OPC UA là gì? Ứng dụng và lợi ích trong hệ thống tự động hóa công nghiệp

OPC UA (OPC Unified Architecture) là một kiến ​​trúc truyền thông độc lập nền tảng, hướng dịch vụ, mở và an toàn. Trong bài viết này, Mạnh Tùng sẽ cùng tìm hiểu OPC UA là gì, nguyên lý hoạt động, những ứng dụng phổ biến cũng như các lợi ích mà giao thức này mang lại cho hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại.

Giao thức OPC UA là gì?

OPC UA (OPC Unified Architecture) là một kiến ​​trúc truyền thông độc lập nền tảng, hướng dịch vụ, mở và an toàn. Nó được thiết kế để cho phép khả năng tương tác giữa các thiết bị, hệ thống và ứng dụng phần mềm tự động hóa công nghiệp từ các nhà cung cấp khác nhau. Mô hình thông tin OPC UA định nghĩa các mã và định dạng để trao đổi dữ liệu bằng cách sử dụng các giao thức vận chuyển khác nhau.

OPC UA và tiền thân của nó, Open Platform Communications (OPC), được phát triển bởi cùng một tổ chức nhưng có những điểm khác biệt đáng kể. Tổ chức này tiếp tục phát triển OPC UA nhằm tạo ra một kiến ​​trúc ưu việt hơn so với giao tiếp OPC ban đầu và phù hợp hơn với nhu cầu của tự động hóa công nghiệp đang phát triển.

Lịch sử hình thành của giao thức OPC UA

Trước khi đặc tả OPC UA được ban hành, các nhà cung cấp trong ngành, người dùng cuối và các nhà phát triển phần mềm đã cùng nhau xây dựng một bộ đặc tả để định nghĩa dữ liệu quy trình công nghiệp, cảnh báo và dữ liệu lịch sử. Bộ đặc tả này được gọi là OPC Classic và được phát hành lần đầu vào năm 1995, dựa trên nền tảng công nghệ COM/DCOM dành cho Microsoft Windows. Nó bao gồm ba phần sau:

1. Giao thức truy cập dữ liệu OPC thường được biết đến với tên gọi OPC DA . Đặc tả OPC DA định nghĩa việc trao đổi dữ liệu, bao gồm thông tin về giá trị, thời gian và chất lượng.
2. Giao thức OPC Alarms & Events, hay OPC A&E, định nghĩa việc trao đổi thông tin về các loại cảnh báo và sự kiện, cũng như quản lý trạng thái và tình trạng của các biến.
3. Truy cập dữ liệu lịch sử OPC (OPC Historical Data Access), tức là OPC HAD, theo đặc tả OPC HDA, định nghĩa các phương pháp có thể được áp dụng để truy vấn và phân tích dữ liệu lịch sử và theo thời gian.

Tính đến thời điểm hiện tại, phiên bản mới nhất của OPC UA là 1.05. Bên cạnh mô hình Client-Server (Subscriptions), OPC UA còn bao gồm cơ chế Pub-Sub, cho phép đẩy các đặc tả JSON (cũng sử dụng đặc tả nhị phân được định nghĩa theo tiêu chuẩn – UADP) qua giao thức UDP, giao thức MQTT hoặc giao thức AMQP .

Các tính năng của giao thức OPC UA

Tương đương về chức năng: Tất cả các thông số kỹ thuật của OPC Classic đều tương ứng với UA, và OPC UA bao gồm các chức năng DA, A&E và HDA có trong OPC Classic:

Chức năng	Mô tả
Khám phá	Tìm các máy chủ OPC khả dụng trên máy tính cá nhân và/hoặc mạng của bạn.
Không gian địa chỉ	Tất cả dữ liệu được biểu diễn theo cấu trúc phân cấp (ví dụ: tập tin và thư mục), cho phép các máy khách OPC khám phá và sử dụng các cấu trúc dữ liệu đơn giản và phức tạp.
Theo yêu cầu	Đọc và ghi dữ liệu/thông tin dựa trên quyền truy cập.
Đăng ký	Giám sát dữ liệu/thông tin và báo cáo các trường hợp ngoại lệ khi giá trị thay đổi vượt quá cài đặt của khách hàng.
Sự kiện	Các cài đặt trên máy khách thông báo thông tin quan trọng
Phương pháp	Các máy khách có thể thực thi các chương trình dựa trên các phương thức được định nghĩa trên máy chủ, v.v.

