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OPC统一架构展现了自动化的新理念

2014-10-9 07:27| 编辑:电工学习网| 查看: 4481| 评论: 0

  在传统 opc技术成功的基础上, OPC基金会完成了继任者的安排: OPC统一架构(OPC UA)标准的规范。这个新标准克服了传统OPC发现的弱点,而且极大扩展了使用范围。从他完成的那一天开始,整个工业的应用都转向了基于 OPC UA的实施。在这个背景下,我们现在可以对OPC UA来一次盘点:OPC UA都包括哪些用例? OPC UA 提供了什么收益? OPC UA还能够用在什么地方?本文就是要给出这些问题回答。

  图1:OPC UA架构:OPC UA允许把服务器嵌入于系统中,因此开创了自动化的新概念。 
  传统的 OPC 技术已经有十几年的时间了。自从OPC成为一种工业标准,他已经成功用于实时数据交换、事件监视和历史数据访问。他的一个主要的优点是:在一个系统中,允许不同供应商的软件应用共存。因此,OPC在今天获得了广泛的采用,在制造和过程自动化、楼宇自动化和各种其他工业应用中,世界范围的OPC安装使用量已经有数百万套。但是随着时间流逝,逐渐发现了传统 OPC 技术具有多种局限,阻碍了其更广泛的接受和使用。一个问题是传统的 OPC捆绑微软的视窗(Windows)操作系统过于紧密,并且他的技术是基于组件对象模型/分布式组件对象模型(COM/DCOM)。在个人计算机(PC)之间要实现数据交换时,需要进行的配置,在某些情况下,还要有很深的专业知识,因此在这些应用中使用OPC就比较困难。工业现场和不同行业对OPC技术提出了更高的需求,比如:信息安全、防止数据丢失、冗余能力和对复杂数据类型的支持。作为回应,OPC基金会开发了一个完整的修订版本,扩展了传统的OPC标准, 称为OPC 统一架构(OPC UA),  在前些年正式发布。他解决了传统OPC的问题,增加了许多新特性,像平台无关性、可伸缩性、高可用性和因特网能力。新标准展现了全新的自动化理念。 
  OPC UA 在更广阔的前沿推进
  在过去的若干年中,很多制造商开发了基于传统 OPC的产品,现在仍然在最终用户中成功地使用,这在一定程度上阻碍了新的投资。另外,供应商对OPC UA支持的产品在市场上还没有完全铺开。尽管如此,仍有大约200种 OPC UA 早期的应用产品已经发布,或者即将发布。另外,还有很多自动化解决方案的提供商正在进行OPC UA项目的实施。这些公司通常要使用更长的时间发布新产品,并且常常低调发布公告。一旦这些支持 OPC UA技术的产品推出,那么预期的增长会很快。因此,问题不是OPC UA 的成功是否会超过传统OPC。问题应该是OPC UA要花多长时间达到这样的成功。一个促进这种发展的因素是国际电工委员会(IEC)的标准化工作将在不久的将来完成。那时 OPC UA 将不仅是一个工业标准,而且还是一种官方的IEC标准。
  OPC 统一架构的优势
  ●为过程数据、报警和历史数据统一数据模型;
  ● 跨越计算机的简单使用;
  ● 穿过防火墙的安全通信;
  ● 在非Windows平台的使用;
  ● 通过嵌入式 OPC UA设备,快速而简单完成工程;
  ● 对复杂数据结构的支持;
  ● 防止数据的丢失;
  ● 可选多种冗余能力。

