Komunikacja OPC DA z wykorzystaniem 1-wire.pdf

Pomiary Automatyka Robotyka 4/2007

Komunikacja OPC DA w prototypowym

zestawie mikroprocesorowym

Andrzej Bożek

Dariusz Rzońca

Standard OPC uważany jest za skomplikowany, dlatego na razie występuje

jedynie w większych systemach automatyki. Poniższy artykuł opisuje

budowę stosunkowo prostego zestawu laboratoryjnego z komunikacją

według standardu OPC DA.

OPC ( OLE for Process Control ) jest modelem wymiany

danych przeznaczonych dla systemów automatyki. Ba-

zuje na technologiach obiektów OLE, COM oraz DCOM

firmy Microsoft [1]. Jest to nowoczesny standard, coraz

powszechniej stosowany w dużych systemach. Umoż-

liwia połączenie urządzeń automatyki z oprogramowa-

niem sterującym, jak też lokalną bądź zdalną wymianę

danych pomiędzy aplikacjami. Nad jego rozwojem

i tworzeniem kolejnych specyfikacji czuwa fundacja

OPC Foundation [2]. W Katedrze Informatyki i Automa-

tyki Politechniki Rzeszowskiej opracowano w ramach

praktyki studenckiej prototypowy zestaw laboratoryjny

umożliwiający poznanie budowy zarówno klienta jak

i serwera OPC DA.

funkcji, np. minimów, maksimów, średnich, inter-

polacji itp.

OPC A&E ( Alarms and Events ) – służy do powiada-

miania o stanach i sytuacjach wymagających szcze-

gólnej uwagi operatora lub bezpośredniej reakcji

urządzeń współpracujących. Serwery OPC A&E wy-

krywają warunki alarmów i zdarzeń w urządzeniach

współpracujących. Klientami OPC A&E są stacje ope-

ratorskie oraz urządzenia archiwizujące.

Specyfikacja OPC DA jest spotykana najczęściej za-

równo w pojedynczych urządzeniach, jak i w rozbu-

dowanych systemach. Klient OPC DA po połączeniu

z odpowiednim ser werem ma dostęp do jego struktur y

danych. Jest to przeważnie struktura hierarchiczna, po-

dobna do drzewa katalogowego w systemach plików.

Rozmieszczenie elementów ( items ) odzwierciedla fi-

zyczne bądź logiczne zależności występujące między

nimi. Pozycje skrajne, pozbawione odgałęzień, odpowia-

dają określonym danym dostępnym dla klientów. Są one

przechowywane w postaci tzw. własności ( properties )

przynależnych pozycjom [5]. Pozycja może zawierać

bardzo liczny zbiór własności (identyfikator jest liczbą

16-bitową), jednak niektóre z nich są wyróżnione i w

sposób szczególny obsługiwane przez serwer. Jako fun-

damentalne należy wymienić wartość ( value ), jakość

( quality ) i stempel czasowy ( time stamp ). Wartość po-

zycji dotyczy np. poziomu cieczy, natężenia przepływu,

prędkości itd. Zmiana rzeczywistego wejścia pociąga

za sobą aktualizację wartości w serwerze OPC. Klient

może dokonać zapisu nowej wartości do serwera, co

spowoduje modyfikację rzeczywistego wyjścia. In-

formacja o czasie ostatniej modyfikacji wartości jest

przechowywana jako stempel czasowy. Jakość określa

stopień poprawności danej na jaki może liczyć w danej

chwili klient.

Bezpośrednie odczyty lub zapisy wartości pozycji

zawartych w strukturze danych serwera nie stano-

wią typowej metody wykorzystania standardu OPC

DA. Preferowaną formą komunikacji jest użycie grup

( groups ) będących logicznym zbiorem pozycji, które

serwer zakłada na życzenie klienta. Pozwalają one na

pożądaną segregację pozycji niezależną od hierarchii

danych serwera. Mechanizm grup umożliwia także zle-

cenie serwerowi zawiadamiania klientów o zmianach

wartości wybranych pozycji grupy. Jest to bardzo pożą-

Standard OPC

Komponenty programowe komunikujące się w standar-

dzie OPC tworzą relację klient-serwer. Typowy serwer

OPC pośredniczy w wymianie danych pomiędzy właści-

wym urządzeniem automatyki a aplikacjami klienckimi

[3]. Bywa on zintegrowany sprzętowo z danym urządze-

niem lub działa jako autonomiczny moduł. Wymiana da-

nych może odbywać się przy wykorzystaniu dwojakiego

rodzaju interfejsów: custom lub automation [4], z któ -

rych drugi jest opcjonalny. W opisywanym rozwiązaniu

używane są wyłącznie interfejsy typu custom .

Istnieje kilka specyfikacji standardu OPC wyróżnionych

ze względu na rodzaj danych oraz sposób zarządzania.

