Standard wymiany danych
OPC
(OLE for Process Control)
Przemysłowe Sieci Informatyczne
Opracował dr inż. Jarosław Tarnawski
1
Plan wykładu
}ð Organizacja OPC Foundation
}ð Definicje OPC
}ð Historia powstania OPC Foundation
i pierwszego standardu OPC
}ð OLE, COM, DCOM
}ð Rodzaje specyfikacji OPC
}ð Sposób organizacji danych w OPC DA
}ð OPC UA
}ð Główni dostawcy aplikacji OPC
}ð Prezentacja dziaÅ‚ania wymiany danych za pomocÄ… OPC
2
OPC Foundation [1]
Organizacja OPC Foundation powstała w celu zapewnienia
współdziałania (interoperatywności  ang. interoperability) przez
opracowywanie i utrzymywanie otwartych specyfikacji, które
standaryzujÄ… komunikacjÄ™ z wykorzystaniem:
}ð danych o charakterze: aktualnych danych procesowych,
alarmów i systemów zdarzeniowych, danych historycznych,
danych wsadowych,
}ð urzÄ…dzeÅ„ różnych producentów takich jak czujniki, urzÄ…dzenia
wykonawcze, PLC, RTU (ang. RemoteTerminal Unit), DCS (ang.
Distribiuted Control System), HMI, systemy obsługi trendów,
systemy alarmów i wielu innych w wielu gałęziach przemysłu.
3
OPC Foundation cd.
}ð Organizacja OPC posiada ponad 300 czÅ‚onków z caÅ‚ego
świata wliczając w to niemal wszystkich głównych
producentów systemów sterowania, producentów
urządzeń pomiarowych i wykonawczych, aplikacji SCADA
itd. Pierwsze opracowania organizacji zostały
wypracowane w sierpniu 1996r.
}ð Fundacja wykorzystuje głównie istniejÄ…ce technologie, a
nie opracowuje ich od zera.
}ð Microsoft jest jednym z wiodÄ…cych z czÅ‚onków organizacji
OPC Foundation, dostarczajÄ…cych silne wsparcie
dotyczące obecnych i przyszłościowych rozwiązań
dotyczących ogólnie pojętej komunikacji.
4
Co to jest OPC
}ð Definicja OPC Foundation: OPC is open connectivity via open
standards. They fill a need in automation like printer drivers did for
Windows.
}ð OPC jest otwartÄ… Å‚Ä…cznoÅ›ciÄ… (komunikacjÄ…, wymianÄ… danych) z
wykorzystaniem otwartym standardów. Wypełnia w
automatyce rolę, potrzebę analogiczną do sterowników
drukarek w systemie Windows.
}ð OPC jest otwartÄ… Å‚Ä…cznoÅ›ciÄ… (komunikacjÄ…, wymianÄ… danych) w
automatyce przemysłowej i branżach powiązanych. OPC ma
zapewniać współdziałanie - interoperatywność (ang.
interoperability) za pomocÄ… opracowania i utrzymywania
(prowadzenia) otwartych standardów specyfikacji komunikacji.
5
Co to jest OPC cd.
}ð OPC jest przemysÅ‚owym standardem komunikacji opracowanym
przez organizacjÄ™ OPC Foundation opartym na opracowanej przez
Microsoft technologii OLE COM (ang. Component Object Model) i
DCOM (ang. Distributed Component Object Model)
}ð Standard OPC definiuje sposoby komunikacji miÄ™dzy urzÄ…dzeniami
przemysłowymi, przez co pozwala uniezależnić oprogramowanie
monitorujÄ…ce i sterujÄ…ce, archiwizujÄ…ce, wizualizacyjne itd. od
producentów sprzętu.
