Лекция №6 Программно-технические средства для построения интегрированных систем проектирования и управления. Организация взаимодействия с контроллерами (часть 2).

Современные SCADA - системы не ограничивают выбора аппаратуры нижнего уровня (контроллеров), так как предоставляют большой набор драйверов или серверов ввода/вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов новых устройств нижнего уровня.

Для подсоединения драйверов ввода/вывода к SCADA - системе в настоящее время используются следующие механизмы:

• динамический обмен данными (DDE);

• собственные протоколы фирм-производителей SCADA - систем, реально обеспечивающие самый скоростной обмен данными;

• OPC - протокол, который, с одной стороны, является стандартным и поддерживается большинством SCADA - систем, а с другой стороны, лишен недостатков протоколов DDE.

Изначально протокол DDE применялся в первых человеко - машинных интерфейсах в качестве механизма разделения данных между прикладными системами и устройствами типа ПЛК (программируемые логические контроллеры). Для преодоления недостатков DDE, прежде всего для повышения надежности и скорости обмена, разработчики предложили свои собственные решения (протоколы), такие как AdvancedDDE или FastDDE - протоколы, связанные с пакетированием информации при обмене с ПЛК и сетевыми контроллерами. Но такие частные решения приводят к ряду проблем:

• для каждой SCADA - системы пишется свой драйвер для поставляемого на рынок оборудования;

• в общем случае, два пакета не могут иметь доступ к одному драйверу в одно и то же время, поскольку каждый из них поддерживает обмен именно со своим драйвером.

ТЕХНОЛОГИЯ ОРС

Сравнительно давно в АСУ ТП обмен данными между программами и устройствами осуществляется с использованием стандарта OPC. Стандарт разработан ассоциацией OPC Foundation. В настоящее время в ассоциации более 500 членов, и поддержка стандарта осуществляется всеми крупными производителями аппаратных и программных средств АСУ ТП и промышленными ассоциациями.

OPC (OLE for Process Control) – это стандарт взаимодействия между программными компонентами системы сбора данных и управления (SCADA), основанный на объектной модели COM/DCOM фирмы Microsoft. Через интерфейсы OPC одни приложения могут читать или записывать данные в другие приложения, обмениваться событиями, оповещать друг друга о нештатных ситуациях (тревогах), осуществлять доступ к данным, зарегистрированным в архивах (так называемые «исторические» данные). Эти приложения могут располагаться как на одном компьютере, так и быть распределенными по сети, при этом независимо от фирмы-поставщика стандарт OLE for Process Control, признанный и поддерживаемый всеми ведущими фирмами-производителями SCADA-систем и оборудования, обеспечит их совместное функционирование. Особый класс OPC-приложений представляют собой OPC-серверы конкретных аппаратных устройств – они поставляются многими производителями аппаратуры (а также независимыми производителями, но в этом случае они, как правило, не бесплатные). Устройство, для которого есть OPC-сервер, может использоваться вместе с любой современной SCADA-системой.

Технология OPC позволяет различным программным модулям, разработанным самостоятельно или другими компаниями, взаимодействовать друг с другом через унифицированный интерфейс. Стандарт OPC описывает два типа интерфейсов для приложений. Первый тип интерфейса предназначен для обмена большими объёмами информации при высокой пропускной способности. Это специализированный интерфейс OLE custom interface. Второй тип интерфейса – OLE Automation interface – позволяет получать доступ к данным более простым способом. Он предназначен для использования в программах, написанных на языках Visual Basic (VB). Основным объектом данной технологии является OPC-сервер, который отвечает за получение данных, запрошенных клиентом, от соответствующего устройства управления процессом. На каждом сервере имеется некоторое количество OPC-групп, объединяющих наборы данных, запрос на получение которых поступил от клиента. Группы на сервере могут быть доступны нескольким клиентам одновременно или только одному клиенту. OPC-группа содержит набор OPC-элементов, в которых хранятся данные, поступившие от соответствующего устройства управления процессами. Клиент может произвольно объединять элементы в группы. Схематично это изображено на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Схема компоновки данных ОРС

Концепция стандарта OPC

Стандарт состоит из трех основных спецификаций:

1) доступ к данным реального времени (Data Access);

2) обработка тревог и событий (Alarms & Events);

3) доступ к историческим данным (Historical Data Access).

OPC-серверов, соответственно, тоже может быть три вида, хотя не возбраняется совмещать все эти функции в одном. OPC-серверы физических устройств обычно являются только серверами данных (Data Access Servers).

Сервер тревог формирует определенные логические переменные, называемые состояниями (conditions), имея в качестве исходной информации некую переменную (тег), полученную от сервера данных. Состояния изменяют свое значение, если переменная, например, вышла за допустимые границы. Об изменении состояния сервер тревог оповещает клиентов, посылая им событие (тревогу), а клиент возвращает серверу подтверждение, что он тревогу воспринял. Впрочем, могут существовать состояния, не связанные с каким-либо параметром и управляемые сервером тревог по собственному усмотрению (например, если сервер тревог напрямую взаимодействует с аппаратурой, он может устанавливать или снимать состояние неисправности). Серверы исторических данных получают от серверов данных параметры в реальном времени и архивируют их, а затем предоставляют эти данные другим приложениям (например, для построения графиков трендов). Центральное место среди спецификаций OPC занимает доступ к данным реального времени (Data Access). Это самая старая и отработанная спецификация, в настоящее время действует ее вторая версия. Базовым понятием этой спецификации является элемент данных (Item). Каждый элемент данных (то есть фактически – параметр технологического процесса) имеет значение, время последнего обновления (timestamp) и признак качества, определяющий степень достоверности значения.

