opc基礎知識大全（聊聊越來越火的OPC）

2023-05-28 20:59:13

OPC（Open Platform Communications，以前稱為 OLE for Process Control）是一組軟體技術，為控制各種設備和交換數據提供單一、統一的接口。OPC 規範由國際非營利組織 OPC 基金會制定，該組織於 1994 年由領先的工業自動化產品製造商制定。創建 OPC 的目標是為工程師提供一個通用接口來控制各種設備。通過實現對 OPC 客戶端的支持，SCADA 系統開發人員擺脫了為各種設備支持數百個驅動程序的需要，設備製造商通過添加 OPC 伺服器，確信他們的產品可以被任何 SCADA 系統的用戶使用。OPC 技術包括多個標準，這些標準描述了用於特定目的的一組功能。現行標準OPC DA（數據訪問）是最常見的標準，它描述了一組與 PLC、DCS、HMI、CNC 和其他設備進行實時數據交換的功能。OPC HDA（歷史數據訪問）提供對已保存數據和歷史的訪問。OPC AE（警報和事件）為各種事件提供按需通知功能：緊急情況、操作員操作、信息消息等。OPC Batch提供工藝過程的步驟和配方控制功能。OPC DX (Data eXchange)提供通過乙太網在 OPC 伺服器之間組織數據交換的功能。該標準的主要目的是為來自不同製造商的設備和程序之間的數據交換創建網關。OPC 安全定義了組織客戶端對 OPC 伺服器數據的訪問權限的功能。OPC XML-DA（XML 數據訪問）提供了一種靈活的、規則驅動的格式，用於通過 XML、SOAP 和 HTTP 交換數據。OPC 複雜數據是一組針對 OPC DA 和 XML-DA 的附加規範，允許伺服器處理複雜數據類型，例如二進位結構和 XML 文檔。OPC 命令是一組編程接口，允許 OPC 客戶端和伺服器識別、發送和控制在控制器或 I/O 模塊中執行的命令。OPC UA（統一架構）是不基於 Microsoft COM 技術的最新規範，它提供了跨平臺兼容性。最普遍的標準是 OPC DA，但它有一個明顯的缺點。在其發展時，它建立在當時的現代 Windows 技術之上：OLE、ActiveX、COM/DCOM，但此後行業發生了變化，其他作業系統和技術也開始流行。因此，使 OPC 技術獨立於平臺，並在開放的跨平臺技術上開發了 OPC UA（統一架構）標準。

使用 OPC 的地方

通常，OPC 技術用於在控制器和 SCADA 系統之間交換數據，但也可以在過程控制系統的不同級別組織複雜的系統。OPC 由兩部分組成：OPC 客戶端和 OPC 伺服器。OPC 伺服器軟體通過現場總線通過設備驅動程序輪詢各種設備。OPC 客戶端軟體通常內置於 SCADA 系統中，旨在從 OPC 伺服器接收數據。在這裡，我們可以將 ACS 的幾個級別可視化：較低的級別是現場總線和單獨的控制器中間層是店鋪網絡APCS 級別是 SCADA 類型系統的操作級別MICS級別是企業資源管理應用、ERP、MES的級別這些層中的每一層都可以由 OPC 伺服器提供服務，將數據提供給更高層的 OPC 客戶端或相鄰設備。

OPC DA 伺服器的工作原理

OPC DA 伺服器在客戶端程序（通常是 SCADA 系統）和終端設備之間提供數據交換（寫入和讀取）。OPC 中的數據是具有某些屬性的標籤變量。變量可以是 OLE 中允許的任何類型：各種整數和實數類型、布爾值、字符串、日期、數組等。屬性可以是必需的、推薦的或自定義的。必需的變量屬性：變量的當前值、它的類型和訪問權限（讀和/或寫）。變量的質量取決於超出動態範圍的測量值、數據缺失、通信錯誤和其他參數。通常採用值：好/壞/不確定和附加信息。該時間戳報告時可變收到的給定值的時間。OPC 伺服器輪詢變量的頻率設置了更新變量值的時間。變量描述，其中包含有關此變量是什麼的用戶信息。此外，可以指定可選屬性，例如：值變化範圍、測量單位和其他自定義參數。可以使用多種模式從 OPC 伺服器讀取數據：同步模式：客戶端向伺服器發送請求並等待它的響應。異步模式：客戶端發送請求並立即繼續執行其他任務。處理完請求後，伺服器向客戶端發送通知，客戶端獲取提供的數據。訂閱模式：伺服器只向客戶端發送發生變化的標籤。為了防止數據的噪聲被誤認為它們的變化，引入了「死區」的概念，它稍微超過了幹擾的最大可能幅度。數據刷新模式：客戶端調用所有活動標籤的同時讀取。除了那些被指定為「被動」的標籤外，所有標籤都被稱為主動標籤。標籤的這種劃分通過更新從物理設備接收到的數據來減少處理器的負載。客戶端從緩衝區或直接從終端設備接收來自 OPC 伺服器的數據。從緩衝區讀取速度更快，但其中的數據在讀取時可能已過期。OPC 伺服器通過從終端設備請求信息來定期更新數據。數據以同步或異步模式寫入終端設備，無需中間緩衝。在同步模式下，客戶端寫入數據並等待，直到收到終端設備對命令執行的確認。此過程可能需要很長時間，在此期間客戶端正在等待。異步模式允許客戶端向伺服器發送請求並執行其他任務。錄製結束後，伺服器會向客戶端發送通知。