Tính độc lập nền tảng: Từ bộ vi điều khiển nhúng đến cơ sở hạ tầng dựa trên đám mây, OPC UA không phụ thuộc vào nền tảng Windows và có thể được triển khai để sử dụng trên bất kỳ nền tảng nào.

Bảo mật: Mã hóa tin nhắn, xác thực và kiểm toán, một trong những yếu tố quan trọng nhất mà một tổ chức cần cân nhắc khi lựa chọn tiêu chuẩn công nghệ là bảo mật. OPC UA giải quyết vấn đề bảo mật bằng cách cung cấp một bộ các biện pháp kiểm soát khi truyền dữ liệu qua tường lửa:

Chức năng	Mô tả
Chuyên chở	Một số giao thức được định nghĩa, cung cấp các tùy chọn như truyền dữ liệu nhị phân OPC cực nhanh hoặc giao thức SOAP-HTTPS phổ biến hơn.
Mã hóa phiên	Thông tin được truyền tải an toàn với mức mã hóa 128 bit hoặc 256 bit.
Chữ ký tin nhắn	Chữ ký phải giống hệt nhau khi người nhận gửi tin nhắn và khi tin nhắn được gửi đi.
Gói dữ liệu trình tự	Các cuộc tấn công phát lại tin nhắn đã được xác định và loại bỏ thông qua việc sắp xếp trình tự.
Xác thực	Mỗi máy khách và máy chủ UA được xác định bằng chứng chỉ OpenSSL, cung cấp quyền kiểm soát cách các ứng dụng và hệ thống kết nối với nhau.
Kiểm soát của người dùng	Các ứng dụng có thể yêu cầu xác thực người dùng (thông tin đăng nhập, chứng chỉ, v.v.) và có thể hạn chế hoặc tăng cường quyền truy cập của người dùng vào các quyền hạn và “chế độ xem” không gian địa chỉ.
Kiểm toán	Ghi nhật ký hoạt động của người dùng và/hoặc hệ thống để cung cấp nhật ký kiểm toán truy cập.

Ứng dụng của giao thức OPC UA

Giao thức OPC UA có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp và IoT cũng như IIoT, mang lại nhiều lợi ích cho các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm thu thập dữ liệu, tích hợp thiết bị, giám sát từ xa, truy cập dữ liệu lịch sử.

Chế tạo

• Thu thập và giám sát dữ liệu: Thiết bị và dây chuyền sản xuất trong ngành công nghiệp chế tạo có thể dễ dàng thu thập dữ liệu thông qua OPC UA để giám sát quy trình sản xuất theo thời gian thực và tối ưu hóa năng suất.
• Tích hợp và khả năng tương tác thiết bị: Các thiết bị do các nhà sản xuất khác nhau sản xuất có thể được tích hợp liền mạch, từ cảm biến đến robot, cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị.

Tự động hóa tòa nhà

• Quản lý tòa nhà thông minh: OPC UA được sử dụng để kết nối các hệ thống tự động hóa tòa nhà, bao gồm hệ thống chiếu sáng, điều hòa không khí và an ninh, nhằm đạt được mục tiêu quản lý năng lượng thông minh và điều khiển thiết bị.
• Giám sát và bảo trì thiết bị: Việc giám sát tình trạng và bảo trì thiết bị tòa nhà có thể được thực hiện thông qua OPC UA để nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của thiết bị.

Dầu khí

• Giám sát và điều khiển từ xa: Thiết bị trong các mỏ dầu, đường ống dẫn dầu và nhà máy lọc dầu có thể được giám sát và điều khiển từ xa thông qua OPC UA, giảm thiểu sự can thiệp thủ công.
• Lịch sử dữ liệu: Tính năng truy cập dữ liệu lịch sử của OPC UA được sử dụng để ghi lại dữ liệu vận hành thiết bị nhằm dễ dàng phân tích và tối ưu hóa.

Năng lượng tái tạo

• Các trang trại điện gió và điện mặt trời: OPC UA được sử dụng để giám sát trạng thái hoạt động của các trang trại điện gió và điện mặt trời nhằm mục đích điều khiển từ xa và khắc phục sự cố.
• Quản lý lưới điện: Việc tiếp cận năng lượng tái tạo và quản lý lưới điện đòi hỏi trao đổi dữ liệu theo thời gian thực, và OPC UA cung cấp một cơ chế liên lạc đáng tin cậy.

Tiện ích

• Hệ thống xử lý và cấp nước: OPC UA được sử dụng để giám sát thiết bị xử lý nước, trạm bơm và hệ thống cấp nước nhằm đảm bảo chất lượng và nguồn cung cấp nước ổn định.
• Hệ thống điện: Việc giám sát, phát hiện lỗi và vận hành từ xa các thiết bị điện có thể được thực hiện bằng OPC UA.

