IoT: lo stato della standardizzazione di OPC UA su TSN

Il protocollo OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) è uno standard di comunicazione Ethernet progettato per fornire comunicazioni aperte, deterministiche e in tempo reale tra sistemi di automazione, nonché verso il cloud per la produzione basata su Industrie 4.0/IIoT. È nato dall'esigenza di superare le limitazioni dei precedenti standard di comunicazione industriale, come OPC Classic. Introdotto nel 2008 dall'OPC Foundation, OPC UA è stato sviluppato per garantire interoperabilità, sicurezza e scalabilità nelle comunicazioni tra dispositivi e sistemi di automazione industriale.  

A differenza dei suoi predecessori, OPC UA è indipendente dalla piattaforma e dal linguaggio di programmazione, supporta la comunicazione sia a livello di macchina che di impianto e integra avanzate funzionalità di sicurezza, come crittografia e autenticazione. Questo ha permesso di migliorare l'efficienza e la flessibilità nelle operazioni industriali, facilitando l'adozione di soluzioni di Industria 4.0 e IoT (Internet of Things).

Da dispositivi non interoperabili a una comunicazione standardizzata grazie all’OPC UA  

L’avvento dello standard OPC UA ha così permesso di sfruttare in ambito industriale tutto il potenziale dell’IIoT per trasformare i processi in ottica di efficienza e flessibilità. 

Infatti, in un primo momento, l’avvento dell’IIoT era stato segnato da una frammentazione dell’offerta, molti operatori che avevano inziato a produrre sensori intelligenti e sistemi IoT sfruttando i protocolli ritenuti più idonei al mercato e all’ambiente di destinazione.  

Un approccio che aveva portato alla proliferazione di soluzioni chiuse e non interoperabili. Ciò ha impedito alle aziende di cogliere appieno i vantaggi dell’IoT. Ha ostacolato, per esempio, la mappatura e la tracciabilità dei processi e dei prodotti lungo la supply chain, che è una delle grandi promesse della tecnologia IoT che deve quindi essere in grado di supportare una copertura e una compatibilità globale, cross-industry e cross-country. 

Nel 2018, all’inizio di novembre, l’OPC Foundation (il consorzio che si occupa di promuovere standard per la connettività tra dispositivi e sistemi industriali) aveva infatti annunciato che il protocollo OPC UA su TSN, fino a quel momento concepito per abilitare la comunicazione tra controllori, avrebbe funzionato anche per i dispositivi di campo come sensori e attuatori.  

Questa tecnologia combina la familiarità della tecnologia OPC, neutrale rispetto ai fornitori, con capacità in tempo reale, rendendola adatta a varie applicazioni, inclusa la soluzione basata su cloud.  

OPC UA TSN ha guadagnato slancio nel settore industriale, con principali fornitori e associazioni che lo supportano, come ABB, Bosch Rexroth, Cisco, General Electric e altri. L'integrazione di TSN in OPC UA mira a unire IT (Information Technology) e OT (Operational Technology) nelle piattaforme di automazione industriale. In generale, OPC UA TSN rappresenta un significativo avanzamento nelle comunicazioni industriali offrendo comunicazioni Ethernet deterministiche con capacità in tempo reale e connettività al cloud 

Cos’è il protocollo OPC UA su TSN e come funziona

Ma cosa è esattamente lo standard OPC UA su TSN e perché si dice possa mettere fine alla lunga guerra dei fieldbus?

Fino ad oggi, i bus di campo sono stati la tecnologia dominante per la comunicazione in tempo reale nei sistemi di automazione. Un bus di campo definisce specifici formati di telegramma per lo scambio ciclico dei dati. OPC UA non è un bus di campo, ma un protocollo client / server basato su TCP / IP che definisce le chiamate di servizio per l'interazione con un modello di informazioni lato server sulla rete.

Rilasciata nel 2008, OPC UA è un’architettura orientata ai servizi, indipendente dalla piattaforma, che integra tutte le funzionalità delle singole specifiche dell’OPC Classic in un unico framework estendibile. Le specifiche OPC Classic, basate su tecnologia Microsoft Windows, utilizzano Distributed Component Object Model per la comunicazione tra componenti software in una rete client-server distribuita e forniscono specifiche separate per lo scambio di dati di processo, allarmi e dati storici. Il protocollo OPC UA è funzionalmente equivalente a OPC Classic, ma fornisce l’infrastruttura necessaria per l’interoperabilità in tutta l’azienda, sia a livello machine-to-machine, che machine-to-enterprise (e a quanto sta nel mezzo).

