espen&krogh,&ceo&prediktor,&norges&rep.&opc ......opc kurs - del 1 17...

OPC UA

Espen Krogh, CEO Prediktor, Norges rep. OPC Foundation OPC UA Kurs

About Prediktor

600 + solutions installed since 1995

Norway -‐ Fredrikstad (HQ)

China

France

54

Employees and Kongsberg Maritime

Solutions: MES, APC, OM

Software: OPC, time-‐series, analysis, CM

Instruments: fat/water/protein measurements

Well-‐established

A global organisation

Employees

Stable ownership

Business areas

Solutions BU example: MES - Manufacturing Executions System

§  Production support and optimization system

§  Immediate answers to: ú  Bottlnecks ú  Quality deviations

ú  Efficiency and yield

§  Production tracking

§  Rawmaterial optimization

§  etc…

“Factories digital nervous system”

Software BU example: Ormen Lange Flow Assurance System (FAS)

§  Flow Assurance System: ú  Surveilance and prediction of operational

conditions in O&G facilities

ú  Advanced realtime simulation

§  Ormen Lange project:

ú  Norways largest single investment ever ú  The world s most advanced FAS

ú  All SW licenses in the system, except OLGA, from Prediktor

ú  Prediktor deliver SW infrastructure and MPC based choke control appliation

Instruments BU examples

Nortura Malt kjøtt

Lactalis Camembert

Nestlé kattemat

Fôr Felleskjøpet

Kjøtt Taradellas

Kjøtt Lithells

Program §  Intro: motivasjon, historie og organisasjon

§  OPC Classic

§  OPC UA

§  Nytt i OPC UA vs OPC Classic

§  Informasjonsmodeller

§  OPC UA -‐ teknisk oversikt

7

Motivasjon, historie og organisasjon

From electrons to interoperability

8

Data Information

Interoperability

Electrons

Plug and play interoperability

9

OPC: Utfordringen

10

Presentasjons lag Applikasjons lag Data lag

Prosessdata

Alarmer og Hendelser

Tidsserier

Data Analyse

Regulering og styring

Simulering

Trender og plott

Operatør skjermer

Rapporter

Leverandør X Generasjon N

Leverandør Y Generasjon N

Leverandør Z Generasjon N

OPC: Løsningen

11

Presentasjons lag Applikasjons lag Data lag

Prosessdata

Alarmer og Hendelser

Tidsserier

Data Analyse

Regulering og styring

Simulering

Trender og plott

Operatør skjermer

Rapporter

OPC OPC XML .net

OPC Foundation

§  OPC Foundation is an arena for end-‐users, vendors and research innstitutions to meet, discuss and implement interoperability standards

12

Productivity Industry standard Manufacturer-‐independent Interoperability Reliability

Open 450 members Platform-‐neutral All areas of application All connections

Collaboration Device Integration IEC 61131-‐3 / PLCopen Analyzer Device Integration ISA-‐95, ISA-‐88 MTConnect Smard Grid Field Device Integration EDDL and FDT

OPC Foundation §  Etablert 1996 – fra WINSEM

§  Uavhengig organisasjon

§  Hoved formål: ú  Besørge interoperabilitiet mellom systemer-‐enheter og programvare på

alle nivåer

§  Leverer hovedsakelig spesifikasjoner (papir) – ikke SW

§  Medlemskap åpent for alle ú  Avgift avhengig av org omsetningsstørrelse

13

0 10 20 30 40 50 60 70

Kroatia Bulgaria Serbia Turkey Hvite russland Romania Nederland Spania Polen Tsjekkia Irland Slovakia Italia Storbritannia Belgia Norge Danmark Finland Sverige Russland Østerrike Sveits Frankrike Tyskland

Status 2012: 463 Medlems bedrifter

14

Europa 216

Japan 28

Nord Amerika 151

Kina 29

Brasil 5

Australia 6

Syd Afrika 7

Andre 18

1997 Prediktor 2000 Baze Technology 2001 Institute For Energiteknikk 2003 Kongsberg Maritime 2010 Statoil 2011 University of Tromsø 2012 Cybernetica 2012 ITIS A/S 2012 Innova AS

15

OPC Classic

OPC Kurs - Del 1 16 Prediktor as

Classic OPC teknologi stack

OPC Server

DCOM

TCP-IP / UDP IPX / HTTP

OPC Client C/C++ Java VB

Delphi

RPC


OPC Data Access

§  Lesing av nåverdier f.eks: ú  Måleinstrumenter/sensorer ú  Styresignaler ú  Beregnede verdier

§  Skriving av nåverdier f.eks: ú  Settpunkt i regulator ú  Startkriterier i logikk programmer

§  Verdier leses fra såkalte OPC Items ú  Value – int/float/bool/text/arrays ú  Quality -‐ kan jeg stole på at verdien er riktig? ú  Timestamp -‐ tidspunkt verdien gjelder for

