OPC 統合アーキテクチャ

OPC 統合アーキテクチャ (OPC UA)

国際標準	IEC62541、OPC 統合アーキテクチャ (コア、フィールド交換、デバイス、資産管理、XML データ型マッピング)
開発者	OPC 財団
紹介された	2006年7月28日; 18年前 ( 2006-07-28 )
業界	運用技術と情報技術
互換性のあるハードウェア	PLC、フィールドデバイス、Windows、Linux、IIOT
Webサイト	https://opcfoundation.org/about/opc-technologies/opc-ua/

OPC統合アーキテクチャ（OPC UA ）は、OPC Foundationによって開発された、センサーからクラウドアプリケーションへのデータ交換のためのクロスプラットフォーム、オープンソース、IEC62541標準です。特徴は次のとおりです。^[1]

• OPC Foundation が Companion Specifications を通じて公開した、60 種類以上の産業機器で自由に利用できる標準化されたデータ モデル
• 認証、承認、暗号化、チェックサムなどの拡張可能なセキュリティプロファイル
• X.509、トークン、パスワードを含む拡張可能なセキュリティキー管理
• クライアント・サーバーとパブリッシュ・サブスクライブの両方の通信パターンをサポート
• 通信プロトコルに依存しません。TCP/IP、UDP/IP、WebSocket、AMQP、MQTTなどの複数の通信プロトコルへのマッピングが指定されています。
• 当初は産業機器（個別製造、プロセス製造、エネルギー）やデータ収集・制御システムとの標準化されたデータ交換で成功しましたが、現在ではビルオートメーション、計量・厨房機器、クラウドアプリケーションにも活用されています。
• オープン– OPC Foundation会員は無料で利用できるオープンソースのリファレンス実装。非会員はGPL 2.0ライセンスの下で利用可能^[2]
• クロスプラットフォーム– 特定のオペレーティングシステムやプログラミング言語に縛られない
• サービス指向アーキテクチャ(SOA)
• この仕様はOPC Foundationのウェブサイトで無料で公開されており、実装を容易にするためにいくつかの部分に分割されていますが、OPC UAスタックベンダーのみが読む必要があり、エンドユーザーはすべての一般的なプログラミング言語で利用可能な既存の商用および/またはオープンソースのスタックを活用するだけです。

OPC UAは同じ組織によって開発されていますが、その前身であるOpen Platform Communications (OPC)とは大きく異なります。OPC UAに対する財団の目標は、元のOPC通信モデル（Microsoft Windowsのみのプロセス交換COM/ DCOM ）から、産業オートメーションの新たなニーズによりよく応えられるような道筋を提供することでした。^[3]

3年以上の仕様策定作業とプロトタイプ実装に1年を費やした後、統合アーキテクチャの最初のバージョンが2006年にリリースされました。^[4]

仕様の現在のバージョンは1.04（2017年11月22日^[5]）です。OPC UAの新しいバージョンでは、クライアント/サーバー通信インフラストラクチャに加えて、パブリッシュ/サブスクライブが追加されました。

COM/ DCOMへのオリジナルのバインディングはOPC の配布を容易にしましたが、いくつかの欠点もありました。

• DCOM で頻繁に発生する構成の問題。
• タイムアウトを設定できません。
• Microsoft Windowsのみ。
• セキュリティが低い。
• DCOM を制御できません (COM/DCOM は一種のブラック ボックスであり、開発者はソースにアクセスできないため、バグや不十分な実装に対処する必要があります)。

これらの欠点とその他の多くの考慮事項により、COM/DCOM に代わる OPC UA 用の新しい独立したスタックを開発するという決定が下されました。この通信スタックの主な特徴は次のとおりです。

• 移植可能なANSI C、Java、.NET実装を含むマルチプラットフォーム実装。
• スケーラビリティ: スマート センサーやスマート アクチュエータからメインフレームまで。
• マルチスレッド、およびシングルスレッド/シングルタスク操作（スタックを組み込みデバイスに移植するために必要なもの）。
• 新しい標準に基づくセキュリティ。
• 各サービスごとに設定可能なタイムアウト。
• 大きなデータグラムのチャンク化。

