OPC UA

¿Qué es OPC UA?

OPC UA son las siglas de OPC Unified Architecture. Se trata de un estándar extensible e independiente de la plataforma que permite el intercambio seguro de información en sistemas industriales. En 2008, la Open Platform Communications Foundation (OPC) liberó OPC UA, que regula y mantiene el estándar, los protocolos y las especificaciones de interoperabilidad para la comunicación de datos, principalmente en operaciones de automatización industrial.

OPC UA es compatible con Windows, macOS, Android y Linux. También se puede utilizar en sistemas integrados y sistemas baremetal (que no utilizan sistema operativo). OPC UA funciona en PC, infraestructuras basadas en la nube, PLC, microcontroladores y sistemas ciberfísicos (CPS).

El objetivo de OPC UA es mejorar la interoperabilidad entre hardware y software para la automatización y planificación empresarial proporcionando un framework que permita a las empresas industriales converger entre tecnologías dispares.

Diferencias entre OPC UA y OPC Classic

OPC Classic, el predecesor de OPC UA, se basa en tecnologías de Microsoft, mientras que OPC UA es independiente de la plataforma. 

OPC Classic no dispone de seguridad para el control de acceso, autenticación o encriptación. OPC UA permite el cifrado de datos en su origen que garantiza una transmisión segura sin depender de cortafuegos de red en el núcleo del sistema, lo que significa que la seguridad está garantizada desde el inicio de la transmisión de los datos, en lugar de confirmarse sólo cuando estos llegan al cortafuegos de la red. OPC UA implementa un sistema de seguridad multiplataforma basado en la clave de infraestructura pública (PKI) utilizando certificados digitales x.509, que son el estándar de la industria.

A diferencia de OPC UA, OPC Classic no admite el modelado de información dinámica que permite a los fabricantes definir modelos de datos personalizados según los requisitos de su sector.

En OPC UA, las especificaciones de OPC Classic proporcionan módulos funcionales que se pueden consultar ad hoc. Estas especificaciones son OPC DA (Data Access, acceso a datos), OPC AE (Alarms and Events, alarmas y eventos), OPC Security (seguridad), OPC Batch (proceso por lotes), OPC Command (comandos), OPC XML, OPC DX (Data Exchange, intercambio de datos) y OPC HAD (History Access Data, datos de acceso histórico). Por lo general, se les llama colectivamente OPC Classic o, simplemente, OPC. En OPC UA, se denominan perfiles; por ejemplo, el estándar OPC DA es el perfil OPC UA DA.

Estos perfiles forman una capa que se encuentra sobre la capa base de OPC UA, que es la que ejecuta servicios comunes. Todos los perfiles de OPC UA utilizan la misma base de código común, mientras que, en una configuración OPC Classic, cada estándar tiene su propia base de código, lo que crea duplicaciones en sistemas donde se implementa más de una especificación OPC Classic.

¿Cómo funciona OPC UA?

¿Qué especificaciones se incluyen en el estándar OPC UA?

El estándar OPC UA en sí mismo no hace nada. El estándar es una colección de especificaciones (protocolos de OPC UA) que definen pautas para la comunicación entre servidores y clientes, incluyendo reglas para diferentes funciones y estructuras de datos.

Las especificaciones de OPC UA, pues, son: vista general y conceptos, modelo de seguridad, modelo de espacio de direcciones, servicios, modelo de información, asignaciones, perfiles, acceso a datos, alarmas y condiciones, programas, acceso histórico, descubrimiento y servicios globales, agregados, publicar y suscribir (PubSub), seguridad y nombres de alias.

Cada especificación se diseñó para abordar un problema común en las redes de comunicación de los sistemas industriales. Por ejemplo, la especificación de alarmas y condiciones proporciona una solución al reto de estandarizar cómo se envía la información de eventos y alarmas de los dispositivos de campo a las aplicaciones, mientras que la especificación de acceso histórico afronta el desafío de estandarizar cómo se accede a los datos históricos en los procesos de auditoría. La especificación de programas incluye información sobre cómo los desarrolladores deben gestionar los códigos de retorno en su código, entre otros.

¿Dónde se utiliza OPC UA?

OPC UA se utiliza en sistemas industriales como los de los sectores de petróleo y gas, agricultura, servicios médicos y farmacéuticos, además de servicios críticos, como redes eléctricas y plantas de tratamiento de aguas residuales y sistemas de IoT, como aplicaciones de ciudades inteligentes.

