Состав па. Спу и. Орс-сервер
Стандарт OPC разработан международной организацией ОРС Foundation членами которой являются более 400 фирм, работающих в области средств автоматизации и измерительной техники. Основателями организации являются фирмы Fisher-Rosemount, Rockwell Software, Opto 22, Intellution и Intuitive Technology. Первая версия стандарта OPC была выпущена в 1998 г. В совет директоров OPC Foundation в 2008 году входили представители Siemens AG, Emerson Process Management, Yokogawa, Honeywell, Rockwell Automation, ICONICS.
Обзор стандарта opc
Главной целью стандарта OPC 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 SCADA-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.
После появления стандарта ОРС практически все SCADA-пакеты были перепроектированы как ОРС-клиенты, а каждый производитель аппаратного обеспечения стал снабжать свои контроллеры, модули в/в, интеллектуальные датчики и исполнительные устройства стандартным ОРС-сервером. Благодаря появлению стандартизации интерфейса стало возможным подключение любого физического устройства к любой SCADA, если они оба соответствовали стандарту ОРС. Разработчики получили возможность проектировать только один драйвер для всех SCADA-пакетов, а пользователи получили возможность выбора оборудования и программ без прежних ограничений на их совместимость.
Стандарт ОРС относится только к интерфейсам, которые ОРС-сервер предоставляет клиентским программам. Метод же взаимодействия сервера с аппаратурой (например, с модулями в/в) стандартом не предусмотрен, и его реализация возлагается полностью на разработчика аппаратуры.Поэтому стандарт ОРС может быть использован не только для взаимодействия SCADA с «железом», но и для обмен 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 Basic, VBA, Delphi и т.п. В этих задачах ОРС-сервер используется как Microsoft DCOM-объект, от которого он отличается только стандартизацией обозначений и специфическими терминами из области ПА. 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. Стандарт ОРС состоит из нескольких частей:
ОРС DA (ОРС Data Access) - спецификация для обмена данными между клиентом (например SCADA) и аппаратурой (контроллерами, модулями в/в и др.) в реальном времени;
ОРС Alarms & Events (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 HDA (Historical Data Access) - спецификация для доступа к предыстории процесса (к сохраненным в архиве данным). Сервер обеспечивает унифицированный способ доступа с помощью DCOM технологии. Обеспечивает чтение, запись и изменение данных;
ОРС Batch - 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 Data eXchange - спецификация для обмена данными между 2-мя ОРС DA-серверами через сеть Ethernet;
ОРС Security - спецификация, определяющая методы доступа клиентов к серверу и обеспечивающая защиту важной информации от несанкционированной модификации;
ОРС XML-DA - набор гибких, согласующихся друг с другом правил и форматов для представления первичных данных с помощью языка XML, веб технологий и сообщений SOAP (гл. 1);
OPC Complex Data - дополнительные спецификации к ОРС DA и XML- DA, которые позволяют серверам работать со сложными типами данных, такими как бинарные структуры и XML-документы;
ОРС Commands - набор программных интерфейсов, который позволяет ОРС клиентам и серверам идентифицировать, посылать и контролировать команды, исполняемые в техническом устройстве (в контроллере, модуле в/в);
ОРС Unified Architecture - принципиально новый набор спецификаций, который уже не базируется на DCOM технологии (п. 9.2.4). Из перечисленных спецификаций в России широко используются только две: ОРС DA и реже - ОРС HDA.
ОРС DA-сервер
Сервер ОРС DA является наиболее широко используемым в ПА. Он обеспечивает обмен данными (запись и чтение) между клиентской программой и физическими устройствами. Данные состоят из 3-х 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.
Существуют четыре стандартных режима чтения данных из ОРС-сервера:
1) синхронный режим: клиент посылает запрос серверу и ждет от него ответ,
2) 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;
3) режим подписки: клиент сообщает серверу список тегов, 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;
4) 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 используют параметр частоты обновления, которая 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 2-мя 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.
ОРС DA-сервер может иметь (не обязательно) пользовательский интерейс, который позволяет выполнять любые вспомогательные функции для облегчения работы с оборудованием. Например, ОРС-сервер NLopc (НИЛ АП) позволяет, помимо обмена данными со SCADA, выполнять следующие полезные функции:
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;
наблюдение значений тегов;
управление правами доступа к ОРС-серверу.
