Wpływ tunelowania klasycznej technologii OPC

Dopiero wzrost postępu technik mikroprocesorowych znacząco przyczynił się do organizowania różnego rodzaju sprzętu komputerowego, urządzeń kontrolno-pomiarowych oraz aparatury obiektowej i polowej do monitorowania stanu procesu za pomocą ekranów synoptycznych. Spowodowało to wyeliminowanie aparatury pomiarowej stanowiącej dużą przestrzeń na pokładzie obiektu z panelami operatorskimi. Następstwem ekspansji technik mikroprocesorowych było rozwijanie sieci komputerowych oraz sposobów organizowania ich pracy, gdyż są one doskonałym medium transmisyjnym przy przesyłaniu różnego rodzaju informacji. Poprawnie funkcjonująca sieć wspomaga więc pracę nowoczesnego przedsiębiorstwa i stanowi podstawę działania wszystkich systemów teleinformatycznych. Obecnie powstało wiele standardów przemysłowych sieci komputerowych, tj. Modbus, CAN, Profibus, EtherCAT, Ethernet Powerlink itp. [5]. Już zastosowanie jednej z pierwszych sieci komputerowych Modbus spowodowało przeniesienie systemu sterowania na większe odległości, eliminując tym samym złożoność okablowania, stanowiącego nośnik sygnału analogowego i dwustanowego.

W każdym nowoczesnym przedsiębiorstwie, posiadającym różny charakter przedsięwzięcia (produkcyjne, wydobywcze, przetwórcze, logistyczne itp.) można wyszczególnić wiele systemów komputerowych, realizujących różne zadania. Do zadań tych można zaliczyć pozyskiwanie danych z aparatury i urządzeń kontrolno-pomiarowych oraz wpływanie na przebieg procesu technologicznego wydając rozkazy sterujące urządzeniom wykonawczym (np. napęd wentylatorowy, taśmociągi, napędy przenośnikowe, kruszarki, windy itp.).

Akwizycja danych procesowych oraz konieczność ich archiwizowania sprzyja budowaniu kolejnych poziomów systemów informacyjnych. Należą do nich systemy bazach danych, które stanowią kolejne źródło informacji przy funkcjonowaniu przedsiębiorstwa. Na podstawie magazynów danych, w skład których należą również dane pochodzące z innych źródeł gromadzenia informacji, wykonywane są różne analizy techniczno-ekonomiczne. Zastosowanie odpowiednich algorytmów obliczeniowych przyczynia się do wyznaczenia odpowiednich agregatów, przydatnych przy diagnozowaniu i predykcji prosperowania przedsiębiorstwa.

Mnogość stosowania różnego oprogramowania przyczynia się do zbudowania warstwowego modelu infrastruktury systemów informatycznych przedsiębiorstwa, w skład którego wchodzą (rys. 1.):

1. warstwa procesowa lub produkcyjna. Należą do niej urządzenia przemysłowe, realizujące różne zadania produkcyjne. Są to przemysłowe układy sterowania, sterowniki programowalne, przemysłowe komputery, czujniki, elementy wykonawcze, stacje przetwarzania danych, sprzęt sieciowy oraz inne urządzenia automatyki przemysłowej pracujące w miejscowej sieci komputerowej Fieldbus, tj. Profibus, CAN, Ethernet itp. Głównym celem funkcjonowania tej warstwy jest nadzorowanie pracą urządzeń procesowych oraz akwizycja danych,
2. warstwa operacyjna. Tworzą ją wszelkiego rodzaju systemy wizualizacji i nadzoru, do których należą: system sterowania i akwizycji danych SCADA/HMI oraz system realizacji produkcji MES. Oba te systemy gromadzą bieżące dane pochodzące z procesu technologicznego warstwy produkcyjnej, aby dokonać wizualizacji jego stanu, sterowania nadrzędnego, alarmowania i rejestracji zdarzeń, archiwizacji danych oraz udostępniania informacji o procesie warstwom równorzędnej i nadrzędnej,
3. warstwa biznesowa. Wchodzą do niej systemy wspomagające zarządzaniem zasobami przedsiębiorstwa, których zadania obejmują: planowanie zasobów przedsiębiorstwa ERP, wykonywanie analiz i zarządzanie produkcją SAP, zarządzanie relacjami z klientami CRM, zarządzanie łańcuchem dostaw SCM, zarządzanie cyklem życia produktu PLM oraz zarządzanie informacją geograficzną GIS.

