Porównanie standardów komunikacyjnych w Przemyśle 4.0: OPC UA, LoRaWAN i 5G

OPC UA, LoRaWAN, a może 5G w przemysłowym IoT. Który standard wybrać?

W dynamicznie ewoluującym krajobrazie przemysłu 4.0 i 5.0, kluczowym wyzwaniem jest zapewnienie niezawodnej, bezpiecznej i efektywnej komunikacji między maszynami, czujnikami, systemami sterowania oraz chmurą. Wybór odpowiedniego standardu komunikacyjnego ma fundamentalne znaczenie dla sukcesu transformacji cyfrowej. W niniejszym artykule przyglądamy się trzem kluczowym technologiom, które zrewolucjonizowały przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT): OPC UA, LoRaWAN i 5G. Porównujemy ich specyfikę, możliwości oraz zastosowania.

OPC UA jako uniwersalny język komunikacji automatyki przemysłowej

Standard OPC (Open Platform Communications) narodził się w 1996 roku jako protokół oparty na technologii DCOM firmy Microsoft, mający na celu standaryzację komunikacji między urządzeniami automatyki i aplikacjami HMI/SCADA.

OPC UA (Unified Architecture) to ewolucja tej koncepcji, wprowadzona w 2008 roku. Zrywa z architekturą DCOM, oferując niezależność od platformy systemowej, wbudowane mechanizmy bezpieczeństwa oraz możliwość modelowania danych w sposób semantyczny.

OPC UA jest protokołem opartym na architekturze klient-serwer. Działa w sieciach Ethernet, zapewniając komunikację wertykalną (pomiędzy warstwami zarządzania) i horyzontalną (między maszynami). Jego siłą jest hermetyzacja danych w ustandaryzowanych modelach informacyjnych, co umożliwia interoperacyjność. Zapewnia skalowalność od urządzeń brzegowych po systemy ERP i chmurę.

OPC UA pozwala na stworzenie „cyfrowego bliźniaka” maszyny lub linii produkcyjnej, agregując dane z różnych źródeł (sterowniki PLC, czujniki, systemy wizyjne) w jednolity sposób.

Dzięki standaryzacji danych, systemy analityczne mogą w łatwy sposób pobierać parametry pracy maszyn (temperatura, wibracje) i przewidywać awarie.

Maszyny mogą wymieniać się danymi bezpośrednio, optymalizując procesy bez konieczności pośrednictwa scentralizowanego systemu.

Podsumowując OPC UA to fundament Przemysłu 4.0, stworzony z myślą o interoperacyjności i wymianie danych wewnątrz fabryki. Jest protokołem niezawodnym i bezpiecznym, jednak wymaga stabilnej sieci przewodowej lub Wi-Fi o wysokiej przepustowości.

LoRaWAN – rozwiązanie problemu z dystansem komunikacji

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) to protokół sieciowy oparty na technologii modulacji radiowej LoRa, opracowanej przez firmę Semtech. Standard jest rozwijany przez LoRa Alliance.

LoRaWAN jest technologią LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), zaprojektowaną do przesyłania małych pakietów danych na bardzo duże odległości (nawet do kilkunastu kilometrów w otwartym terenie), przy minimalnym zużyciu energii. W przeciwieństwie do OPC UA, jest to protokół oparty na architekturze gwiazdy, gdzie urządzenia końcowe komunikują się z centralnymi bramkami.

Technologia ta idealnie sprawdza się do monitorowania temperatury, wilgotności czy poziomu zanieczyszczeń w rozległych halach produkcyjnych, magazynach lub nawet na terenach zewnętrznych zakładów. Pozwala również na śledzenie lokalizacji narzędzi, wózków widłowych czy palet w dużych fabrykach i na placach budowy. Wykorzystuje się ją także do zdalnego odczytu liczników wody, gazu czy energii elektrycznej, bez konieczności kładzenia kabli.

Podsumowując LoRaWAN to idealne rozwiązanie tam, gdzie kluczowe są odległość, niskie zużycie energii i mała częstotliwość transmisji danych. Nie nadaje się do przesyłania dużych pakietów danych ani do aplikacji wymagających niskich opóźnień.

5G – ultraszybka łączność do krytycznych zastosowań

5G to najnowsza generacja mobilnej sieci komórkowej, rozwijana od początku XXI wieku jako następca 4G/LTE. Wykorzystuje się ją nie tylko jako popularny protokół do komunikacji urządzeń mobilnych ze stacjami bazowymi, ale również jako prywatne sieci 5G – do wykorzystania na potrzeby danej organizacji lub zakładu produkcyjnego.

W kontekście przemysłu 5G wyróżnia się trzema głównymi wariantami zastosowań:

• eMBB (enhanced Mobile Broadband): Bardzo wysoka przepustowość (nawet do 10 Gbps).
• mMTC (massive Machine Type Communications): Możliwość podłączenia ogromnej liczby urządzeń (miliony na km²).
• URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications): Niezwykle niskie opóźnienia (poniżej 1 ms) i wysoka niezawodność, krytyczne dla sterowania w czasie rzeczywistym.

Przemysłowe sieci 5G wykorzystuje się do automatyzacji procesów w czasie rzeczywistym, rozszerzonej rzeczywistości, wirtualnej rzeczywistości oraz wielu zastosowaniach profesjonalnych wymagających szybkiego transferu danych o niskim poziomie opóźnień.

Podsumowując 5G to uniwersalna, wysoce skalowalna technologia, która łączy w sobie prędkość, niezawodność i zdolność do obsługi ogromnej liczby urządzeń. Jest to idealny wybór dla krytycznych aplikacji, gdzie opóźnienia są kluczowe, a elastyczność bezprzewodowego połączenia jest atutem.

OPC UA vs LoRaWAN vs 5G

Łączność wiele ma twarzy

Wybór odpowiedniej technologii komunikacyjnej w przemyśle nie jest kwestią wyższości jednej nad drugą, ale komplementarności.

• OPC UA pozostaje „uniwersalnym językiem” danych w fabryce, zapewniając strukturalną i bezpieczną komunikację między maszynami i systemami.
• LoRaWAN to mistrz w monitorowaniu, idealny do zbierania danych z setek czujników na dużym obszarze, gdzie kluczowa jest autonomia energetyczna.
• 5G to technologia przyszłości, która umożliwia bezprecedensową elastyczność i wydajność, szczególnie w aplikacjach wymagających krytycznych opóźnień i mobilności.

W praktyce, inteligentne fabryki będą wykorzystywać te technologie w synergii. Przykładowo, dane z czujników LoRaWAN mogą być przekazywane do systemu SCADA za pomocą OPC UA, a sterowanie robotami odbywać się za pośrednictwem prywatnej sieci 5G.