OPC UA, lo standard aperto

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Le norme tecniche dovrebbero migliorare efficienza e interoperabilità di dispositivi e componenti tecnici; spesso, però, la presenza di standard di comunicazione concorrenti genera problematiche su macchine e impianti sempre più interconnessi

Fin dall’inizio dell’industrializzazione, i principali attori del mercato si sono resi conto che tutti avrebbero tratto più vantaggi cooperando piuttosto che facendosi una concorrenza feroce. Già a fine XIX secolo si formarono così in Europa i primi comitati di normazione; tuttavia, gli interessi contrastanti non sono mai scomparsi del tutto, anche all’interno degli stessi comitati. Questi attriti hanno consentito di raggiungere soltanto degli ‘accordi minimi’: se da un lato si sono create regole uniformi per sistemi proprietari e processi base, dall’altro diversi produttori hanno implementato ulteriori funzioni e opzioni, andando oltre lo standard stabilito. La personalizzazione del protocollo da parte dei diversi attori ha reso gli oggetti compatibili solo parzialmente, costringendo il cliente a rinunciare ad alcune funzionalità, a meno di non sposare un unico fornitore.

Nemmeno molti anni fa… l’industria 3.0

I vincoli degli accordi minimi non sono stati l’unico ostacolo: vi è stata anche la convivenza di standard concorrenti. Molti produttori hanno creato standard propri, come AS-i, Canopen, CC-Link, Controlnet, Devicenet, Interbus, Profibus e molti altri bus di campo: tante lingue e ‘dialetti’ per trasmettere dati e comandi tra sensori, attuatori e controllori. Il progresso dello standard di rete IP aveva il potenziale per riuscire a orchestrare questa ‘babilonia di lingue’. Tuttavia, nel corso degli anni ogni motore dell’innovazione nel networking è tornato a sostenere il proprio ‘linguaggio’. Gli utilizzatori si sono così visti costretti a utilizzare ecosistemi chiusi legati al singolo fornitore, o a investire somme consistenti per collegare attraverso gateway le varie stringhe di rete con protocolli diversi.

Dall’Industria 3.0 all’Industria 4.0

Il salto tra Industria 3.0 e 4.0 ha generato nuove problematiche: la 4.0 ha collegato in rete numerosi componenti differenti, rompendo le regole della piramide dell’automazione (ISO/OSI), ovvero ha realizzato connessioni orizzontali e laterali tra diverse macchine, sistemi e persino impianti di produzione. Uno scambio di dati massivo deve basarsi su standard di dati coerenti: l’assenza di convenzioni (non sarebbero bastati gli accordi minimi) ha costituito un grande problema per lo sviluppo dell’Industria 4.0. Combinare dati provenienti da fonti diverse ha richiesto un enorme sforzo di programmazione, poiché è stato necessario realizzare un’omogeneizzazione che tenesse conto, per esempio, del formato dati, dei nomi delle variabili, del tipo e ambito dei metadati ecc. In questo contesto, non appena gli ecosistemi di diversi provider si incrociano, le combinazioni possibili sono moltissime. Con una quantità massiva di informazioni vi è la questione di come interpretare i dati: due elementi che detengono lo stesso nome (di variabile) e aspetto (formato dati, intervallo valori ecc.) non hanno con certezza lo stesso significato. I dati richiedono un giusto contesto per diventare informazioni reali, poiché lo sviluppo di servizi e modelli di business basati sui dati, il controllo cross-machine dei processi produttivi e di fabbricazione, o l’analisi dei dati non servono senza la corretta comprensione dei dati da elaborare. Adattare internamente la comunicazione dati tra macchine richiede un grande sforzo manuale: ogni aggiunta di una nuova macchina o componente richiede una nuova modifica dei programmi. Di conseguenza, vengono coperti solo i dati più importanti, per mantenere l’impegno gestibile, ma si perdono le opportunità offerte dalle tecnologie di automazione moderne.

OPC UA, lo standard centralizzato

Il protocollo OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) fornisce una soluzione alle problematiche fin qui accennate. Non è uno standard di comunicazione in senso stretto, perché le parti essenziali di OPC UA si trovano sopra il livello 7 del modello OSI, ma uno standard per lo scambio dati, un’architettura indipendente dalla piattaforma e orientata ai servizi (SOA), che consente non solo di trasmettere dati come valori di controllo, misure, parametri ecc., ma anche di descrivere questi dati con una semantica leggibile dalla macchina. Infatti, OPC UA non considera solo i dati operativi, ma anche le specifiche e le capacità di una macchina. In questo modo è più semplice ed efficiente comunicare tra i nodi della rete, perché oltre ai dispositivi smart si connettono in rete anche sensori e attuatori tradizionali. Questo standard non si occupa solo di aspetti strettamente legati all’ambito dell’IIoT, ma anche di servizi.

Quali i vantaggi di OPC UA?

Fra le caratteristiche evidenziate da OPC Foundation, organizzazione che mantiene e sviluppa questo standard, spiccano indipendenza, sicurezza ed espandibilità, che consentono di armonizzare macchine e dispositivi risolvendo così le problematiche della comunicazione.

» Indipendenza: OPC UA è indipendente da qualsiasi sistema operativo e può essere utilizzato, per esempio, da un microcontrollore embedded o da un’infrastruttura basata su cloud. Per il cloud, OPC UA si basa su protocolli comuni come Mqtt e Amqp, mentre sul campo sono supportati UDP, RAW Ethernet, oltre a protocolli come TSN o 5G per la comunicazione deterministica, ma è anche possibile aggiungere ulteriori protocolli, come Quic basato su UDP. OPC UA come SOA comprende anche un modello server/client basato sull’accesso ai modelli informativi tramite servizi. Lo spazio degli indirizzi del server orientato agli oggetti fornisce metadati e descrittori di oggetti. Le strutture a oggetti vengono formate facendo riferimento alle istanze degli oggetti e alle relative definizioni delle tipologie sottostanti. Queste ultime sono orientate agli oggetti e possono espandersi tramite ereditarietà. Se i server OPC UA trasportano istanze dell’oggetto e tipologie associate, i client OPC UA navigano nello spazio degli indirizzi di qualsiasi server OPC UA, ottenendo tutte le informazioni necessarie. Ciò vale anche per tipologie precedentemente sconosciute, che consentono l’utilizzo di plug&produce senza necessità di configurazione preventiva dei dispositivi.

» Sicurezza e affidabilità: OPC UA include crittografia, autenticazione e controllo e l’intero sviluppo si basa sull’approccio secure by design. L’elevato livello di sicurezza è un elemento essenziale della comunicazione OPC UA, poiché incorpora concetti e standard di sicurezza riconosciuti, che vengono utilizzati anche per comunicazioni Internet sicure, come SSL, TLS e AES, autenticazione di utenti e applicazioni, nonché firma dei messaggi e crittografia dei dati.

» Espandibilità: è la possibilità di aggiungere nuove funzionalità senza andare a interferire con le applicazioni esistenti; ciò ha permesso un rapido sviluppo (e implementazione) di OPC UA negli ultimi anni. Si può disporre di opzioni per la definizione di informazioni complesse, il che si traduce in una capacità di modellazione solida e completa.

La maggior parte delle aziende del settore industriale vive una fase di sviluppo intermedia tra due estremi: la fabbrica isolata e la produzione globale connessa. I problemi che sorgono quando si combinano i dati, si sviluppano servizi interfunzionali e si utilizzano funzioni intelligenti sono sempre gli stessi. Inoltre, il settore della produzione di macchine vive la difficile transizione che vede clienti con aspettative sempre più alte, macchine e sistemi più flessibili e smart, facili da riconfigurare e da monitorare e controllare con applicazioni centralizzate. OPC UA può essere, in linea di principio, una soluzione universale, ma sono necessari grandi sforzi per acquisire le competenze necessarie, allestire tool e librerie, proseguire nello sviluppo ed espansione, completare i primi progetti di implementazione. Considerando l’energia con cui rappresentanti di settore, associazioni e comitati di standardizzazione portano avanti sviluppo ed espansione di OPC UA, l’investimento nel relativo know how è certamente giustificato. OPC UA non è uno standard tra i tanti, la cui affidabilità futura è in dubbio, ma un componente centrale della crescente interconnessione e digitalizzazione industriale, e prima o poi diventerà un ‘must’ per ogni macchina.

Cosa riserva il futuro?

Keba fa un ulteriore passo avanti e apre l’usabilità della tecnologia OPC UA ad applicazioni provenienti da diversi ambiti applicativi, nello spirito dell’‘open’, rendendo possibile l’utilizzo di OPC UA da diversi moduli tecnologici di KemroX, come l’ambiente IEC61131-3, le sezioni applicative specifiche della robotica o la sezione runtime C/C++ e, in futuro, anche moduli basati su script, senza alcuna restrizione. Si crea così un ambito di applicazione aperto e flessibile per un’ampia varietà di settori. In conclusione, possiamo dire che OPC UA fornirà una base tecnologica ampiamente accettata, che consentirà lo scambio universale di dati nelle aziende, creando valore, e nelle supply chain. L’economia delle piattaforme, ancora agli inizi nel settore industriale, richiede proprio queste funzioni e garantisce la futura rilevanza di questa soluzione di comunicazione. I produttori di macchine possono essere sicuri del fatto che i loro investimenti in know how e strumenti per OPC UA non andranno sprecati. È fondamentale rimanere aperti a ulteriori sviluppi e trovare partner che supportino questa apertura con tool altrettanto aperti.

Keba – www.keba.com

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