده‌سازی شود، در‌حالی‌که OPC کلاسیک تنها محدود به ویندوز بود.
3. امنیت ارتقایافته:  معماری جدید، دارای قابلیت‌های امنیت اطلاعات ویژه‌ای است.

بیان تفاوت دقیق‌تر 

مهم‌ترین تفاوت بین OPC Classic و OPC UA در این است که OPC UA دیگر وابستگی به تکنولوژی OLE یا DCOM مایکروسافت ندارد. در مدل OPC Classic، اگر نرم‌افزار OPC Server از  DCOM پشتیبانی کند، برنامه کلاینت می‌تواند از طریق شبکه به سروری که OPC Server روی آن اجرا می‌شود، متصل شود.

در سال‌های اخیر، بسیاری از فروشندگان فناوری اینترنت اشیای صنعتی (IIoT)‌، شروع به استفاده از OPC UA را برای نمایش محصولات خود کردند. در سال ۲۰۱۶، بنیاد OPC همکاری خود را با گروه مدیریت اشیاء و برنامه آن، یعنی کنسرسیوم اینترنت صنعتی (IIC)، جهت ترکیب این دو استاندارد اعلام کرد.

مزایای OPC UA

1. کاهش بار روی منابع داده:
سرور OPC UA بار پردازشی روی حسگرها، کنترلرها یا دستگاه‌های صنعتی را به علت عدم نیاز به اتصال جداگانه هر دستگاه به دستگاه دیگر را کاهش می‌دهد، زیرا امکان ارتباط تنها از طریق یک اتصال می‌باشد و از راه OPC UA فراهم می‌شود.

2. اشتراک‌گذاری داده در لحظه: او پی سی UA قادر است اطلاعات، هشدارها و رویدادها را به‌صورت لحظه‌ای به اشتراک بگذارد

3. معماری کلاینت-سرور:

• • نقش سرور:
    سرور او پی سی UA، داده‌ها را برای کلاینت‌ها مانند رابط‌های کاربری انسانی یا HMI در دسترس قرار می‌دهد.
  • نقش کلاینت:
    کلاینت به سرور متصل شده و داده‌های خاصی را درخواست می‌کند. این درخواست‌ها تعیین می‌کنند که چه اطلاعاتی، مانند مقادیر سنسورها، کیفیت داده، یا زمان‌بندی، مورد‌نیاز است.

4. ویژگی‌های اشتراک‌گذاری: اشتراک داده‌ها شامل مقادیر تگ‌ها، کیفیت داده، زمان‌بندی، و نوع داده.

5. OPC UA اکنون با فناوری جدیدی به نام TSN (Time-Sensitive Networking) ادغام شده است. یک فناوری پیشرفته شبکه‌سازی است که انتقال داده‌ها با زمان‌بندی دقیق و کمترین تأخیر انجام می‌شود.

تشخیص خودکار 

یکی از ویژگی‌های OPC UA قابلیت شناسایی خودکار سرورها در شبکه‌های مبتنی بر اترنت است. در این ویژگی، کلاینت‌های OPC UA می‌توانند به‌صورت خودکار سرورهای موجود در شبکه را پیدا کرده و به آن‌ها متصل شوند. این فرایند شبیه به روشی است که دستگاه‌هایی با توانایی اتصال به Wi-Fi مثل گوشی یا لپ‌تاپ یکدیگر را شناسایی و متصل می‌کنند. اتصال بین کلاینت و سرور OPC UA به موقعیت فیزیکی آن‌ها وابسته نیست یعنی به سادگی و با سرعت انجام می‌شود؛ چه سرور در شبکه داخلی باشد، چه در فضای ابری یا حتی در مکانی دوردست مثل شبکه WAN.

کاربردهای OPC UA در انقلاب صنعتی 4

در ادامه به کاربردهای او پی سی در صنعت می‌پردازیم:

• اینترنت صنعتی اشیا (IIoT)

 OPC UA نقشی حیاتی در تحول IIoT ایفا می‌کند به طوری که جمع‌آوری و یکپارچه‌سازی داده‌ها از دستگاه‌ها و تجهیزات مختلف، آن را به ابزاری ایده‌آل برای:

1. نگهداری پیش‌بینانه (پیش‌بینی خرابی‌ها قبل از وقوع).

