PRINCIPIOS DE APLICACIÓN DEL ESTANDAR OPC UA EN UN CASO DE ESTUDIO Carlos A. Castaño Gómez, Edgar F. Villamarin Meneses, Oscar A. Rojas Alvarado. Grupo de I+D en Automática Industrial - Universidad del Cauca Calle 5 No 4-50, Popayán, Cauca, Colombia E-mails: ccastano@unicauca.edu.co, evillamarin@unicauca.edu.co, orojas@unicauca.edu.co Abstract: The industrial automation integrates the manufacture process, making possible that the industries improve their products. For this reason is necessary that the information from the manufacture processes to the enterprise are systematized. All of this with the purpose of creates communication interfaces over technologies and standard information models between the different levels of the enterprise. In the current industry there are promoted standards that have allowed normalizing the information structure in the enterprises, however before OPC UA did not exist a standard for implement these standards, for this reason the interoperability of the first standards over the different technological platforms were very limited. This paper gives an overview over the architecture of the OPC UA systems, its target and its relevance into the enterprise integration. It present the proposed rules for the application of the standard OPC UA in a case study enterprise modeled with the standard ISA S95. Finally the information models encoding in XML-UA schemes and the result of the validation of these models are presented. Keywords: OPC UA, Metamodelo, Servicios web, API, Stack comunicaciones, Nodo, AddressSpace, Migración, Wrapper, Proxies. 1. INTRODUCCIÓN En la situación actual las organizaciones se enfrentan a la necesidad de integrar todas sus áreas funcionales con el propósito de disponer de información desde la parte operativa hasta los niveles gerenciales de la empresa. Las actividades desarrolladas para llevar a cabo el proceso de integración empresarial conllevan un gran número de soluciones que inundan el mercado, pero debido a la falta de un marco de referencia han limitado la posibilidad de ser un conjunto de sistemas inter-operables y de fácil adaptación al cambio tecnológico. En general el mercado proporciona a la industria soluciones a nivel administrativo para la planificación y ejecución de manufactura y sistemas para la supervisión y control de procesos que al tratar de integrarse deben enfrentar un alto grado de heterogeneidad debido a las diferentes tecnologías, metadatos, lenguajes de programación e interfaces utilizadas. [1] La OPC Foundation y otras organizaciones reconocidas en el campo de la integración industrial han estado trabajando en la solución de problemáticas encontradas en la automatización, por éste motivo se encuentran en el desarrollo de nuevos estándares que permitan llevar el proceso de integración empresarial a un nivel de abstracción, donde la interoperabilidad y adaptación en las empresas de manufactura ayuden a cumplir con los requerimientos de la industria actual. Uno de los problemas encontrados es el alto grado de dependencia de Microsoft que los anteriores estándares de implementación tienen, lo cual es un obstáculo para la interoperabilidad. Por esta razón la OPC Foundation opta entonces por generar un nuevo estándar: OPC UA (Arquitectura Unificada), empleando tecnologías nuevas como los servicios web los cuales brindan soluciones multiplataforma.