Mô hình thông tin cho giao thức OPC UA

Mô hình thông tin OPC UA là một mạng lưới các nút, hay đồ thị có cấu trúc, bao gồm các nút và các tham chiếu, được gọi là không gian địa chỉ OPC UA. Không gian địa chỉ biểu diễn các đối tượng theo một dạng chuẩn – các phần tử mô hình trong không gian địa chỉ được gọi là các nút, và các đối tượng cùng các thành phần của chúng được biểu diễn trong không gian địa chỉ dưới dạng một tập hợp các nút, được mô tả bằng các thuộc tính và được kết nối bằng các tham chiếu. Mô hình hóa OPC UA xoay quanh việc tạo ra các nút và các tham chiếu giữa các nút.

Mô hình đối tượng

OPC UA sử dụng các đối tượng làm cơ sở để biểu diễn dữ liệu và các hoạt động trong hệ thống xử lý. Các đối tượng chứa các biến, sự kiện và phương thức được kết nối với nhau bằng tham chiếu.

Mô hình nút

• Thuộc tính được sử dụng để mô tả các nút, và các lớp nút khác nhau có các thuộc tính (tập hợp thuộc tính) khác nhau. Định nghĩa của một lớp nút bao gồm định nghĩa các thuộc tính, do đó các thuộc tính không được bao gồm trong không gian địa chỉ.
• Một tham chiếu biểu thị mối quan hệ giữa các nút. Một tham chiếu được định nghĩa là một thể hiện của nút thuộc kiểu tham chiếu tồn tại trong không gian địa chỉ.

Mô hình tham chiếu

Nút chứa tham chiếu được gọi là nút nguồn, và nút được tham chiếu được gọi là nút đích. Nút đích được tham chiếu có thể nằm trong cùng không gian địa chỉ với nút nguồn, hoặc trong không gian địa chỉ của một máy chủ OPC khác, hoặc thậm chí nút đích có thể không tồn tại.

Các loại nút

Các loại nút quan trọng nhất trong OPC UA là đối tượng, biến và phương thức.

• Các nút đối tượng: Các nút đối tượng được sử dụng để tạo không gian địa chỉ và không chứa dữ liệu. Chúng sử dụng các biến để hiển thị giá trị cho các đối tượng. Các nút đối tượng có thể được sử dụng để nhóm các đối tượng quản trị, biến hoặc phương thức (biến và phương thức luôn thuộc về một đối tượng).
• Nút biến: Nút biến đại diện cho một giá trị. Kiểu dữ liệu của giá trị phụ thuộc vào biến. Máy khách có thể đọc, ghi và đăng ký theo dõi giá trị này.
• Nút phương thức: Nút phương thức đại diện cho một phương thức trong máy chủ được máy khách gọi và trả về kết quả. Các tham số đầu vào và kết quả đầu ra được thể hiện dưới dạng các biến trong nút phương thức. Máy khách chỉ định các tham số đầu vào và nhận được kết quả đầu ra sau khi gọi phương thức.

Giao thức OPC UA hoạt động như thế nào?

Các nhà cung cấp phần cứng hỗ trợ OPC UA theo hai cách: bằng cách tích hợp máy chủ OPC UA vào thiết bị hoặc cung cấp phần mềm trên máy tính cá nhân để thu thập dữ liệu thông qua một giao thức riêng và cung cấp dữ liệu đó cho các nền tảng khác thông qua OPC UA. Trong một số PLC tầm trung và cao cấp, có tích hợp máy chủ OPC UA như Siemens S7-1200/S7-1500, trong khi Siemens cũng cung cấp phần mềm như WINCC để gián tiếp cung cấp dữ liệu từ các thiết bị khác cho bên thứ ba thông qua OPC/OPC UA.

Sau khi dữ liệu được hiển thị thông qua máy chủ OPC UA, nó có thể được truy cập bằng hai chế độ truy cập được quy định bởi giao thức OPC UA: chế độ Yêu cầu/Phản hồi và chế độ Xuất bản/Đăng ký. Để bắt đầu, máy khách phải thiết lập kết nối với máy chủ, điều này sẽ tạo ra một kênh phiên giữa máy khách và máy chủ.

Ở chế độ yêu cầu/phản hồi, ứng dụng khách có thể yêu cầu một số dịch vụ tiêu chuẩn từ máy chủ thông qua kênh phiên, chẳng hạn như: đọc dữ liệu thô từ nút, ghi dữ liệu vào nút, gọi các phương thức từ xa.