2. بهینه‌سازی فرایندها (افزایش بازده تولید و کاهش هزینه‌ها مثل کاهش مصرف انرژی)

• یکپارچه‌سازی داده‌ها در سیستم‌ها

OPC UA می‌تواند داده‌ها را از مکان‌ها و تجهیزات مختلف جمع‌آوری و در یک سیستم مرکزی یکپارچه کن در نتیجه کارخانه‌ها یا تجهیزات صنعتی که در نقاط جغرافیایی مختلف قرار دارند، می‌توانند از طریق OPC UA به یک سیستم مرکزی متصل شوند:

• رابط‌های انسانی-ماشینی (HMI): داده‌های تجهیزات صنعتی (مانند دیگ‌های بخار یا چیلرها) به‌صورت گرافیکی و ساده برای کاربران نمایش داده می‌شود تا راحت‌تر تصمیم‌گیری کنند.
• .ذخیره‌سازی داده‌ها در پایگاه‌های داده: به پایگاه‌های داده ارسال می‌شود تا بتوان از آن‌ها برای تحلیل‌های بلندمدت، شناسایی الگوها و تصمیم‌گیری‌های استراتژیک استفاده کرد.

کاربرد در انواع سیستم‌ها

OPC UA به‌گونه‌ای طراحی شده که بتواند روی طیف وسیعی از دستگاه‌ها اجرا شود. این دستگاه‌ها شامل تجهیزات ساده مثل میکروکنترلرها تا سیستم‌های پیچیده‌تر مانند PLC‌های صنعتی (کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر) مانند Siemens S7-1500 هستند.

این استاندارد حتی روی دستگاه‌های هوشمندی مانند سنسورها و گجت‌های کوچک نیز قابل اجرا است. این ویژگی به معنای گستردگی کاربرد آن در اینترنت اشیا صنعتی (IIoT) و دستگاه‌های هوشمند است.

شروع کار با OPC UA

برای پیاده‌سازی او پی سی در سیستم‌های کنترل صنعتی خود، نیاز به تجهیزات و نرم‌افزارهای زیر دارید:

1. نرم‌افزار سرور OPC UA : برای اتصال به PLC‌ها و تجهیزات صنعتی.
2. نرم‌افزار کلاینت او پی سی UA : برای دریافت، مشاهده، ثبت یا پردازش داده‌ها از سرور.

این نرم‌افزارها می‌توانند روی یک دستگاه مشترک یا در شبکه اجرا شوند. همچنین امکان استفاده از پلتفرم‌های ابری برای دسترسی از راه دور و بدون محدودیت به داده‌ها وجود دارد.

نتیجه‌گیری

این پروتکل صرفاً ابزاری برای ویژگی‌هایی مانند کشف خودکار سرورها، انتقال داده در زمان واقعی و معماری منعطف و مقیاس‌پذیر، OPC UA را به ابزاری بسیار فراتر از یک پروتکل ارتباطی معمولی تبدیل کرده است. این پروتکل تنها یک استاندارد تبادل داده نیست؛ بلکه یک زیرساخت هوشمند است که می‌تواند عملیات صنعتی را به سطح جدیدی ارتقا دهد. انقلاب صنعتی 4 بر پایه یکپارچه‌سازی سیستم‌ها، اینترنت صنعتی اشیا (IIoT) و اتوماسیون هوشمند بنا شده است.

سازمان‌هایی که از OPC UA استفاده می‌کنند، می‌توانند با پیشرفت‌های فناوری همگام شده و از مزایای نوآوری بهره‌مند شوند. پذیرش این پروتکل به معنای استفاده از یک استاندارد مدرن و قوی است که باعث بهبود بهره‌وری، کاهش هزینه‌ها و افزایش رقابت‌پذیری می‌شود؛ این سازمان‌ها به‌جای اینکه فقط در مسیر پیشرفت حرکت کنند، می‌توانند در نوآوری و توسعه فناوری صنعتی پیشگام باشند.