OPC UA и OPC DA: обзор стандартов для промышленной автоматизации

OPC (Open Platform Communications) — это семейство стандартов, предназначенных для обмена данными между устройствами и приложениями в промышленной автоматизации. Эти стандарты играют важную роль в обеспечении совместимости оборудования и программного обеспечения различных производителей.

OPC стандарты используются для интеграции оборудования в такие системы, как SCADA, DCS, MES и другие, что позволяет управлять и мониторить производственные процессы в режиме реального времени.

Основные стандарты OPC

В течение десятилетий стандарты OPC развивались и расширялись, чтобы удовлетворять меняющиеся потребности в промышленной автоматизации:

Стандарт OPC	Описание
OPC DA (Data Access)	Самый распространённый стандарт, который обеспечивает обмен данными в реальном времени с такими устройствами, как ПЛК, РСУ, ЧМИ и ЧПУ.
OPC HDA (Historical Data Access)	Доступ к сохранённой информации и историческим данным.
OPC AE (Alarms & Events)	Оповещает о различных событиях, включая аварии, действия оператора и информационные сообщения.
OPC Batch	Поддержка управления процессами на основе шагов и рецептур в производственных системах.
OPC DX (Data eXchange)	Обеспечивает обмен данными между OPC-серверами через Ethernet, создавая возможность взаимодействия между устройствами и программным обеспечением разных производителей.
OPC Security	Определяет способы управления доступом клиентов к данным OPC-сервера.
OPC XML-DA (XML-Data Access)	Предлагает гибкий формат обмена данными с использованием XML, SOAP и HTTP, регулируемый заданными правилами.
OPC Complex Data	Дополнения к OPC DA и XML-DA для работы со сложными типами данных, включая бинарные структуры и XML-документы.
OPC Commands	Интерфейсы для идентификации, передачи и контроля команд, выполняемых в контроллерах или модулях ввода-вывода.
OPC UA (Unified Architecture)	Самая современная спецификация, обеспечивающая кроссплатформенную совместимость, не зависящая от технологии Microsoft COM.

Эволюция и Развитие OPC: От OPC DA к OPC UA

В конце 1990-х годов появился первый стандарт OPC, известный как OPC DA (Data Access). Этот стандарт был основан на технологии Microsoft DCOM и предназначен для обеспечения доступа к данным в реальном времени. OPC DA обеспечивал простую и удобную связь между устройствами и программными приложениями, что сделало его популярным выбором в системах автоматизации и управления. Однако, несмотря на свои достоинства, OPC DA обладал рядом ограничений, таких как зависимость от платформы Windows и отсутствие встроенной поддержки безопасности.

В ответ на эти ограничения в 2006 году был разработан стандарт OPC UA (Unified Architecture). OPC UA стал значительным шагом вперед, предоставив платформонезависимый протокол с более сложной и гибкой архитектурой. В отличие от своего предшественника, OPC UA поддерживает различные операционные системы и аппаратные архитектуры, что делает его гораздо более универсальным. Кроме того, OPC UA предлагает улучшенные функции безопасности, включая шифрование и аутентификацию, а также поддержку более сложных моделей данных, что особенно важно для интеграции с современными информационными системами и Интернетом вещей (IoT).

Применение OPC в промышленности

В энергетике, например, OPC стандарты применяются для управления и мониторинга сложных систем, таких как генераторы, трансформаторы, системы распределения энергии и системы управления зданиями. В этих системах OPC помогает обеспечивать надежный обмен данными, необходимый для поддержания стабильной работы оборудования и повышения эффективности управления энергоресурсами.

Технологию OPC чаще всего используют для обмена данными между контроллерами и SCADA системой, но она также может применяться для создания сложных систем на различных уровнях автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

OPC включает два основных компонента: клиент и сервер. Серверная часть через драйверы взаимодействует с устройствами по полевым шинам, запрашивая данные, а клиентская часть, обычно встроенная в SCADA систему, получает и обрабатывает эти данные.