この通信スタックは、さまざまなイノベーションの始まりを反映しています。OPC UA アーキテクチャはサービス指向アーキテクチャ (SOA) であり、さまざまな論理レベルに基づいています。

OPC ベース サービスは、プロトコルに依存せず、OPC UA 機能の基礎を提供する抽象的なメソッド記述です。トランスポート層はこれらのメソッドをプロトコルに組み込みます。つまり、データをシリアル化/デシリアル化してネットワーク経由で送信します。この目的のために 2 つのプロトコルが指定されています。1 つは、高パフォーマンス向けに最適化されたバイナリTCPプロトコルで、もう 1 つはWeb サービス指向です。

OPC 情報モデルは、ノードに基づくメッシュ ネットワークです。これらのノードにはあらゆる種類のメタ情報を含めることができ、オブジェクト指向プログラミング(OOP) のオブジェクトに似ています。ノードには、読み取りアクセス (DA、HDA)、呼び出し可能なメソッド (コマンド)、および送信可能なトリガー イベント (AE、DataAccess、DataChange) の属性を含めることができます。ノードは、プロセス データとその他の種類のメタデータを保持します。OPC 名前空間には、タイプ モデルが含まれます。

クライアント ソフトウェアは、サーバーがサポートするプロファイルを確認できます。これは、サーバーが DA 機能のみをサポートしているか、または AE、HDA などを追加でサポートしているかの情報を取得するために必要です。さらに、サーバーが特定のプロファイルをサポートしているかどうかに関する情報も取得できます。OPC UA の重要な新機能は次のとおりです。

• 冗長性サポート
• 両方向の接続のハートビート (相手側が「生きている」かどうかを示す)。これは、サーバーとクライアントの両方が割り込みを認識することを意味します。
• データのバッファリングと送信データの確認。接続が失われても、データが失われることはありません。失われたデータグラムは再取得できます。

2006 年 10 月にミュンヘンで開催された OPC UA DevCon で、最初のプロトタイプがライブで発表されました。さまざまな UA サーバーが Beckhoff のプログラマブル ロジック コントローラーと Euros の組み込みテスト ボードで紹介されました。Beckhoff PLC は Windows XP Embedded をベースにしており、組み込みコントローラーはリアルタイム オペレーティング システムEuros をベースにしています。Embedded Labs Ltd 社は、 64kB RAMを搭載したシングル チップARMマイクロコントローラーで実行される独自の C++ UA スタックに基づく OPC UA サーバーのデモを行いました。2012 年 10 月、ドイツの Fraunhofer アプリケーション センター IOSB-INA と産業情報技術研究所 (inIT) は、OPC UA サーバーが 15 kB RAM と 10 kB ROM まで拡張可能であり、チップ レベルで使用できることを示しました。^[6]

OPC UA 仕様は複数の部分からなる仕様であり、次の部分で構成されています。

1. コンセプト
2. セキュリティモデル
3. アドレス空間モデル
4. サービス
5. 情報モデル
6. マッピング
7. プロフィール
8. データアクセス
9. アラームと条件
10. プログラム
11. 歴史的アクセス
12. 発見とグローバルサービス
13. 集計
14. パブリッシュサブスクライブ
15. 安全性
16. ステートマシン
17. 別名
18. ロールベースのセキュリティ
19. 辞書参照
20. ファイル転送
21. デバイスのオンボーディング
22. 基本ネットワークモデル
23. 一般的な参照タイプ
24. スケジューラ

さらに、パート 100 デバイスとパート 200 産業オートメーションも利用できます。これらはコア仕様セットに基づいて構築され、さまざまな関連仕様で使用される新しい共通定義が追加されています。たとえば、OPC UA for Analyser DevicesとOPC UA for Machinery はどちらもパート 100 を直接ベースに構築されています。

COM ベースの仕様とは対照的に、UA 仕様は純粋なアプリケーション仕様ではありません。UA 仕様は、通常、通信スタックを通じて処理される UA 内部メカニズムを記述しており、通常はスタックを特定のターゲットに移植する人や独自の UA スタックを実装したい人だけが関心を持ちます。