}ð Do wielu zalet technologii OPC można zaliczyć m.in.:
" standaryzację komunikacji i wymiany danych przemysłowych,
" dużą uniwersalność i skalowalność rozwiązań,
" znaczne obniżenie kosztów integracji dużych systemów
przemysłowych
6
Klasyczna wymiana danych
Display Trend Report
Application Application Application
Software Software Software Software
Driver Driver Driver Driver
7
Wymiana danych z OPC
Display Trend Report
Application Application Application
OPC OPC OPC
OPC OPC OPC OPC
Software Software Software Software
Driver Driver Driver Driver
8
Historia OPC [2]
}ð Wraz z rozwojem oprogramowania i potrzebÄ… wykorzystania
go w systemach automatyki przemysłowej, pojawiała się
konieczność stworzenia standardowych, gotowych do
wykorzystania w wielu systemach modułów programowych
zapewniających komunikację pomiędzy różnymi urządzeniami i
oprogramowaniem. Brak standardu, jakim jest OPC
powodował konieczność stosowania sterowników
dedykowanych. Każdy twórca oprogramowania musiał
stworzyć własne sterowniki do wszystkich urządzeń, z którym
dany program miał współpracować. Wynikało z tego wiele
problemów - wybór oprogramowania dla danego sprzętu był
bardzo ograniczony, a jego tworzenie wymagało większych
nakładów czasu i pracy. Stało się oczywiste, że konieczne jest
wprowadzenie standardu.
9
Historia OPC cd.
}ð Dynamiczny rozwój systemów z rodziny Windows umożliwiÅ‚
powstawanie technologii pozwalajÄ…cych na komunikacjÄ™
komponentów programowych za pośrednictwem
standardowych interfejsów.
}ð Pierwszym krokiem byÅ‚a technologia DDE (Dynamic Data
Exchange), która pojawiła się na przełomie lat 80. i 90.; dzięki
niej wymiana danych między aplikacjami stała się łatwiejszą,
częściowo uniezależniając oprogramowanie od sprzętu.
}ð Szybko okazaÅ‚o siÄ™ jednak, że DDE to za maÅ‚o. Przede
wszystkim technologia była mało wydajna, nie oferowała też
komunikacji za pośrednictwem sieci. W efekcie opracowane
zostały różne rozszerzenia dla DDE (np. NetDDE, FastDDE
autorstwa Wonderware czy AdvanceDDE autorstwa Rockwell
Software). Nie były one jednak standardem, a jedynie kolejnymi
rozwiÄ…zaniami autorskimi.
10
Historia OPC cd.
}ð W 1992 roku wprowadzono technologiÄ™ OLE 2.0, która miaÅ‚a
z czasem zastąpić większość zastosowań DDE. W tym samym
czasie działalność rozpoczęła grupa WinSEM (Windows in
Science, Engineering and Manufacturing), zainteresowana
wykorzystaniem OLE w systemach przemysłowych czasu
rzeczywistego. Mimo przedstawienia paru ciekawych
propozycji, nie udało się jej jednak wypracować standardu.
}ð W 1995r. uformowaÅ‚a siÄ™ grupa OPC Task Force, w skÅ‚ad
której weszły firmy: Fisher-Rosemount, Intellution, Intuitive
Technology, Opto22, Rockwell i Siemens AG. Po intensywnych
pracach, w sierpniu 1996 roku opublikowano pierwszÄ…
specyfikację OPC. We wrześniu 1996r. powołano do życia
OPC Foundation, która od tamtego czasu koordynuje działania
majÄ…ce na celu utrzymywanie i publikowanie nowych
specyfikacji OPC.
11
12
OLE [8], [9]
}ð OLE: Technologia integracji programów, której można używać w celu
współużytkowania informacji między programami. Wszystkie programy pakietu MS
Office obsługują technologię OLE, dzięki czemu można współużytkować informacje
przez łączenie i osadzanie obiektów.
}ð OLE (ang. Object Linking and Embedding) - mechanizm osadzania m. in. obiektów.