Considerata l'ampia gamma di piattaforme hardware e sistemi operativi disponibili, l'indipendenza dalla piattaforma è essenziale. OPC UA funziona su:

• Diverse piattaforme hardware: PC tradizionali, server basati su cloud, PLC, microcontrollori, HMI e SCADA ecc.
• Diversi sistemi operativi: Microsoft Windows, Apple OSX, Android o qualsiasi distribuzione di Linux, ecc.

OPC UA è anche firewall-friendly e risolve i problemi di sicurezza grazie a una completa suite di controlli su:

• Trasporto: vengono definiti numerosi protocolli che forniscono opzioni quali il trasporto ultraveloce OPC-binario o il SOAP-HTTPS più universalmente compatibile, ad esempio
• Crittografia della sessione: i messaggi vengono trasmessi in modo sicuro a livelli di crittografia a 128 o 256 bit
• Firma dei messaggi: i messaggi vengono ricevuti esattamente come sono stati inviati
• Pacchetti sequenziati: l'esposizione agli attacchi di ripetizione dei messaggi viene eliminata con il sequenziamento
• Autenticazione: ogni client e server UA viene identificato tramite i certificati OpenSSL che forniscono il controllo su quali applicazioni e sistemi possono connettersi tra loro
• Controllo utente: le applicazioni possono richiedere agli utenti di autenticarsi (credenziali di accesso, certificato, ecc.) e possono ulteriormente limitare e migliorare le loro capacità con i diritti di accesso
• Auditing: le attività dell'utente o del sistema vengono registrate, fornendo una traccia di controllo degli accessi

Il protocollo di comunicazione permette quindi il trasporto sicuro di dati grezzi o informazioni pre-elaborate dai sistemi di produzione, garantendo lo scambio da e verso le soluzioni IT (in cloud e on premise). Tra i maggiori vantaggi si annoverano la totale indipendenza da qualsiasi piattaforma o vendor tecnologico, la scalabilità, l’elevata disponibilità e l’Internet capability.

Pur affermandosi come standard per la connessione tra il livello di controllo e i layer superiori, incontra un grave limite poiché viaggia su rete Ethernet che non è deterministica. Non consente infatti di prestabilire le tempistiche di consegna di un pacchetto dati e pertanto si rivela totalmente inefficace in applicazioni di controllo o in real-time.

Lo standard TSN e la trasformazione delle comunicazioni Ethernet in tempo reale

Lo standard TNS svolge un ruolo fondamentale, perché rappresenta l'estensione dello standard Ethernet esistente verso il trasferimento dei dati deterministico (capacità in tempo reale), offrendo così l'elemento principale per la convergenza di IT e OT sul livello di campo, garantendo quindi alla rete Ethernet comunicazioni affidabili con tempi predefiniti.

Il Time Sensitive Networking è un set di sub-standard IEEE 802 Ethernet definiti dal gruppo di task IEEE TSN. Questi standard consentono una comunicazione deterministica in tempo reale su Ethernet. TSN raggiunge il determinismo su Ethernet utilizzando la sincronizzazione temporale e una pianificazione condivisa tra i componenti di rete. Definendo le code in base al tempo, il TSN garantisce una latenza massima limitata per il traffico programmato attraverso reti commutate. Ciò significa che in una rete TSN, la latenza della comunicazione programmata critica è garantita.

OPC UA su IEEE TSN consente lo scambio di dati aperti tra controllori industriali di diversi fornitori, rendendo la visione di una macchina aperta, in tempo reale per la comunicazione della macchina, una realtà per tutte le applicazioni, comprese quelle con requisiti di sicurezza critici.

Grazie al nuovo TSN-IA-Profile sarà in grado di abilitare le applicazioni IoT in ambito industriale.

L’aggiornamento sulla standardizzazione

Sebbene i lavori per la piena standardizzazione del protocollo OPC UA su TSN siano in rapido avanzamento, un nodo cruciale rimane la messa a punto del profilo IA che è ancora in fase di sviluppo. Solo al completamento di questo ultimo importante tassello architetturale, sarà possibile costruire un sistema di comunicazione armonico, omogeneo e trasparente: dal sensore IoT fino al cloud, offrendo un ponte tra i mondi Information Technology (IT) e Operational Technology (OT).

Le aziende manifatturiere potranno così godere di tutta una serie di interessanti vantaggi che caratterizzano lo standard. Ovvero, una comunicazione fino a 18 volte più veloce rispetto agli altri protocolli attualmente disponibili, il supporto ad applicazioni di controllo che richiedono sincronizzazioni real-time, la scalabilità e la flessibilità per trasportare grandi volumi di dati. Nonché, i benefici della larghezza di banda consentiti dallo standard Ethernet per gestire reti con decine di migliaia di nodi.