OPC-сервер OPC сервер – это программное обеспечение, обеспечивающее связь между ПЛК и прикладными программами пользователей на их рабочих компьютерах. - презентация

1 OPC-сервер OPC сервер – это программное обеспечение, обеспечивающее связь между ПЛК и прикладными программами пользователей на их рабочих компьютерах. Типичными примерами таких прикладных программ являются SCADA-пакеты, а также системы программирования ПЛК типа ISaGraf. Доступ любого компьютера сети к устройствам ввода-вывода или контроллерам осуществляется с помощью ОРС-сервера (сервер, работающий по стандарту OPC - OLE for Process Control – OLE для управления процессами). ОРС-серверы могут располагаться на нескольких компьютерах или контроллерах, и доступ к любому из них может осуществляться с любого компьютера сети. Стандарт ОРС разработан международной организацией ОРС Fоundation, членами которой являются более 400 фирм, работающих в области средств автоматизации и измерительной техники. Первая версия стандарта ОРС была выпущена в 1998 г. Главной целью стандарта ОРС явилось обеспечение возможности совместной работы (интероперабельности) средств автоматизации, функционирующих на разных аппаратных платформах, в разных промышленных сетях и производимых разными фирмами. До разработки стандарта ОРС SСАDА-пакет нужно было адаптировать к каждому новому оборудованию индивидуально. Существовали длинные списки «поддерживаемого оборудования», очень сложной была техническая поддержка. При модификации оборудования нужно было вносить изменения во все драйверы, каждый из которых поддерживал протокол обмена только с одной клиентской программой. Число таких драйверов доходило до сотен. OPC-взаимодействие основано на клиент-серверной архитектуре. В качестве OPC-клиента выступает, например, SCADA, а в качестве OPC-сервера – контроллеры, УСО и пр. При этом все компоненты SCADA-систем могут взаимодействовать между собой через OPC. После появления стандарта ОРС практически все SСАDА-пакеты были перепроектированы как ОРС-клиенты, а каждый производитель аппаратного обеспечения стал снабжать свои контроллеры, модули ввода-вывода, интеллектуальные датчики и исполнительные устройства стандартным ОРС-сервером. Благодаря появлению стандартизации интерфейса стало возможным подключение любого физического устройства к любой SСАDА, если они оба соответствовали стандарту ОРС. Разработчики получили возможность проектировать только один драйвер для всех SСАDА-пакетов, а пользователи получили возможность выбора оборудования и программ без прежних ограничений на их совместимость.

2 Стандарт OPC Стандарт ОРС относится только к интерфейсам, которые ОРС-сервер предоставляет клиентским программам. Метод же взаимодействия сервера с аппаратурой (например, с модулями ввода-вывода) стандартом не предусмотрен, и его реализация возлагается полностью на разработчика аппаратуры. Поэтому стандарт ОРС может быть использован не только для взаимодействия SСАDА с «железом», но и для обмена данными с любым источником данных, например с базой данных или с GPS-приемником. ОРС-сервер как средство взаимодействия с техническим устройством может быть использован при разработке заказных программ на С++, Visual Ваsiс, VВА, Delphi и т.п. В этих задачах ОРС-сервер используется как Мiсrоsoft DСОМ- объект, от которого он отличается только стандартизацией обозначений и специфическими терминами из области промышленной автоматизации. Применение ОРС-сервера при разработке заказных программ позволяет скрыть от разработчика всю сложность общения с аппаратурой, представляя простой и удобный метод доступа к аппаратуре через интерфейсы СОМ-объекта. DCOM (Distributed Componenet Object Model) – распределенная компонентная объектная модель. Протокол, позволяющий компонентам программного обеспечения взаимодействовать непосредственно через сеть. Разработан Microsoft и может использоваться с несколькими типами сетевой транспортировки данных, включая протокол HTTP.

