Dostępnie o standardach OPC DA i OPC UA

OPC (skr. z ang. Open Platform Communications, dawniej ang. OLE for Process Control) — to zestaw technologii programowych, które zapewniają jeden interfejs do sterowania różnymi urządzeniami i wymiany danymi. Specyfikacje OPC zostały opracowane przez międzynarodową organizację niekomercyjną OPC Foundation, którą w 1994 roku założyli wiodący producenci urządzeń automatyki przemysłowej. Celem założycieli OPC było zapewnienie inżynierom uniwersalnego interfejsu do sterowania różnymi urządzeniami.

Wdrażając wsparcie klienta OPC, twórcy systemów SCADA uwolnili się od konieczności obsługi setek sterowników dla różnych urządzeń, a producenci urządzeń, po dodaniu serwera OPC, zyskali pewność, że ich produkt może być stosowany przez użytkowników dowolnych systemów SCADA.

Technologia OPC obejmuje kilka standardów, które opisują zestaw funkcji o określonym przeznaczeniu. Aktualne standardy:

• OPC DA (Data Access) najbardziej rozpowszechniony standard. Opisuje zestaw funkcji wymiany danych w czasie rzeczywistym z urządzeniami PLC, DCS, HMI, CNC i innymi.
• OPC HDA (Historical Data Access) udziela dostępu do już zapisanych danych i historii.
• OPC AE (Alarms & Events) udostępnia funkcję powiadamiania na żądanie o różnych zdarzeniach: sytuacje awaryjne, działania operatora, komunikaty informacyjne i inne.
• OPC Batch udostępnia funkcję zarządzania etapowego i recepturowego procesem technologicznym.
• OPC DX (Data eXchange) udostępnia funkcję organizacji wymiany danych między serwerami OPC poprzez sieć Ethernet. Podstawowe przeznaczenie — tworzenie bram do wymiany danych między urządzeniami i programami różnych producentów.
• OPC Security określa funkcje organizacji prawa dostępu klientów do danych serwera OPC.
• OPC XML-DA (XML-Data Access) zapewnia elastyczny, zarządzany na podstawie regulaminu format wymiany danych poprzez XML, SOAP oraz HTTP.
• OPC Complex Data dodatkowe specyfikacje do OPC DA i XML-DA, które pozwalają serwerom pracować ze złożonymi typami danych, takimi jak struktury binarne oraz dokumenty XML.
• OPC Commands zestaw interfejsów programowych, który pozwala klientom i serwerom OPC identyfikować, wysyłać i kontrolować polecenia, wykonywane przez kontroler lub moduł wejścia/wyjścia.
• OPC UA (Unified Architecture) najnowsza specyfikacja, która jest oparta nie na technologii Microsoft COM, co zapewnia kompatybilność między platformami.

Najbardziej rozpowszechnionym standardem jest OPC DA, jednak ma on istotną wadę. W czasach jego opracowania on był oparty na nowoczesnych technologiach Windows: OLE, ActiveX, COM/DCOM, ale od tego czasu w branży zaszły znaczne zmiany i szeroko rozpowszechniły się inne SO (systemy operacyjne) i technologie. Dlatego technologię OPC zmieniono i stała się ona niezależna od platformy oraz opracowano standard OPC UA (Unified Architecture) na bazie otwartych technologii wieloplatformowych.

Zastosowanie OPC

Na ogół technologię OPC stosowane są do wymiany danych między kontrolerami a systemem SCADA, ale również możliwe jest zorganizowanie skomplikowanych systemów na różnych poziomach zautomatyzowanych systemów zarzadzania procesami technologicznymi.

OPC składa się z dwóch części: klienta OPC i serwera OPC. Oprogramowanie serwera OPC poprzez sterowniki urządzeń przez szyny polowe przepytuje różne urządzenia. Oprogramowanie klienta OPC na ogół jest wbudowane do systemu SCADA i przeznaczone jest do odbioru danych z serwera OPC.

W przedsiębiorstwie można wyróżnić kilka poziomów ZSZ (Zautomatyzowany System Zarządzania):

• Dolny poziom — szyny polowe (fieldbus) i oddzielne kontrolery
• Średni poziom — sieci wydziałowe
• Poziom zautomatyzowanych systemów zarzadzania procesami technologicznymi — poziom działania systemów typów SCADA
• Poziom ZSZP (Zautomatyzowany System Zarządzania Przedsiębiorstwem) — poziom aplikacji do zarządzania zasobami przedsiębiorstwa, ERP, MES

Każdy z tych poziomów może być obsługiwany przez serwer OPC, dostarczając dane do klienta OPC na wyższym poziomie lub do sąsiedniego urządzenia.

Działanie serwera OPC DA

Serwer OPC DA zapewnia wymianę danych (zapis i odczyt) między programem klienta (zwykle systemem SCADA) a urządzeniami końcowymi. Dane w OPC stanowią zmienną Тег z pewnymi właściwościami. Zmienna może być dowolnego typu, dopuszczalnego w OLE: różne typy całkowite i rzeczywiste, typ logiczny, tekstowy, data, masyw itd. Właściwości mogą być obowiązkowe, zalecane i skonfigurowane przez użytkownika.

Właściwości wymagane:

• Bieżąca wartość zmiennej, jej typ i prawo dostępu (odczyt i/lub zapis).
• Jakość zmiennej zależy od wyjścia mierzonej wartości poza granice zakresu dynamicznego, braku danych, braku połączenia i innych parametrów. Zwykle przyjmuje wartości: dobra/zła/nieokreślona oraz informacje dodatkowe.
• Znacznik czasowy informuje o czasie, kiedy zmienna uzyska daną wartość.
• Częstotliwość odpytywania zmiennej przez serwer OPC określa czas aktualizacji wartości zmiennej.
• Opis zmiennej, który zawiera informacje dla użytkownika o tym, czym jest dana zmienna.

Dodatkowo mogą być podane właściwości nieobowiązkowe: zakres zmian wartości, jednostka miary i inne parametry, skonfigurowane przez użytkownika.

Do odczytu danych z serwera OPC można używać różnych trybów:

• Tryb synchroniczny: klient wysyła zapytanie do serwera i czeka na jego odpowiedź.
• Tryb asynchroniczny: klient wysyła zapytanie i natychmiast przechodzi do wykonania innych zadań. Serwer po przetwarzaniu zapytania wysyła do klienta powiadomienie i ten odbiera przesłane dane.
• Tryb subskrypcji: serwer wysyła do klienta tylko te tagi, które zostali zmienione. Aby szum danych nie był mylony z ich zmianą, zostało wprowadzone pojęcie „martwej strefy”, która nieznacznie przekracza maksymalnie możliwe wahania zakłócenia
• Tryb aktualizacji danych: klient wywołuje jednoczesny odczyt wszystkich aktywnych tagów. Aktywnymi nazywane są wszystkie tagi, oprócz oznaczonych jako „pasywne”. Taki podział tagów zmniejsza obciążenie procesora z powodu aktualizacji danych, przyjmowanych z urządzenia fizycznego.

Klient otrzymuje dane z serwera OPC albo z bufora, albo od razu z urządzenia końcowego. Odczyt z bufora jest wykonywany szybciej, ale dane w nim mogą być nieaktualne w momencie odczytu. Serwer OPC cyklicznie aktualizuje dane, odpytując urządzenia końcowe.

Zapis danych w urządzeniu końcowym odbywa się w trybie synchronicznym lub asynchronicznym bez pośredniego buforowania. W trybie synchronicznym klient wykonuje zapis danych i czeka, dopóki nie odbierze potwierdzenia wykonania polecenia od urządzenia końcowego. Proces ten może zająć dużo czasu, podczas którego klient oczekuje. Tryb asynchroniczny pozwala klientowi wysłać zapytanie do serwera i zając się wykonaniem innych zadań. Po zakończeniu zapisu serwer wyśle do klienta powiadomienie.

Standard OPC UA

OPC UA (Unified Architecture) — to nowoczesny standard, opisujący przekaz danych w sieciach przemysłowych. Zapewnia on bezpieczną i niezawodną komunikację między urządzeniami, będąc jednocześnie niezależnym od sprzętu i platformy, co pozwala zapewnić wymianę danych między urządzeniami z różnymi systemami operacyjnymi.

Mocne strony OPC UA — to zorientowany na obiekt model informacyjny, który umożliwia „przegląd” danych (w stylu przeglądarki internetowej), i architektura zorientowana na serwis (SOA). Jeśli wcześniej do tego trzeba było używać kilku serwerów OPC: OPC DA dla danych w czasie rzeczywistym, OPC HDA dla historii i OPC AE dla wydarzeń, teraz to wszystko i jeszcze dużo więcej dostępne jest w jednym standardzie OPC UA. Zamiast drzewa tagów, obecnie zostało wprowadzone pojęcie zespołów lub obiektów. Każdy zespół zawiera zmienne, metody i inne struktury danych realnego obiektu.

Wymiana danych odbywa się teraz poprzez struktury binarne i dokumentu XML. Oprócz modelu klient/serwer staje się dostępny model wydawca/subskrybent. Standard określa również mechanizm obsługi rezerwowania (jeśli jeden klient stanie się niedostępny, to zmieni go inny) i szybkiego przywrócenia połączenia w przypadku błędu. Przekaz danych odbywa poprzez warstwę transportową TCP, HTTP/SOAP lub HTTPS. Zamiast mechanizmów kontroli prawa dostępu Windows, w OPC UA wdrożono obsługę certyfikatów cyfrowych i możliwość szyfrowania przekazywanych danych.

Zrealizowano również wzajemną kompatybilność z OPC DA poprzez specjalną powłokę (wrapper) i moduł proxy. Do przekazu danych przez routery i bramy międzysieciowe OPC DA wymagał użycia pośredniego oprogramowania, a OPC UA działa bez warstwy dodatkowej. Specyfikacja OPC UA ma kilka części, które opisują logikę działania serwerów i klientów. Szczegółowa wersja specyfikacji dostępna jest w standardzie IEC 62541.

Minusy zastosowania OPC

Do mankamentów można zaliczyć:

• Nadużywanie technologii OPC
• Nieuzasadnione zastosowanie technologii WEG w zautomatyzowanych systemach zarzadzania procesami technologicznymi
• Zastosowanie protokołów czasu rzeczywistego w zadaniach telemechanicznych

Na przykład, dowiedziałeś się o dobrej technologii OPC i starasz się zamienić wszystkie protokoły poziomu dolnego na OPC. Ale konwersja protokołów przemysłowych Modbus, Profibus i jakichkolwiek innych na PC zajmie dużo czasu i doprowadzi do zbędnego wykorzystania zasobów komputerowych. Na podstawie testów stwierdzono, że system SCADA działa 2 razy szybciej bezpośrednio z protokołami przemysłowymi, niż poprzez pośredni serwer OPC. Oczywiście, są systemy, gdzie procesu nie trzeba kontrolować w czasie rzeczywistym, ale należy to uwzględniać podczas projektowania zautomatyzowanych systemów zarzadzania procesami technologicznymi.

Do wad także można zaliczyć skomplikowane konfigurowanie ustawień serwera OPC i konieczność ręcznego przyporządkowania tysiąca tagów. Oprócz tego, serwer OPC nie zawsze jest dostarczany bezpłatnie i najczęściej trzeba będzie kupować oddzielną licencję dla każdego komputera.

Jeśli system wysyła dane poprzez Internet do Chmury, to w przypadku słabego szyfrowania mogą one być potencjalnie dosięgalne oraz stanowić cel ataków hakerów, co stawia pod znakiem zapytania bezpieczeństwo całego zautomatyzowanego systemu zarzadzania procesami technologicznymi.

OPC UA do działania w czasie rzeczywistym

OPC UA over TSN — do wsparcia działania w czasie rzeczywistym technologia OPC UA (zamiast modelu klient/serwer) może stosować model wydawca/subskrybent wraz z technologią TSN (Time-Sensitive Networking).

Model klient/serwer dobrze działa w przypadku podłączenia punkt-punkt, ale jeśli pojawia się dużo urządzeń, to występują opóźnienia w aktualizacji danych. Model wydawca/subskrybent zapewnia łączność od jednego do wielu i od wielu do wielu. Serwer wysyła swoje dane do sieci (publikacja), a każdy klient może odebrać te dane (subskrypcja).

Technologia Ethernet z TSN uzupełnia istniejące środki Ethernet w zakresie zapewnienia jakości obsługi przekazu danych (QoS), w tym przydzielenie pasma przepustowego, synchronizacja, gwarancja niskich wartości opóźnienia i zapewnienie rezerwowania. Dane, które przekazywane są przez różne urządzenia poprzez sieci Ethernet, są strumieniami. Komutatory Ethernet z TSN pozwalają przydzielić własne pasmo przepustowe do każdego strumienia i zapewnić jego przekaz w czasie rzeczywistym. Kilka strumieni można połączyć (nazywa się to konwergencją sieciową) i zorganizować ich przekaz w jednej sieci w trybie czasu rzeczywistego. Okazuje się, że bez technologii TSN przez jedną sieć Ethernet można przekazywać tylko jeden protokół czasu rzeczywistego, a z TSN — kilka.

Połączenie technologii OPC UA over TSN umożliwia zorganizowanie komunikacji między urządzeniami od różnych producentów i gwarantuje ciągłość odbioru danych w trybie czasu rzeczywistego.

OPC Foundation planuje zastosowanie OPC UA nie tylko do przekazu danych między kontrolerami a systemem SCADA, ale także na poziomie polowym od czujników i urządzeń IoT do kontrolerów, oraz od systemów lokalnych do Chmury. W tym celu planowany jest podział standardu OPC UA na 4 części w zależności od wydajności urządzenia i wymaganych od niego możliwości:

• Nano Embedded Device Server: nadaje się do najmniejszych czujników.
• Micro Embedded Device Server: nadaje się do niedrogich PLC (Programowalny sterownik logiczny).
• Embedded UA Server: nadaje się do PLC o większej mocy i bram granicznych.
• Standard UA Server: pełnowartościowa realizacja, obsługująca wszystkie funkcje.

Perspektywy

Z pewnością można powiedzieć, że, choć standard OPC DA nadal jest szeroko stosowany, jednak już nie odpowiada współczesnym wymaganiom automatyzacji. Opiera się on na przestarzałych technologiach, jest trudny do skonfigurowania i nie odpowiada współczesnym standardom bezpieczeństwa. Został on zamieniony na nowoczesny standard OPC UA z możliwością szyfrowania danych i utworzenia ujednoliconych systemów przekazu danych od czujników do Chmury. Wspólne zastosowanie OPC UA z TSN pozwala znacznie poszerzyć możliwości technologii przekazu danych w czasie rzeczywistym. Oczywiście nie warto od razu biec i pozbywać się OPC DA, ale można stopniowo modernizować istniejące systemy i przechodzić na OPC UA poprzez specjalne powłoki (wrapper) i moduły proxy.

W celu uzyskania dalszych informacji lub zamówień prosimy o kontakt z naszym zespołem sprzedaży za pośrednictwem poczty elektronicznej: sales@ipc2u.pl lub skontaktuj się z nami bezpośrednio telefonicznie: +48 22 208 7702