Процесс стандартизации

Стандарт OPC разрабатывает независимая организация – OPC Foundation (www.opc-foundation.org), насчитывающая более 170 членов, среди которых Siemens, Fisher-Rosemount, Honeywell, Rockwell, Iconics и др., то есть практически все известные (и не очень известные) компании-производители SCADA-систем и оборудования для систем промышленной автоматизации. Техническая деятельность OPC Foundation осуществляется в рабочих группах по направлениям. Среди этих направлений:

– доступ к данным реального времени OPC (Data Access Working Group);

– обработка тревог и событий (OPC Alarms and Events Working Group);

– защита данных (OPC Security Working Group);

– подтверждение соответствия стандартам OPC (OPC Compliance Working

Group);

– доступ к историческим (архивным) данным (OPC Historical Working Gro%

up);

– Windows CE (OPC Windows CE Working Group).

Рис. 12.2. Структурная схема передачи и резервирования ОРС-серверов данных

Аппаратная реализация связи с устройствами ввода/вывода

Для организации взаимодействия с контроллерами могут быть использованы следующие аппаратные средства:

• COM - порты. В этом случае контроллер или объединенные сетью контроллеры подключаются по протоколам RS-232, RS-422, RS-485.

• Сетевые платы. Использование такой аппаратной поддержки возможно, если соответствующие контроллеры снабжены интерфейсным выходом на Ethernet.

• Вставные платы. В этом случае протокол взаимодействия определяется платой и может быть уникальным. В настоящее время предлагаются реализации в стандартах ISA, PCI, CompactPCI.

Пример ОРС-сервера.

Рис. 12.3. Lectus Modbus OPC/DDE сервер

Lectus Modbus OPC/DDE сервер предназначен для получения данных из Modbus сети и предоставления их OPC или DDE клиентам. OPC клиентом может выступать любая SCADA система: Intouch, Genesis, TraceMode и др. Любой ОРС-клиент может обмениваться данными с любым ОРС сервером вне зависимости от специфики устройства, для которого разрабатывался конкретный ОРС сервер. DDE клиентом может выступать любая программа поддерживающая обмен через DDE. Например, Microsoft Excel и др.

Данная версия ОРС сервера поддерживает стандарт OPC Data Access Custom 2.05A и OPC Historical Data Access 1.20. OPC сервер может работать в режиме "Master" и "Slave". Поддерживается работа в режиме как локального, так и удаленного сервера. Это означает, что приложения-клиенты могут обращаться к серверу расположенному, как на том же компьютере, так и на других компьютерах сети.

Lectus Modbus OPC/DDE сервер может работать в разных режимах работы. Программа может работать и как Master, и как Slave. Причем может быть одновременно и Master-ом и Slave-ом. Lectus Modbus OPC/DDE сервер опрашивает Modbus контроллеры используя протоколы Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP. OPC клиенты и SCADA системы могут подключаться к серверу как локально, так и удаленно через DCOM. Ниже перечислены возможные режимы работы сервера.

Режим Master

Рис. 12.4. Режим Master

В режиме Master сервер самостоятельно опрашивает Modbus контроллеры по протоколам Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP.

Режим Slave

Рис. 12.5. Режим Slave

В режиме Slave сервер отвечает на Modbus запросы от Master-ов по протоколам Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP.

Режим Master&Slave

Рис. 12.6. Режим Master&Slave

В режиме Master&Slave сервер может как опрашивать Modbus контроллеры по протоколам Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus TCP, так и отвечать на Modbus запросы от Master-ов.

Режим удаленного подключения Master&Slave

Рис. 12.7. Режим удалённого Master&Slave

В режиме удаленного подключения Master&Slave один сервер работает в режиме Master&Slave, а второй сервер осуществляет удаленное подключение к первому с помощью Modbus TCP или модемного подключения. Данный режим можно использовать для получения данных с удаленных точек доступа.

Главное окно программы

Вся информация об устройствах, группах и переменных отображается в главном окне программы.

Рис. 12.8. Главное окно

Главное окно программы состоит из следующих частей:

1. меню

2. панель инструментов

3. дерево элементов конфигурации. В ней в виде дерева отображаются узлы и переменные входящие в конфигурацию.При каждом подключении клиента создается экземпляр сервера обслуживающего данного клиента. Экземпляр сервера в дереве идентифицируется как "OPC DA сервер", "OPC HDA сервер" или "DDE сервер" (см. рис.).

4. отображение списка переменных принадлежащих выбранному в левой части узлу дерева конфигурации или группе подключенного клиента. При выборе группы отображается: полное имя переменной, состояние переменной (активна/не активна), значение, время обновления, качество переменной, качество связи, описание. Качество связи определяет процентное соотношение верных и не верных запросов для данной переменной (100% - OK). Список доступых параметров редактируется через пункт меню "Настройка" -> "Настройка колонок".

5. лог приема/передачи.

Рис. 12.9. Лог приема/передачи