3 Стандарт OPC Стандарт ОРС состоит из нескольких частей: ОРС DА (ОРС Dаtа Ассеss) спецификация для обмена данными между клиентом (например SСАDА) и аппаратурой (контроллерами, модулями ввода-ввода и др.) в реальном времени; ОРС Аlаrms & Еvеnts (А&Е) спецификация для уведомления клиента о событиях и сигналах тревоги, которые посылаются клиенту по мере их возникновения. Этот сервер пересылает аварийные сигналы, действия оператора, информационные сообщения, результаты контроля состояния системы; ОРС НDА (Нistorical Dаtа Ассеss) спецификация для доступа к предыстории процесса (к сохраненным в архиве данным). Сервер обеспечивает унифицированный способ доступа с помощью DСОМ технологии. Обеспечивает чтение, запись и изменение данных; ОРС Ваtсh спецификация для особых физико-химических технологиче­ских процессов обработки материалов, которые не являются непрерывными. В таких процессах выполняется загрузка нескольких видов сырья в определенных пропорциях согласно рецепту, устанавливаются режимы обработки, а после выполнения цикла обработки и выгрузки готового материала загружается новая партия сырья. ОРС-сервер выполняет обмен между клиентом и сервером рецептами, характеристиками технологического оборудования, условиями и результатами обработки; ОРС Dаtа е Хсhenge спецификация для обмена данными между двумя ОРС DА-серверами через сеть Еthernet; ОРС Sесurity спецификация, которая определяет методы доступа клиентов к серверу, которые обеспечивают защиту важной информации от несанкционированной модификации; ОРС ХМL-DА набор гибких, согласующихся друг с другом правил и форматов для представления первичных данных с помощью языка ХМL, веб-технологий и сообщений SОАР; ОРС Соmрlех Dаtа дополнительные спецификации к ОРС DА и ХМL-DА, которые позволяют серверам работать со сложными типами данных, такими как бинарные структуры и ХМL-документы; ОРС Соmmаnds набор программных интерфейсов, который позволяет ОРС клиентам и серверам идентифицировать, посылать и контролировать команды, исполняемые в техническом устройстве (в контроллере, модуле ввода-вывода); ОРС Unified Аrchitecture принципиально новый набор спецификаций, который уже не базируется на DСОМ технологии. Из перечисленных спецификаций в России широко используются только две: ОРС DА и реже ОРС НDА.

4 OPC DA сервер Обеспечивает обмен данными (запись и чтение) между клиентской программой и физическими устройствами. Реализует доступ к данным реального времени. OPC-серверы физических устройств (контроллеров) являются, как правило, серверами данных DA. Базовым понятием спецификации OPC DA является элемент данных (ОРСItem-объект), т.е. фактически один из параметров технологического процесса, имеющий значение (Dаtа Vаluе), время последнего обновления (Тime Stamp) и признак качества (достоверности) значения (Quality). Данные состоят из трех полей: значение, качество и временная метка. Параметр качества данных позволяет передать от устройства клиентской программе информацию о выходе измеряемой величины за границы динамического диапазона, об отсутствии данных, ошибке связи и другие. Следующим вверх по иерархии является понятие группы элементов (ОРС Group-объект) создается ОРС-сервером по требованию клиента, который задает частоту обновления данных этой группы. Для каждого клиента сервером создается своя группа. Элементы в группе имеют имена, которые являются по сути именами реальных переменных (тегов). Имена тегов клиентом запрашиваются по специальному интерфейсу IOPCBrowserServerAdressSpace. На верхней ступени иерархии находится сам ОРСSеrver-объект. Для подключения ОРС- сервера к реальному объекту ОРСItem-объекты содержат ссылки на созданные ОРС- сервером теги. Пример полного имени тега: Контроллер_1. Модуль_2. Аналоговый вход_1. ОРС DА-сервер может иметь (не обязательно) пользовательский интер­фейс, который позволяет выполнять вспомогательные функции, например: поиск подключенного к промышленной сети оборудования; установку параметров оборудования (имени, адреса, скорости обмена дан­ными, периода сторожевого таймера, наличие контрольной суммы и др.); создание иерархического представления имен тегов (измеряемых величин); наблюдение значений тегов; управление правами доступа к ОРС-серверу.

5 Обмен данными с OPC DA-сервером Существуют четыре стандартных режима чтения данных из ОРС-сервера: синхронный режим: клиент посылает запрос серверу и ждет от него ответ; асинхронный режим: клиент отправляет запрос и сразу же переходит к выполнению других задач. Сервер после выполнения функции запроса посылает клиенту уведомление и тот забирает предоставленные данные; режим подписки: клиент сообщает серверу список тегов (измеряемых величин), значения которых сервер должен отправлять клиенту только в случае их изменения. Для того, чтобы шум данных не был принят за их изменение, вводится понятие «мертвой зоны», которая слегка превышает максимально возможный размах помехи; режим обновления данных: клиент вызывает одновременное чтение всех активных тегов. Активными называются все теги, кроме обозначенных как «пассивные». Такое деление тегов уменьшает загрузку процессора обновлением данных, принимаемых из физического устройства. В каждом из этих режимов данные могут читаться либо из кэша ОРС-сервера, либо непосредственно из физического устройства. Чтение из кэша выполняется гораздо быстрее, но данные к моменту чтения могут устареть. Поэтому сервер должен периодически освежать данные с максимально возможной частотой. Для уменьшения загрузки процессора частота обновления может быть установлена для каждой группы тегов индивидуально. Кроме того, некоторые теги можно сделать пассивными, тогда их значения не будут обновляться данными из физического устройства. Запись данных в физическое устройство может быть выполнена только двумя методами: синхронным и асинхронным и выполняется сразу в устройство, без промежуточной буферизации. В синхронном режиме функция записи выполняется до тех пор, пока из физического устройства не поступит подтверждение, что запись выполнена. Этот процесс может занимать много времени, в течение которого клиент находится в состоянии ожидания завершения функции и не может продолжать выполнение своей работы. При асинхронной записи клиент отправляет данные серверу и сразу продолжает свою работу. После окончания записи сервер отправляет клиенту соответствующее уведомление.

