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一文搞懂OPC通訊協議

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導讀:

OPC UA

OPC統一架構(OPC Unified Architecture)是OPC基金會(OPC Foundation)創建的新技術,更加安全、可靠、中性(與供應商無關),為製造現場到生產計劃或企業資源計劃(ERP)系統傳輸原始資料和預處理信息。使用OPC UA技術,所有需要的信息可隨時隨地到達每個授權應用和每個授權人員。

OPC UA 獨立於製造商,應用可以用他通信,開發者可以用不同編程語言對他開發,不同的操作系統上可以對他支持。OPC UA 彌補了已有 OPC 的不足,增加了諸如平臺獨立、可伸縮性、高可用性和因特網服務等重要特性。

OPC UA 不再基於分佈式組件物件模型(DCOM),而是以面向服務的架構(SOA)為基礎。OPC UA 因此可以連接更多的設備。

今天,OPC UA 已經成為連接企業級計算機與嵌入式自動化組件的橋梁 – 獨立於微軟、 UNIX 或其他操作系統。


以下正文部分

1. 組件物件模型(COM)/分佈式組件物件模型(DCOM)的終止

傳統OPC應用之間的資料交換是基於微軟的組件物件模型(COM)技術。因為視窗(Windows)操作系統在世界範圍內得到了廣泛的應用,同時也促進了視窗計算機在自動化中的使用,所以COM技術也為OPC技術的廣泛使用創造了條件。在2002年初,微軟發佈了新的.NET框架並且宣佈COM技術的停止研發。雖然這不意味著將來的視窗操作系統不支持COM,但作為停止的結果,傳統OPC的基礎技術已經不再發展,或早或晚要被淘汰,所以要尋求新的替換方案。

  2. COM 的局限

上世紀90年代,隨著視窗計算機的普及,微軟COM/DCOM技術引入的一組特性,得到了家庭計算機用戶和工業自動化用戶的高度欣賞。這些特性包括了拷貝與粘貼,拖拽與投放,鏈接與嵌入。DCOM還提供了完整的通信基礎架構,並帶有必要的安全機制,諸如授權、鑒權和加密。DCOM安全機制能夠實現計算機對資料和程式的遠程訪問。但DCOM安全機制同時也對安裝工程師、系統集成商和開發者管理專案提出了挑戰,其中包括了跨越PC的OPC通信。正確地設置DCOM安全功能是非常困難的任務,需要很多專業的知識。作為結果,安裝工程師和系統集成商會例行公事地選擇快速流程,在所有連網的OPC計算機採取寬鬆的訪問授權,造成大多數保護不起作用且允許非授權遠程訪問。這種做法與信息技術(IT)安全的要求相違背。在長期運行時,可能會有粗心大意者或者蓄意破壞的人造成損害的危險。DCOM安全設置常常需要一種特別才能,而配置OPC通信功能則非常容易。

3. OPC 通信穿過防火牆

在自動化行業,很早就認識到OPC通信需要跨越計算機邊界的必要性,這是另一個DCOM限制傳統OPC通信的地方。DCOM需要多個端口,如鑒權、傳輸資料和一系列服務建立一個連接。所以,在防火牆中不得不打開很多端口,才能讓DCOM通信穿過他。在防火牆上每打開一個端口都是一個安全隱患,為黑客攻擊提供一種潛在可能。OPC UA中的隧道技術是一種被廣泛接受的策略,解決了傳統OPC產品中DCOM限制的問題。

4. 在非視窗平臺使用OPC

在工業應用中,幾乎“無所不在”的微軟平臺,把DCOM 作為操作系統的一個組件是傳統OPC能被快速接受的一個重要因素。但是同時,OPC的集成概念在使用其他操作系統時就不靈光了,因為他們不支持DCOM。比如在IT行業,常常使用Unix或者Linux系統就是這種情況。

