OPC UA: Protocole de Communication Industriel PDF

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Traduit de Anglais vers Français - www.onlinedoctranslator.com OPC UA OPC UA (architecture unifiée de communication à plateforme ouverte)OPC UA est un protocole de communication machine à machine développé pour l'automatisation industrielle. Il est conçu pour assurer un échange de données fiable, sécurisé et indépendant de la plate-forme entre divers appareils et systèmes d'une usine ou d'une installation. OPC UA est largement adopté dans des secteurs tels que la fabrication, l'énergie et les transports en raison de sa flexibilité, de son évolutivité et de ses solides fonctionnalités de sécurité. Principales caractéristiques d'OPC UA : 1.Indépendance de la plateforme :OPC UA peut fonctionner sur une variété de plates-formes (Windows, Linux, systèmes embarqués, etc.) et est indépendant de tout matériel ou système d'exploitation spécifique. 2.Sécurité:Il fournit des fonctionnalités de sécurité robustes telles que l'authentification, le cryptage et l'intégrité des données via la sécurité de la couche de transport (TLS) et la gestion sécurisée des certificats. 3.Évolutivité :OPC UA peut être utilisé dans de petits appareils (systèmes embarqués) et dans de grands systèmes d'entreprise, ce qui lui permet de passer des capteurs aux applications basées sur le cloud. 4.Modélisation de l'information :OPC UA permet des structures de données riches et hiérarchiques, vous permettant de définir des relations complexes et d'organiser les données de manière logique pour une meilleure intégration avec les processus métier. 5.Normalisation et interopérabilité :Il prend en charge plusieurs protocoles de transport (par exemple, TCP, WebSocket, HTTPS) et divers codages (binaire et XML) pour faciliter la communication entre différents systèmes. 6.Découverte et navigation :OPC UA prend en charge la découverte automatique des périphériques et la possibilité de parcourir les objets de données sur le serveur, ce qui facilite la configuration et la gestion. 7.Accès aux données en temps réel et historiques :Il permet d'accéder aux données en temps réel, aux données historiques et aux données d'événements, qui sont cruciales pour les systèmes de contrôle et de surveillance industriels.  Architecture du système OPC UA FLC (Field Level Communication) Le rôle d'OPC UA dans l'automatisation industrielle En plus d'être un protocole de communication machine à machine pour l'automatisation industrielle, OPC UA est également un candidat idéal pour connecter les réseaux de machines et d'entreprises. OPC UA ne se contente pas de transférer des informations sur les machines telles que les points de consigne, les valeurs mesurées et les paramètres de processus, mais il définit et décrit également les données. Cela se fait via des mappages dans la spécification OPC UA. Avec le modèle d'information OPC UA, de nouveaux processus entre un PLC et toute couche logicielle de niveau supérieur orientée métier peuvent être établis de manière très efficace.  OPC UA dans la pyramide d'automatisation Industrie 4.0 et OPC UA Dans l'Industrie 4.0 et laInternet industriel des objets (IIoT) , les informations peuvent circuler librement entre les différents appareils d'un réseau intelligent. Cela posait un sérieux défi pour un échange sécurisé et standardisé de données et d'informations. En 2015, le modèle d'architecture de référence pour l'industrie 4.0 (RAMI 4.0) recommandait uniquement la norme IEC 62541 OPC UA pour la mise en œuvre de la couche de communication. Par conséquent, tout produit annoncé comme « compatible avec l'industrie 4.0 » doit être compatible OPC UA, soit intégré, soit via une passerelle. Dans le modèle client-serveur, TCP et HTTPS sont généralement utilisés. Dans le modèle PubSub, UDP, AMQP et MQTT sont utilisés.  Un diagramme montrant le fonctionnement d'OPC UA (cas EMERSON) Comment utiliser OPC UA dans les systèmes embarqués : 1.Choisissez la bonne pile :OPC UA est pris en charge par différentes piles logicielles optimisées pour les systèmes embarqués. Des bibliothèques telles queouvert62541projet ou piles propriétaires comme Automatisation unifiéeetMatrikonproposer des implémentations légères adaptées aux appareils aux ressources limitées. 