Podstawowymi są:

OPC DA ( Data Access ) – umożliwia wymianę bieżą-

cych danych. Polega to na zapisach lub odczytach da-

nych serwera dokonywanych przez klientów, względ-

nie na wysyłaniu przez serwer do klienta określonego

zestawu danych, gdy ich wartości ulegają zmianom.

OPC HDA ( Historical Data Access ) – pozwala na

gromadzenie i przekazywanie danych uszeregowa-

nych czasowo. Cechą charakterystyczną OPC HDA

jest możliwość wyznaczania wartości różnorodnych

Andrzej Bożek, Politechnika Rzeszowska

mgr inż. Dariusz Rzońca, Politechnika Rzeszowska

Pomiary Automatyka Robotyka 4/2007

dany mechanizm, zwłaszcza gdy klient jest przyłączony

do wielu pozycji, których intensywność zmian jest nie-

wielka. W takim przypadku zawiadomienia z serwera

są bardziej ekonomicznym trybem pracy, niż cykliczne

odpytywanie przez klienta.

z przykładów firmy VISCOM [7]. Dzięki temu uzyskano

kod w całości jawny, bez dołączanych bibliotek lub mo-

dułów związanych z obsługą OPC, które z reguły są od-

płatne. Przykładowe okno podczas pracy z programem

pokazano na rys. 3.

Oprogramowanie serwera utworzone zostało za po-

mocą pakietu DANSrv OPC DA Server Toolkit Evaluation

firmy Advosol [8]. Wykorzystano znowu środowisko Vi-

sual C# 2005 .NET. Z uwagi na wersję ewaluacyjną opro-

gramowania serwer jest aktywny tylko przez 30 min

po uruchomieniu. Potem przestaje aktualizować dane

i należy dokonać restartu – zamknięcia i ponownego

uruchomienia. Ograniczenie to nie jest szczególnie

uciążliwe przy badawczym i dydaktycznym wykorzy-

staniu zestawu.

Moduł serwera zaimplementowany w systemie uru-

chomieniowym MegaAVR komunikuje się z kompu-

terem PC za pomocą łącza szeregowego. Program ten

stworzono od podstaw korzystając z pakietu WinAVR

z kompilatorem avr-gcc.

Struktura danych OPC została zdefiniowana w modu-

le MegaAVR, jak to pokazano na rys. 4. Organizowanie

hierarchii danych polega na tworzeniu listy struktur

języka C opisujących pozycje oraz ich własności. Jedna

z gałęzi struktury zawiera pozycje reprezentujące typy

danych, które może obsługiwać serwer. Naturalnie ze-

Prototypowy zestaw laboratoryjny

Zestaw laboratoryjny

z komunikacją według

standardu OPC DA został

oparty na systemie uru-

chomieniowym MegaAVR

pokazanym na rys. 1.

System został opraco-

wany jako uniwersalny

moduł mikroproceso-

rowy i stanowi pomoc

dydaktyczną podczas

zajęć dotyczących mi-

krokontrolerów. Za jed-

nostkę centralną służy

mikrokontroler ATmega

128 [6] z rodziny Atmel

AVR. Moduł wyposażony jest w następujące peryferia:

wyświetlacz LCD, klawiatura, diody LED, przetwornik

ADC, zegar RTC, interfejs RS-232.

Rys 2. Struktura zestawu laboratoryjnego

W skład zestawu laboratoryjnego wchodzą następu-

jące elementy pokazane na rys. 2:

a) klient OPC współpracujący z serwerami OPC DA

w wersjach 1.0, 2.0 oraz 3.0

b) moduł programowy serwera PC bezpośrednio łą-

czący się z klientami, wspierający OPC DA 2.0 i 3.0

c) system uruchomieniow y MegaAVR komunikujący się

z serwerem przez port szeregowy

d) dodatkowe układy przyłączone do modułu MegaAVR

za pomocą magistrali 1-wire.

Program klienta został napisany w środowisku Mi-

crosoft Visual C# 2005 .NET. Część kodu definiująca

interfejsy odwołujące się do obiektów COM pochodzi

Rys 4. Fragment kodu dla systemu MegaAVR definiującego

strukturę danych serwera

staw tych typów jest znacznie ograniczony w stosunku

do pełnego zestawu typów OPC. Pozostałe gałęzie po-

zwalają na dostęp do elementów sprzętowych modułu,

m.in. do zegara czasu rzeczywistego, klawiszy, diod LED,

wyświetlacza LCD oraz do magistrali 1-wire [9]. W ra-

mach obsługi 1-wire można poprzez OPC określić liczbę

urządzeń przyłączonych do magistrali, odczytać 64-bi-

towe identyfikatory oraz odczytać temperaturę z przy-

łączonych czujników DS18B20. W dość prosty sposób

można tę strukturę danych modyfikować i rozszerzać.

