KWIECIEŃ Roman 1 Technologia OPC jednorodnym medium w procesie dostarczania informacji w logistycznym systemie komputerowym przedsiębiorstwa WSTĘP Zarządzanie przedsiębiorstwem opiera się na określonej koncepcji logistycznej, która polega na planowaniu, organizowaniu i kontrolowaniu przepływu materiałów oraz ich składowaniu. Ma to odbywać się sprawnie oraz efektywnie ekonomicznie w celu zaspokojenia wymagań klientów. W zależności od fazy i miejsca realizacji procesu logistycznego, za pojęciem materiałów uważa się surowce i części, produkcję w toku oraz wyroby gotowe i usługi. Koncepcja logistyczna powiązana jest również z informacją, uwzględniającą miejsca pochodzenia oraz miejsca konsumpcji materiałów, aby możliwe było zaoferowanie klientowi odpowiedniego poziomu obsługi po rozsądnych kosztach. W procesie zarządzania całym przedsiębiorstwem bardzo istotne jest funkcjonowanie systemu komputerowego, który monitoruje i rejestruje przepływ dóbr materialnych i informacji, w celu poszukiwania oszczędności łącznych kosztów w zaopatrzeniu, produkcji oraz dystrybucji. Odpowiednim kierunkiem budowy całej infrastruktury komputerowej przedsiębiorstwa jest właściwy mechanizm przepływu informacji pomiędzy stacjami komputerowymi, realizującymi podobne lub różne zadania kontrolno-monitorujące. Do tego celu można zastosować systemy informatyczne bazujące na technologii OPC. Technologia OPC (ang. OLE for Process Control) jest standardem komunikacyjnym opracowanym w 1996 roku przez się grupę OPC Task Force, w skład której weszły firmy: Fisher- Rosemount, Intellution, Intuitive Technology, Opto22, Rockwell i Siemens AG. Utrzymywaniem i koordynacją działań tej technologii zajmuje się fundacja OPC z siedzibą w Stanach Zjednoczonych. Na obecną chwilę 2 fundacja OPC zrzesza 458 członków na całym świecie [8]. W Polsce standard komunikacyjny wspierają cztery firmy członkowskie 3, w tym Wydział Automatyki Elektroniki i Informatyki na uniwersytecie w Gliwicach, Instytut FAMUR w Katowicach, PSI Produkty i Systemy Informatyczne w Poznaniu oraz CAS w Łodzi. 1. MODEL INFRASTRUKTURY SYSTEMÓW INFORMATYCZNYCH PRZEDSIĘBIORSTWA Model infrastruktury systemów przedsiębiorstwa można podzielić na kilka warstw (rys. 1): 1) warstwa produkcyjna lub procesowa, 2) warstwa operacyjna, 3) warstwa biznesowa. W skład warstwy produkcyjnej lub procesowej wchodzą przemysłowe układy sterowania CNC (ang. Computer Numerical Control), programowalne układy PLC (ang. Programmable Logic Controller), programowalne sterowniki automatyki PAC (ang. Programmable Automation Controller), przemysłowe komputery IPC (ang. Industral PC), czujniki, elementy wykonawcze i inne urządzenia automatyki przemysłowej pracujące w miejscowej sieci komputerowej Fieldbus. Informacje pozyskane z tych urządzeń gromadzone są w bazie danych, która staje się częścią składową informacji opisującą funkcjonalność przedsiębiorstwa. Podstawowym zadaniem tego podsystemu jest sterowanie urządzeniami w celu realizacji zadań procesu logistycznego oraz zbieranie 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; 26-600 Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: + 48 48 361-77-00, 361-77-02, Fax: + 48 48 361-77-42, r.kwiecien@uthrad.pl 2 Styczeń 2014 3 Wydział Transportu i Elektrotechniki uniwersytetu Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu należał do fundacji OPC w latach 2008-2009 3635