В АСУ предприятия можно выделить несколько уровней:

Уровень	Описание
Нижний уровень	Полевые шины и отдельные контроллеры
Средний уровень	Цеховые сети
Уровень АСУ ТП	Работа систем типа SCADA
Уровень АСУП	Управление приложениями для управления ресурсами предприятия, такими как ERP и MES

Каждый из этих уровней может взаимодействовать с OPC-сервером, который передает данные клиентам, расположенным на более высоких уровнях или соседним устройствам, обеспечивая целостность информационного обмена и оперативное управление.

Работа OPC DA сервера

OPC DA серверы (Data Access) играют ключевую роль в промышленных системах автоматизации, обеспечивая передачу данных в реальном времени от устройств и контроллеров к клиентским приложениям, таким как SCADA системы. Основной принцип работы OPC DA сервера заключается в использовании технологии Microsoft DCOM для организации связи между оборудованием и программными продуктами. Сервер собирает данные с различных промышленных устройств, включая ПЛК, датчики и исполнительные механизмы, после чего эти данные обрабатываются и передаются клиентам в режиме реального времени.

Процесс работы OPC DA сервера можно разделить на несколько этапов:

1. Сбор данных: OPC DA сервер подключается к оборудованию через сетевые интерфейсы или аппаратные порты, чтобы считывать показания датчиков и данные с контроллеров.
2. Обработка данных: Сервер обрабатывает полученные данные, выполняя предварительную фильтрацию, конвертацию или агрегирование в зависимости от настроек.
3. Передача данных: Обработанные данные передаются клиентам через стандартные интерфейсы, что позволяет операторам или другим системам управления своевременно реагировать на изменения в процессе.

OPC DA серверы широко используются в промышленности благодаря своей надежности. Однако их работа ограничена операционной системой Windows, что накладывает определенные ограничения на их применение в условиях, требующих кроссплатформенных решений.

OPC DA сервер обеспечивает обмен данными между клиентской программой (например, SCADA системой) и конечными устройствами, выполняя операции записи и чтения. Данные в OPC представлены в виде переменной, называемой тегом, с определенными свойствами. Теги могут быть различных типов данных, поддерживаемых OLE, включая целые и вещественные числа, логические значения, строки, даты, массивы и другие.

Основные свойства тегов включают:

• Текущее значение, тип данных и права доступа (чтение и/или запись).
• Качество данных, которое отражает состояние переменной, включая выход за пределы диапазона, наличие ошибок связи и другие параметры. Оно может принимать значения, такие как "хорошее", "плохое", "неопределенное" с дополнительной информацией.
• Метка времени, показывающая, когда переменная получила текущее значение.
• Частота опроса, определяющая, как часто OPC сервер обновляет значение переменной.
• Описание переменной, которое помогает пользователю понять, что именно она представляет.

Кроме обязательных, могут быть и дополнительные свойства, такие как диапазон значений, единица измерения и другие пользовательские параметры.

Для взаимодействия с OPC сервером доступны несколько режимов чтения данных:

• Синхронный режим: клиент отправляет запрос и ожидает немедленного ответа от сервера.
• Асинхронный режим: клиент отправляет запрос и продолжает работу, получая данные, когда сервер завершит обработку.
• Режим подписки: сервер отправляет данные только при изменении тегов, минимизируя лишнюю передачу данных, используя "мертвую зону" для игнорирования незначительных изменений.
• Режим обновления данных: клиент запрашивает обновление всех активных тегов одновременно, что уменьшает нагрузку на процессор, игнорируя пассивные теги.

Данные могут поступать от OPC сервера либо напрямую из конечных устройств, либо из буфера. Чтение из буфера выполняется быстрее, но может не всегда быть актуальным. OPC сервер регулярно обновляет буферные данные, запрашивая их у устройств.

Запись данных в конечное устройство также осуществляется либо в синхронном, либо в асинхронном режимах. В синхронном режиме клиент ждет подтверждения о выполнении команды, что может занять время. Асинхронный режим позволяет клиенту продолжать работу, пока сервер завершает запись и отправляет уведомление о завершении. Это ускоряет процесс и повышает общую производительность системы.