El estándar OPC UA busca establecer interoperabilidad en las estructuras organizativas de las empresas. Actualmente el estándar consta de 12 especificaciones, las cuales aun son objeto de revisión y hacen parte de las organizaciones y grupos de investigación que se encuentran alrededor de la OPC Foundation. Estos documentos definen el estándar en términos abstractos y lo relacionan con las tecnologías existentes sobre las cuales las aplicaciones software puedan ser implementadas [2]. En este artículo se presentan de manera general los resultados obtenidos en la investigación para determinar los principios de aplicación del estándar OPC UA dentro de una empresa caso de estudio modelada con el estándar ISA S95. El documento consta de seis secciones organizadas de la siguiente manera: en la segunda sección se muestra el objetivo del estándar OPC UA; la tercera sección presenta la arquitectura de OPC UA; la cuarta sección incluye los diferentes pasos para la aplicación del estándar; la quinta sección hace referencia a la validación de los modelos XML desarrollados, finalmente en la sexta sección se muestran las conclusiones a las que se llego con el desarrollo de este proyecto. 2. OBJETIVO DEL ESTÁNDAR OPC UA. A raíz de los cambios tecnológicos y de los requerimientos de la industria por ser más competitiva en el actual mercado globalizado, la OPC Foundation en enero de 2004, conformó un grupo de trabajo para desarrollar una nueva arquitectura software que llevara una propuesta de interoperabilidad a la vanguardia de la tecnología proporcionando un marco multiplataforma viable durante los próximos años. Como resultado en junio de 2006 este grupo entregó las primeras especificaciones del nuevo estándar denominado OPC UA, y en mayo de 2008 la empresa ICONICS en asocio con KEPWARE presentaron el primer prototipo basado en una solución End to End para la arquitectura unificada de OPC UA. [2] Con este nuevo estándar la OPC Foundation logra avanzar en el alcance de sus especificaciones al cubrir el nivel de control de procesos hasta los niveles de gestión y fuera de la organización, permitiendo que estándares reconocidos como los de la organización ISA implementen sus modelos de información sobre esta nueva arquitectura. [3] Las principales características de OPC basadas en la tecnología COM fueron unificadas en un modelo de información el cual integra los datos de ejecución, los datos históricos, alarmas y eventos. De esta manera con las tecnologías propuestas por OPC UA los fabricantes podrán disponer de productos Plug and Play entre las diferentes marcas, disponer de proveedores software y hardware sin ningún problema de interoperabilidad, productos fáciles de monitorear, fiables, extensibles a los futuros requerimientos y una reducción en los costos de desarrollo e implementación, soporte y mantenimiento. 3. ARQUITECTURA DE LOS SISTEMAS OPC UA El estándar OPC UA especifica un metamodelo de información el cual consiste de clases abstractas utilizadas para describir la manera como se relacionan los nodos que conforman el espacio de información del servidor, denominado AddressSpace, el cual es puesto a disposición de los clientes. Para acceder al AddressSpace de un servidor, un cliente UA utiliza un stack de comunicaciones definido por OPC UA, esto lo hace a través de la API UA, (interfaz de programación de aplicaciones) la cual es un componente software no estandarizado que puede variar para diferentes lenguajes de programación y para diferentes stacks de comunicaciones [4]. La OPC Foundation atendiendo a que los requerimientos y funciones de los sistemas en la estructura jerárquica de las empresas varían considerablemente ha definido el concepto de Perfil del servidor, estructurando cada perfil a través de unidades de conformidad que definen las características de acceso a información, los métodos de codificación, los protocolos de seguridad y los protocolos de transporte de cada sistema. [5] 4. APLICACIÓN DEL ESTÁNDAR OPC UA La aplicación del estándar dio como resultado un conjunto de documentos XML que representan los modelos de información del caso de estudio mapeados a OPC UA. Para abordar la aplicación del estándar OPC UA en el caso de estudio, el proyecto desarrolla un conjunto de pautas que
permiten unificar criterios para el modelado del servidor OPC UA. Las pautas propuestas para el diseño son: Establecer los criterios para la definición de los elementos del AddressSpace. Estructurar las capas del AddressSpace para la aplicación. Aplicar los modelos de información dentro de cada una de las capas del AddressSpace. Codificar el modelo de información que se obtuvo en la pauta tres. Establecer las pautas técnicas para la comunicación de los servidores a nivel de gestión y control de procesos. Establecer las pautas para la migración de servidores OPC DA COM a los servidores OPC UA. Las siguientes subsecciones hacen referencia a cada una de las pautas anteriores. 4.1 Establecer los criterios para la definición de los elementos del AddressSpace. A través de esta pauta se colecciona y se propone un conjunto de referencias para el diseño y la aplicación del modelado del AddressSpace. De ésta manera la propuesta realizada consiste en: Utilizar los criterios básicos establecidos por OPC UA para definir un nodo. Utilizar la guía propuesta para el nombramiento de los nodos del AddressSpace. Utilizar las convenciones para la descripción de nodos de OPC UA. Utilizar las convenciones propuestas para graficar los nodos del AddressSpace. 4.2 Estructurar las capas del AddressSpace para la aplicación del modelado. El propósito de estructurar las capas de AddressSpace es organizar funcionalmente sus nodos. La capa principal consiste en el metamodelo de OPC UA desde la cual se instancian los nodos de las otras capas y su definición es propuesta por la OPC Foundation quien es la única organización que puede realizar actualizaciones en su definición. La estructura en capas del AddressSpace se presenta en la figura 1. [6] Figura 1. Estructura del AddressSpace [3] 4.3 Aplicar el Metamodelo de OPC UA a los modelos de información del caso de estudio. Para llevar a cabo la aplicación del metamodelo se considero establecer los modelos de información de los servidores objeto de estudio. Servidor del nivel de control de procesos Modelo de materiales Modelo de equipos. Servidor del nivel de gestión Modelo de definición de producto. Modelo de programa de producción. Para la definición de cada una de los modelos se siguieron los siguientes pasos: Definición de la capa de tipos del AddressSpace. Definición de los tipos de datos. Definición de los tipos de relaciones. Definición de las instancias declaradas del AddressSpace. La capa de tipos del AddressSpace se constituye de las VariableTypes (tipos de variables) y los ObjectTypes (tipos de objetos) diseñados en el caso de estudio, la figura 2 presenta un ejemplo representativo de la definición de un nodo ObjectType.