6 Виды OPC-серверов Одной из основных характеристик ОРС-сервера является его производительность. Известны три вида ОРС-серверов в зависимости от их местонахождения. Внутризадачный ОРС-сервер (InProcess Server), находящийся в адресном пространстве ОРС-клиента. Этот ОРС-сервер оформлен, как динамическая библиотека (DLL), а не как самостоятельная программа. Локальный ОРС-сервер (Local Server) сервер работает в отдельной самостоятельной программе того же компьютера, в котором расположен ОРС- клиент. Удаленный ОРС-сервер (Remote Server) расположен на другом (удаленном по сети) компьютере. Естественно, производительность внутризадачного сервера выше локального, а последнего выше, чем удаленного.

7 Открытая архитектура OPC-сервера Открытая архитектура ОРС-сервера предусматривает возможность его работы (после небольшой доработки) с любым аппаратным или программным средством, поддерживающим технологию ОРС. Чтение данных с устройств ввода или прямо из кэш-памяти данных осуществляется с помощью функции Read(). В свою очередь функция ReadFromDevices() опрашивает устройство ввода и передает данные ОРС-клиенту. Функция Write() служит для записи данных ОРС-клиента на устройство вывода и/или в кэш-память данных. Функции обновления устройства ввода, кэш-памяти данных и ОРС-клиентов осуществляются с частотой, заданной клиентом при формировании ОРСGroup.

8 Архитектура с OPC-сервером на одном компьютере В качестве ОРС-клиента может выступать программа на языке С++ (например, SСАDА-пакет) или программа на языке Visual Ваsic, VВА, Dеlphi или любая другая программа, поддерживающая внед­рение СОМ-объектов (рис. 9.3). Программа на языке С++ взаимодействует с ОРС-сервером через интерфейс ОРС Сustom, а программа на Visual Basic, VВА, Dеlphi через интерфейс автоматизации ОРС Аutomation. ОРС-сервер и ОРС-клиенты могут работать только на компьютерах и контроллерах с операционными системами, поддерживающими технологию DСОМ (например, Windows ХР и Windows СЕ). ОРС-сервер подключается к физическим устройствам любым способом; эти способы стандартом не предусмотрены. Например, сервер может использовать для каждого физического устройства свой драйвер.

9 Сетевая архитектура для OPC-серверов В такой системе любой ОРС-клиент с любого компьютера может обращаться к любому ОРС-серверу, в том числе к расположенному на другом компьютере сети. Это достигается благодаря технологии DСОМ, использующей удаленный вызов процедур (RРС Remote Procedure Саll). Например, SСАDА на рис. 9.4 может обратиться за данными к модулю ввода-вывода по пути, указанному штриховой линией. Компьютеры и контроллеры в такой архитектуре могут работать с разными промышленными сетями. Обмен данными с ПЛК, работающими с ОС Windows СЕ, выполняется точно так, как с компьютерами. При использовании оборудования разных производителей на компьютере (контроллере) может быть установлено несколько ОРС-серверов разных производителей, однако ОРС-сервер монопольно занимает СОМ-порт компьютера (поскольку непрерывно выполняет обновление данных), поэтому число портов должно быть равно числу ОРС-серверов. К разным портам компьютера могут быть подключены разные промышленные сети. В этом случае ОРС- серверы выполняют функцию межсетевых шлюзов.

10 OPC HDA-сервер Целью ОРС НDА-сервера (сервера предыстории процесса) является предоставление клиентской программе единого интерфейса для обмена данными с любыми хранилищами данных, в качестве которых может выступать нестандартный файл с данными, стандартная СУБД, ОРС DА-сервер или другой ОРС НDА-сервер. Стандарт распространяется только на интерфейсы для взаимодействия НDА-сервера с клиентскими программами и не устанавливает способов получения или хранения данных. Спецификация ОРС НDА устанавливает стандарт на интерфейсы СОМ-объекта и методы его использования. Структура сервера и методы взаимодействия с клиентами полностью аналогичны общей идеологии ОРС и описанному выше ОРС DА в частности. Например, ОРС-клиент может подсоединяться к нескольким ОРС НDА-серверам разных производителей и быть установлен на разных компьютерах в сети Еthernet. Существует два типа НDА-серверов: простой сервер данных предыстории для построения графиков (трендов); сервер для хранения данных в упакованном виде с возможностью их обработки и анализа. К функциям обработки и анализа данных относятся нахождение среднего, минимального и максимального значения и др. Работа с данными заключается в чтении, записи или изменении данных.