Nazwa OLE nie jest jednoznaczna; wraz z czasem Microsoft nazywał w ten sposób
różne technologie.Tak więc OLE może oznaczać kilka różnych technologii.
}ð Aż do 1993 roku, nazwÄ… OLE (OLE 1) okreÅ›laÅ‚o siÄ™ technologie osadzania
dokumentów w innych dokumentach. I tak np. w dokumencie programu MS-Word,
można było osadzić wykres z programu MS-Excel; zmiany w wykresie wykonane w
Excelu, powodowały automatyczną ich aktualizację w dokumencie programu Word,
gdzie wykres Excela był osadzony.
}ð Jednak od 1993 roku Microsoft wprowadziÅ‚ nowÄ… technologiÄ™ - OLE 2, opartÄ… na
technologii COM. OLE 2 nie oznaczało już tylko osadzania dokumentu w innym
dokumencie, ale znacznie szerszą technologię budowania programów opartą na
komponentach.
}ð W 1996 roku, komponenty OLE (COM) które sÄ… zwiÄ…zane z interfejsem otrzymaÅ‚y
nazwÄ™ AcitiveX.
13
COM [8], [9]
}ð COM (ang. Component Object Model)  standard
definiowania i tworzenia interfejsów programistycznych
na poziomie binarnym dla komponentów software
wprowadzony przez firmÄ™ Microsoft wraz z bibliotekami
zapewniającymi podstawowe ramy i usługi dla
współdziałania komponentów COM i aplikacji.
}ð Åšrodowisko programistyczne Visual Studio oparte na
framework .NET umożliwia komunikację ze starszymi
aplikacjami z interfejsem typu COM.
}ð Na bazie standardu COM zostaÅ‚a zdefiniowana znaczna
część niskopoziomowego API dla produktów firmy
Microsoft m.in. Dla DirectX, SQL Server,MS Access,
MSHTML, MSXML.
14
DCOM [9]
}ð DCOM (ang. Distributed Component Object Model) -
interfejs programistyczny realizujÄ…cy rozproszony
obiektowy model składników) jest opracowanym przez
Microsoft sposobem budowania składników
programowych i zapewniania komunikacji między nimi w
małej sieci komputerowej. Skonstruowany został również
zestaw bazowy takich składników.
}ð RozwiniÄ™ty z COM jako odpowiedz
na CORBA, stał się
póz
niej częścią COM+. Został przez Microsoft uznany za
przestarzały na rzecz platformy .NET.
15
OPC  struktura informacyjna
przedsiębiorstwa
}ð MotywacjÄ… dla powstania OPC byÅ‚o opracowanie
standardowego mechanizmu komunikacyjnego dla wielu z
ródeł
danych, urządzeń przemysłowych oraz przemysłowych baz
danych.
}ð Struktura informacyjna przedsiÄ™biorstwa posiada nastÄ™pujÄ…ce
poziomy:
}ð Poziom obiektowy (field): pomiary, urz. wykonawcze, I/O
}ð Poziom procesowy (process): DCS, SCADA, PLC,
}ð Poziom zarzÄ…dzania (business): analizy ekonomiczne, optymalizacja
}ð Najważniejsza jest efektywna i otwarta komunikacja pomiÄ™dzy
poziomami, zorientowana na dostęp do danych, a nie na ich typ
16
OPC  struktura informacyjna
przedsiębiorstwa cd.
17
Rodzaje specyfikacji OPC
}ðOPC Common
}ðOPC Data Access (DA)
}ðOPC Alarms & Events (A&E)
}ðOPC Historical Data Access (HDA)
}ðOPC Batch
}ðOPC Data Exchange (DX)
}ðOPC XML
18
Specyfikacje OPC
OPC Data Access
Przeznaczone do przesyłania bieżących danych (real-time data) z PLC, DCS i innych
urządzeń do HMI, SCADA i innych urządzeń prezentujących bieżące dane
OPC Alarms & Events
Przeznaczone do powiadomień o alarmach i zdarzeniach na życzenie (w
odróżnieniu od ciągłego przepływy danych w specyfikacji Data Access). Dane
zawierajÄ… alarmy procesowe, polecenia operatora, komunikaty informacyjne
OPC Batch
Specyfikacja przeznaczona dla potrzeb procesów wsadowych (batch processes).