Całą budowę serwera w postaci uproszczonego sche-

matu blokowego ukazuje rys. 5. Uwzględniono na nim

zarówno właściwe składniki serwera OPC, jak i ele-

menty systemu MegaAVR, stanowiące źródło danych.

O funkcjonowaniu oprogramowania jako serwera OPC

decydują w pierwszym rzędzie obiekty COM, widoczne

w lewej części rysunku, a zwłaszcza ich interfejsy, za-

znaczone symbolicznie poszerzonymi strzałkami, które

Rys 3. Program klienta OPC DA

Rys 1. System uruchomie-

niowy MegaAVR

Pomiary Automatyka Robotyka 4/2007

Rys 5. Schemat blokowy hierarchii serwera OPC z uwzględnieniem fizycznego źródła

danych

którego metody są wywoływane przez

dany interfejs. Napis na strzałce okre-

śla interfejs, a pod strzałką metody

interfejsu. Rysunek ukazuje reprezen-

tatywny, ale nie kompletny zbiór in-

terfejsów i metod, co wynika z dużej

ich liczby. Szczegółową listę i opisy

zawiera wspomniana już specyfikacja

[5]. Zazwyczaj klient wywołuje me-

tody serwera, istnieją jednak także in-

terfejsy pozwalające na wywoływanie

pewnych metod zaimplementowanych

w programie klienta, które pozwalają

m.in. na zawiadamianie przez serwer

o zmianach wartości pozycji w gru-

pach. Poziom interfejsów COM jest

fragmentem omawianego zestawu,

który w sposób ścisły podlega założe-

niom specyfikacji OPC, aby zapewnić

kompatybilność z innymi modułami programowymi

podobnego typu. Kompatybilność potwierdziły udane

próby łączenia klienta z różnymi serwerami i serwera

z różnymi klientami OPC DA.

muszą być zgodne z określoną specyfikacją. Obiekt ser-

wera (OPCServer) ma charakter podstawowy i stanowi

funkcjonalny punkt wyjścia do odwoływania się do po-

żądanych zasobów. Zbiór wszystkich pozycji przypo-

rządkowany jest statycznie obiektowi serwera. Za po-

mocą odpowiednich metod obiektu serwera tworzone

są dynamicznie obiekty grupy (OPCGroup). Po utwo-

rzeniu, grupy zarządzane są przez własne interfejsy,

bezpośrednio przyłączane do klienta, bez pośrednictwa

obiektu serwera. Poszczególne pozycje (OPCItems) re-

prezentujące dane, choć stanowią integralne składniki

oprogramowania serwera, nie są obiektami COM i nie

mają interfejsów, dostęp do nich możliwy jest albo za

pomocą obiektu serwera albo obiektów grup.

Strukturę połączenia komunikacyjnego OPC DA

między klientem a serwerem na poziomie interfejsów

COM przedstawia rys. 6. Grot strzałki wskazuje obiekt,

Podsumowanie

Stworzony zestaw prototypowy dobrze ukazuje zasadni-

cze właściwości struktur OPC DA. Pozwala na zapozna-

nie się z komunikacją w relacji klient-serwer, przegląda-

nie w programie klienckim struktury danych serwera,

dokonywanie odczytów i zapisów wartości pozycji ser-

wera powodujących zmiany w sprzętow ym funkcjono-

waniu modułu MegaAVR. Odczytane dane oprócz war-

tości zawierają stempel czasowy i oznaczenie jakości.

Zestaw umożliwia także zapoznanie się z mechanizmem

grup OPC DA, łącznie z funkcją zawiadamiania klientów

o zmianach wartości pozycji w serwerze. Zgodność ze

standardem pozwala na wykorzystanie innej aplikacji

klienta lub serwera, w szczególności przyłączenie do ist-

niejącego systemu automatyki. W ramach dalszych prac

planowane jest rozbudowanie aplikacji serwera o obsłu-

gę protokołu MODBUS, co pozwoli na akwizycję danych

z typowych aparatowych urządzeń automatyki.

Bibliografia

Rys 6. Połączenie OPC DA klient-serwer na poziomie interfej-

sów COM

1. OPC Common Definitions, Version 1.0 , OPC Foundation

1998.

2. http://www.opcfoundation.org/

3. OPC Overview. OPC Foundation 1998.

4. Simicz A.: Zintegrowane środowisko projektowania

i testowania regulatorów do sterowania rozproszo-

nego , Pomiary Automatyka Robotyka 11/2006.

5. OPC Data Access Custom Interface Specification, Ver-

sion 3.00 . OPC Foundation 2003.

6. ATmega 128 Datasheet . Atmel 2003.

7. http://www.codeproject.com/dotnet/opcdotnet.asp

8. http://www.advosol.com/pc-5-4-dansrv-net-server-

-toolkit.aspx

9. Book of iButton Standards . Dallas Semiconductor Corp.

2002.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: