تقنية OPC UA في الأتمتة الصناعية

مقدمة

تُعد OPC UA (البنية الموحدة لاتصالات المنصة المفتوحة) واحدة من أهم تقنيات الاتصالات الصناعية التي تمكّن الصناعة 4.0 وبنى إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT).

على عكس بروتوكولات الاتصالات الصناعية التقليدية التي كانت غالباً ما تكون خاصة بالبائعين وتقتصر على طبقات الأتمتة المعزولة، تم تصميم OPC UA كبنية اتصالات مستقلة عن المنصة وموجهة نحو الخدمة وقادرة على تمكين تبادل البيانات الآمن والقابل للتشغيل البيني عبر الأنظمة الصناعية.

تكمن القيمة الحقيقية لتقنية OPC UA في كيفية تمكين الاتصال الدلالي الموحد:

• قابلية التشغيل البيني بين البائعين
• تقارب تكنولوجيا المعلومات/تكنولوجيا التشغيل
• تبادل البيانات الصناعية في الوقت الحقيقي
• الاتصال السحابي
• التوائم الرقمية
• التحليلات الصناعية
• اتصال آمن من آلة إلى آلة

لم تعد الأتمتة الصناعية الحديثة تقتصر على اتصالات PLC المعزولة. حيث يحول OPC UA الأجهزة الصناعية إلى عقد معلومات ذكية قادرة على المشاركة في أنظمة الصناعة 4.0 المتصلة بشكل كبير.

تاريخ تقنية OPC UA وتطورها

نشأت تقنية OPC في التسعينيات باسم OPC Classic، والتي كانت تعتمد بشكل أساسي على تقنيات Microsoft COM/DCOM.

على الرغم من أن OPC Classic أصبح يُستخدم على نطاق واسع لتبادل البيانات الصناعية بين:

• أجهزة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة
• واجهات الإدارة العليا
• أنظمة SCADA
• المؤرخون

كما أدخلت العديد من القيود:

• تبعية الويندوز
• تعقيدات DCOM
• الأمن السيبراني المحدود
• ضعف توافق جدار الحماية
• قابلية التوسع الضعيفة

مع ازدياد متطلبات الصناعة 4.0، ازدادت الحاجة إلى بنى الاتصالات الصناعية:

• استقلالية المنصة
• الأمن السيبراني القوي
• التوافق مع الإنترنت
• قابلية التشغيل البيني عبر المنصات
• نمذجة البيانات الدلالية

ولمعالجة هذه القيود، قامت مؤسسة OPC بتطوير OPC UA.

على عكس OPC Classic، قدم OPC UA:

• الاتصال المستقل عن المنصة
• أمان مدمج
• بنية موجهة نحو الخدمات
• نمذجة المعلومات الدلالية
• شبكات صناعية قابلة للتطوير

واليوم، أصبح OPC UA أحد التقنيات التمكينية الأساسية وراء الرقمنة الصناعية الحديثة.

المبدأ التقني الأساسي لـ OPC UA

OPC UA هو في الأساس إطار عمل اتصالات صناعي مستقل عن المنصة.

على عكس البروتوكولات التقليدية المستندة إلى السجلات مثل Modbus، يدعم OPC UA:

• نماذج المعلومات المهيكلة
• أوصاف البيانات الدلالية
• التواصل الموجه نحو الخدمات
• اتصال آمن بين العميل والخادم
• هياكل النشر والاشتراك

يسمح OPC UA للأجهزة الصناعية بتبادل ليس فقط قيم البيانات الأولية، ولكن أيضًا المعلومات السياقية مثل

• معنى البيانات
• الوحدات الهندسية
• ظروف الإنذار
• السجلات التاريخية
• هياكل الجهاز
• علاقات البيانات الوصفية

وهذا يحول الاتصالات الصناعية من مجرد نقل البيانات إلى تبادل ذكي للمعلومات.

لماذا أصبح OPC UA مهمًا للصناعة 4.0

تم تصميم أنظمة الاتصالات الصناعية التقليدية بشكل أساسي لجزر الأتمتة المعزولة.