Zawiera interfejs do wymiany informacji o możliwościach sprzętowych oraz
bieżących warunkach operacyjnych.
19
Specyfikacje OPC cd.
OPC Data eXchange
Ta specyfikacja umożliwia wymianę danych pomiędzy różnymi sieciami
warstwy obiektowej Ethernet, stosując połączenie serwer-serwer (a nie
klient-serwer). To umożliwia komunikację pomiędzy sieciami wielu różnych
producentów oraz zdalną konfigurację, diagnostykę i monitoring.
OPC Historical Data Access
OPC Data Access umożliwia dostęp do danych bieżących, aktualnie
zmieniających się. OPC Historical Data Access dostarcza danych, które
zostały już zapisane. Zaletą jest zunifikowany, taki sam dostęp do danych
zarówno dla złożonych systemów SCADA jak i mniejszych klientów danych
historycznych
OPC Security
Dane procesowe nieprawidłowo uaktualnione/zmodyfikowane mogą mieć
katastrofalny wpływ na cały proces wytwórczy. OPC Security określa
dostęp sterujących aplikacji klienckich do serwerów w celu ochrony
20
krytycznych danych przed nieautoryzowanym dostępem i ich modyfikacją.
Specyfikacje OPC cd.
OPC XML-DA
Dostarcza elastycznych, zwartych zasad i formatów dla udostępniania
danych procesowych za pomocą XML dla SOAP i innych usług sieciowych.
SOAP jest protokolem bazujÄ…cym na XML-u pozwalajÄ…cym komponentom
oraz aplikacjom komunikować się używając standardowego internetowego
protokółu HTTP.
- SOAP to skrót od Simple Object Access Protocol
- SOAP jest protokołem komunikacyjnym
- SOAP służy do komunikacji między aplikacjami
- SOAP jest formatem wysyłania wiadomości
- SOAP jest stworzony do komunikacji poprzez Internet
- SOAP jest niezależny od platformy
- SOAP jest niezależny od języka
- SOAP bazuje na XML
- SOAP jest prosty i rozszerzalny
- SOAP będzie rozwijany jako standard W3C
21
Zastosowanie OPC DA i OPC DX
DX  serwer/serwer
DA-klient/serwer
22
Model wykorzystania OPC
23
OPC DA  organizacja zasobów serwera
}ð Serwer z danymi bieżącymi zorientowany jest w
następujący sposób:
}ð Serwer -> Grupy -> Elementy
}ð Możliwe jest nadawanie nazw zmiennym umożliwiajÄ…cych
ich Å‚atwÄ… lokalizacjÄ™ np. cisnienie2, grzalka, dioda,
sterownik itd
}ð Umożliwia to utrzymanie porzÄ…dku w serwerze i takÄ…
organizację jaka odpowiada użytkownikowi np. można
utworzyć grupy Pomiary, Wykonawcze, PLC, SCADA itd.
}ð Koniec z nic nie mówiÄ…cymi zmiennymi %M167, %R245,
%Q894
24
OPC DA
OPCServer
OPCGroup
OPCGroup
OPCGroup(s)
OPCItem(s) OPCItem(s) OPCItem(s)
OPCItem(s) OPCItem(s)
OPCItem(s)
OPCItem(s) OPCItem(s)
OPCItem(s)
25
OPC DA
}ð Każdy element (ang. item) serwera posiada nastÄ™pujÄ…ce
pola:
}ð czasu (ang. time),
}ð wartoÅ›ci (ang. value),
}ð jakoÅ›ci (ang. quality)
oznaczane w skrócie (TVQ).