informacji, na podstawie których będzie odpowiednio zarządzany system informatyczny w procesie podejmowania decyzji [5]. W warstwie biznesowej należą systemy wspomagające zarządzaniem zasobami przedsiębiorstwa, relacjami z klientem, dostawami oraz produktami i można je sklasyfikować jako systemy: a) planowania zasobów przedsiębiorstwa ERP (ang. Enterprise Resource Planning), b) analizy i produkcji SAP (ang. Systems Analysis and Product), c) zarządzania relacjami z klientami CRM (ang. Customer Relationship Management), d) zarządzania łańcuchem dostaw SCM (ang. Supply Chain Management), e) zarządzania cyklem życia produktu PLM (ang. Product Lifecycle Management), f) informacji geograficznej GIS (ang. Geographical Information System). Warstwa biznesowa (ERP, SAP, CRM, SCM, PLM, GIS) Warstwa operacyjna (MES, SCADA/HMI) Warstwa produkcyjna lub procesowa (programowalne sterowniki, stacje procesowe) Rys. 1. Model infrastruktury systemów informatycznych przedsiębiorstwa Warstwa operacyjna odpowiada za wykonanie planów operacyjnych na podstawie otrzymanej informacji z zadań logistycznych. Warstwę tę tworzą wszelkiego rodzaju systemy wizualizacji i nadzoru, do których należą: a) system sterowania i akwizycji danych SCADA/HMI (ang. Supervisory Control and Data Acquisition/Human Machine Interface), b) system realizacji produkcji MES (ang. Manufacturing Execution Systems). System nadzorujący przebieg procesu technologicznego lub produkcyjnego SCADA/HMI (ang. Supervisory Control and Data Acquisition/Human Machine Interface) jest systemem komputerowym, którego główne funkcje dotyczą zbierania aktualnych danych pochodzących z procesu logistycznego, wizualizacji jego stanu, sterowania nadrzędnego, alarmowania i rejestracji zdarzeń, archiwizacji danych oraz udostępniania informacji o procesie w sieciach komputerowych. Wybór oraz liczba prezentowanych danych procesowych odpowiada określonej kategorii nadzorowanego procesu logistycznego oraz aktualnym wymaganiom obsługi. Równoważny system realizacji produkcji MES (ang. Manufacturing Execution System) jest również systemem komputerowym wykorzystującym technologie informatyczne, oprogramowanie, urządzenia elektroniczne i elementy automatyki, które pozwalają na zbieranie informacji ze stanowisk produkcyjnych umożliwiającej optymalizację operacji procesu logistycznego w obszarze biznesowym. Informacje odczytywane z warstwy produkcyjnej są magazynowane w przestrzeni obszaru danych należących do systemu komputerowego warstwy operacyjnej. Bieżące wartości tych informacji są zapisywane do baz danych z określoną częstotliwością, aby spełnić wymogi odtwarzania ciągłości procesu logistycznego. Przechowywane w bazach danych dane archiwalne są źródłem informacji do przetwarzania sieciowego lub w wprost poddawane są do analizy matematycznej, aby wyznaczyć odpowiednie wskaźniki logistyczne. W związku z tym na podstawie wspomnianych danych oraz ich analizie technologiczno-ekonomicznej podejmowane są decyzje o odpowiednim odzwierciedleniu funkcjonowania układów w komputerowym systemie logistycznym. 3636
Warstwa biznesowa (ERP, SAP, CRM, SCM, PLM, GIS) T E C H N O L O G I A O P C Warstwa operacyjna (MES, SCADA/HMI) Rys. 2. Warstwa komunikacyjna pomiędzy dwoma warstwami: biznesowej i operacyjnej modelu infrastruktury systemów informatycznych przedsiębiorstwa przy zastosowaniu technologii OPC Dane należące do warstwy operacyjnej mogą być udostępniane systemom komputerowym warstwy biznesowej w różny sposób. Można je pozyskiwać bezpośrednio z serwerów baz danych jako surowe lub przetworzone dane według odpowiednich algorytmów i obliczeń. Mogą one również stanowić magazyn danych dla serwerów, które z kolei będą realizować usługi dla klientów warstwy biznesowej tj. systemy ERP, SAP, CRM, SCM, PLM, GIS. Jednym z rodzajów takich usługodawców sieciowych są serwery bazujące na technologii OPC. Technologia OPC jest już standardem komunikacyjnym przy przesyłaniu danych w sieci komputerowej i jest powszechnie stosowana jako jednorodne medium komunikacyjne w warstwach operacyjnej i biznesowej (rys. 2). Obejmuje ona specyfikacje, które precyzują formę przesyłania informacji w komputerowym systemie przedsiębiorstwa. Specyfikacje te pozwoliły na zdefiniowanie standardu wymiany informacji w aplikacjach komputerowych pracujących w schemacie klient-serwer oraz serwer-serwer. W ten sposób wyszczególniają one oddzielne zadania dla serwerów OPC pod względem ich funkcjonalności. 