تتطلب البنى الحديثة للصناعة 4.0 الحديثة:

• قابلية التشغيل البيني الأفقي
• قابلية التشغيل البيني الرأسي
• قابلية التشغيل البيني لدورة الحياة
• التكامل السحابي
• التحليلات في الوقت الحقيقي
• التواصل عبر المنصات المتعددة

وفقاً لـ

ميريام شليبن، سيد شيراز جيلاني، تينو بيشوف، يوليوس بفرومر، سيد شيراز جيلاني، تينو بيشوف، يوليوس بفرومر
OPC UA وIndustrie 4.0 - تقنية التمكين ذات التنوع والتباين العاليين
بروتيكليا CIRP، المجلد 57

تنص الورقة البحثية

“تتطلب الصناعة 4.0 المرونة والقدرة على التكيف والشفافية والعديد من المتطلبات الأخرى التي يجب أن تفي بها مكونات أو أنظمة Industrie 4.0 من أجل تحقيق قابلية التشغيل البيني الأفقي والرأسي بالإضافة إلى قابلية التشغيل البيني على مدار دورة الحياة.”

توضح الورقة البحثية كذلك أن OPC UA يتيح:

• إنتاج مرن
• التصنيع التكيفي
• الأنظمة الصناعية الشفافة

عبر العديد من مجالات التطبيقات الصناعية.

هذا هو أحد الأسباب الرئيسية التي جعلت OPC UA تقنية الصناعة 4.0 الأساسية.

OPC UA كمنصة عالمية للاتصالات الصناعية

إحدى أكبر مزايا OPC UA هي إمكانية التشغيل البيني عبر الأنظمة الصناعية المختلفة.

وصف أحد مستخدمي Reddit OPC UA بأنه

“يعتبر OPC-UA طريقة قياسية للتواصل بين الأشياء الصناعية بشكل أو بآخر.”

وأوضح المستخدم كذلك سيناريو صناعي عملي:

“شنايدر M580 يستخدم ModbusTCP. يحتوي Ignition على برنامج تشغيل ModbusTCP، ولكن عليك تعيين عناوين مودبوس. لا يمكنك استخدام العناوين الموجودة في PLC لـ Ignition. بدلاً من ذلك أنفقت بعض المال على خادم Scheniders OPC الذي يعرض علامات PLC. ثم يستخدم Ignition برنامج تشغيل OPC للاتصال بدلاً من برنامج تشغيل ModbusTCP.”

يسلط هذا المثال الضوء على إحدى المزايا التكنولوجية الرئيسية لـ OPC UA:

وبدلاً من الاعتماد فقط على عناوين السجلات منخفضة المستوى، يتيح OPC UA الوصول الدلالي المباشر إلى هياكل العلامات الصناعية.

هذا يتحسن بشكل كبير:

• تكامل النظام
• الكفاءة الهندسية
• قابلية التشغيل البيني للأجهزة
• سهولة قراءة البيانات

التطبيقات الصناعية العملية ل OPC UA

يُستخدم OPC UA الآن على نطاق واسع في أنظمة الأتمتة الصناعية الحديثة.

وصف أحد مستخدمي Reddit العديد من التطبيقات الواقعية:

“جمع البيانات PLC لمشاريع إنترنت الأشياء”

“التوائم الرقمية في الناقلات اللوجستية الآلية”

“أنظمة وضع الملصقات لإرسال معلومات المنصة النقالة إلى الخادم وإنشاء ملصق ليتم طباعته”

وذكر المستخدم كذلك:

“أعجبتني سهولة استخدامه، وسأستخدمه بالتأكيد في المزيد من المشاريع الرقمية مع الخطوط.”

توضح هذه الأمثلة كيف يدعم OPC UA:

• أنظمة إنترنت الأشياء الصناعية
• البنى التوأم الرقمي
• التصنيع الذكي
• الخدمات اللوجستية الآلية
• تكامل بيانات الإنتاج

تكامل أسهل للأجهزة

وأوضح مستخدم آخر على موقع Reddit

“من أجمل الميزات على شيء مثل modbus، عندما تقوم بإعداد نظام OPC-UA، يمكنك استخدام أدوات التصفح لمعرفة العلامات المتاحة للاستطلاع.”