los nodos del AddressSpace, en ella se encuentra la definición de las referencias propuestas por el estándar OPC UA y aquellas diseñadas para la aplicación en el caso de estudio. La figura 5 presenta el modelado de una ReferenceType (tipo de referencia) diseñada para el caso de estudio. Figura 2. Definición del ObjectType LecheCrudaEnteraType [10] La figura 3 presenta la definición de un nodo VariableType del caso de estudio. Figura 3. Definición de la VariableType RangoType [10] La capa con los tipos de datos describe los nodos que son instanciados a través de esquemas en el AddressSpace, muchos de los tipos de datos descritos a través de la aplicación son codificados utilizando el formato de la especificación XML [XML Scheme Part 2] de la W3C e instanciados al estándar OPC UA. Los tipos de datos diseñados en la aplicación del proyecto son complejos e instanciados directamente a la capa de instancias. La figura 4 presenta el modelado de un nodo DataType (tipo de dato) complejo. Figura 5. Definición del ReferenceType ConformadoPor [10] 4.4 Codificación de los modelos del AddressSpace Para la codificación del modelo caso de estudio, el proyecto propone la construcción de los archivos denominados Esquemas XML UA que cumplen con la recomendación del estándar OPC UA y se derivan de los esquemas B2MML (Business To Manufacturing Markup Language) del WBF (World Batch Forum), los cuales implementan los modelos ISA-95 utilizados en el caso de estudio, en esquemas XML. El propósito es generar los modelos estándar B2MML2UA- V01 que describen la información que cumple con los estándares relacionados (OPC UA e ISA 95) a partir de los cuales se instancian los modelos para hacer la aplicación en el caso de estudio. La figura 6 expone un ejemplo del esquema propuesto para el modelo de materiales del caso de estudio. Figura 4. Definición del DataType RangoDataType [10] La capa de referencias expone el conjunto de nodos que expresan una relación explicita entre Figura 6. Esquema XML del modelo de materiales del caso de estudio. [10]
Estos esquemas permitirán utilizar modelos que cumplen con la recomendación del estándar ISA 95 y el estándar OPC UA formulando los elementos a ser instanciados en el caso de estudio, permitiendo también indicar los tipos de datos (tipos de datos propuestos por el proyecto) que los elementos que conforman el documento XML instanciado del esquema deben admitir. Igualmente estos esquemas permitirán integrar espacios de nombres con el propósito de adaptarse a las actualizaciones que se puedan presentar en el futuro. A continuación se expone el conjunto de esquemas propuestos en la integración del estandar OPC UA e ISA 95 para los modelos del caso de estudio. B2MML2UA-V01-Material.xsd B2MML2UA-V01-Equipment.xsd B2MML2UA-V01-ProductDefinition.xsd B2MML2UA-V01-ProductionSchedule.xsd Los documentos instanciados para el caso de estudio a partir de la integración de los esquemas B2MML y OPC UA son: Instance-B2MML2UA-V01-Material.xml Instance-B2MML2UA-V01- Equipment.xml Instance-B2MML2UA-V01- ProductDefinition.xml Instance-B2MML2UA-V01- ProductionSchedule.xml 4.5 Pautas para la comunicación de los niveles de gestión y control de procesos. Para la comunicación entre los niveles de gestión y control de procesos es necesario establecer las características que el stack de comunicaciones proporcionado por OPC UA debe cumplir para ser implementado en cada servidor. Por lo tanto se han propuesto las siguientes unidades de conformidad para su descripción. El stack de comunicaciones esta conformado por las tres unidades de conformidad presentadas en la figura 7 y descritas a continuación. [7] Figura 7. Stack de comunicaciones [10] La aplicación de la unidad de conformidad Método de codificación utilizo los esquemas XML propuestos por el estándar OPC UA definido en el enlace web: http://www.opcfoundation.org/uapart6/types. xsd La unidad de conformidad Protocolo de seguridad propuesta para la aplicación en los niveles de gestión y control de procesos utiliza la recomendación WS Secure Conversation de las especificaciones