2. SPECYFIKACJE TECHNOLOGII OPC Sposób komunikowania się aplikacji komputerowych pracujących jako klient lub serwer, określa protokół wymiany informacji. Pierwotna forma tego protokołu bazowała na najbardziej rozwiniętej w owym czasie technologii informacyjnej OLE (ang. Object Linking and Embedding), obecnie znanej jako COM/DCOM (ang. Distributed Component Object Model), utworzonej przez firmę Microsoft [1, 4, 6, 7]. W ramach działania tej technologii opracowano interfejsy do obiektów komunikacyjnych, które udostępniono w formie następujących specyfikacji (rys. 3): 1) OPC Security definiuje interfejs reguł i zasad bezpieczeństwa, 2) OPC Common Definitions definiuje zagadnienia dotyczące specyfikacji, 3) OPC Complex Data definiuje możliwości w opisywaniu złożonych struktur danych oraz sposób dostępu do nich, 4) OPC Data Access (OPC DA) umożliwia dostęp do aktualnych danych procesowych w trybie rzeczywistym, 5) OPC Alarms & Events (OPC A&E) rozgłasza zaistniałe zdarzenia w systemie oraz zgłaszane alarmy, 6) OPC Commands definiuje interfejsy do przekazywania poleceń i nadzór nad ich realizacją, 7) OPC Historical Data Access (OPC HDA) umożliwia dostęp do danych archiwalnych, 8) OPC XML-DA integruje technologię OPC i język znaczników XML (ang. extensible Markup Language) do pracy w Internecie, 9) OPC Batch jest wymagana przy przetwarzaniu wsadowym, Programy wsadowe mogą wykonywać zadania pozwalające na ich zautomatyzowanie. Specyfikacja ta bazuje na specyfikacji OPC DA i poszerza ją, 3637
10) OPC Data exchange (OPC DX) sposób komunikacji pomiędzy serwerami OPC DA w schemacie serwer-serwer, bez konieczności stosowania klientów. Specyfikacja wykorzystywana do redundancji danych procesowych. OPC Security OPC Common Definitions OPC Complex Data OPC Alarms and Event OPC Historical Data Access OPC Commands OPC Data Access OPC XML DA OPC Batch OPC Data exchange Rys. 3. Struktura specyfikacji technologii OPC opartej na technologii COM/DCOM [2] Technologia OPC bazująca na technologii COM i DCOM firmy Microsoft nazwano klasyczną. Jej zaletą było ułatwienie tworzenia specyfikacji związanych z definicją różnych interfejsów API (ang. Application Programming Interface), bez konieczności definiowania protokołu sieciowego lub sposobów komunikacji międzyprocesowej. Technologia COM/DCOM zapewnia przejrzysty mechanizm pracy klienta do wywołania metody w obiekcie COM serwera, pracującego w tym samym lub innym procesie, jak również w odrębnym węźle sieci komputerowej. Korzystanie z tej technologii, dostępnej dla wszystkich komputerów opartych na systemach operacyjnych Windows, zmniejszyło czas opracowywania specyfikacji i produktów. Głównymi wadami klasycznej technologii OPC to: zależność od platformy systemu operacyjnego Windows oraz problemy DCOM przy użyciu zdalnej komunikacji. Technologia DCOM jest trudna w konfiguracji, ma bardzo długie i nie konfigurowalne limity czasu oraz nie może być używana do komunikacji internetowej. Rozwój różnych systemów operacyjnych oraz fakt wynikający z wad klasycznej technologii OPC spowodował powstanie nowego sposobu realizacji usług sieciowych, który nazwano technologią OPC Unified Architecture (w skrócie OPC UA). Technologia OPC UA powstała w celu utworzenia alternatywy, dla wszystkich istniejących specyfikacji opartych na technologii COM, zachowującej pożądane właściwości oraz sposób funkcjonowania. Dodatkowo ma za zadanie objąć wszystkie wymogi interfejsów systemowych, stawiane niezależnym platformom, w bogate i rozszerzalne funkcje modelowania, które będą także w stanie opisać złożony system. Jej specyfikacje są podzielone na części według wymagań standaryzacji IEC 4 [3]: A. Część podstawowa (ang. Core Specification Parts): 1) Pojęcia (ang. Concepts), 2) Model bezpieczeństwa (ang. Security Model), 3) Model przestrzeni adresowej (ang. Address Space Model), 4) Usługi (ang. Services), 5) Model informacyjny (ang. Information Model), 6) Mapowanie usług (ang. Service mappings), 7) Profile (ang. Profiles), B. Część dostępu do danych (ang. Access Type Specification Parts): 8) Dostęp do danych (ang. Data Access), 9) Alarmy i warunki (ang. Alarms and Conditions), 10) Programy (ang. Programs), 4 Międzynarodowa norma IEC 62541 3638
11) Dostęp do danych archiwalnych (ang. Historical Access), C. Część narzędzi użytkowych (ang. Utility Specification Parts): 12) Agregaty (ang. Aggregates), 13) Wyszukiwanie serwerów (ang. Discovery). Podział specyfikacji OPC UA obejmuje podstawowe definicje technologii OPC UA oraz rodzaj dostępu do danych, poprzez określenie modeli informacyjnych. Dwie pierwsze części specyfikacji nie są normatywne. Przedstawiają zarys technologii OPC UA oraz opisują wymagania bezpieczeństwa i model zabezpieczeń. Do najważniejszych zalicza się część trzecią i czwartą, które są podstawowymi dokumentami dotyczącymi projektowania i rozwijania aplikacji opartych na technologii OPC UA. Model przestrzeni adresowej (część trzecia) definiuje odpowiednie bloki, które udostępniają instancję i rodzaj informacji, używanej do opisywania i eksponowania modeli informacyjnych, w celu zbudowania przestrzeni adresowej serwera OPC UA. Abstrakcyjne usługi zdefiniowane w części czwartej, reprezentują możliwości interakcji pomiędzy aplikacjami klienta i serwera. Klient korzysta z usług, aby wyszukać i uzyskać dostęp do informacji dostarczanych przez serwer. Specyfikacje OPC Unified Architecture wprowadzono w styczniu 2007 roku, które pod względem funkcjonalnym określa sposób realizacji trzech klasycznych specyfikacji: OPC DA, OPC HDA oraz OPC A&E. Bazuje ona na ogólnie przyjętych protokołach komunikacyjnych takich jak TCP/IP (ang. Transmission Control Protocol / Internet Protocol), HTTP (ang. Hypertext Transfer Protocol), SOAP (ang. Simple Object Access Protocol). Specyfikacje OPC UA umożliwiają przesyłanie danych za pośrednictwem różnych formatów m.in. formatu opartego o usługi sieciowe (ang. Web Services) i formatu binarnego. Serwer OPC zbudowany w oparciu o technologię Unified Architecture definiuje swoim klientom zestaw usług, jakie oferuje oraz format danych procesowych za pośrednictwem, którego ma odbywać się komunikacja. Z powodu zastosowania protokołu SOAP nastąpił podział wspólnego interfejsu programistycznego i sieciowego utworzonego przez Microsoft Windows, jak miało to miejsce w klasycznej technologii OPC. W technologii OPC UA przepływ informacji odbywa się za pomocą indywidualnych interfejsów, ale posiadających standard protokołu komunikacyjnego pomiędzy klientem i serwerem. WNIOSKI Infrastruktura procesów logistycznych obejmuje budynki i budowle magazynowe, środki transportu, maszyny i urządzenia, zapewniające transport i manipulacje za- i wyładunkowe. Dlatego też, w tego rodzaju infrastrukturze bardzo ważną rolę odgrywa stosowanie jak najmniejszej liczby protokołów komunikacyjnych, aby ujednolicić przepływ informacji w procesach informacyjnych. Takie podejście pozwala za zminimalizowanie czasochłonności przy budowie i testach wielu systemów informatycznych oraz przy tworzeniu dokumentacji i specyfikacji. Wpływa to na konkatenację całego systemu komputerowego przedsiębiorstwa. Wykorzystanie technologii OPC do tysięcy aplikacji komputerowych