OPC UA 標準

OPC UA（統一架構）是工業網絡中數據傳輸的現代標準。它提供設備之間安全可靠的通信，同時獨立於硬體和平臺，允許不同作業系統的設備之間進行通信。OPC UA 的優勢在於面向對象的信息模型，它允許「查看」數據（以 Web 瀏覽器樣式）和面向服務的架構 (SOA)。如果之前您必須使用多個 OPC 伺服器：用於實時數據的 OPC DA、用於歷史的 OPC HDA 和用於事件的 OPC AE，現在所有這些以及更多功能都可以在一個 OPC UA 標準中使用。現在引入了節點或對象的概念，而不是標籤樹。每個節點包括一個真實對象的變量、方法和其他數據結構。

數據交換現在通過二進位結構和 XML 文檔進行。除了客戶端/伺服器模型，發布者/訂閱者模型變得可用。該標準還定義了一種機制來支持冗餘（如果一個客戶端變得不可用，那麼另一個客戶端會取代它）並在發生故障時快速恢復通信。數據傳輸通過傳輸層 TCP、HTTP/SOAP 或 HTTPS 進行。OPC UA 支持數字證書和加密傳輸數據的能力，而不是 Windows 訪問控制機制。通過特殊的包裝器和代理模塊實現了與 OPC DA 的向後兼容性。為了通過路由器和防火牆傳輸數據，OPC DA 需要使用中間件，而 OPC UA 在沒有這種介質的情況下工作。OPC UA 規範包括幾個部分，描述了伺服器和客戶端的操作邏輯。IEC 62541 標準中提供了該規範的詳細版本。

OPC UA 伺服器示例

OPC UA 伺服器的一個示例是 MOXA 的 MX-AOPC UA Suite。MX-AOPC UA Suite包括 3 個程序：伺服器是用於從 Modbus 設備接收數據的程序查看器是一個查看標籤和伺服器狀態的程序（查看器內置於伺服器中）Logger 用於記錄數據變化的歷史，以及與資料庫和雲解決方案的集成首先，MX-AOPC UA Server 專注於 MOXA I/O 模塊，因為具有 Active Tag 功能，但它也通過 Modbus RTU 和 Modbus TCP 協議支持第三方設備。Active Tag 功能允許您在更改後立即更新通道的狀態，而無需等待來自伺服器的命令。MX-AOPC UA Logger 允許您通過 ODBC 將數據發送到 Microsoft Azure Cloud 和 Microsoft SQL Server、MySQL、Oracle、Microsoft Office 2003 Access 或 Excel 資料庫。MX-AOPC UA 通過使用 Basic128Rsa15 密鑰進行加密並使用 X509 證書進行確認來實現數據保護。

使用 OPC 的缺點

使用 OPC 時的常見錯誤包括：過度依賴 OPC 技術在 APCS 中不必要地使用 WEB 技術在遠程機械任務中使用實時協議假設您已經了解了良好的 OPC 技術，並且正在努力僅用 OPC 替換所有低層協議。但是將 Modbus、Profibus 和任何其他工業協議轉換為 PC 格式將需要額外的時間並浪費計算能力。測試表明，SCADA 系統直接使用工業協議的速度比通過中間 OPC 伺服器快兩倍。當然，有些系統不需要實時監控過程，但是在設計自動化過程控制系統時必須考慮到這一點。缺點還包括設置 OPC 伺服器的複雜性以及需要手動輸入數千個標籤。此外，OPC 伺服器並不總是免費提供的，大多數情況下您必須為每臺 PC 購買單獨的許可證。如果系統通過網際網路將數據發送到雲端，那麼弱加密方案就可能成為潛在的漏洞和黑客攻擊的目標，從而對整個ICS的安全性產生懷疑。

用於實時操作的 OPC UA

OPC UA over TSN旨在支持實時操作，這種 OPC UA 技術可以結合 TSN（時間敏感網絡）技術使用發布者/訂閱者模型（而不是客戶端/伺服器模型）。客戶端/伺服器模型在點對點連接的情況下工作正常，但如果有很多設備，則數據更新會出現延遲。發布者/訂閱者模型提供了一對多和多對多的關係。伺服器將其數據發送到網絡（發布），每個客戶端都可以接收此數據（訂閱）。

採用 TSN 技術的乙太網在服務質量 (QoS) 方面補充了現有的乙太網設施，包括帶寬分配、定時、低延遲保證和冗餘。數據由各種設備通過乙太網以流的形式傳輸。帶有 TSN 的乙太網交換機允許您為每個流分配自己的帶寬並確保其實時傳輸。多個流可以組合（稱為網絡融合）並通過同一網絡實時發送。事實證明，如果沒有 TSN 技術，一個乙太網網絡只能傳輸一種實時協議，而使用 TSN 則可以傳輸多種實時協議。OPC UA over TSN 技術的組合允許組織不同製造商生產的設備之間的通信，並確保實時連續接收數據。OPC 基金會計劃使用 OPC UA 不僅在控制器和 SCADA 系統之間傳輸數據，而且在現場級別從傳感器和物聯網設備到控制器，以及從雲中的本地系統傳輸數據。為此，他們計劃將 OPC UA 標準分為 4 個部分，具體取決於設備的性能及其所需的功能。Nano Embedded Device Server：適用於最小的傳感器微型嵌入式設備伺服器：適用於廉價的 PLC嵌入式UA Server：適用於更強大的PLC和邊界網關標準 UA 伺服器：支持所有功能的成熟實現