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OPC理论引导


OPC在工业控制方面是主流,工业控制产品肯定要支持它。

OPC服务器原理图。
说明: 带有硬件设备和客户端应用的OPC原理图。数据项是逻辑上的组成,它和设备上数据对应,可以读写这些数据 ,数据比如:温度、压力、控制信息、温度、加速度、速度和电压等等
数据项结合成组,一个服务器可以带多个数据组。

介绍

COM / OLE应用广泛用于工业自动化和过程控制领域。
首先,关于上图... 
关于图1的理论:
左下角是一个硬件设备。它可以是PLC(可编程逻辑控制器),温度传感器,滚筒皮带控制器,或几乎任何工业设备。中央部分是OPC服务器。右侧是想要操作设备的客户端。OPC服务器提供标准COM接口,以便任何知道这些OPC接口的客户端都可以与服务器连接并操作设备 - 无需为该硬件编程设备驱动程序。硬件可以与OPC服务器类似,数据千变万化,不过客户端仍可以从该硬件读取和写入。

OPC的历史

1996年,Rockwell Software公司的Intellution等人一起组成一个联盟,为过程控制定义了一个标准。当时正在进行过程控制和自动化行业SCADA和类似的标准化工作。这个小组创建了一个基于微软的对象链接和嵌入(OLE)的初步草案。它被称为Ø LE P rocess  Ç ONTROL(OPC)。OPC基金会 发布规范并管理OPC技术的所有内容。
今天,超过300家公司是OPC基金会的一部分。微软,GE,西门子,罗克韦尔,ABB,福特,霍尼韦尔等都是积极贡献和使用OPC技术的成员。
在2005年,OPC基金会发布了OPC统一架构草案。前面已经发布了前几版草案 - OPC HDA,OPC DX,OPC AE,OPC命令,OPC安全性。

为什么我们需要OPC?其好处

发现通过案例研究学习它非常有帮助。要了解过程控制行业对标准化的需求,一个石化行业巨头组织进行的实际案例研究。
参见图2.它显示了在这个特定的石油化工厂中正在使用的设备和软件应用程序。
说明: 没有OPC,每个软件都需要知道每个设备。 
图2。
PLC,振动传感器和计算引擎可使用不同的通信协议 - TSAA,Modbus和DDE。因此,需要这些设备数据的软件应用程序还需要了解TSAA,Modbus和DDE协议。此外,每个设备都需要服务所有这三个应用程序。过程历史记录,提供人机界面的GUI应用程序和机器状态监视器都与所有设备通信,这导致了复杂性。这次部署使该公司大约10天。其成本约为50,000美元。
现在,对比图3。观察降低复杂性。现在所有的软件应用程序只与OPC服务器通信。所有设备也只对OPC服务器做出响应。OPC服务器为 硬件周围的软件应用程序提供黑盒。墨盒不直接耦合的通信访问,这从灰线的变化可以理解。
说明: 使用OPC,每个软件都需要知道OPC服务器。 
图3。
新的实施需要2天才能部署,所产生的成本约为10,000美元。他们本可以淘汰2个OPC服务器,并在单个OPC服务器内部实施设备驱动程序。这是一种折中和现成的OPC服务器可能具有标准协议支持,如DDE,Modbus和TSAA。
正如你所看到的,好处是:

  • 减少设备上的负载。
  • 系统的可扩展性增加了。
  • OPC服务器提供数据缓存。
  • 客户端应用程序不需要知道硬件协议细节
  • 增加设备的使用寿命(不再需要为多个客户提供服务)。
  • 互操作性(Unix / Linux和Windows - OPC均支持这两种平台)
  • 标准化

现在您对OPC的优势和历史有了一些了解,让我们先行一步,了解OPC术语和概念。

OPC概念和术语

OPC规范定义了一致的术语来标识涉及的各种实体。与OPC数据表示方式的最佳类比是文件系统层次结构。OPC将其称为OPC地址空间。在这个地址空间内,每个实体都可以通过其“全路径”来唯一标识。例如,参见图4。
说明: OPC地址空间层次结构 - 非常像文件系统。
图4。
OPC地址空间是分层的。它从一个根开始。然后是逻辑文件夹子文件夹。叶节点是 OPC项目或标签。通常您的传感器和执行器形成叶节点。这是一个重要的理解点,我们会花一些时间。例如,您有一个可以感应温度、压力和湿度的设备。然后,这些属性通常映射为某些文件夹子文件夹层次结构下的叶节点。我们会立即看到那个层次结构。如果你有一个执行器(比如Turn_ON_Boiler),那么它也会成为一个叶节点。你可以写信给 Turn_ON_Boiler例如1或0的值,并采取必要的行动 - 当然,我们只是假设您的硬件控制机制以这种方式运行。您可以从温度节点读取感测值。
希望我们都清楚,直到这一点。现在我们来了解这个“逻辑”文件夹的东西。逻辑文件夹和子文件夹用于表示工业自动化系统的状态。这种配置实际上可以映射到一些物理配置甚至地理设置。让我们花点时间来理解这一个。例如,在该图中我们有一个无线电表连接到的以太网通信信道。在无线电表内,有两类“平均”和“通道1”。这些文件夹和子文件夹是好的办法,它对过程控制参数和值能非常有效的分组。
该地址空间“已发布”给OPC服务器的所有客户端。OPC客户端可以是Excel等简单的电子表格,也可以是记录来自各个工业工厂实体的数据的过程历史记录。每个客户端都可以 在OPC服务器内创建一个称为的逻辑实体。每个OPC组可以包含一组OPC项目。
同步和异步OPC项目读取
OPC规范支持硬件设备上的同步和异步读取和写入。由于并非所有的硬件设备操作都足够快,因此读取和写入设备的异步机制非常方便。异步可以理解为2个执行流,在异步开始时会创建备用流,主程序流直接返回,备用流来在后台读取数据,有结果了再通知主程序流。

COM接口和组件类别

那么,现在假设你想写你的第一个OPC客户端。如果您正在开发一个在本地机器上运行的客户机,并且您知道所有的OPC服务器ProgID,那么我们就不会有任何担忧。但由于这是不可能的,我们需要一个枚举机制。以下是枚举机制。

OPC Component Categories

枚举问题通过实现组件归类的OPC服务器来解决。例如,所有OPC DA 1.0的服务器(更多关于这个在后面的章节)要兼容COM类CatID {63D5F430-CFE4-11d1-B2C8-0060083BA1FB}。同样,实现OPC数据访问2.0的服务器要兼容类别CatID {63D5F432-CFE4-11d1-B2C8-0060083BA1FB}。

因此,OPC基金会发布称为OPCEnum的Windows服务。

Enumerating OPC Servers

OPCEnum.exe是Windows服务,它提供枚举功能。使用OPCEnum,客户端应用程序可以查询当地可用的OPC服务器和远程联网的机器。

现在我们来看看服务器组件接口。
说明: OPC服务器COM接口。 
图5。
根据OPC规范的要求,OPC服务器必须支持各种COM接口。这些基本接口具有特定的功能。
IOPC浏览器:此接口具有允许浏览OPC地址空间的方法。客户端可以逐级查询文件夹和子文件夹直到叶节点。层次结构如图4所示 。
IOPCItemIO接口用于执行OPC项目读取和写入操作。
现在我们来了解一下OPC客户端如何与OPC服务器交互。下面的图6总结了所涉及的重要步骤。
说明: 涉及OPC Client和Server交互的步骤。 
图6。
OPC级的生命周期可能有点疑惑。让我们花一些时间来理解它。每个客户端在与OPC服务器打开会话时,都需要创建一个要读取或写入的逻辑项目组。客户端可以维护多个组。每个组都有一个唯一的名称,并具有以下属性:

  • 读取项目值的更新速率[毫秒]。
  • 活动标志或非活动标志[布尔值],仅当组处于活动状态时才处理。
  • 该频带内的死区[%]变化区间,通常被认为是NULL。
  • IO模式[同步/异步]:所有执行的操作都是同步或异步。
  • 时间偏差[时间]本地时间段,相对于GMT。

OPC Group组件支持以下接口。
说明: OPC组COM接口。 
图7。
您可能已经识别出这些与同步和异步OPC项目读取和写入操作相关的IOPCSyncIO等接口。OPC组 组件还支持用于客户端通知的事件的连接点容器。至少现在你有一些想法,即OPC只是另一个COM应用程序的实际操作 - 这是标准含义,所有OPC客户端和OPC服务器都受设计标准约束。它们都要符合COM接口要求。

OPC合规性

OPC Foundation提供合规性测试应用程序。使用这些套件,可以在OPC服务器上执行一定数量的测试用例,并确定它们对特定OPC规范的符合性。有几个OPC规格可用(在下一节中解释)。典型的合规性报告如图8和9所示。
说明: 符合OPC COM接口。 
图8。
说明: OPC组接口符合性。 
图9。
OPC一致性测试套件还支持性能测试,因此相关OPC服务器加载了多项读取和写入请求。这些决定了每项操作所需的时间以及测试用例的通过和失败。一旦达到合规性,报告就可以上传到OPC Foundation网站供公众参考。因此,从特定供应商购买OPC服务器的客户可以确保服务器符合特定规格,并且可以满足其与工厂中使用的其他软件包的集成需求。

OPC规格

OPC基金会负责维护和发布新规范。它由行业专家,生产OPC产品的公司和使用OPC产品的组织组成。迄今为止OPC基金会已经发布了以下规范。

  • OPC-DA(数据访问) 提供对实时数据的访问。我们可以从OPC-DA服务器查询最新的温度,压力,密度,加速度和其他类型的过程控制数据。
  • OPC-HDA(历史数据访问) 用于检索历史过程数据以进行分析。这些数据通常存储在档案,数据库或远程遥测系统中。
  • OPC-AE(报警和事件) OPC AE服务器用于交换和确认过程报警和事件。
  • OPC-DX(数据交换) 定义一个OPC服务器如何与其他OPC服务器交换数据。
  • OPC-XML(XML数据访问) 基于XML标准定义模式和数据表示格式。可以在所有操作系统(Windows,Unix,Solaris等)上共享和操作过程控制数据。
  • 几项进行中的目标:OPC安全,OPC批处理,OPC命令,用于ERP的OPC。

最近,OPC基金会发布了OPC统一架构草案,该草案试图提供更多集成,把过程控制数据和软件与ERP等其他工业软件系统关联起来。

其实OPC有点像SNMP,掌握了SNMP用OPC也问题不大。

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