  广泛实施自动化新理念
  下面的应用举例描述了实施自动化项目获得收益的优越性, OPC UA 超过传统 OPC的扩展能力。
  1. 在注塑机械中使用嵌入式 OPC UA 服务器
  作为世界领先的注塑机制造商之一,阿伯格(Arburg)公司一直在寻找提高效率的方法。他的客户比较关心的需求是:容易安装、调试和维护。
  注塑机械的纵向集成、配置、可视化和诊断在高端应用中扮演主要的角色。使用 索福廷(Softing)公司的OPC UA开发工具包,Arburg公司已经开发了一款嵌入式OPC UA服务器,集成在注塑机之中,可以事先完成安装和配置,因此消除了在客户现场就地安装的需求。因为Arburg公司的注塑机基于VxWorks操作系统,这种方案如果使用传统OPC技术是行不通的。使用传统OPC技术必须要增加一台视窗个人计算机(Windows PC),否则无法完成。 Arburg 公司解决方案的另一个优点是命名空间的伸缩性,根据机器的大小,对OPC UA子集的需求,更改命名空间的大小。 海因瑞驰 穆勒(Heinrich Müller),Arburg公司软件开发的领头人,指出这种解决方案的优势是:"对于我们,作为注塑机的制造商,OPC UA提供了一种简单和方便的方法集成我们的机器,进入了高水平应用。OPC UA 还使得我们的客户能够容易地对我们的设备进行配置、监视和数据分析 。...  Softing公司提供的OPC UA开发工具包,为我们节省了几个月的开发时间。"
  2. 住宅小区通过因特网实现能源监视和控制 
  奥地利nte系统(nte Systems)公司成立于2009年,目标是成为一家具有工业特色、专注于可再生能源系统的技术型企业。nte Systems为可再生能源系统的使用和运行,提供流程、方法和诊断系统,具有一系列创新的电子硬件和应用软件产品。在奥地利格拉茨的一个大型住宅小区中,nte Systems公司为 59个住宅单元的加热系统和一个300 平方米的太阳能加热系统,实施整体的热网控制、监视和运行管理,其中使用了来自倍加福的plc和集成的OPC UA服务器。
  通过来自nte Systems的Scady产品集中执行操作和监视功能,OPC UA软件来自 Softing公司,通过因特网实现通信。"当我们把PLC连接到因特网以后,只要我们输入IP地址,所有数据项在Scady系统设计者(Scady System Designer)上实现了可视化。这时,我们就可以通过鼠标拖拽完成图表的编制。这不能再简单了。"吉奥格 斯丹思尼(Georg Stasny)说道,他是 nte Systems公司的总监。然后他总结到:"仅OPC UA就给我们提供了这样的可能性:通过因特网对最终用户的PLC进行一种'不编程'的远程控制和监视。以前的OPC 和组件对象模型(COM)或者类似的技术,穿过防火墙、再安全连接几百台OPC服务器是不可能或者是及其困难的。"

  图2:在奥地利格拉茨的一个住宅小区中,nte Systems为 59个住宅单元的加热系统和一个300 平方米太阳能加热系统,实施整体的热网控制和监视。
  3. 监测海上风电场
  阿海法(Areva)公司的阿尔法 完图斯(alpha ventus)测试场地是一个位于北海的海上风力发电厂,距离德国的海岸大约45公里。风电场使用5MW风力涡轮机,所有风机自动运行,自动监测。同时,所有涡轮机也被大陆的操作员昼夜不停地监视着。中央操作站连接风电场需要实施特殊的安保和鉴权机制,复杂的网络基础设施包含不同子网和域 ,通过路由器连接,还有防火墙保护。在这种条件下,配置和管理是一种具有挑战和费时的工作。因为OPC UA是基于加密数据传输,并且支持用户鉴权和在数据项级的监视功能,所以使用这项技术的决定没有耗费多少周折。 另外,必须要建立海上风电厂与远程操作站的虚拟专用网络(VPN)。因为Areva风力涡轮机使用了倍加福的控制器,Windows CE操作系统,并且提供了一个集成的OPC UA服务器接口,所以需要做的就是要在OPC UA客户机上安装Areva的可视化应用。解决方案现在已经实现了海上涡轮机与陆上企业信息系统之间的数据通信,能够执行远程的控制、维护和测量。

  图3:Areva:AREVA 风力涡轮机转子的一个特性是控制器带有OPC UA服务器。这就为海上的涡轮机与陆上的中央操作站之间提供了通信基础。
  4. 测量结果的集中收集和分散显示
  在米尔,集中收集来自控制器和可视化系统的测量结果,然后在三十台分散的测试站显示。这里关键的问题是要连接不同制造商的控制器和可视化系统,为了达到高性能,不能另加其他接口交换数据。为了满足这些需求,实施了一种基于OPC UA服务器的OPC UA架构。hmi是可视化系统的一部分,通过OPC UA服务器的驱动程序用TCP/IP以太网连接。 同样,控制器(PLC/dcs)通过OPC UA服务器的驱动程序经现场总线/工业网络连接,把数据集中到OPC UA的服务器中。结果,米尔现在具有一个稳定的高性能系统,满足了所有的要求。

  上面的应用案例展示了OPC UA现在已经不仅仅是一个规范了。OPC UA技术以他的多样性和高性能,今天已经成功地应用于各种工业环境。系统集成商把OPC UA作为他们自动化整体解决方案中的一个组件是非常明智的,可以用于各种项目的工程计划。

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