Las aplicaciones comunes de OPC UA incluyen diagnóstico de dispositivos, administración de activos, administración de producción, control de calidad, adquisición de datos, informes empresariales, seguridad de la información, integración de datos para interfaces GUI, soporte de trabajadores remotos y monitoreo de eventos.

Podemos considerar varios ejemplos en el mundo real, como serían monitorear el tiempo de actividad de diversas cámaras de seguridad, enviar alertas por fallos en sensores, controlar las temperaturas de una oficina, administrar de forma remota máquinas automatizadas, estimar cargas de trabajo, vincular dispositivos integrados y ofrecer asistencia a trabajadores remotos.

OPC UA también es compatible con la internet industrial de las cosas (IIoT). En este caso, se puede emplear OPC UA para enviar datos desde dispositivos integrados a la nube. Por ejemplo, podemos transmitir los datos de un sensor de temperatura para analizar el uso y la eficacia del equipo.

El uso de objetos de OPC UA para recuperar información proporciona una forma eficiente para que los sistemas recuperen pequeñas cantidades de información específica del contexto para los trabajadores remotos, cuando estos la necesitan para una tarea en concreto. Alternativamente, se pueden lanzar consultas contra objetos con el propósito de ver todos los datos de las operaciones de una planta completa; por ejemplo, para crear interfaces gráficas de usuario para sistemas ERP, aplicaciones de asignación de recursos y sistemas de contabilidad.

Cuando se necesita sincronizar dispositivos en ubicaciones remotas con sistemas de control de fabricación y planificación de recursos, OPC UA permite el intercambio de datos vertical entre controladores heterogéneos y aplicaciones de alto nivel.

OPC UA respalda las aplicaciones de seguridad industrial. Si se produjera un ciberataque en los dispositivos de campo, los protocolos de gestión de eventos de OPC UA podrían cerrar automáticamente una planta y aislar las redes afectadas o habilitar el acceso únicamente a redes específicas, permitiendo, de ese modo, la continuidad del negocio mientras se investiga el ataque.

Ventajas de OPC UA

Descentralización

Históricamente, la pirámide de automatización en los sistemas industriales es una estructura jerárquica que describe el flujo de información desde dispositivos de bajo nivel, como controladores, sensores o medidores, hasta aplicaciones ERP de alto nivel. En el extremo opuesto hay un control de flujo desde aplicaciones ERP de alto nivel hasta dispositivos de bajo nivel. Los componentes de menor nivel se conectan entre sí mediante redes MES a través de PLC y HMI.

OPC UA elimina esta estructura piramidal al descentralizar los componentes del sistema y facilitar el uso de estructuras de modelado de datos más flexibles en una red de malla. OPC UA logra esto mediante la definición de estructuras de datos consistentes que hacen uso de todos los componentes; por ejemplo, una aplicación ERP y un sensor de campo podrían usar el mismo modelo de información.

OPC UA permite que las aplicaciones de inteligencia empresarial obtengan datos sin procesar de una amplia gama de fuentes de información histórica, de eventos y en tiempo real.

Independencia de la plataforma

Históricamente, los sistemas industriales funcionaban con software basado en Windows. Gracias a que OPC UA es independiente de la plataforma, los sistemas industriales pueden integrar software de cualquier proveedor, sobre cualquier sistema operativo. OPC UA también se puede desplegar en sistemas integrados y en la nube.

Escalabilidad

OPC UA es un sistema preparado para el futuro que permite a las organizaciones desarrollar sistemas SCADA escalables para que los diferentes equipos que ya poseen en la planta puedan integrarse con nuevos módulos de software sin necesidad de configuración adicional. Un ejemplo de esto es en la industria del gas y el petróleo, donde se pueden recopilar de forma remota los datos de los sensores de calibración, medición y flujo, lo que libera a los inspectores del sitio de verificar físicamente la instalación.

Descubrimiento

OPC UA tiene capacidad plug-and-play: cuando se agregan nuevas plantas remotas a una organización o se encargan nuevos proveedores, OPC UA puede descubrir automáticamente sus redes, configurarlas e integrarlas en la red de la empresa.

Interoperabilidad

La interoperabilidad OPC UA permite a los usuarios finales desarrollar sistemas industriales personalizados utilizando dispositivos y software de diferentes proveedores.