11 Спецификация OPC UA Несмотря на огромный успех и всеобщее признание, практика выявила следующие недостатки ОРС технологии: доступность только на операционных системах семейства Мicrosoft Windows; связь с технологией DСОМ, исходные коды которой являются закрытыми. Это не позволяет решать вопросы надежности ПО, а также выявлять и устранять возникающие программные отказы; бывают проблемы конфигурирования, связанные с DСОМ; неточные сообщения DСОМ о прерываниях связи; неприспособленность DСОМ для обмена данными через Интернет; неприспособленность DСОМ для обеспечения информационной безопасности. В связи с этим в 2006 г. ОРС Foundation предложил новую стандартную спецификацию для обмена данными в системах промышленной автоматизации, получившую название «ОРС Unified Architecture» «ОРС с унифицированной архитектурой», которая рассматривается как ОРС-стандарт нового поколения. Стандарт ОРС UA устанавливает методы обмена сообщениями между ОРС-сервером и клиентом, не зависящие от аппаратно-программной платформы, от типа взаимодействующих систем и сетей. ОРС UА обеспечивает надежную и безопасную коммуникацию, противодействие вирусным атакам, гарантирует идентичность информации клиента и сервера. В новом стандарте используется понятие объекта, под которым понимается физический или абстрактный элемент системы. Примерами объектов могут быть физические устройства, включающие их системы и подсистемы. Датчик температуры, к примеру, может быть представлен как объект, который включает в себя значение температуры, набор параметров сигнализаций и границы их срабатывания. Объект, по аналогии с объектно- ориентированным программированием, определяется как экземпляр класса, а класс рассматривается как тип данных. Объекты включают в себя переменные, события и методы. ОРС UА использует несколько различных форматов данных, основными из которых являются бинарные структуры и ХМL-документы. Во многих случаях используется автоматическое распознавание формата данных во время их передачи.

12 Архитектура, ориентированная на сервисы Основным отличием ОРС UА от ОРС является отказ от технологии СОМ и DСОМ фирмы Мicrosoft и переход к архитектуре SОА (Service Oriented Architecture архитектура, ориентированная на сервисы) с целью обмена информацией и обеспечения совместимости с множеством различных аппаратно-программных платформ. Под сервисом в ОРС UА понимается некоторая функциональность, заключенная в программном компоненте, который может быть транспортирован от сервера к клиенту или обратно и вызван удаленно. Вызов сервиса аналогичен вызову метода в языках объектно-ориентированного программирования. Интерфейс между клиентом ОРС UА и сервером определяется как набор сервисов. Основным принципом SОА является независимость от программной технологии, от вычислительной платформы, от языков программирования, от конкретных приложений, а также организация сервисов как слабосвязанных компонентов для построения систем. Сервисы включают в себя средства для обеспечения информационной безопасности. Благодаря построению сервера ОРС UА на основе сервисов появилась возможность изменять размер (масштабировать) сервер для его использования на платформах с разными вычислительными ресурсами; для встроенных приложений может быть использован сокращенный набор сервисов, для корпоративных сетевых серверов полный набор. Сервисы ОРС UА делятся на логические группы: сервисы безопасных каналов; сервисы сессий взаимодействия приложений по инициативе пользователя; сервисы для управления узлами. (Узел – представление объектов, их определений и перекрестных ссылок в адресном пространстве сервера OPC UA) Позволяют клиентам добавлять, модифицировать или удалять узлы в адресном пространстве; сервисы видимости узлов, позволяющие задавать индивидуальные наборы видимых узлов для разных клиентов; сервисы атрибутов позволяют модифицировать атрибуты узлов; сервисы методов, которые вызывают функции, исполняемые элементами; сервисы для мониторинга узлов в режиме подписки. Эти сервисы периодически контролируют переменные, атрибуты и события, а также генерируют уведомления при наступлении заданных условий; сервисы для осуществления подписки и публикации уведомлений.

13 Концепция системы на базе OPC UA Система на базе ОРС UА может содержать множество клиентов и серверов. Каждый клиент может работать параллельно с несколькими серверами, и каждый сервер может обслуживать нескольких клиентов. Пользовательское приложение (например, SСАDА) может создавать комбинированные группы клиентов и серверов для ретрансляции сообщений, которыми оно обменивается с другими клиентами и серверами, как показано на рис Клиентом при взаимодействии с ОРС-сервером является прикладная программа, например, SСАDА.