WS-* para el intercambio de mensajes SOAP del caso de estudio. La unidad de conformidad Protocolo de transporte propuesta para el caso de estudio utiliza la recomendación de la W3C para el intercambio de mensajes SOAP versión 1.2 a través de http. 4.6 Pautas para la migración de servidores OPC DA COM a los servidores OPC UA. En la mayoría de las evoluciones dadas por el avance en las tecnologías es necesario definir los pasos para llegar desde los actuales servidores OPC COM a los sistemas OPC UA. Por lo tanto, a continuación se presenta la ruta de migración propuesta por la OPC Foundation para realizar la migración hasta llegar completamente a los sistemas UA nativos. Dichas etapas se ilustran en la figura 8. [8] Figura 8. Etapas necesarias para la migración de COM-UA [10]
Las siguientes subsecciones de este numeral hacen referencia de las etapas ilustradas en la anterior figura. 4.6.1 Utilización de Wrapper/Proxies con productos basados en OPC COM. Las herramientas Proxies son utilizadas para que los clientes OPC COM accedan a los servidores UA de manera estándar. Las Wrappers son las herramientas utilizadas para que clientes UA accedan a servidores OPC COM de forma estándar. 4.6.2 Wrapper y proxies adaptadas a implementaciones de referencia. Utilizando las herramientas que la OPC Foundation brinda a sus miembros los desarrolladores de software podrán utilizar las implementaciones de referencia para personalizar las herramientas de la manera deseada. 4.6.3 Creación de implementaciones específicas del modelo de la arquitectura OPC UA. Los productos nativos son implementaciones específicas del modelo de arquitectura de OPC UA, para su creación la OPC Foundation en conjunto con el grupo de adaptadores iníciales de la norma desarrollan los códigos utilizados para la producción de sistemas. 5. VALIDACIÓN DE LA APLICACIÓN DEL ESTANDAR La validación XML se realizó con el objetivo de comprobar que los documentos XML UA obtenidos en la aplicación del estándar OPC UA al caso de estudio estuvieran bien formados y se ajustaran a una estructura definida. Un documento XML bien formado sigue las reglas básicas del lenguaje XML establecidas por el W3C (Consorcio World Wide Web) y un documento válido además de estar bien formado debe respetar las normas dictadas por su esquema XML [9]. Para realizar la validación de los documentos XML, se partió de los esquemas B2MML2UA- V01 sobre cuales se hicieron instancias para realizar la aplicación sobre los modelos de información del caso de estudio. Estos modelos resultantes se validaron mediante la herramienta ALTOVA XMLSpy Enterprise Edition versión 2008 la cual es una herramienta que sirve para comprobar la estructura de un documento XML, haciendo la verificación con el respectivo esquema, de esta manera se comprobó que los documentos XML generados con el desarrollo de esta investigación cumplen con las recomendaciones de la W3C y las especificaciones OPC UA [10]. 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El estándar OPC UA se perfila como el estándar de estándares porque a través de su definición propone las pautas para la implementación de servidores de información con la capacidad de estructurar estándares de información como ISA- 95 y porque este se basa en estándares de internet ampliamente reconocidos como SOAP, WSDL, XML, UDDI y Servicios web, con un metamodelo de información estándar establecido por la OPC Foundation. El estándar OPC UA se encuentra en fase de desarrollo y de validación ya que las especificaciones aun no se dan por terminadas y porque los elementos del estándar como los SDK s y las APIs para los diferentes ambientes de desarrollo como.net, JAVA y ANSI C, aun se encuentran en etapa de desarrollo y de prueba. Las clases abstractas de OPC UA definen el metamodelo del estándar UA y la OPC Foundation es la única organización con la capacidad de realizar sus actualizaciones. El metamodelo de OPC UA permite diseñar cualquier modelo de información dentro del paradigma orientado a objetos. Es importante la manera en que la coreografía de negocios y los diagramas de actividades describen la dinámica y las funciones involucradas dentro de las arquitecturas orientadas a servicios con el propósito de brindar mejor entendimiento a la gestión e interacción de los servicios web. Para la arquitectura de OPC UA el proyecto propone la coreografía de