وهذا يعكس إحدى أكبر المزايا الهندسية لـ OPC UA.

على عكس البروتوكولات التقليدية التي تتطلب تعيين السجل يدويًا، يدعم OPC UA التصفح التلقائي للعلامات والاكتشاف الدلالي.

هذا يبسِّط إلى حد كبير:

• تكامل الجهاز
• التكليف
• استكشاف الأخطاء وإصلاحها
• قابلية توسع النظام

التكامل الصناعي المحايد بين البائعين والموردين

وأوضح مهندس صناعي آخر

“تستخدم وحدات التحكم المنطقية المنطقية المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) من Phoenix Contact استخدام OPC-UA إلى جانب Profinet. أنا أفضل OPC-UA لأنه معيار صناعي مقبول من قبل الكثير من الأجهزة/البرامج الخارجية.”

وذكر المستخدم كذلك:

“يعمل OPC-UA بشكل جيد مع أجهزة تسجيل البيانات وأجهزة توجيه VPN.”

وهذا يعكس دور OPC UA الرئيسي في تمكين:

• قابلية التشغيل البيني متعدد البائعين
• تقارب تكنولوجيا المعلومات/تكنولوجيا التشغيل
• الوصول الصناعي عن بُعد
• هياكل الأتمتة الموحدة

تحديات أمان OPC UA

يعد الأمن السيبراني أحد أهم جوانب تقنية OPC UA.

على عكس العديد من بروتوكولات الاتصالات الصناعية التقليدية، تم تصميم OPC UA بآليات أمان متكاملة بما في ذلك:

• التشفير
• المصادقة
• الشهادات
• جلسات آمنة
• تفويض المستخدم

ومع ذلك، تُظهر تجارب النشر في العالم الحقيقي أن تطبيق أمان OPC UA لا يزال يمثل تحدياً.

تحديات إدارة الشهادات

أوضح أحد مهندسي ريديت

“أود أن أقول أن حوالي 40% من الأنظمة التي قمت بتشغيلها باستخدام OPC UA تستخدم الشهادات. والمشكلة الأساسية هي انتهاء الصلاحية - لا يمكنني حقاً نشرها في مكان لا أثق في أنها ستكون جاهزة للصيانة بعد 10 سنوات.”

وذكر مهندس آخر

“يمكن أن يكون تنفيذ شهادات OPC-UA أمرًا مزعجًا. خاصة عندما تنتهي صلاحيتها في غضون 10 سنوات ولا أحد يعلم بذلك. ثم يتوقف الخادم عن العمل ولا أحد يعرف السبب...”.”

وهذا يعكس أحد أكبر التحديات التشغيلية في مجال الأمن السيبراني الصناعي:

إدارة دورة حياة الشهادة.

في العديد من المنشآت الصناعية، يمكن أن تصبح صيانة الشهادات طويلة الأجل صعبة في العديد من المنشآت الصناعية بسبب:

• تغيير الموظفين
• ضاعت الوثائق
• تواريخ انتهاء الصلاحية منسية
• تفتقر فرق العمليات التشغيلية إلى الخبرة في مجال البنية التحتية للمفاتيح العمومية

الأمان مقابل البساطة التشغيلية

لا يزال بعض المستخدمين الصناعيين يتساءلون عما إذا كان أمان OPC UA القوي ضروريًا دائمًا.

أوضح أحد مستخدمي ريديت

“إذا قمنا بتكوين خادم OPC UA ليكون للقراءة فقط. فما الفائدة من إضافة الأمان؟”.”

وذكر المستخدم نفسه كذلك:

“البائع الذي يضيف الأمان يخلق المزيد من الصداع.”

وهذا يعكس جدلاً تشغيلياً شائعاً داخل الأتمتة الصناعية:

تحقيق التوازن بين الأمن السيبراني والبساطة التشغيلية.