OPC UAアプリケーション開発者はOPC UA APIに対してコードを書くため、主にAPIドキュメントを使用します。しかし、パート3、4、5はアプリケーション開発者にとって興味深いかもしれません。^[7]

UA アプリケーションのアーキテクチャは、サーバー部分かクライアント部分かに関係なく、レベルに構造化されています。

一部の部分は以前の COM プロキシ/スタブと同等であり、OPC Foundation によって提供されます。移植性レベルは新しく、UA ANSI C スタックを他のターゲット プラットフォームに移植することが簡単になります。Windows およびLinux用のポート レイヤーも OPC Foundation によって提供されます。

UA セキュリティは、認証と承認、暗号化、署名によるデータ整合性で構成されます。Web サービスではWS-SecureConversation が使用されるため、.NETやその他のSOAP実装と互換性があります。バイナリ バリアントでは、WS-SecureConversation のアルゴリズムが採用され、バイナリ相当に変換されています。これは、UA Secure Conversation と呼ばれます。

コードはバイナリですが、トランスポート層は SOAP である混合バージョンもあります。これは、効率的なバイナリ コーディングとファイアウォール フレンドリな送信の間の妥協です。バイナリ コーディングには常に UA Secure Conversation が必要です。認証ではX.509証明書のみが使用されます。UA アプリケーションがバインドされる証明書ストアの選択は、アプリケーション開発者に依存します。たとえば、 Active Directoryの公開キー インフラストラクチャ(PKI)を使用できます。

OPC UA 標準では、25 個の組み込みデータ型が定義されています。

UA API は、いくつかのプログラミング言語で利用できます。商用 SDK は、C、C++、Java、.NET で利用できます。オープンソース スタックは、少なくとも C、C++、Java、Javascript(node)、Tcl、Python で利用できます。

.NET 実装では、下位レベルでは ANSI C を使用し、残りは .NET でネイティブに実装します。つまり、ソケットの処理とメッセージ チャンク化のみが ANSI C スタックから統合されます。デシリアル化は .NET で直接行われるため、.NET 構造とオブジェクトに直接変換されます。これにより、最初に C 構造にデシリアル化してからデータを .NET 構造にコピーするよりもパフォーマンスが向上します。

Java 用のさまざまなスタックが開発されていました。^{[いつ? ]} .NET と同様に、主に 3 つのバリエーションがあります。

1. 完全な ANSI C スタックをJNI経由でカプセル化しますが、移植性が複雑になります。スタックはさまざまなオペレーティング システムに移植できますが、それぞれ個別にコンパイルする必要があります。また、データを JNI 境界にコピーする必要がありますが、デシリアライズ中に C のパフォーマンスの恩恵を受けます。
2. ネットワーク層で直接コードを記述し (現在の .Net 実装と同様)、Java でデシリアル化します。これにより、データ コピーの実行が 1 回節約されますが、依然として C スタックに依存します。
3. ネイティブJava OPC UAスタックを作成します。これは最も移植性が高いと考えられていますが、実装には最も多くのエンジニアリング作業が必要になると推定されています。Eclipse Miloプロジェクトは、UA 1.03クライアントおよびサーバー仕様の純粋なJava、オープンソース実装を提供します。^[8]
4. Apache PLC4Xプロジェクトは、UAクライアントの純粋なJavaオープンソース実装と、クロス言語実装に使用できるネットワークレベルのフレーム記述を提供します。^[9]

あるいは、WebService プロトコルのみをサポートする単純なバリエーションもあります。そのためには、WS-Security をサポートする SOAP ツールキットが必要です。

IEC 62541 ^[10]はOPC統合アーキテクチャの標準である。

• OPC データ アクセス
• プロセス制御のためのOLE
• OPC 財団

• Wolfgang Mahnke、Stefan-Helmut Leitner、Matthias Damm: OPC 統合アーキテクチャ。Springer Verlag 2009; ISBN 978-3-540-68898-3 
• Lange, J.、Iwanitz, F.、Burke, T. OPC データ アクセスから統合アーキテクチャまで 2010; ISBN 978-3-8007-3242-5