}ð MonitorujÄ…c stan zmiennej mamy zatem nie tylko
informację o wartości zmiennej, ale także o dacie jej
pobrania i weryfikacji (poprawności).
26
OPC UA  Unified Architecture [2]
}ð OPC Unified Architecture jest niezależnym od platformy
systemowej standardem, który pozwala na komunikację
pomiędzy różnymi typami systemów i urządzeń poprzez
wysyłanie wiadomości pomiędzy klientem a serwerem.
Niezależność
od Microsoft!
27
OPC oparte na COM/DCOM [2]
}ð Poprzednie wersje specyfikacji OPC bazowaÅ‚y na modelu
COM/DCOM co praktycznie uniemożliwiało komunikację
pomiędzy różnymi platformami. Architektura ta została
przedstawiona na poniższym rysunku
28
OPC UA [2]
}ð Nowa strategia rozwoju OPC zostaÅ‚a oparta o jÄ™zyk XML i protokół
SOAP. Strategia ta została przyjęta już kilka lat temu w tym czasie
upowszechniły się usługi internetowe, które musiały zostać
uwzględnione w nowej strategii rozwoju. Dzięki zastosowaniu
ogólnie przyjętych standardów sieciowych serwer OPC i klient
OPC mogły działać na różnych platformach.
29
OPC UA [2]
OPC Unified Architecture, bazuje na ogólnie przyjętych komunikacyjnych
protokołach takich jak TCP/IP, HTTP, SOAP, co zapewnia bardzo dużą
skalowalność rozwiązań implementowanych w oparciu o tę technologię.
OPC Unified Architecture umożliwia przesyłanie danych za pośrednictwem
różnych formatów m.in. formatu opartego o XML i formatu binarnego.
Serwer OPC zbudowany w oparciu o Unified Architecture definiuje swoim
klientom zestaw usług, jakie oferuje oraz format danych procesowych za
pośrednictwem, którego ma odbywać się komunikacja. W poprzedniej
wersji standardu OPC każda ze specyfikacji (np. OPC-DA, OPC-HDA)
definiowała swoją własną przestrzeń adresową i swój własny zestaw usług.
OPC Unified Architecture definiuje zunifikowaną przestrzeń adresową (ang.
Address Space) oraz szereg usług (ang. Services), które mogą być
udostępnione przez serwery OPC.
}ð Podczas tworzenia specyfikacji OPC UA poÅ‚ożono szczególny nacisk na
bezpieczeństwo. Specyfikacja nowej technologii opracowanej przez OPC
Foundation jest zgodna ze specyfikacjami WS-* takimi jak: WS-Security, WS-
Trust, WS-Polic, WS-Secure Conversation.
30
Prezentacja działania OPC
}ð Symulacyjny serwer OPC firmy Matrikon
}ð Klient OPC  Matrikon Explorer
}ð Serwer OPC dla GE Fanuc firmy Keepware
}ð OPC klient w Matlab/Simulink
}ð OPC klient w aplikacji wizualizacyjnej Cimplicity Machine
Edition / View
}ð OPC w Wonderware InTouch
31
Matrikon OPC Explorer
32
33
34
35
Bibliografia i z
ródła
[1.] OPC Foundation - www.opcfoundation.org
OPC Overview 1.00
[2.] CAS - http://www.cas.eu/opc/ (strona w j. polskim)
[3.] OPC Programmers connection -
http://www.opcconnect.com/
[4.] Iconics  www.iconics.com
[5.] Matrikon  www.matrikon.com
[6.] Keepware  www.keepware.com
[7.] Mathworks (Matlab) -
http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolb
ox/opc/
36
Bibliografia i z
ródła cd.
}ð [8] Microsoft - http://support.microsoft.com
}ð [9] Wikipedia  http://pl.wikipedia.org/wiki/
}ð HasÅ‚a: OLE, COM, DCOM
37