Představte si, že připravujete aplikaci pro sběr dat z tisíců kritických bodů v podniku s pomocí protokolů TCP/IP přes síť ethernet. Kromě zajištění, aby všechna měřicí zařízení byla vzájemně slučitelná, je důležité vše integrovat do uživatelsky přehledného monitorovacího a řídicího systému. Připadá vám tento úkol složitý?
Přestože OPC rozhraní se již léta používá pro propojení mezi ethernetovými měřicími zařízeními a SCADA systémy, existuje několik omezujících faktorů, které mnoho systémových integrátorů od tohoto řešení odrazuje. Naštěstí existují aktivní OPC servery s tzv. „push“ architekturou, které učinily OPC rozhraní životaschopnějším a vhodným i pro SCADA aplikace se sběrem dat přes ethernet.
Co je to OPC?
Výrobci průmyslových zařízení neustále hledají způsob jak propojit své komunikační rozhraní s monitorovacími a řídicími zařízeními nebo rozšířenými softwarovými aplikacemi, jako jsou SCADA nebo HMI systémy. Zatímco vývojáři SCADA a HMI systémů ztrácejí čas modernizací, úpravou a testováním kompatibility svých systémů pro nová zařízení, výrobci zařízení se musí obávat o podporu svých komunikačních protokolů ze strany softwarových systémů. Důsledkem je že integrace, kompatibilita a modernizace je velkou starostí jak výrobců zařízení, tak softwarových vývojářů.
V roce 1996 zavedla OPC Foundation soubor norem a specifikací známých jako OPC (OLE for Process Control) pro vyřešení tohoto problému a snadnou interoperabilitu v oblasti průmyslové automatizace.
Obr. 1: Systém bez OPC rozhraní a s OPC
OPC je soubor norem a specifikací vyvinutý společností Microsoft a sdružením dodavatelů zařízení pro průmyslovou automatizaci např. Rockwell, Siemens AG a Intellution. Jádrem OPC jsou technologie Microsoft OLE COM (component object model) a DCOM (distributed component object model), které poskytují společné metody pro výměnu dat mezi aplikacemi nebo používá "Okolní počítače" pro vzdálené procházení složek na síti. OPC server může být nainstalován na stejném počítači jako OPC klient, nebo kdekoli jinde na lokální síti. Tento COM/DCOM framework má definovanou sadu objektů, rozhraní a metod pro usnadnění komunikace v procesech řízení a automatizace výroby. Díky integraci OPC standardu do softwaru (SCADA) i hardwaru mohou průmyslová zařízení snadno komunikovat s centrálním monitorovacím softwarem. Pro SCADA/HMI vývojáře to znamená, že OPC klient může být nyní integrován jako standardní ovladač pro komunikaci se síťovými zařízeními, což usnadńuje podporu měřicích převodníků, řídicích systémů, signalizačních prvků a I/O zařízení. Pro výrobce zařízení znamená poskytnutí OPC serveru ke svým produktům možnost propojení se SCADA systémy, které představují více než 80% aplikací pro sběr dat.
První metoda: Rozhodování podle síly signálu
Jedním z nejběžnějších metod pro zvýšení rychlosti roamingu je použití rozhodovací úrovně síly signálu pro roaming
OPC server je v podstatě middleware, který propojuje průmyslová zařízení a SCADA/HMI systémy. Skládá se ze dvou vrstev. Horní vrstva (OPC vrstva) je společné OPC rozhraní sdružující různé OPC specifikace - OPC Data Acquisition (DA), OPC Alarms and Events (A&E), OPC Historical Data Access (OPC HDA) a OPC XML. Tato vrstva se připojuje k aplikačnímu softwaru, který má zabudovaného OPC klienta. Spodní komunikační vrstva obsahuje komunikační rozhraní (označované jako ovladač) a zajišťuje komunikaci s průmyslovým zařízením. Spodní vrstva bývá vytvářena výrobci zařízení, nebo nezávislými dodavateli OPC serverů.
Přestože má OPC mnoho výhod, programátoři systémů pro sběr dat a SCADA se ho občas z některých důvodů obávají. Patří mezi ně:
1. Komplikace při použití OPC serverů
2. Nedostatek dalších výhod
Komplikace při použití OPC serverů
1. Složitá konfigurace OPC serverů
První věc, kterou musí uživatel pro aktivaci OPC serveru udělat je připojení zařízení. Tento proces zahrnuje nastavení kanálů, rozhraní, zařízení, adres, formátu dat atd. Tato konfigurace je specifická pro aktuálně připojené zařízení k OPC serveru a jeho komunikační protokoly. Je tomu tak proto, že zjednodušeně řečeno pro výrobce zařízení reprezentuje OPC server převodník protokolu jeho zařízení na OPC protokol. To znamená, že pokud systémový integrátor potřebuje zařízení připojit přes OPC, musí znát nejen OPC standardy, ale i podrobnosti o komunikaci každého připojovaného zařízení. Výsledkem je dlouhý čas potřebný k sestavení celého spojení, a to i v případě zkušeného technika.
2. Vysoké náklady na OPC server
U SCADA systémů je obvyklé platit licenční poplatky podle počtu vstupních a výstupních bodů (bývají také nazývány kanály nebo tagy). Licence umožňuje používat vestavěný ovladač pro připojené zařízení. Výrobci zařízení i nezávislí dodavatelé OPC serverů obvykle uplatňují pro použití OPC serveru stejný princip licenčních podmínek. To znamená, že při využití OPC rozhraní ve SCADA systému je potřeba platit za připojené body dva licenční poplatky. Vzhledem k nákladnosti takového řešení upřednostňuje mnoho uživatelů jiné řešení pro komunikaci se zařízením před implementaci OPC serveru.