ومع ذلك، أكد مهندس آخر أن

“يجب أن يكون الأمن أولوية للبنية التحتية الحيوية.”

مع تزايد اتصال الأنظمة الصناعية بـ

• أنظمة تكنولوجيا المعلومات المؤسسية
• المنصات السحابية
• شبكات الوصول عن بُعد
• هياكل إنترنت الأشياء

تستمر مخاطر الأمن السيبراني في التزايد.

تم تمكين الأمان افتراضيًا

وذكر مهندس آخر في موقع Reddit

“يحتوي البرنامج الذي تبيعه شركتي على تمكين أمان OPC UA بشكل افتراضي، وإذا أردت عدم استخدام أي منها فعليك تمكينه بشكل صريح وسيظهر تحذير يخبرك بأن هذا غير آمن.”

وهذا يعكس اتجاهًا مهمًا في الصناعة 4.0:

تتعامل البرمجيات الصناعية الحديثة بشكل متزايد مع الاتصال الآمن كبنية افتراضية وليس كميزة اختيارية.

المسؤولية ومسؤولية البائع

وأوضح مهندس آخر

“إذا كنت مصنِّعًا للمعدات الأصلية وتبيع قطعة من المعدات الآلية، فأنت بحاجة حقًا إلى تطبيق الأمان كحماية من المسؤولية.”

وهذا يوضح كيف أن الأمن السيبراني لم يعد مسألة تقنية فقط.

لقد أصبح الأمر يتزايد:

• المسؤولية القانونية
• أحد متطلبات الامتثال
• التزام تعاقدي
• أحد متطلبات البنية التحتية الحيوية

OPC UA و TSN (الربط الشبكي الحساس للوقت)

إن أحد أكبر التطورات التكنولوجية الحديثة في OPC UA هو التكامل مع TSN (الشبكات الحساسة للوقت).

وفقًا لموقع الأبحاث الصناعية مجموعة ARC الاستشارية:

“تحتاج العمليات الصناعية في عصر إنترنت الأشياء الصناعي وإنترنت الأشياء الصناعي 4.0 إلى اتصالات مفتوحة بين الأجهزة والأنظمة والطبقات.”

يوضح المقال أن OPC UA مع TSN لديه القدرة على توحيد الشبكات الصناعية.

ينص الموقع الإلكتروني

“لدى OPC UA TSN القدرة على إعادة تعريف الشبكات الصناعية وتوحيدها كما نعرفها.”

يضيف TSN إمكانية الاتصال الحتمي في الوقت الحقيقي إلى شبكات الإيثرنت.

يتيح ذلك لـ OPC UA دعم

• التحكم الصناعي في الوقت الحقيقي
• التواصل الحتمي
• التشغيل الآلي للوقت الحرج
• المزامنة الصناعية

بنية النشر والاشتراك (PubSub)

تشرح مقالة ARC كذلك أن OPC UA قدم:

“نموذج النشر/الإشتراك (pub/sub/sub)، والذي يحل محل بنية العميل/الخادم التقليدية.”

هذا يتحسن بشكل كبير:

• قابلية التوسع
• الأداء في الوقت الحقيقي
• كفاءة الشبكة
• الاتصالات الصناعية الموزعة

كيفية تحسين OPC UA لوظائف الأداة والأتمتة

يُحدث OPC UA تغييراً جذرياً في كيفية تواصل الأجهزة الصناعية ومشاركة المعلومات.

التواصل الدلالي يتيح التبادل الذكي للبيانات

على عكس الاتصال البسيط القائم على السجلات، يتيح OPC UA تبادل الأجهزة:

• المعلومات المهيكلة
• المعنى الهندسي
• طرازات الأجهزة
• معلومات الإنذار
• السياق التاريخي

وهذا يحسن بشكل كبير من قابلية التشغيل البيني الصناعي.

الاتصال الآمن يحسن من سلامة النظام

تحسين آليات أمان OPC UA:

• صحة البيانات
• سلامة التواصل
• موثوقية النظام
• أمان الوصول عن بُعد

هذا الأمر مهم بشكل خاص للبنية التحتية الصناعية الحيوية.