Ở chế độ xuất bản/đăng ký, mỗi máy khách có thể tạo bất kỳ số lượng đăng ký máy chủ nào, và khi dữ liệu nút của máy chủ thay đổi, các thông báo sẽ được gửi ngay lập tức đến máy khách.

Nhìn chung, người dùng cuối không cần phải lo lắng về các quy trình đã đề cập ở trên. Mối quan tâm chính của họ là địa chỉ máy chủ OPC UA, chính sách đăng nhập người dùng, chính sách bảo mật truyền thông và địa chỉ mà họ có thể truy cập dữ liệu.

Điểm cuối máy chủ OPC UA

Giao thức	URL
OPC UA TCP	opc.tcp://localhost:4840/UADiscovery
OPC UA Websockets	opc.wss://localhost:443/UADiscovery
OPC UA HTTPS	https://localhost:443/UADiscovery

Phương thức xác thực người dùng

1. Vô danh
2. Tên người dùng và mật khẩu
3. Giấy chứng nhận

Chế độ bảo mật

1. Không có
2. Dấu hiệu
3. Ký và mã hóa

Chính sách bảo mật

1. Basic128Rsa15
2. Cơ bản256
3. Basic256Sha256
4. Aes128Sha256RsaOaep
5. Aes256Sha256RsaPass

Địa chỉ nút

Loại địa chỉ	Địa chỉ
Chuỗi byte	ns=x;b=
GUID	ns=x;g=
Quốc tế	ns=x;i=x
Sợi dây	ns=x;s=

Tận dụng giao thức OPC UA với MQTT

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là một giao thức nhắn tin được thiết kế cho các thiết bị và ứng dụng IoT, sử dụng mô hình xuất bản và đăng ký, với ưu điểm là nhẹ, hiệu quả, đáng tin cậy và hỗ trợ giao tiếp thời gian thực. MQTT rất phù hợp với môi trường hạn chế tài nguyên, đặc biệt là các trường hợp yêu cầu sử dụng năng lượng và băng thông hiệu quả.

Ngành công nghiệp đã xây dựng một đặc tả dữ liệu IoT công nghiệp có tên SparkplugB dựa trên MQTT 3.1.1, cung cấp các khả năng mô hình hóa thống nhất dữ liệu cơ bản đồng thời đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả. Nhờ thiết kế tuyệt vời của giao thức MQTT, SparkPlugB cung cấp khả năng nhận biết trạng thái mạng tốt và có thể đảm bảo khả năng tương tác mạnh mẽ giữa các thiết bị và hệ thống.

OPC UA và MQTT có một số chức năng trùng lặp, nhưng cách sử dụng của chúng lại rất khác nhau:

• OPC UA là một giao thức truyền thông được sử dụng trong các môi trường công nghiệp để cho phép các thiết bị và hệ thống khác nhau từ nhiều nhà sản xuất giao tiếp liền mạch bằng một ngôn ngữ tiêu chuẩn.
• MQTT là một giao thức IoT được thiết kế để truyền dữ liệu từ các cảm biến qua Internet, đáp ứng được điều kiện băng thông thấp và mạng không ổn định, đồng thời xử lý hiệu quả dữ liệu thời gian thực liên tục. Cơ chế đọc/xuất bản của nó mang lại tính linh hoạt đáng kể trong sử dụng.

Trong môi trường công nghiệp, MQTT vượt trội trong việc truyền tin trong các hệ thống phân tán, trong khi OPC UA tập trung vào việc cung cấp khả năng tương tác. Bằng cách kết hợp cả hai, dữ liệu nghiệp vụ có thể được trừu tượng hóa và tổng hợp bằng OPC UA, và MQTT có thể cho phép trao đổi dữ liệu này một cách liền mạch trong môi trường phân tán, tận dụng khả năng kết nối mạnh mẽ của nó.

Lời kết

OPC UA không chỉ là một giao thức truyền thông công nghiệp mà còn là nền tảng kết nối quan trọng trong các hệ thống tự động hóa hiện đại và nhà máy thông minh. Với khả năng truyền dữ liệu an toàn, tương thích giữa nhiều thiết bị và dễ dàng tích hợp với các hệ thống như PLC, HMI, SCADA, MES hay IIoT, OPC UA đang trở thành tiêu chuẩn được nhiều doanh nghiệp lựa chọn.

---

Cảm ơn quý khách đã truy cập vào website MTEE.VN. Kính chúc quý khách nhận được những thông tin hữu ích và có những trải nghiệm tuyệt vời trên trang.