negocios y los diagramas de actividades de los servicios web de OPC UA. El estándar OPC UA es una especificación multipartes con el propósito de brindar una solución modular que sea escalable a los nuevos requerimientos y a los avances tecnológicos en el tiempo. Es importante resaltar que el conjunto de reglas propuestas para el nombramiento y la diagramación de los nodos en el AddressSpace servirá para que el conocimiento se comparta y se reutilice en posteriores investigaciones. El resultado de la aplicación del estándar OPC UA a los modelos de información desarrollados en el caso de estudio es el primer acercamiento que se ha hecho en la integración de los estándares OPC UA e ISA S95 dentro del entorno investigativo de la automatización industrial. Actualmente se conformó el grupo de investigación IICI (The Industrial Interoperability Compliance Institute). El objetivo de este grupo es trabajar con los estándares OPC UA, ISA 95 e ISA 88 con el propósito de crear un framework de aplicación estandarizado y un punto de referencia para la interoperabilidad que permita adoptar los procesos de negocios y de manufactura. El método de codificación del estándar OPC UA basado en los esquemas XML UA permite que otros modelos de información descritos a través de XML sean mapeados a través de la extensión de los elementos del estándar OPC UA y de la creación de nuevos elementos que complementan la definición del modelo de información. Sin embargo la extensión de los modelos a OPC UA produce esquemas XML que en el momento de ser instanciados requieren más líneas de código. Los esquemas B2MML2UA propuestos en el proyecto son la representación de los modelos B2MML a OPC UA a partir de los cuales es posible instanciar modelos de información basados en ISA-95 Para los productos OPC basados en las tecnologías COM el estándar OPC UA formula la estrategia de migración a UA. Sin embargo estos productos estarán limitados en las arquitecturas orientadas a servicios porque los endpoints de las wrapper o las proxies mapean respectivamente cada interface COM. La arquitectura SOA que propone el estándar OPC UA es la revolución en arquitecturas software en la industria, por esta razón debería ser explorado en el entorno investigativo de la universidad del Cauca. RECONOCOCIMIENTOS Este trabajo ha sido posible gracias a la colaboración de personas que han participado activamente en la gestión y en la formulación de las especificaciones OPC UA: los ingenieros Tom Burke y Wolfgang Mahnke miembros de la OPC Foundation por su colaboración, al ingeniero Libardo Steven Muños por su gestión ante la OPC Foundation, y el ingeniero Carlos Ardila por su invaluable colaboración. REFERENCIAS [1] Revista Electroindustria. Sistemas de Ejecución de Manufactura. [En linea]. 2004. http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mv?x id=166&tip=7 [2] OPC Foundation. OPC Unified Architecture. [En línea]. 2008. http://www.opcfoundation.org/default.aspx/01_a bout/ua.asp?mid=aboutopc [3] OPC FOUNDATION, UA DevCon 2007-107 Architecture PPT. [En línea]. 2008. (Consulta: 10 Junio de 2008). http://www.opcfoundation.org/downloadfile.asp x?cm=3&ri=434&cn=key&ci=287&cu =9 [4] OPC Foundation: OPC UA Specification: Part 1 Concepts. Version 1.00, July 28, 2006 [5] OPC Foundation: OPC UA Specification: Part 7 Profiles. Draft 0.93, July 28, 2006
[6] OPC Foundation: OPC Today and in the Future, OPC ARC Work Group June 2006.ppt [7] OPC Foundation: OPC UA Specification: Part 6 Mapping. Release Candidate 0.93, June 01, 2006 [8] OPC Foundation: OPC UA DevCon 2007 Migration to UA.ppt [9] POSADAS, Marino. Introducción al lenguaje XML. Grupo Eidos. 2000 [10] CASTAÑO, Carlos Alberto y VILLAMARIN, Edgar Fernando Principios de Aplicación de estándar OPC UA, Trabajo de Grado. Universidad del Cauca. 2008.