自動化也是這樣,有的應用領域明確拒絕使用視窗操作系統。嵌入式設備領域是另一個視窗很難(除了視窗CE或者嵌入XP)涉及的領域。這裡,複雜的應用直接嵌入到現場設備、PLC、操作屏和其他設備之中。他們運行VxWorks、QNX、嵌入式Linux、RTOS或者其他嵌入式操作系統而沒有DCOM。在這些領域里使用OPC 的集成概念註定要失敗,因為OPC需要DCOM作為技術基礎,而這個基礎在嵌入式系統中正好缺失。

5.通過Web服務實現跨平臺的OPC通信

隨著在2003年OPC XML-DA規範的發佈,OPC基金會第一次展示了一種獨立於視窗平臺的方式和剋服DCOM限制的方法。今天,很多OPC XML-DA產品演示了基於Web服務的OPC技術。但是XML-DA 通信的資料吞吐量還是比不上DCOM,通信速度要慢5到7倍。這個速度對於很多自動化的要求而言是太慢了。基於Web服務的OPC通信功能還是有用的,因為實現了跨越操作系統的能力,但還要進一步提高資料傳輸性能。

6. 統一資料模型

迄今為止,傳統的OPC技術已有3種不同的OPC服務器 – 資料訪問服務器、報警與事件服務器和歷史資料訪問服務器。如果用戶需要獲取一個溫度傳感器的當前值,一個溫度超過限定值的事件和一個溫度的歷史平均值,那麼他必鬚髮送3個請求,訪問3個服務器。用戶訪問過程資料、事件和歷史資料用不同的方法要花費很多的時間。所以,統一這3種物件模型可以使這樣的事情變得非常簡單,不僅對OPC產品的供應商有利,也對系統集成商和用戶有利。

7. 支持複雜資料結構

OPC的一個主要應用是對串行通信或者現場總線聯網設備的操作和監視。為了配置設備,OPC客戶機需要寫入資料型別,通過OPC服務器到達設備,包括資料結構元件的意義。OPC基金會已經創建了描述複雜資料結構的方法,即複雜資料規範。然而,大多數今天市場上的傳統OPC產品除了很少的例外,不能使用複雜資料規範。

8. 保證通信不丟失資料

最早定義的資料訪問,可以讓客戶應用程式周期獲得過程資料的當前狀態。如果在OPC客戶機和遠程OPC服務器之間的物理通信連接發生了問題,資料通信會受到損壞。當通信損壞時,傳輸到OPC客戶機資料會發生改變,甚至丟失。這種資料丟失在有些資料訪問應用中不是關鍵的,諸如趨勢記錄、過程監視或者過程顯示。但在有些場合的應用中是非常關鍵的。比如,OPC技術已經成為這些區域的基礎,諸如化工或者石化工業,這些地方要求必須無縫地記錄資料。為了達到這個標的,供應商需要實施特殊擴展的方法。他們使用基於連接的監視系統,確保對斷開的通信快速檢測,如果通信斷開能夠自動重新連接,在資料訪問服務器中有資料快取、冗餘、儲存和轉發功能。這些擴展的方法很有用,但在傳統的OPC規範中沒有定義,會因供應商不同而不同。

9. 對非授權資料訪問而增加的保護

隨著自動化行業基於以太網的通信不斷增長,自動化和辦公室網絡已經糾纏在一起。同時,垂直集成的想法產生了新的需求,這種型別的集成也帶來了新的安全風險。OPC也增加了遠程維護和遠程控制概念的使用。這裡再一次提到,對外圍非授權的訪問,必須滿足更嚴格的信息安全要求。隨著網絡犯罪、間諜和破壞活動的增長,信息技術安全越來越顯得重要 – 所以使用OPC也有了安全的要求。傳統的OPC供應商沒有開發專有的預防措施,所以不能滿足這些安全要求。

10. 支持新的命令呼叫

在很多應用中,不僅讀寫數值非常重要,而且執行命令也非常重要,諸如啟動或者停止一臺驅動器或者把一個檔案下載到設備中。OPC命令規範定義了執行這些命令的方法,但這僅在OPC UA中有效,不能在傳統的OPC中使用。

 

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