Desventajas de OPC UA

Limitaciones específicas de los dispositivos

Algunos fabricantes de software patentado han informado acerca de limitaciones específicas en los dispositivos; por ejemplo, entre un servidor OPC UA y el iFIX de General Electric, y los componentes HMI/SCADA utilizados en los productos de automatización del software empresarial. Estas limitaciones incluyen la carencia de compatibilidad con funciones específicas, como la firma electrónica, la conmutación por error mejorada y las fuentes de datos históricos.

Configuración complicada

En el mundo real, OPC UA normalmente gestiona el intercambio de datos entre los sistemas de información MES y SCADA y entre dispositivos de bajo nivel, por lo que resulta ideal para la supervisión y generación de informes del sistema, entre otros aspectos. Sin embargo, y a pesar de haber sido diseñado para gestionar la interoperabilidad entre dispositivos heterogéneos, ha sido criticado por su inflexibilidad a la hora de manejar estructuras de datos variadas de diferentes proveedores, así como por su dificultad de implementación.

OPC UA e Industria 4.0

En el ámbito de la fabricación industrial, los términos Industria 4.0 y Cuarta Revolución Industrial se utilizan indistintamente para referirse a la tendencia hacia una mayor automatización, con un enfoque en la interconectividad de dispositivos, el aprendizaje automático y el internet de las cosas, entre otros. 

Las características principales de OPC UA (seguridad incorporada, capacidad de modelado de la información, descubrimiento automatizado de dispositivos, escalabilidad, uso de datos semánticos y estandarización de protocolos) abordan los requisitos para el cumplimiento de la Industria 4.0.

Uno de los principales desafíos para la Industria 4.0 en el sector es la recopilación de datos en tiempo real de dispositivos de bajo nivel. OPC UA permite a una organización industrial integrar un servidor OPC UA en todos sus dispositivos. Esto significa que se pueden enrutar grandes cantidades de datos en tiempo real a sistemas de control y aplicaciones de nivel empresarial para analizar, clasificar e intercambiar con aplicaciones de consumo diferentes.

Hay diversos grupos de trabajo a nivel internacional que contribuyen a hacer de OPC UA el estándar de facto en comunicaciones entre productos y servicios de Industria 4.0 en sectores específicos. Uno de ellos es ADI, el grupo de trabajo de modelado de información de dispositivos analizadores. ADI está patrocinado por la Fundación OPC y conformado por usuarios finales y proveedores de las industrias química y farmacéutica. Otro grupo es el grupo de trabajo OPC UA Tobacco Machine Communication, que trabaja para implementar equipos interoperables de fábrica para la fabricación de cigarrillos.

Para que se pueda catalogar como compatible con Industria 4.0 por la Fundación OPC, un producto debe cumplir con el estándar OPC UA, ya sea mediante el uso de OPC UA integrado o mediante el uso de software de puerta de enlace.

Resumen

OPC UA proporciona un estándar para la forma en que los servidores representan datos a los clientes utilizando un modelo orientado a objetos. OPC UA especifica cómo se intercambia la información en los sistemas industriales. Los proveedores y las organizaciones determinan qué información se intercambia. Esto se aplica al intercambio de información de máquina a máquina, de máquina a aplicación y también a nivel de control.

Al ser independiente de la plataforma, OPC UA elimina la dependencia de la fabricación industrial en las tecnologías DCOM y OLE de Microsoft.

Las comunicaciones IIoT, Industria 4.0 y M2M son requisitos clave para que las organizaciones industriales compitan a nivel mundial y establezcan productos y procesos seguros y escalables con mayor rapidez. Uno de los principales usos de OPC UA es disponer de ciclos de vida de desarrollo de productos más cortos mediante un uso más eficaz de recursos y procesos automatizados para producir productos complejos y autogestionados.

A fin de lograr una automatización rentable a nivel de fábrica, las empresas necesitan un centro de información de control y monitoreo centralizado para analizar datos en tiempo real y desarrollar procesos eficientes. PRTG se integra con OPC UA proporcionando múltiples vistas de información a los equipos de digitalización; por ejemplo, tiempo de inactividad del dispositivo, anomalías de seguridad, flujos de trabajo de fábrica, solicitudes de datos, errores de maquinaria y nuevos descubrimientos de redes.