Примеры OPC DA сервера

Существует множество коммерческих и бесплатных решений для реализации OPC DA серверов. Вот некоторые из них:

1. Kepware KEPServerEX: Один из наиболее популярных OPC DA серверов, поддерживающий широкий спектр промышленных протоколов и устройств. KEPServerEX предоставляет пользователям возможность интеграции с различными SCADA системами, а также другими клиентскими приложениями для мониторинга и управления процессами. Сервер легко настраивается и обладает высокой производительностью, что делает его идеальным выбором для многих промышленных приложений.
2. Matrikon OPC Server: Matrikon предлагает целый ряд OPC серверов, каждый из которых предназначен для работы с определенным типом устройств или протоколов. Эти серверы отличаются гибкостью настройки и совместимостью с широким спектром оборудования. Matrikon OPC Server обеспечивает стабильную и надежную связь между устройствами и клиентами, что особенно важно в условиях, где критичны точность и надежность данных.
3. Softing OPC DA Server: Еще один пример надежного OPC DA сервера, который поддерживает множество промышленных протоколов и интерфейсов. Этот сервер обеспечивает высокую производительность и гибкость, что позволяет легко интегрироваться в существующую инфраструктуру предприятия.

Эти серверы применяются в различных отраслях, включая нефтегазовую промышленность, энергетику, производство и автоматизацию зданий. Они обеспечивают оперативный доступ к данным и позволяют создавать сложные системы мониторинга и управления.

Стандарт OPC UA

OPC UA (Unified Architecture) был разработан как эволюция предыдущих стандартов OPC, включая OPC DA, для устранения их ограничений и добавления новых возможностей. Основной отличительной особенностью OPC UA является его независимость от платформы, что позволяет использовать этот стандарт на различных операционных системах, включая Windows, Linux и macOS. Это стало возможным благодаря отказу от технологии DCOM и переходу на более современные и универсальные протоколы связи.

OPC UA — это сервис-ориентированный стандарт, который поддерживает богатую информационную модель, обеспечивающую возможность работы с данными в более сложных и гибких структурах. В отличие от OPC DA, где данные представлены в виде простой иерархии, OPC UA позволяет создавать объекты, содержащие атрибуты, методы и связи, что делает этот стандарт более подходящим для интеграции с системами верхнего уровня, такими как MES и ERP.

Еще одной важной особенностью OPC UA является высокая степень безопасности. Стандарт включает встроенные механизмы шифрования, аутентификации и авторизации, что делает его более защищенным по сравнению с предшественниками. Эти функции особенно важны в условиях, где необходимо обеспечить конфиденциальность и целостность данных, передаваемых между устройствами и системами управления.

OPC UA также поддерживает работу через различные сети, что делает его универсальным решением для создания распределенных систем автоматизации.

Теперь обмен данными осуществляется через бинарные структуры и XML-документы. В дополнение к традиционной модели клиент/сервер, OPC UA также поддерживает модель издатель/подписчик, которая оптимизирует передачу данных в сетях с множеством устройств. Стандарт включает встроенные механизмы резервирования: если один клиент выходит из строя, другой автоматически берет на себя его задачи, обеспечивая минимальные перерывы в работе.

Данные передаются по транспортным протоколам TCP, HTTP/SOAP или HTTPS, а для безопасности используются цифровые сертификаты и шифрование. В отличие от OPC DA, который требовал дополнительное ПО для прохождения через маршрутизаторы и межсетевые экраны, OPC UA работает напрямую, упрощая инфраструктуру и снижая задержки.

Совместимость с OPC DA обеспечивается через специальные оболочки (wrappers) и proxy-модули, что позволяет плавно интегрировать старые системы с новыми. Спецификация OPC UA включает в себя множество частей, детализирующих работу серверов и клиентов, и изложена в стандарте IEC 62541. Благодаря своей гибкости и безопасности, OPC UA становится предпочтительным решением для современных автоматизированных систем.

Пример OPC UA сервера

OPC UA серверы становятся все более популярными благодаря своим расширенным возможностям и гибкости. Вот несколько примеров:

1. Prosys OPC UA Server: Это мощный и гибкий OPC UA сервер, который поддерживает широкий спектр функций и совместим с различными типами оборудования. Prosys OPC UA Server обеспечивает высокую производительность и безопасность, что делает его подходящим для использования в промышленных приложениях, где критичны надежность и защита данных.
2. Unified Automation UaGateway: Этот продукт предоставляет возможности интеграции OPC UA с другими стандартами OPC, включая OPC DA и OPC HDA. UaGateway поддерживает расширенные функции мониторинга и управления данными, что позволяет использовать его в сложных системах автоматизации. Он также обладает высокой степенью кроссплатформенной совместимости, что делает его подходящим для применения в самых разных условиях.
3. Ignition by Inductive Automation: Эта платформа включает в себя OPC UA сервер и предоставляет пользователям широкие возможности по интеграции и управлению данными в реальном времени. Ignition поддерживает работу с большими объемами данных и может использоваться в различных отраслях, включая производство, энергетику и транспорт.

Эти серверы обеспечивают надежное и безопасное соединение между промышленными устройствами и системами управления, что делает их незаменимыми в современных условиях автоматизации.

Минусы применения OPC

Несмотря на очевидные преимущества, технология OPC имеет свои недостатки, которые необходимо учитывать при выборе этого стандарта для реализации систем автоматизации:

• Сложность реализации и настройки: Внедрение OPC, особенно OPC UA, требует значительных ресурсов и знаний. Необходимо учитывать множество параметров и настроек для обеспечения правильной работы системы, что может потребовать привлечения квалифицированных специалистов.
• Зависимость от сетевой инфраструктуры: Надежная работа OPC серверов зависит от качества сети. В случае нестабильного соединения может возникнуть потеря данных или задержки в их передаче, что может негативно сказаться на работе системы управления.
• Финансовые затраты: Внедрение и поддержка OPC серверов могут потребовать значительных затрат, особенно если речь идет о крупных и сложных системах. Это может стать препятствием для внедрения технологии на малых и средних предприятиях.
• Совместимость: Хотя OPC UA предлагает кроссплатформенную совместимость, проблемы могут возникнуть при интеграции с устаревшими системами, использующими более ранние версии стандарта, такие как OPC DA. Это может потребовать дополнительных усилий по адаптации и тестированию.

Также отдельно стоит затронуть ошибки в использовании OPC. Разработчики SCADA Trace Mode 6 из компании АдАстра Рисерч Груп выделяют типичные ошибки в проектировании АСУ ТП.

Среди них:

1. Злоупотребление OPC-технологиями.
2. Неоправданное использование WEB-технологий.
3. Применение протоколов реального времени в телемеханических задачах.

К примеру, часто возникает желание заменить все протоколы нижнего уровня на OPC, но это не всегда оправдано. Конвертация промышленных протоколов, таких как Modbus и Profibus, на ПК через OPC сервер увеличивает время обработки и потребляет больше ресурсов. Тесты показывают, что SCADA системы работают в два раза быстрее при использовании промышленных протоколов напрямую, без промежуточного OPC сервера. Если контроль процесса в реальном времени не критичен, можно использовать OPC, но этот момент следует учитывать при проектировании АСУ ТП.

Кроме того, настройка OPC сервера может быть сложной, особенно с учетом необходимости ручной привязки большого количества тегов. Еще один недостаток — лицензирование: часто требуется отдельная лицензия для каждого ПК.

Если система передает данные через Интернет в облако, недостаточное шифрование становится серьезной уязвимостью, создавая риски для безопасности всей системы АСУ ТП.

OPC UA для работы в реальном времени

OPC UA был разработан с учетом современных требований к системам, работающим в реальном времени. Это означает, что стандарт обеспечивает минимальные задержки при передаче данных, что позволяет оперативно реагировать на изменения в производственных процессах и других критически важных системах.

Основные аспекты работы OPC UA в реальном времени включают:

• Низкие задержки: OPC UA поддерживает технологии, которые минимизируют задержки при передаче данных, обеспечивая быструю реакцию систем управления на изменения в производственных процессах. Это особенно важно для задач, где требуется мгновенное реагирование, таких как управление производственным оборудованием или автоматизация процессов.
• Поддержка шифрования и аутентификации: В современных условиях безопасность данных имеет первостепенное значение. OPC UA включает встроенные механизмы шифрования и аутентификации, которые обеспечивают защиту данных при их передаче между устройствами и системами управления. Это позволяет использовать OPC UA в критически важных приложениях, где требуется гарантированная безопасность информации.
• Гибкость и масштабируемость: OPC UA может быть легко адаптирован под различные требования реального времени, от небольших локальных систем до крупных распределенных сетей. Это делает его универсальным решением для самых разных отраслей, где важно обеспечить оперативный обмен данными.

Таким образом, OPC UA представляет собой мощное и гибкое решение для создания систем автоматизации и управления, работающих в реальном времени, обеспечивая при этом высокий уровень безопасности и надежности.

Для поддержки работы в реальном времени технология OPC UA может использовать модель издатель/подписчик (Publish/Subscribe) совместно с TSN (Time-Sensitive Networking), что открывает новые возможности по сравнению с традиционной моделью клиент/сервер.

Модель клиент/сервер хорошо подходит для точечных соединений, где требуется обмен данными между двумя устройствами. Однако при увеличении числа подключенных устройств могут возникать задержки в передаче данных. Модель издатель/подписчик, напротив, оптимизирована для работы с множеством устройств. В этой модели данные передаются от одного или нескольких источников множеству получателей. Сервер публикует данные в сеть, и любые подписчики могут получать их в режиме реального времени, что значительно повышает эффективность обмена информацией в сложных системах.

TSN, как дополнение к Ethernet, предоставляет возможности для улучшения качества обслуживания (QoS), синхронизации и минимизации задержек в передаче данных. Устройства передают данные через Ethernet в виде потоков, и TSN-коммутаторы могут выделять отдельные полосы пропускания для каждого потока, что позволяет объединять несколько потоков в одной сети и обеспечивать их передачу в реальном времени. Это важно для сложных сетевых структур, где обычный Ethernet не обеспечивает достаточной производительности и надежности.

Совместное использование OPC UA и TSN открывает перспективы для создания единой коммуникационной среды, в которой устройства от разных производителей могут эффективно взаимодействовать, обеспечивая стабильную передачу данных в реальном времени даже в условиях высокой нагрузки.

OPC Foundation активно развивает стандарт OPC UA, чтобы он мог применяться не только для связи между контроллерами и системами SCADA, но и на всех уровнях промышленной автоматизации, от датчиков и IoT-устройств до облачных сервисов. В рамках этого плана разрабатываются четыре варианта OPC UA, оптимизированные для различных типов устройств:

Версия OPC UA	Описание
Nano Embedded Device Server	Для датчиков и других устройств с ограниченными ресурсами.
Micro Embedded Device Server	Для экономичных ПЛК.
Embedded UA Server	Для более мощных ПЛК и шлюзов.
Standard UA Server	Для сложных систем, требующих полной функциональности OPC UA.

Эти версии позволят использовать OPC UA в широком спектре устройств, обеспечивая надежную и масштабируемую передачу данных в реальном времени.

Вызовы и Перспективы применения OPC

Несмотря на очевидные преимущества, как у OPC DA, так и у OPC UA, существуют определенные вызовы и ограничения. OPC DA, например, ограничен в плане масштабируемости и безопасности, что делает его менее подходящим для современных распределенных систем. OPC UA, хотя и обладает более широкими возможностями, требует более сложной настройки и интеграции, что может увеличивать затраты на внедрение.

Тем не менее, перспективы OPC UA выглядят весьма обнадеживающе. Его способность интегрироваться с IoT и облачными решениями, поддержка сложных информационных моделей и высокая безопасность делают его ключевым стандартом для будущих систем автоматизации. С развитием технологий, таких как Time-Sensitive Networking (TSN), OPC UA становится все более востребованным в приложениях, где критически важны минимальные задержки и точность передачи данных в реальном времени.

Заключение

OPC DA и OPC UA представляют собой два важных стандарта в области промышленной автоматизации, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны. OPC DA остается популярным выбором для традиционных систем благодаря своей простоте и зрелости технологии. Однако для новых проектов, особенно тех, которые требуют высокой безопасности, гибкости и интеграции с IoT, OPC UA является более предпочтительным вариантом. Выбор между этими стандартами должен основываться на конкретных требованиях проекта, но в долгосрочной перспективе OPC UA, безусловно, будет играть ведущую роль в развитии промышленной автоматизации и управления.