2.Intégration avec les systèmes d'exploitation en temps réel (RTOS) :De nombreux systèmes embarqués utilisent un RTOS pour les applications à délai critique. Les piles OPC UA peuvent être intégrées dans ces environnements RTOS, permettant la communication entre des appareils tels que des automates programmables, des capteurs et des systèmes SCADA. 3.Optimiser pour les contraintes de ressources :Les systèmes embarqués disposent souvent d'une mémoire et d'une puissance de traitement limitées. L'utilisation d'une pile OPC UA minimale, telle que celles offrant une utilisation optimisée de la mémoire et du processeur, est essentielle pour un bon fonctionnement. 4.Accès et contrôle des données :Les systèmes embarqués utilisent OPC UA pour exposer les données des capteurs, contrôler les sorties et recevoir des commandes. Vous pouvez implémenter un serveur OPC UA sur l'appareil pour fournir l'accès aux données, et les clients peuvent se connecter à ce serveur pour interagir avec l'appareil. 5.Mise en œuvre de la sécurité :Étant donné qu’OPC UA est souvent déployé dans des infrastructures critiques, assurez- vous que les fonctionnalités de chiffrement, de gestion des certificats et d’authentification des utilisateurs sont activées sur les systèmes embarqués pour sécuriser les communications. 6.Interfaces de programmation :Selon votre plate-forme matérielle, vous pouvez utiliser des API ou des bibliothèques pour C, C++ ou Python pour implémenter les fonctionnalités OPC UA sur votre système embarqué. Étapes pour implémenter OPC UA dans les systèmes embarqués :  1.Sélectionnez la pile OPC UA :Choisissez une pile OPC UA légère adaptée à la puissance de traitement et à la mémoire de votre appareil. 2.Définir le modèle d’information :Modélisez la structure de données que votre appareil exposera (par exemple, capteurs de température, alarmes, états de la machine). 3.Configurer le serveur ou le client :Implémentez un serveur ou un client OPC UA dans votre système embarqué pour communiquer avec d'autres appareils ou systèmes. 4.Établir la communication :Utilisez le protocole de transport approprié (TCP, UDP, etc.) et connectez votre périphérique OPC UA au réseau. 5.Test et débogage :Testez la communication entre le serveur OPC UA (périphérique intégré) et le client (par exemple, SCADA ou plate-forme IoT) pour vous assurer que l'échange de données fonctionne comme prévu. En utilisant OPC UA dans les systèmes embarqués, vous pouvez obtenir un cadre de communication sécurisé et interopérable adapté aux applications IoT, Industrie 4.0 et d'automatisation industrielle. Comparaison de TCP/IP et OPC UA Les deuxModbus TCP/IPetOPC UAsont des protocoles de communication largement utilisés dans l'automatisation industrielle, mais ils servent à des fins différentes et offrent des avantages distincts. Voici une comparaison des deux : 1. Type de protocole - Modbus TCP/IP :Un protocole simple et léger qui fonctionne selon un modèle de requête-réponse. Il s'agit d'une extension du protocole Modbus traditionnel, adaptée pour fonctionner sur les réseaux TCP/ IP. - OPC UA:Un protocole complexe, flexible et sécurisé conçu pour offrir des capacités d'échange de données, de modélisation sémantique et d'intégration sur plusieurs plates-formes et appareils de manière standardisée. 2. Architecture - Modbus TCP/IP :L'architecture est maître-esclave (client-serveur). Le maître (client) envoie des requêtes et l'esclave (serveur) répond. C'est relativement simple mais moins flexible lors de la mise à l'échelle de systèmes complexes. - OPC UA:Implémente une architecture serveur-client mais permet des interactions plus complexes, y compris des modèles de publication/abonnement, qui peuvent prendre en charge des systèmes plus sophistiqués et des réseaux plus grands avec de nombreux nœuds. 3. Interopérabilité - Modbus TCP/IP :Principalement utilisé pour connecter des PLC (contrôleurs logiques programmables), des capteurs et des actionneurs. Interopérabilité limitée car il est principalement conçu pour les appareils compatibles Modbus. - OPC UA:Conçu pour l'interopérabilité entre différents systèmes et plateformes, il peut s'interfacer avec une large gamme d'appareils, d'applications et même de services cloud, prenant en charge l'échange de données transparent entre les fournisseurs et les technologies. 