تعمل البنى الموحدة على تحسين تكامل الصناعة 4.0

يدعم OPC UA التكامل بين:

• أجهزة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة
• أنظمة SCADA
• المنصات السحابية
• أنظمة MES
• المؤرخون
• أنظمة الذكاء الاصطناعي
• التوائم الرقمية

وهذا يتيح أنظمة بيئية صناعية شديدة الترابط.

تطوّر الصناعة 4.0 تطور OPC UA

OPC UA هي إحدى تقنيات التمكين الأساسية وراء الصناعة 4.0.

تدعم أنظمة OPC UA الحديثة بشكل متزايد:

• التوائم الرقمية
• أتمتة السحابة الأصلية
• تحليلات الذكاء الاصطناعي
• حوسبة الحافة
• الربط الشبكي الصناعي الموحد
• أنظمة إنترنت الأشياء في الوقت الحقيقي

تتطور الأجهزة الميدانية من مكونات أتمتة معزولة إلى عقد معلومات صناعية ذكية.

تكامل الحافة والسحابة

يتيح OPC UA الاتصال المباشر بين:

• الأجهزة الصناعية
• أنظمة الحوسبة الطرفية
• المنصات السحابية
• أنظمة الذكاء الاصطناعي الصناعية

وهذا يحسن بشكل كبير من إمكانية الوصول إلى البيانات الصناعية.

تكامل نظام براونفيلد والنظام القديم

عصري الصناعة 4.0 تتطلب المشاريع بشكل متزايد دمج الأنظمة الصناعية القديمة في البنى الرقمية الحديثة.

تسلط الأبحاث الحديثة حول بنيات تجميع OPC UA الآمنة الضوء على كيفية قيام OPC UA بسد الفجوة بين المناطق الصناعية الآمنة وغير الآمنة مع تمكين التحول الرقمي التدريجي.

هذا الأمر مهم بشكل خاص لـ

• تحديث حقل براونفيلد
• تكامل PLC القديم
• ترقيات الأمن السيبراني الصناعي

اتجاهات التطوير المستقبلي لـ OPC UA

من المتوقع أن تتطور تقنيات OPC UA المستقبلية نحو:

• OPC UA FX
• الربط الشبكي في الوقت الحقيقي القائم على TSN
• إدارة الاتصالات بمساعدة الذكاء الاصطناعي
• الربط الشبكي الصناعي المستقل
• البنى الصناعية الأصلية المتطورة
• أنظمة الأمن السيبراني حسب التصميم

قد تتكامل الأجهزة الصناعية المستقبلية بشكل متزايد:

• خوادم OPC UA المدمجة
• وحدات أمان الأجهزة
• اتصال TSN في الوقت الحقيقي
• التشخيص بمساعدة الذكاء الاصطناعي
• التوائم الرقمية التي تصف نفسها بنفسها

الخاتمة

أصبح OPC UA أحد أهم التقنيات التمكينية في الأتمتة الصناعية الحديثة.

تكمن القيمة الحقيقية لـ OPC UA في كيفية تمكين الاتصال الدلالي والآمن والمستقل عن المنصة:

• قابلية التشغيل البيني بين البائعين
• تكامل الصناعة 4.0
• تقارب تكنولوجيا المعلومات/تكنولوجيا التشغيل
• الربط الشبكي الصناعي في الوقت الحقيقي
• البنى التوأم الرقمي
• أنظمة الأتمتة الذكية

يعمل تكامل OPC UA مع تقنيات شبكات TSN على زيادة تحويل الإيثرنت الصناعية نحو بنى اتصالات موحدة وحتمية ومستقلة عن البائعين.

في الوقت نفسه، تُظهر عمليات النشر الصناعية في العالم الحقيقي أن الأمن السيبراني وإدارة الشهادات وقابلية الصيانة التشغيلية لا تزال تحديات هندسية حاسمة يجب أن تستمر في التطور مع الرقمنة الصناعية.