В соответствии со стандартом, ОРС-сервер во время инсталляции автоматически регистрируется в реестре Windows. Запуск сервера осуществляется так же, как любой другой программы, или автоматически из клиентской программы.
На рис. 9.1 показано диалоговое окно ОРС-сервера NLopc. Сервер позволяет выполнить поиск физических устройств, подключенных к СОМ-порту компьютера. На рис. 9.1 окно сервера слева показывает, что к компьютеру подключены 3 модуля ввода: NL16HV, NL8TI и NL8AI. Для удобства представления измеряемых величин (тегов) на объекте автоматизации имена тегов могут быть составными и путь к тегу может быть представлен в виде дерева, как показано на рис. 9.1. Имя выделенного на рисунке тега выглядит как «NL8TI.Laboratory 32. Top.Vin4». Все имена и их структура задаются с помощью средств окна ОРС-сервера.
При использовании ОРС-клиента (например, SCADA), имена тегов, доступные через ОРС-сервер, представляются в аналогичной форме в окне навигатора тегов (рис. 9.2). Клиент показывает все ОРС-серверы, установленные на компьютерах и доступных по сети Ethernet, и позволяет использовать все теги этих серверов.
Рис. 9.1. Пример диалогового окна ОРС-сервера NLopc (НИЛ АП)
Рис. 9.2. Пример диалогового окна навигатора тегов ОРС-клиента
Рис. 9.3. Простой пример взаимодействия прикладных программ и физических устройств через ОРС-сервер на одном компьютере
Примеры архитектуры систем, включающих ОРС-серверы и ОРС-клиентов, показаны на рис. 9.3 и 9.4. В качестве ОРС-клиента может выступать программа на языке С++ (например, SCADA-пакет) или программа на языке Visual Basic, VBA, Delphi или любая другая программа, поддерживающая внедрение СОМ-объектов (рис. 9.3). Программа на языке С++ взаимодействует с ОРС-сервером через интерфейс ОРС Custom, а программа на Visual Basic, VBA, Delphi - через интерфейс автоматизации ОРС Automation. ОРС-сервер и ОРС-клиенты могут работать только на компьютерах и контроллерах с ОС, поддерживающими технологию DCOM (например, Windows ХР и Windows СЕ).
ОРС-сервер подключается к физическим устройствам любым способом; эти способы стандартом не предусмотрены. Например, сервер NLopc (НИЛ АП) использует для каждого физического устройства свой драйвер (рис. 9.3).
Клиентская программа и ОРС-сервер могут быть установлены на одном и том же компьютере, как показано на рис. 9.3, или на разных компьютерах сети Ethernet (рис. 9.4). При наличии нескольких компьютеров каждый из них может содержать ОРС-сервер и подключенный к нему физические устройства.
Рис. в.4. Пример применения ОРС-технологии для сетевого доступа к данным в системах автоматизации
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 DCOM, использующей удаленный вызов процедур (RPC - Remote Procedure Call). Например, SCADA на рис. 9.4 может обратиться за данными к модулю в/в по пути, указанному на рис. 9.4 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. Для наращивания количества СОМ- портов можно использовать преобразователи интерфейса USB в RS-232. К разным портам компьютера могут быть подключены разные промышленные сети. В этом случае ОРС-серверы выполняют функцию межсетевых шлюзов.
ОРС HDA-сервер
Целью ОРС HDA-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 DA-сервер или другой ОРС HDA-сервер. Стандарт распространяется только на интерфейсы для взаимодействия HDA-сервера с клиентскими программами и не устанавливает способов получения или хранения данных.
Спецификация ОРС HDA 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 DA в частности. Например, ОРС клиент может подсоединяться к нескольким ОРС HDA-серверам разных производителей и быть установлен на разных компьютерах в сети Ethernet.
Существует 2 типа HDA-серверов:
простой сервер данных предыстории для построения графиков (трендов);
сервер для хранения данных в упакованном виде с возможностью их об- работки и анализа (например, нахождение среднего, минимального и максимального значения и др.).
Работа с данными заключается в чтении, записи или изменении данных.