4. Sécurité - Modbus TCP/IP :Il manque de sécurité intégrée. Il n'y a pas de cryptage ni d'authentification, ce qui le rend vulnérable aux attaques s'il est utilisé sur des réseaux non sécurisés. Des mesures de sécurité doivent être mises en œuvre au niveau du réseau (par exemple, des pare-feu ou des VPN). - OPC UA:Conçu avec des fonctionnalités de sécurité robustes, notamment le cryptage, l'authentification et les contrôles d'intégrité des données, il est parfaitement adapté aux systèmes industriels modernes, connectés et souvent basés sur le cloud. 5. Modèle de données - Modbus TCP/IP :Il suit un modèle de données très simple, transmettant des données brutes telles que des registres et des bobines, sans aucune information sémantique. Le protocole ne définit pas la signification des données. - OPC UA:Offre un modèle de données riche et extensible qui inclut des informations sémantiques, permettant aux appareils de se décrire eux-mêmes (par exemple, types de données, modèles d'objets). Ceci est très bénéfique pour les systèmes complexes nécessitant des diagnostics et des analyses détaillés. 6. Évolutivité - Modbus TCP/IP :Bien que facile à mettre en œuvre, cette solution n'est pas adaptée aux grands systèmes dotés de nombreux appareils ou aux besoins de traitement de données plus complexes. - OPC UA:Hautement évolutif, conçu pour les systèmes d'entreprise. Il peut gérer de nombreux nœuds, périphériques et débits de données variables, prenant en charge tout, des petites implémentations au niveau de la machine à l'intégration de données basée sur le cloud. 7. Performance - Modbus TCP/IP :Rapide dans les implémentations simples et à petite échelle, en particulier pour les tâches de contrôle de bas niveau. Cependant, il peut rencontrer des difficultés dans les réseaux plus grands ou avec des charges de données élevées en raison de sa structure limitée. - OPC UA:Généralement plus gourmand en ressources en raison de sa complexité, mais offre de bonnes performances dans les systèmes modernes avec des flux de données complexes, en particulier lorsqu'il est optimisé pour des réseaux plus grands avec de nombreux appareils. 8. Cas d'utilisation - Modbus TCP/IP :Souvent utilisé dans les systèmes d'automatisation industrielle simples, comme la connexion de capteurs, d'automates programmables et d'actionneurs dans un environnement de petite usine. On le retrouve généralement dans les systèmes hérités. - OPC UA:Idéal pour les applications de l'Industrie 4.0, notamment les systèmes où diverses sources de données (sur différentes plateformes et fournisseurs) doivent être intégrées, analysées et visualisées. Il est utilisé dans les systèmes de contrôle complexes, distribués et de haut niveau et pour l'intégration de l'informatique avec l'OT (technologie opérationnelle). 9. Facilité de mise en œuvre - Modbus TCP/IP :Simple à mettre en œuvre, avec une faible charge de travail. Convient aux petits systèmes ou lorsqu'une communication simple et rapide est nécessaire entre les appareils.  - OPC UA:Plus complexe à mettre en œuvre, mais très polyvalent. Nécessite davantage de configuration et d'installation en raison de ses modèles de données riches, de ses couches de sécurité et de sa flexibilité. 10. Coût - Modbus TCP/IP :Coût réduit en raison de sa simplicité et de sa large adoption dans les systèmes existants. Il est largement pris en charge par de nombreux appareils prêts à l'emploi. - OPC UA:Généralement plus coûteuse en termes de mise en œuvre et de configuration matérielle/ logicielle, notamment pour les petites applications. Cependant, elle offre plus de valeur dans les environnements industriels plus vastes et plus intégrés. Résumé - Modbus TCP/IPest idéal pour les systèmes de contrôle simples et de bas niveau avec une complexité de données et des exigences de sécurité minimales. - OPC UAest adapté aux systèmes d'automatisation industrielle modernes, évolutifs et sécurisés qui nécessitent un échange de données riche, des informations sémantiques et une intégration avec l'infrastructure informatique. Dans le contexte de l'Industrie 4.0 et des systèmes d'automatisation complexes,OPC UAdevient le protocole préféré en raison de sa flexibilité, de sa sécurité et de sa capacité à gérer des flux de données plus sophistiqués.Modbus TCP/IP reste un bon choix pour les tâches d'automatisation plus petites et moins complexes ou les systèmes hérités qui ne nécessitent pas de niveaux élevés d'interopérabilité ou de sécurité. Ressources : https://control.com/technical-articles/understanding-the-opc-ua-protocol/