Każda z wymienionych warstw modelu infrastruktury systemów informatycznych przedsiębiorstwa współpracuje ze sobą za pomocą sieci komputerowych. Połączenie warstwy procesowej z warstwą operacyjną obejmuje sieci Fieldbus (np. Modbus, Profibus, CAN) oraz sieć Ethernet, która jest również używana najczęściej do komunikacji warstwy biznesowej z warstwą operacyjną. Sieć Ethernet nie może być stosowana w systemach czasu rzeczywistego, ponieważ posiada nieprzewidywalne czasy przekazywania informacji poprzez węzły sieci, tj. przełączniki sieciowe. Ta wada powoduje, że w warstwie procesowej znajdują zastosowanie sieci pokrewne do Ethernet, takie jak EtherCAT oraz Ethernet PowerLink, które używają tej samej infrastruktury okablowania, ale przy wyeliminowaniu przełączników sieciowych i odpowiednim organizowaniu pracy sieci. Sieć Ethernet obejmuje wyższe warstwy sterowania procesem technologicznym, gdyż jej powszechność sprzyja tworzeniu rozległych struktur komputerowego systemu przedsiębiorstwa.

Zadaniami spełniającymi obligatoryjność systemów MES i SCADA zajmują się serwery. Są to aplikacje komputerowe, które są zaprojektowane do odczytywania informacji z warstwy produkcyjnej, aby magazynować je w przestrzeni obszaru danych należących do systemu komputerowego warstwy operacyjnej. Bieżące wartości tych informacji są zapisywane do baz danych z określoną częstotliwością, aby spełnić wymogi odtwarzania ciągłości procesu technologicznego. Przechowywane w bazach danych dane archiwalne są używane do przetwarzania sieciowego lub wprost są poddawane do analizy matematycznej, aby wyznaczyć odpowiednie wskaźniki jakościowe, techniczne i ekonomiczne.

Serwery automatyki przemysłowej mogą posiadać różną architekturę, jednakże dobrym kierunkiem ich projektowania jest wykorzystanie znanych sposobów wymiany informacji w obszarze sieci komputerowych, obejmujących swym działaniem cały komputerowy system przedsiębiorstwa. Technologia OPC (ang. OLE for Process Control) jest już takim standardem komunikacyjnym, który jest przeznaczony do systemów automatyki przemysłowej. Jej specyfikacje opisują mechanizm przekazywania danych pomiędzy obiektami informacyjnymi należącymi do tej samej lub innych stacji przetwarzania danych. Standaryzacja przesyłania danych jest wiodącym aspektem w procesie integracji wielu rozległych systemów informacyjnych.

Technologia OPC

Każda z firm wdrażających swoje produkty teleinformatyczne posiada odmienny charakter w projektowaniu całego systemu, w dążeniu do zarządzania odpowiedniego przepływu informacji. Z tego względu, głównym problemem była niemożliwość dopasowania różnych urządzeń automatyki do jednego skonsolidowanego systemu komputerowego. Brak wspólnej platformy był skutkiem nadzorowania tylko pewnej grupy urządzeń, do których często brakowało dostępu przez inne aplikacje komputerowe, gdyż w danym interwale czasowym mógł być blokowany kanał komunikacyjny z wybraną stacją procesową. Jeśli udało się sterować wszystkimi urządzeniami, odbywało się to za pomocą wielu aplikacji, często pracującymi jako serwery, lecz trudno było, a wręcz niemożliwe, nawiązać z nimi połączenie, aby przenieść poziom sterowania na wyższe warstwy modelu infrastruktury systemów informatycznych. Poza tym, sterowanie mogło odbywać się nieefektywnie, gdyż bywały przypadki wielokrotnego odczytywania tej samej informacji przez różne serwery.

Problem braku zunifikowania platformy informacyjnej został zauważony przez wiodących przedsiębiorców systemów automatyki oraz producentów urządzeń wykonanych w technice mikroprocesorowej, tj. Fisher-Rosemount, Intellution, Intuitive Technology, Opto22, Rockwell, Siemens AG. Postanowili w 1995 roku uformować grupę OPC Task Force, której celem było opracowanie standardu komunikacyjnego pomiędzy urządzeniami przemysłowymi. W owym czasie technologia OLE (ang. Object Linking and Embedding) była najbardziej rozwiniętą technologią informatyczną, którą wykorzystywano już w różnych aplikacjach komputerowych w obszarze systemu operacyjnego Microsoft Windows. Z tego powodu wybrano tę technologię do budowania systemów informatycznych w automatyce przemysłowej. Prace nad opracowywaniem zasad i reguł przekazywania informacji zaowocowały publikacją pierwszej specyfikacji OPC w sierpniu 1996 r., a we wrześniu tego samego roku powołano do życia OPC Foundation. Dalsze koordynowane działania dążyły do utrzymywania i publikowania nowych specyfikacji OPC. 

Sposób komunikowania się aplikacji komputerowych pracujących jako klient lub serwer, określa protokół wymiany informacji. Pierwotna forma tego protokołu bazowała na technologii OLE, obecnie znanej jako COM/DCOM (ang. Distributed Component Object Model) [1, 2]. W ramach działania tej technologii opracowano interfejsy do obiektów komunikacyjnych, które udostępniono w formie następujących specyfikacji [6]:

1. OPC Security – definiuje interfejs reguł i zasad bezpieczeństwa,
2. OPC Common Definitions – definiuje zagadnienia dotyczące specyfikacji,
3. OPC Complex Data – definiuje możliwości w opisywaniu złożonych struktur danych oraz sposób dostępu do nich,
4. OPC Data Access (OPC DA) – umożliwia dostęp do aktualnych danych procesowych w trybie rzeczywistym,
5. OPC Alarms&Events (OPC A&E) – rozgłasza zaistniałe zdarzenia w systemie oraz zgłaszane alarmy,
6. OPC Commands – definiuje interfejsy do przekazywania poleceń i nadzór nad ich realizacją,
7. OPC Historical Data Access (OPC HDA) – umożliwia dostęp do danych archiwalnych,
8. OPC XML-DA – integruje technologię OPC i język znaczników XML (ang. eXtensible Markup Language) do pracy w Internecie,
9. OPC Batch – jest wymagana przy przetwarzaniu wsadowym, Programy wsadowe mogą wykonywać zadania pozwalające na ich zautomatyzowanie. Specyfikacja ta bazuje na specyfikacji OPC DA i poszerza ją,
10. OPC Data eXchange (OPC DX) – sposób komunikacji pomiędzy serwerami OPC DA w schemacie serwer-serwer, bez konieczności stosowania klientów. Specyfikacja wykorzystywana do redundancji danych procesowych.

Specyfikacja OPC Data Access jest podstawowym opracowaniem opisującym mechanizmy dostępu do bieżących danych procesowych oraz modyfikowaniu ich wartości (rys. 2.). Dokonano w niej logicznego przyporządkowania obiektów zmiennych procesowych (ang. OPC Item) do obiektów grupy (ang. OPC Group). Grupy charakteryzują się różnymi czasami skanowania zmiennych oraz trybem ich odczytu. Każda zmienna posiada wartość (ang. Value), znacznik czasowy (ang. Timestamp), typ oraz jakość (ang. Quality). Aktualna wartość jest definiowana typem Variant, natomiast jakość określa status odczytywanej zmiennej w postaci: Good, Bad, Uncertain. Znacznik czasu określa termin zmian wartości danej procesowej [3, 5].

W zależności od wersji specyfikacji OPC DA są możliwe dwa tryby odczytu danych:

• synchroniczny – odczyt występuje zawsze w jednakowych odstępach czasowych. Podczas takiego odczytu klient wywołuje metodę i oczekuje na zwrot wartości. Jest stosowany przy szybkim dostępie do danych, aby nie zablokować klienta,
• asynchroniczny – odczyt występuje wtedy, gdy pewne dane lub ich status ulegną zmianie. Możliwa jest definicja progów, po przekroczeniu których powinien nastąpić odczyt (tryb Refresh). Przy odczycie asynchronicznym powrót wywołania metody jest natychmiastowy, a serwer informuje klienta o dostępności nowych danych (ang. Callback).

Technologię OPC bazującą na technologii COM i DCOM firmy Microsoft nazwano klasyczną. Jej zaletą było ułatwienie tworzenia specyfikacji związanych z definicją różnych interfejsów programistycznych, bez konieczności definiowania protokołu sieciowego lub sposobów komunikacji międzyprocesowej. Technologia COM/DCOM przyczyniła się do współpracy klienta z obiektem COM serwera, pracującego w tym samym lub innym procesie, jak również w różnych jednostkach komputerowych posiadających zainstalowany system Windows. Spowodowało to obniżenie czasu opracowywania specyfikacji i produktów. Powodem jest powszechność jej stosowana jako jednorodne medium komunikacyjne w warstwach operacyjnej i biznesowej. Niestety w technologii tej ujawniają się wady na poziomie transmisji danych w sieci komputerowej, spowodowane używaniem komponentów technologii DCOM. Eliminuje się je poprzez zastosowanie tunelowania, czyli dodatkowych aplikacji komputerowych, które pośredniczą w procesie wymiany informacji.

Tunelowanie klasycznej technologii OPC

Wprowadzenie standardu komunikacji OPC przyczyniło się do: standaryzacji komunikacji i wymiany danych przemysłowych, dużej uniwersalności i skalowalności rozwiązań oraz znacznego obniżenia kosztów integracji dużych systemów przemysłowych. W warunkach pracy sieciowej zauważalne są jednak wady komunikacyjne oparte na technologii DCOM, takie jak:

• trudności w skonfigurowaniu połączenia,
• problemy z nawiązaniem połączenia,
• problemy z utrzymaniem połączenia pomiędzy klientem a serwerem.

Aplikacje zbudowane z komponentów technologii OPC nie mają wpływu na pracę obiektów informatycznych wchodzących w skład technologii DCOM, toteż są uzależnione od ich ograniczeń. Na rysunku 3. przedstawiono dwie jednostki komputerowe pracujące w sieci komputerowej Ethernet. Ich komunikacja pomiędzy aplikacją klienta i serwera OPC może być realizowana w klasycznym schemacie opartym na technologii DCOM oraz przy wykorzystaniu aplikacji tunelujących: serwera OPC SCS i klienta SSC. Aplikacje tunelujące zapewniają transfer informacji, który powinna realizować technologia DCOM. Aplikacje serwera OPC SCS oraz klienta SSC pracują w schemacie klient-serwer i wymieniają się danymi poprzez ustalony port protokołu TCP. Są one instalowane na wszystkich jednostkach komputerowych biorących udział w wymianie danych przez sieć komputerową (klient i serwer OPC). Ich głównym zadaniem jest konwersja wiadomości w formacie technologii OPC, pobieranych przy użyciu technologii COM z lokalnie zainstalowanej aplikacji OPC, na stosowny, wydajny standard komunikacji sieciowej, tj.: TCP/IP, HTTP, HTTPS, XML itp. Następnie dane są przesyłane przez sieć komputerową, a aplikacja tunelująca OPC zainstalowana na komputerze odbiorczym dokonuje konwersji odwrotnej [5]. W ten sposób aplikacja tunelująca OPC wykonuje dwa zadania:

• transferuje dane do innego obiektu tunelującego OPC,
• konwertuje wszystkie dane z tunelowania OPC na podstawowy, standardowy format komunikatu OPC.

