Механизм OLE for Process Control (OPC) как основной способ взаимодействия SCADA-системы с внешним миром.

Рассмотрим основные принципы взаимодействия SCADA-системы с внешним миром.

Современные SCADA-системы не ограничивают выбор аппаратуры нижнего уровня, так как предоставляют большой выбор драйверов или серверов ввода-вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей для драйверов нижнего уровня. Сами драйверы разрабатываются с использованием стандартных языков программирования.

Для подсоединения драйверов к системе в настоящее время используются следующие механизмы.

- Ставший стандартом де-факто динамический обмен данными (DDE). Однако в современных SCADA-системах DDE применяется редко.

- Собственные протоколы, разработанные фирмами-производителями SCADA-систем. Достоинством таких протоколов является самая высокая скорость обмена данными.

- Протокол OPC (OLE for Process Control). Данный протокол является стандартным и поддерживается большинством SCADA-систем.

Новый стандарт обмена, ориентированный на задачи промышленной автоматизации – OPC (OLE for Process Control) - был разработан на базе механизма OLE. Стандарт OPC обладает следующими преимуществами:

1) позволяет объединить на уровне объектов различные системы управления и контроля, функционирующие в распределенной гетерогенной среде;

2) устраняет необходимость использования нестандартных протоколов обмена данными между устройством и SCADA-системой.

Основная цель стандарта OPC заключается в создании универсального механизма доступа к любому аппаратному устройству из прикладной программы. OPC позволяет производителям оборудования поставлять программные компоненты, которые стандартным способом обеспечивают связь ПО с технологическим контроллером.

Таким образом, с точки зрения SCADA-систем, появление OPC-серверов означает разработку программных стандартов обмена с технологическими устройствами.

OPC – интерфейс допускает различные варианты обмена:

- получение данных с физических устройств;

- обмен между частями распределенного приложения;

- обмен между различными приложениями.

В первую очередь в качестве серверов OPC выступают драйверы, написанные в соответствии со стандартом OPC и осуществляющие обмен данными с компонентами систем автоматизированного управления через соответствующее коммуникационное оборудование. Кроме того, любая программа, снабженная стандартным OPC-интерфейсом, может выступать в качестве OPC-сервера.

Применительно к SCADA-системам, OPC-серверы, расположенные на всех компьютерах системы управления, стандартным образом могут поставлять данные в программу визуализации, базу данных и т.д.

При обмене данными с OPC – сервером возможно два режима:

1) периодический режим, когда с заданной частотой данные запрашиваются OPC – клиентом;

2) режим обмена по изменению значения, когда обмен происходит при изменении значения переменной на заранее заданную величину.

Предпочтительным является второй тип обмена.

Стандарт ОРС состоит из десяти спецификаций; из них пять различаются по функциональному признаку:

- ОРС Data Access -доступ к данным реального времени (обмен текущими значениями),

- ОРС Alarms and Events - обмен информацией о тревогах и событиях,

- ОРС Historical Data Access - обмен историческими данными.

- ОРС Batch - обмен информацией о состоянии оборудования,

- ОРС Security - авторизация доступа к данным.

Доступ к данным реального времени (ОРС Data Access) имеет основное понятие - элемент данных. Каждый элемент данных (измеряемая величина) состоит из следующих полей:

1) Value (значение);

2) Quality (качество);

3) Timestamp (отметка времени).

Поле Value может быть любой информацией скалярного типа; времени последнего обновления, которое проставляется с 100-наносекундной точностью. Поле Quality позволяет определить, не произошла ли ошибка в момент измерения величины или во время передачи данных.

Во всех современных SCADA-системах при обмене данными осуществляется проверка поля Quality. Причем в различных системах реакция на «неудовлетворительное» значение качества получаемых данных может быть реализована по-разному. Обрабатывать поле Quality может либо приложение пользователя, либо сама SCADA-система.

Поле Quality может принимать различные значения: - UNCERTAIN (не определено), GOOD (удовлетворительно), BAD (неудовлетворительно). В случае если поле Quality принимает значение BAD, в этом поле содержится дополнительный признак, позволяющий уточнить причину неполадки (например: отсутствие связи, сбой устройства, ошибка конфигурации, отказ датчика, данные заблокированы, причины неизвестны).

В рамках стандарта OPC все элементы данных объединяются в группы. Каждый элемент данных и группа имеют свое уникальное имя. Элементы данных и группы могут быть организованы в иерархическую структуру. Все элементы в каждой группе обновляются периодически, через равные промежутки времени, причем обновление элементов происходит синхронно.

Рис. 17. Схема OPC-взаимодействия.

Элементы данных часто называют тегами (TAG). Именно эти тэги и являются технологическими переменными в SCADA-системе.

Обработка тревог и событий производится ОРС-сервером тревог (ОРС Alarms and Events); он формирует определенные логические параметры (события), посылает их клиентам, а последние подтверждают получение этих сообщений.

Доступ к историческим данным производится через ОРС-сервер исторических данных (ОРС Historical Data Access), который полученные в реальном времени значения величин архивирует и предоставляет их по запросам клиентов.

OPC-сервер должен осуществлять буферизацию данных, запрашиваемых различными клиентскими приложениями, и оптимизировать их передачу так, чтобы коммуникация с физическими устройствами была наиболее эффективной. Буферизация данных необходима для того, чтобы исключить их потерю, и чтобы была возможность их многократного считывания.

Важным преимуществом OPC является возможность превращения системы управления в своего рода «конструктор», разнотипные элементы которого могут быть подключены к системе стандартным образом – через OPC-интерфейс.

Использование технологии OPC в качестве процедуры обеспечения целостного доступа к производственным данным дает следующие преимущества:

- производители устройств имеют возможность создания универсальных «переходников» от своего устройства к стандартизованному интерфейсу;

- производители программного обеспечения SCADA могут ориентировать свои программные продукты на работу со стандартным интерфейсом, не зависящим от типа устройства;

- потребители (заказчики) комплектуют свои системы такими устройствами и программным обеспечением, которое наиболее подходит для решения поставленных задач.

Технологические устройства представляются управляющему ПО в виде серверов OPC и в общем случае являются «черными ящиками».

Конечно, не бывает средства, решающего сразу все проблемы. OPC может использоваться только в тех операционных системах, где поддерживается механизм Microsoft DCOM. В настоящее время к таким ОС относятся Windows, Unix, Linux, MacOS, WxVorks (последняя является операционной системой реального времени).

OPC не обеспечивает работу в жестком реальном времени, поскольку в DCOM отсутствуют понятия качества обслуживания, крайних сроков и т.д. В то же время контроль за «устареванием» данных имеется – каждое передаваемое значение сопровождается меткой времени. Несмотря на то, что требования жесткого реального времени, строго говоря, не выполняются, реальное время передачи данных порядка 50 миллисекунд достигается без всяких специальных мер.

Не следует думать, что любое устройство можно просто так «через OPC» подключить к любой SCADA-системе – для этого надо иметь OPC-сервер для данного устройства. Сервер можно получить либо вместе с устройством, либо купить, либо написать самостоятельно. Для написания OPC-серверов в составе некоторых SCADA поставляется специальное ПО.