przyczyniło się do uznania jej jako standardu komunikacyjnego na różnych warstwach infrastruktury systemów informatycznych przedsiębiorstwa. Powszechność technologii OPC spowodowało używanie jej w wielu obszarach, nawet tych, których się nie spodziewano. Z tego względu może być ona stosowana w komputerowych systemach logistycznych jako jednorodne medium dostarczania informacji. Może być pomocna przy wykonywaniu takich zadań jak: a) koordynacja i usprawnienie przepływów surowców, materiałów i wyrobów gotowych do konsumentów, b) minimalizacja kosztów przepływu dóbr rzeczowych, utrzymywanie zapasów i funkcjonowanie infrastruktury w celu zwiększenia efektywności ekonomicznej przedsiębiorstwa, c) podporządkowanie działalności logistycznej wymogom obsługi klienta. Streszczenie Obecnie systemy komputerowe stanowią integralną cześć procesu zarządzania przedsiębiorstwem. W procesie tym bardzo ważną rolą jest funkcjonowanie systemu informacyjnego, który monitoruje i rejestruje przepływ dóbr materialnych i informacji, w celu poszukiwania oszczędności łącznych kosztów w zaopatrzeniu, 3639
produkcji oraz dystrybucji. W niniejszym artykule przedstawiono technologię OPC, która jest standardem komunikacyjnym stosowanym w systemach automatyki przemysłowej. Omówiono jej cechy oraz właściwości sprzyjające przy funkcjonowaniu systemu logistycznego przedsiębiorstwa. Wyszczególniono specyfikacje klasycznej technologii OPC bazującej na technologii COM/DCOM dedykowanej do systemu operacyjnego Microsoft Windows. Zaprezentowano również specyfikacje nowego rozwinięcia technologii OPC Unified Architecture, która ewoluowała w poszukiwaniu sprawniejszych i efektywniejszych form dostarczania informacji o archiwalnym i aktualnym stanie pracy poszczególnych układów komputerowego systemu logistycznego. OPC technology as homogeneous medium in the process of providing information in the logistics enterprise computing system Abstract Currently, computer systems are an integral part of the process of business management. In this process, an important role is the operation of an information system that monitors and records the flow of material goods and information, in order to seek savings of the total costs in the supply, production and distribution. This article presents the OPC technology, which is a communication standard used in industrial automation systems. Discusses the traits and characteristics conducive to the functioning of the logistics company. Detailed specifications of the classic OPC technology based on COM/DCOM technology dedicated to the Microsoft Windows operating system. Also presented specifications to develop new OPC Unified Architecture technology that has evolved in the search for more efficient and effective forms of providing information about archival and current working status of individual computer systems logistics system. BIBLIOGRAFIA 1. Horstman M., Kirtland M., DCOM Architecture, Microsoft Developer Network. 2. Iwanitz F., Lange J.: OLE for Process Control. Fundamentals, Implementation and Applications, Huthig Verlag heiderberg, RFN, 2001. 3. Mahnke W., Leitner S.-H.: Damm M., OPC Unified Architecture, ISBN 978-3-540-68898-3, 2009 Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 4. Williams S., Kindel C., The Component Object Model: A technical Overview, Microsoft Developer Network. 5. Kwiecień R.: Komputerowe systemy automatyki przemysłowej, Computer systems for industrial automation, ISBN: 9788324651429 / 978-83-246-5142-9, Pub. Helion, Gliwice 2013. 6. DCOM Technical Overview, Microsoft Developer Network: http://www.microsoft.com/com/, 15.01.2014. 7. Dr. GUI on Components, COM and ALT, Microsoft Developer Network, 15.01.2014. 8. The OPC Foundation: www.opcfoundation.org, 15.01.2014. 3640