Obciążalność sieci komputerowej oraz procesora jednostek komputerowych przy zastosowaniu klasycznej technologii OPC pracującej za pośrednictwem technologii DCOM oraz przy wykorzystaniu aplikacji tunelujących odpowiednio pokazano na rysunkach 4a i 4b. Eksperyment wykonano w trybie odczytu danych procesowych asynchronicznym i synchronicznym. Z przedstawionych wykresów wynika, że największe obciążenie sieci komputerowej występuje przy synchronicznym przesyłaniu danych procesowych bez zastosowania tunelowania (współczynnik C). Wynika to z faktu, że w synchronicznym odczycie informacji dane są transmitowane w całości w równych odstępach czasu, natomiast w asynchronicznym tylko te, które uległy zmianie w określonym zakresie. Tunelowanie spowodowało obniżenie obciążenia sieci komputerowej, zarówno w trybie odczytu asynchronicznego, jak i w trybie odczytu synchronicznego. Przekłada się ono na poprawienie współczynnika efektywności przy przesyłaniu informacji. Efekt ten można uzasadnić odpowiednim organizowaniem przestrzeni danych protokołu bazowego Ethernet, którego całkowity rozmiar pakietu wynosi 1518 bajtów. W protokole tym segment danych nie może być mniejszy niż 64 bajty i dlatego bardziej optymalne jest przesyłanie większej liczby zmiennych procesowych niż pojedynczych, gdzie przestrzeń danych protokołu Ethernet nie jest całkowicie wykorzystana.

Tunelowanie powoduje efektywniejszy transfer informacji pomiędzy jednostkami komputerowymi, jednakże negatywnie wpływa na zwiększenie obciążenia procesora jednostki komputerowej ok. 4-krotnie (rys. 4b). Efekt ten jest uzasadniony pracą dodatkowych aplikacji tunelujących, zaangażowanych w proces pośredniczenia przesyłania zmiennych procesowych pomiędzy klientem a serwerem OPC. Aplikacje tunelujące jednocześnie komunikują się protokołem technologii COM odpowiednio z klientem i serwerem OPC oraz wymieniają się danymi poprzez sieć komputerową Ethernet. Zwiększona obciążalność procesora ma również negatywny skutek, odznaczający się odpowiednio proporcjonalnym wzrostem poboru mocy jednostek komputerowych z sieci zasilającej [5]. Jest to bardzo istotne zagadnienie, gdyż na system komputerowy składa się wiele stacji przetwarzania danych, których ciągła praca odwzorowuje sumaryczny wskaźnik zużycia energii przedsiębiorstwa. Badania [7] wykazują, że nawet stosowanie kart sieciowych Ethernet 1 Gb/s zamiast 100 Mb/s powoduje wzrost poboru energii elektrycznej, z uwagi na dostosowanie ich na szybszy transfer informacji. Urządzenia sieciowe pracują cały czas z pełną prędkością transmisji danych, pomimo że średnie wykorzystywanie przepustowości kart sieciowych jest mniejsze niż 5%. W ten sposób roku 2005 w USA wszystkie kontrolery sieciowe (komputery, przełączniki sieciowe oraz routery) zużyły 5,3 TWh energii.

Wykorzystanie tunelowania aplikacji bazujących na klasycznej technologii OPC eliminuje wady wynikające ze stosowania technologii DCOM, natomiast generuje kolejne wady, do których zalicza się:

• unieważnienie nazwy i hasła użytkowników systemu operacyjnego, gdyż dostęp do serwerów tunelujących posiada każda jednostka komputerowa realizująca połączenie z dowolnego konta użytkownika,
• dodatkowe obciążenie procesorów jednostek komputerowych (nawet o rząd wielkości) z powodu zaangażowania aplikacji tunelujących w translację wiadomości oraz transmisję danych w sieci komputerowej.

Nieefektywne przesyłanie zmiennych procesowych w komputerowym systemie automatyki przemysłowej oraz powiększona obciążalność procesora stacji przetwarzania danych wpływa negatywnie na organizację pracy systemu informatycznego opartego na technologii OPC. Odczytywanie dziesiątek lub setek tysięcy zmiennych z linii technologicznych powoduje opóźnienie z tytułu sterowania procesem produkcyjnym. W takich sytuacjach, aby zapewnić właściwą pracę w zarządzaniu wyspą automatyki, używa się co najmniej dwóch serwerów OPC. Jeden angażuje się tylko do akwizycji danych procesowych, natomiast drugi do wydawania rozkazów sterujących.

Wnioski

Standard komunikacyjny OPC znacząco przyczynił się do integracji dużych systemów komputerowych. Producenci urządzeń automatyki tworzą aplikacje komputerowe serwerów, które mają za zadanie nadzorować pracę swoich produktów oraz realizować akwizycję danych procesowych. Inne aplikacje komputerowe, pracujące jako klienci technologii OPC, mogą połączyć się z wymaganym serwerem OPC, aby przejąć kontrolę nad wybranym urządzeniem kontrolno-pomiarowym. W ten sposób organizuje się obraz procesu technologicznego w postaci dwu- lub trzywymiarowej prezentacji, dla której wykorzystuje się wszelkie media nowoczesnych technik przetwarzania informacji, tj. przestrzenna identyfikacja obiektu wizualizacji, werbalna komunikacja z obiektem obrazu procesu technologicznego.

Zaprezentowane wady klasycznej technologii OPC oraz sposób ich eliminacji stają się często kluczowym aspektem w możliwościach osiągnięcia pożądanego celu w systemach automatyki. Wady technologii OPC, jak również powstanie innych systemów operacyjnych niż Microsoft Windows, spowodowały powstanie nowego standardu komunikacyjnego o nazwie OPC Unified Architecture (w skrócie OPC UA). Specyfikację OPC UA wprowadzono w styczniu 2007 r. przez Fundację OPC. Pod względem funkcjonalnym określa ona sposób realizacji trzech starszych specyfikacji: OPC DA, OPC HDA oraz OPC A&E. Bazuje ona na ogólnie przyjętych protokołach komunikacyjnych, takich jak TCP/IP (ang. Transmission Control Protocol/Internet Protocol), HTTP (ang. Hypertext Transfer Protocol), SOAP (ang. Simple Object Access Protocol). W ten sposób nowy standard całkowicie uniezależnił się od technologii DCOM, uciążliwej przy konfiguracji w systemie operacyjnym Windows.

W systemach automatyki przemysłowej, pomimo iż powstają nowe sposoby formatu transmisji danych, nadal wykorzystuje się klasyczną technologię OPC. Przyczyną tego faktu są sprawdzone dotychczasowe rozwiązania stosowania odpowiednio skonfigurowanego komputerowego systemu sterowania. Na bazie klasycznej technologii OPC rozwinięto pewne oprogramowanie narzędziowe, które generują projekty do monitorowania, wizualizacji, sterowania oraz akwizycji danych procesowych zakładu produkcyjnego. Technologia OPC UA posiada odmienny charakter w organizacji pracy serwerów OPC i transmisji informacji. Ten główny powód jest czasem decydujący w ocenie stosowalności określonego standardu komunikacyjnego. Bywają takie sytuacje, w których celowo nie używa się najnowszego systemu operacyjnego oraz związanego z nim oprogramowania narzędziowego. W związku z powyższym projektanci komputerowego systemu sterowania muszą liczyć się z konsekwencjami stosowania tunelowania klasycznej technologii OPC.

Literatura

1. S. Williams, C. Kindel, The Component Object Model: A technical Overview, Microsoft Developer Network.
2. M. Horstman, M. Kirtland, DCOM Architecture, Microsoft Developer Network.
3. F. Iwanitz, J. Lange, OLE for Process Control. Fundamentals, Implementation and Applications, Huthig Verlag heiderberg, RFN, 2001.
4. W. Mahnke, S.-H. Leitner, M. Damm, OPC Unified Architecture, ISBN 978-3-540-68898-3, 2009 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
5. R. Kwiecień, Komputerowe systemy automatyki przemysłowej, Computer systems for industrial automation, ISBN: 9788324651429/978-83-246-5142-9, Pub. Helion, Gliwice 2013.
6. The OPC Foundation: www.opcfoundation.org, 15.01.2014.
7. Moore Gordon, Energy-Efficient Ethernet, „IEEE Spectrum”, Int 9, May 2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!