Nedostatek dalších výhod
Jak již bylo popsáno, připojení zařízení k OPC serveru znamená v podstatě jen konfiguraci komunikačních protokolů. Proč pak uživatel potřebuje další middleware, jako OPC? Pokud je cílem jen snadná integrace, proč nevyužít protokoly zařízení pro přímé připojení a vyhnout se OPC rozhraní? Jaké výhody OPC server přinese mimo samotného propojení? Integrátoři SCADA systémů se primárně zaměřují na zkracování odezvy při komunikaci, zlepšení flexibility při připojování vzdálených zařízení, snižování zatížení komunikační sběrnice, menší zatížení CPU a vyšší výkon svých aplikací. Pokud nepřichází adekvátní odpověď na tyto otázky, je nepravděpodobné, že integrátor využije OPC rozhraní.
Aktivní OPC servery s push technologií
Kromě standardní klient/server architektury je nyní k dispozici nová push technologie OPC serverů používaná pro připojení ethernetových zařízení pro sběr dat do SCADA systémů.
Obr. 4: Aktivní OPC server s technologií push a tradiční OPC server s dotazováním
1. Push technologie pro generování proměnných
Aktivní OPC server je schopný generovat proměnné a další informace pro koncové zařízení automaticky bez nutnosti aby systémový integrátor zadával IP adresu, I/O kanály a formát dat ručně, nebo musel upravovat a importovat textový konfigurační soubor. V této push technologii se jedním stisknutím tlačítka automaticky importuje konfigurační profil ze zařízení do OPC serveru a uživatel nemusí ztrácet čas hledáním zařízení v síti nebo studiem uživatelské příručky pro zjištění detailů o jeho komunikaci. Bylo zjištěno, že vytvoření jedné proměnné v klasickém OPC serveru trvá v průměru 2,5 minuty a 60% této doby připadá na vyhledávání informací v uživatelských příručkách. Při využití push technologie aktivního OPC serveru může uživatel vygenerovat všechny potřebné proměnné během několika sekund.
Druhým způsobem jak zvýšit rychlost roamingu je sjednocení čísel kanálů u všech AP, aby se ušetřil čas potřebný pro přepínání kanálů u roamingu. Jednotný výběr kanálu ale způsobuje rušení, a proto se uživatelům doporučuje z důvodu eliminace rušení nastavit různá čísla kanálů u sousedních AP.
2. Push technologie pro komunikaci se zařízením
V sítích ethernet s protokoly TCP/IP je vždy nutné, aby vzdálené zařízení mělo pevnou IP adresu a OPC server se k němu mohl prostřednictvím této adresy připojit. To ale vytváří problémy pro správce sítí a poskytovatele internetového připojení. Příkladem jsou mobilní zařízení, kterým bývá obvykle přidělována dynamická IP adresa, protože se neustále přemísťují a to i mezi různými sítěmi. U dynamických adres je ale velmi obtížné, aby OPC server vyhledal a připojil takové zařízení v internetu. Ideální by bylo získání pevných adres pro každé zařízení, ale je to cenově nedostupné.
Aktivní OPC server ale tuto situaci mění, protože se k němu připojují vzdálená zařízení bez ohledu na svou vlastní IP adresu podobně jako k webovému serveru. Tato push technologie umožňuje, aby přístroje byly kdekoli v síti a jejich IP adresy se neustále měnily. Tím se stává použití OPC technologie jednoduché i v rámci internetu, sítí WAN a přes firewall. Tradiční OPC servery, zejména ty které se používají v aplikacích sběru dat, touto schopností nedisponují.
3. Push technologie pro aktualizaci proměnných
Většina průmyslových ethernetových protokolů jako je Modbus/TCP nebo podobné proprietární protokoly definují dva typy zařízení: „master“ a „slave“. Jak naznačuje terminologie, slave zařízení reagují na dotazy od master zařízení. Rostoucí počet zařízení a jejich kanálů přispívá k vyššímu zatížení CPU a komunikačních linek a delší době odezvy při cyklickém dotazování všech zařízení. Push technologie pro aktualizaci stavu proměnných může pomoci v řešení těchto problémů. Namísto dotazování a čekání na vypršení časového limitu pro odpověď u tradičních OPC serverů čeká aktivní OPC server pouze na automatické zaslání aktuálních dat ze vzdáleného zařízení v případě vzniku události (změna stavu na vstupech, překročení přednastavených mezí, plánované intervaly pravidelné aktualizace). Výsledkem je že aktivní OPC server snižuje dobu odezvy a zatížení CPU díky událostmi a pravidelnými aktualizacemi řízené push technologii.
Výkonnostní testy ukázaly, že aktivní OPC server s push architekturou má 7-krát rychlejší odezvu než tradiční OPC servery (testováno na systému s 2560 I/O kanály). V testu zatížení sítě vykazoval aktivní OPC server o 80% nižší síťový provoz. Výsledkem je kvalitnější přístup k I/O a podstatně nižší náklady, zejména pokud připojení ke vzdálené lokalitě má omezenou šířku pásma (satelit, mikrovlnný spoj, mobilní síť). Současně je zatížení procesoru SCADA/HMI systému nižší o 35%, takže může být použitý levnější hardware a menší jsou i servisní náklady.
Aktivní OPC server je klíčem k úspěchu
Díky architektuře aktivního OPC serveru s push technologii se již nemusí systémoví integrátoři obávat o dostatečný výkon procesoru a kapacitu komunikační linky. Událostmi řízené aktualizace prováděné v reálném čase úplně eliminují čekání na odpověď při dotazu, poskytují větší flexibilitu při přidělování IP adres v LAN/WAN sítích. A nakonec ta největší výhoda. Aktivní OPC server Moxa je zdarma!
Více informací
|
