Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

OPC v průmyslové komunikaci

číslo 6/2004

OPC v průmyslové komunikaci

V současné době se při přenosech dat v průmyslových řídicích systémech stále častěji používá standard s označením OPC. Příspěvek stručně představuje tento standard, historii jeho vzniku a jednotlivé specifikace OPC a seznamuje čtenáře s přínosy OPC pro řešení celopodnikových informačních systémů průmyslových podniků.

Představení OPC

OPC (OLE for Process Control) je standard průmyslové komunikace, vytvořený ve spolupráci mnoha světových dodavatelů automatizačních prostředků, hardwaru a softwaru, v oblasti automatizace a společnosti Microsoft. Je společným rozhraním pro vzájemnou komunikaci mezi různými zařízeními určenými pro monitorování a řízení technologických procesů. Jeho úkolem je zabránit závislosti daného monitorovacího nebo řídicího softwaru na výrobci hardwaru. Standard OPC je založen na metodách OLE/COM/DCOM (Object Linking and Embedding/Common Object Model/Distributed COM) společnosti Microsoft.

Obr. 1.

Historie vzniku OPC
Existuje mnoho klientských aplikačních programů, které byly vyvinuty s cílem získávat data z různých zdrojů. Přístup daného softwaru k datům je tradičně zajišťován prostřednictvím nezávisle vyvinutých ovladačů (driver). Tato metoda vede k následujícím problémům (tzv. I/O driver problem):

  • každá aplikace musí obsahovat ovladač pro konkrétní hardware, který využívá (obr. 1),

  • dochází k neshodám mezi ovladači od různých dodavatelů, když ne všichni dodavatelé (všechny ovladače) podporují všechny vlastnosti daného hardwaru,

  • změna vlastností hardwaru je příčinou nefunkčnosti některého ovladače,

  • vznikají konflikty v přístupu k hardwaru: dva různé programové balíky nemohou sdílet zařízení, pokud každý z nich neobsahuje nezávislý ovladač.

Mnozí výrobci hardwaru se snaží vyřešit tyto problémy vývojem dalších ovladačů, brání jim však odlišnosti v klientských protokolech. Rozdíly v protokolech jsou často důsledkem konkurenčního boje. Standard OPC vytváří mezi výrobci hardwaru a dodavateli softwaru dělicí čáru a poskytuje mechanismus umožňující získávat data z různých zdrojů a přenášet je do libovolného klientského programu nezávisle na dodavateli hardwaru. Všichni dodavatelé pak mohou vyvinout výkonově optimalizovaný server pro komunikaci se zdrojem dat.

Výhody OPC
Hlavním cílem standardizační iniciativy bylo umožnit klientským aplikačním programům konzistentní přístup k datům v technologických provozech. Současné přínosy postupného zavádění standardu OPC jsou:

  • výrobci hardwaru vystačí s jedním souborem softwarových komponent pro všechny zákazníky a jejich aplikace,

  • vývojáři softwaru nepotřebují psát stále nové ovladače kvůli změnám a novým vlastnostem hardwaru v jeho nových verzích,

  • zákazníci mají svobodu volby mezi dodavateli různých součástí a zařízení nejen pro vývoj špičkových integrovaných technologických celků, ale i pro integraci sledování a řízení technologického zařízení na celozávodní a celopodnikové úrovni,

  • rozhraní OPC se ve stále větší míře stává standardním rozhraním moderních programových produktů pro sledování a řízení technologických procesů, strojů a zařízení (Supervisory Control and Data Acquisition/Human-Machine Interface – SCADA/HMI), modulů programovatelných automatů a ostatních systémů (většinou již zahrnutých v ceně systému).

Standard OPC, specifikace OPC, OPC Foundation
Vypracováním standardu OPC, jeho udržováním, šířením a prezentací se zabývá mezinárodní dobrovolná organizace OPC Foundation (http://www.opcfoundation.org), se sídlem v Scottsdale, Arizona, USA. V současné době sdružuje více než 300 členů z řad nejvýznamnějších světových firem věnujících se monitorování, vizualizaci a dalším aplikacím z oblasti řízení a sledování technologických procesů, jako např. Honeywell, Rockwell Software, Siemens, Intellution aj. Členem OPC Foundation je i společnost Microsoft, která se aktivně podílí na tvorbě nových specifikací. Z českých firem jsou členy OPC Foundation společnosti Merz (Liberec), OPC Labs (Plzeň) a Geovap (Pardubice).

Obr. 2.

Existující specifikace OPC
Standard OPC je vytvářen a udržován prostřednictvím tzv. specifikací OPC. Specifikace OPC je volně přístupná technická dokumentace stanovující pravidla, kterými se řídí chování a konfigurace standardního rozhraní OPC.

Současné specifikace OPC, jejich stručné charakteristiky a vzájemné vazby jsou uvedeny v tab. 1 a na obr. 2. Z nich OPC Overview obsahuje základní informace o účelu, výhodách a vlastnostech OPC. Následující tři specifikace – OPC Security, OPC Common Definitions a OPC Complex Data – popisují funkční schopnosti, které mohou anebo musejí být implementovány spolu s ostatními specifikacemi.

Plná čára na obr. 2 spojuje nejpoužívanější typy specifikací – OPC Alarms and Events, OPC Historical Data Access, OPC Data Access a OPC XML DA. Tyto čtyři specifikace určují rozhraní komunikace pro kompletní serverový nebo klientský aplikační program. Mohou být dále rozšířeny o OPC Security (s výjimkou OPC XML DA) nebo o funkce podle OPC Complex Data.

Tab. 1. Specifikace OPC – stav ke konci 1. čtvrtletí 2004

Specifikace Obsah Aktuální verze
OPC Overview obecný popis metody OPC, jejích výhod a způsobu použití verze 1.00
OPC Common Definitions and Interfaces stanovuje případy použití většího počtu specifikací verze 1.10
OPC Data Access (OPC DA) určuje přístup k datům v reálném čase; je nejčastěji používanou specifikací verze 3.0
OPC Alarms and Events stanovuje poskytování informací o výskytech specifikovaných událostí a výstrah klientům OPC verze 1.1
OPC Historical Data Access popisuje přístup k historickým datům uloženým v databázi verze 1.2
OPC Batch podobně jako OPC DA, ale místo spojitých provozů je určena pro technologie s šaržovou výrobou (potravinářství, farmacie apod.) verze 2.0
OPC Security určena k důkladnějšímu zabezpečení přístupu obsluhy při ovládání technologického zařízení z klientů OPC prostřednictvím serverů OPC s využitím zabezpečení systému Windows verze 1.0
OPC XML DA vymezuje integrování OPC a XML do internetových aplikací verze 1.0
OPC Data eXchange určena pro tzv. horizontální komunikaci mezi řídicími jednotkami s odlišnými komunikačními protokoly (např. EtherNet/IP, ProfiNet, High Speed Ethernet a Interbus) prostřednictvím sítě Ethernet verze 1.0
OPC Complex Data určuje způsob popisu struktury komplexních dat a metody přístupu k těmto datům verze 1.0

Specifikace OPC Batch doplňuje specifikaci OPC Data Access o funkce používané v recepturových (šaržových, tzv. batch) výrobách. Specifikace OPC Data eXchange obsahuje určité nové funkce společně s funkcemi již definovanými v OPC Data Access a OPC XML DA.

Specifikace OPC Common Definitions, OPC Security, OPC Alarms and Events, OPC Historical Data, OPC Data Access a OPC Batch jsou založeny na metodě DCOM společnosti Microsoft. Specifikace OPC XML DA není na rozdíl od nich založena na metodě DCOM, ale jde o tzv. webovou službu. Poslední výjimkou je specifikace OPC Data eXchange, která využívá obě metody (DCOM i webovou službu).

Úspěšná historie OPC
Všechny specifikace OPC jsou určeny pro specifické použití v různých oblastech průmyslové automatizace, a jsou proto různě implementovány v příslušných aplikačních programech a systémech.

V současné době existuje více než 3 000 produktů využívajících OPC, které pracují po celém světě již v téměř všech odvětvích průmyslu. Daří se tak naplňovat základní vizi metody OPC – zajišťovat globální vzájemnou součinnost mezi softwarem a hardwarem různých výrobců. Komunikační rozhraní OPC rovněž následuje rozvoj internetu. Jeho orientace na standardy XML (eXtended Markup Language), SOAP (Simple Object Access Protocol) a webové služby otevírá další rozsáhlé možnosti použití přenosů dat prostřednictvím OPC v průmyslových informačních systémech.

OPC XML DA
Úkolem specifikace OPC XML DA je umožnit využívání předností metody OPC bez ohledu na operační systém a fyzické umístění počítače. Produkty podporující specifikaci OPX XML DA tak mohou být použity v síti intranetu i v internetu. V obou případech je lze také aplikovat na různých provozních platformách. Jedinou podmínkou je, aby daný systém podporoval HTTP (HyperText Transfer Protocol) a XML. Přenášet data ve formátu XML je méně efektivní než v binární formě. Proto musí být klientský počítač schopen volby mezi množstvím přenášených dat a efektivitou přenosu. Rozhraní XML není možné definovat podle specifikace OPC Security, neboť tato specifikace je založena na technologii DCOM a bezpečnostním modelu systému Windows NT. Při snaze zahrnout do specifikace OPC XML DA bezpečnostní modely z různých operačních systémů se tato v konečném důsledku stane nepoužitelnou. Proto se data při přenosu metodou OPC zabezpečují jinými způsoby, které nejsou součástí specifikace OPC (firewall apod.).

Obr. 3.

Architektura OPC
Při výměně dat podle standardu OPC je využíváno všeobecně přijaté a osvědčené schéma klient/server. K jednomu serveru se může připojit několik klientů různých výrobců, stejně tak k jednomu klientu je možné připojit OPC servery různých výrobců. Komunikace mezi programy podle standardu OPC se používá k výměně dat zejména v průmyslových informačních systémech.

Typická architektura průmyslového informačního systému sestaveného s využitím metody OPC má tři úrovně řízení (obr. 3). Nejnižší úroveň, označená řízení technologických operací (field management), obsahuje komunikační, popř. řídicí počítače připojené na jedné straně k řídicím jednotkám (programovatelným automatům; Programmable Logic Controller – PLC) a na druhé straně do místní podnikové sítě (LAN). Vedle těchto typicky serverových stanic je na dané úrovni znázorněn ještě komunikační a datový server. Jedná se o počítač, který může uchovávat technologická data v databázi (relační nebo real-time).

Na střední úrovni – řízení výrobních procesů (process management) – se nacházejí klientské počítače s vizualizačními a monitorovacími programy, které prezentují výrobní (technologické) procesy operátorům v grafické a alfanumerické podobě (operátorské rozhraní; Human Machine Interface – HMI).

Jednodušší vizualizační programy bez vazby např. na celopodnikový informační systém nebo jiné aplikační programové vybavení obsahují pouze uvedené dvě úrovně řízení – technologických operací a výrobních procesů.

Na nejvyšší úrovni, označené řízení podniku (business management), jsou nadřazené podnikové informační systémy s programy typu MES (Manufacturing Execution Systems), ERP (Enterprise Resources Planning) a různým ekonomickým softwarem. Zde se OPC využívá k vytvoření společného komunikačního rozhraní pro přenos technologických dat mezi řídicími systémy, programy typu SCADA a databázemi. Ty v reálném světě převážně pocházejí od různých výrobců a jejich propojování by bez společného komunikačního rozhraní bylo velmi složité a nesnadné.

Platformy použitelné pro OPC
Nezbytnou složkou pro komunikaci podle OPC je vrstva COM a její síťová verze DCOM (s výjimkou specifikace OPC XML DA). Funkce DCOM je standardní součástí operačních systémů Windows XP, Windows NT 4.0 a Windows 2000. Do Windows 95/98 je nutné DCOM doinstalovat. V těchto systémech je tak možné přenášet data prostřednictvím OPC v rámci jednoho PC i v LAN. Ve Windows CE lze síťově komunikovat od verze 3.0.

Na platformě Linux je rozšíření standardu OPC závislé na tom, jakým způsobem se nahrazuje vrstva DCOM. Existuje několik komerčních produktů zahraničních firem.

Připojení dat z technologie prostřednictvím OPC

Následující odstavce jsou věnovány podrobnějšímu popisu způsobu, jakým se data přenášejí z vlastního technologického zařízení dále do řídicího a informačního systému podniku.

Konfigurování OPC serveru
OPC server je ve skutečnosti komunikační ovladač se zabudovaným rozhraním OPC. Při jeho konfigurování se tudíž postupuje obdobně jako při nastavování libovolného ovladače, tzn. nadefinují se vstupní a výstupní veličiny a jejich vazba na proměnné v paměti PLC. Většinou lze také nastavit periodu komunikace s řídicím systémem (PLC). Podle vytvořené konfigurace se poté za chodu systému přenášejí data.

Konfigurování OPC klientu
Prvním krokem při konfigurování OPC klientu je nalezení OPC serveru na PC nebo v lokální síti. Metoda COM poskytuje mechanismus, jak při připojování OPC serveru k OPC klientu prohledat seznam OPC serverů nainstalovaných na daném počítači (anglicky OPC server browsing). To umožňuje rychle a poměrně jednoduše připojit požadovaný OPC server.

Druhým krokem je propojení veličin z konfigurace OPC serveru do konfigurace OPC klientu. Pokud OPC server i OPC klient podporují prohledávání seznamu veličin (parameter browsing), lze veličiny po prohledání adresového prostoru OPC serveru jednoduše propojit do OPC klientu. Jestliže OPC server anebo OPC klient prohledávání seznamu veličin nepodporují, je konfigurování OPC klientu pracné a časově náročné.

Propracovanějším způsobem konfigurování OPC klientu je tzv. dynamické přidávání veličin. To umožňuje za chodu OPC klientu i serveru vytvářet (popř. mazat) v konfiguraci OPC serveru nové veličiny a okamžitě je zařazovat do procesu přenosu dat. Přestože tento způsob konfigurování zatím nabízejí jen někteří výrobci OPC serverů (OPC klientů), je příslibem do budoucna, kdy by se mělo konfigurování OPC klientů ještě dále zjednodušit, a to především uvedeným způsobem.

Chod OPC klientu
Po spuštění tzv. runtime režimu uživatelského programu (OPC klientu) se v převážné většině monitorovacích systémů samočinně spustí potřebné OPC servery a začnou se přenášet data. Podle standardu OPC se přenášejí tři složky – hodnota, čas a kvalita údaje. Kvalita dat může být dobrá, špatná nebo neznámá (good, bad, uncertain), používají se také podmnožiny kvality bad (např. „bad, comm. fauilure„ pro chyby vzniklé při přenosu, „bad, not specified„ pro nespecifikované chyby apod.).

Obr. 4.

Struktura OPC serveru a OPC klientu (OPC Data Access)

Protože nejčastěji aplikované komponenty využívají specifikaci OPC Data Access, bude zde krátce představena vnitřní architektura tohoto typu serveru a OPC klientu.

Struktura OPC serveru
Standardní součásti OPC serveru podle specifikace OPC Data Access jsou znázorněny na obr. 4. OPC server má na své nejnižší úrovni ovladač vstupů a výstupů (I/O driver), který dokáže přenášet data do připojeného fyzického zařízení (typicky PLC) a z něj. Další nedílnou součástí OPC serveru je blok zajišťující optimalizaci získávání dat s ohledem na co největší efektivitu komunikace s PLC. Přenesená data jsou poté přes příslušná rozhraní specifikace OPC Data Access nabízena připojeným OPC klientům.

V některých případech nejsou OPC servery určeny pro komunikaci se specifickými zařízeními. U těch pak nejsou přítomny dolní dvě vrstvy znázorněné na obr. 4. Ty nahrazuje např. rozhraní pro komunikaci prostřednictvím protokolu DDE (Dynamic Data Exchange; viz např. server DDEToOPC od firmy Merz).

Obr. 5.

Struktura OPC klientu
Na obr. 5 jsou ukázány součásti vizualizačních a řídicích aplikačních programů z pohledu komunikace s řídicími systémy. Klientské rozhraní OPC buď může být součástí aplikačního programu, nebo je dodáváno jako externí a aplikační program s ním komunikuje prostřednictvím svého vnitřního rozhraní. Aplikační program nemusí nutně obsahovat rozhraní pro komunikaci s vlastními ovladači.

Závěr

Po osmi letech od vzniku prvního OPC serveru a OPC klientu již většina výrobců PLC a řídicích systémů dodává se svým hardwarem zároveň OPC servery. Stejně tak většina nových verzí monitorovacích a vizualizačních programů poskytuje možnost získávat data prostřednictvím OPC serverů tím, že tyto verze obsahují klientskou část OPC. Nedávné průzkumy ukázaly, že uživatelé OPC používají tento standardizovaný způsob přenosu dat především pro jeho spolehlivost, širokou dostupnost u dodávaných zařízení a systémů a pro zvýšení výkonu a produktivity svého výrobního systému. Průzkumy dále naznačily, že asi 60 % systémů typu SCADA/HMI bude za pět let standardně nabízet komunikační rozhraní OPC, stejně jako 60 % nabízených PLC i distribuovaných řídicích systémů (Distributed Control System – DCS). Plným právem tak OPC patří k nejrozšířenějším komunikačním standardům v oboru průmyslové automatizace.

Mgr. Martin Stianko,
Technická univerzita v Liberci,
Fakulta strojní, katedra aplikované kybernetiky
(martin.stianko@vslib.cz)
Ing. Jaromír Peterka,
Merz, spol. s r. o.
(jaromir.peterka@merz-sw.com)

Inzerce zpět