§  Items legges i grupper for abonnementsoppsett §  OPC Items har et navn i et navnerom og en unik ItemID (text)

OPC DA - dynamikk i objekt modell

OPC Gruppe 1

OPC Gruppe 2

Root

OPC Item 1a

OPC Item 1b

OPC Item 2a

OPC Item 2b

OPC Server Obj

OPC Klient

Node a

Node b

Node c

Leaf 1

Leaf 2

Leaf 3

Leaf 4

Leaf 5

Leaf 6

Navnerom

OPC Name Space Browser


OPC Alarms & Events

§  Eksponering av alarmlister fra et system til et annet §  Event typer:

ú  Simple   Eksempel: en komponent feil meldt av systemet

ú  Condition – (prosessalarmer)   Eventer er assosiert med betingelser   Eventer er tranisisjoner inn og ut av tilstander representert av

Conditions og SubConditions   Eksempel: FIC101 har oppnådd NivåAlarm Condition med HighAlarm

som SubCondition ú  Tracking – (auditing)

  Ikke assosiert med betingelser   Hendelser rundt operatørers interaksjon med mål objekter   Eksempel: Setpunkt for FIC101 ble endret av operatørX


Tilstandsmaskin for en OPC condition

Active-Unacked-Enabled

Inactive-Acked-Enabled

Inactive-Unacked-Enabled

Active-Acked-Enabled

Becomes Active Send ”Condition active”

notification

Invalid Ack Received Ignore

Becomes Active Send ”Condition Active”

notification

Becomes Inactive Send ”Condition inactive”

notification

Disabled

Disable Received Send ”Disabled”

notification

Enabled, ...

(For all enabled states)

Sub-condition changes Send notfication of new sub-condition

Enable Received Send “Enabled”

Notification

Sub-condition changes Send notfication of new sub-condition

Valid Ack Received Send ”Acknowledged”

notification

Quality changes Send ”Quality Changed”

notification

Invalid Ack Received Ignore

Becomes Inactive Send ”Condition

inactive” notification

Valid Ack Received Send ”Acknowledged”

notification


OPC Historical Data Access (HDA)

§  Lesing/skriving av historiske verdier ú  Trender av målepunkter

§  Enkel bearbeiding av historiske data ú  Aggregater med statistiske funksjoner

§  Eksponerer et standard api mot databaseklienter

Eksempel OPC HDA klient

OPC Kurs -‐ Del 1 22

OPC UA erstatter tidligere DCOM/XML OPC

23

OPC UA

OPC Alarms & Events

(AE)

OPC Data Access

(DA)

OPC Historical Data Access

(HDA)

OPC Common

OPC Batch

OPC XML

OPC DA Auto

OPC AE Auto

OPC HDA Auto

OPC Batch Auto

OPC Security

OPC Command

OPC Data Exchange

OPC Complex Data

24

OPC UA

OPC UA Spesifikasjon

§  Utarbeidet i OPC Foundation 2004-‐2009

§  12 del-‐dokumenter, 1-‐13 (-‐12) ú  Kun del 1 er gratis ú  Del 4 er den som er viktigst å lese

§  1000+ sider med teknisk dokumentasjon

§  + companion standards PLCOpen, S95, DI, ADI, FDT, etc

25

OPC UA dokument struktur

§  Kjernespesifikasjoner ú  Part 1 – Concepts ú  Part 2 – Security Model ú  Part 3 – Address Space Model ú  Part 4 – Services ú  Part 5 – Information Model ú  Part 6 – Mappings ú  Part 7 – Profiles

§  Aksesstype spesifikasjoner ú  Part 8 – Data Access ú  Part 9 -‐ Alarms and Conditions ú  Part 10-‐ Programs ú  Part 11 – Historical Access

§  Utility spesifikasjoner ú  Part 12 – Discovery ú  Part 13 – Aggregates

26

...men i bunn og grunn ikke mere enn dette – 37 RPC kall §  Discovery

§  -‐ GetEndpoints

§  -‐ RegisterServer

§  -‐ FindServers

§ 

§  Session

§  -‐ CreateSession

§  -‐ ActivateSession

§  -‐ CloseSession

§  -‐ Cancel

§ 

§  Subscription

§  -‐ CreateSubscription

§  -‐ ModifySubscription

§  -‐ SetPublishingMode

§  -‐ Publish

§  -‐ Republish

§  -‐ TransferSubscriptions

§  -‐ DeleteSubscriptions

§  View

§  -‐ Browse

§  -‐ BrowseNext

§  -‐ TranslateBrowsePathsToNodeids

§  -‐ RegisterNodes

§  -‐ UnregisterNodes

§  Attribute

§  -‐ Read

§  -‐ Write

§  -‐ HistoryRead

§  -‐ HistoryUpdate

§ 

§  MonitoredItem

§  -‐ CreateMonitoredItems

§  -‐ ModifyMonitoredItems

§  -‐ SetMonitoringMode

§  -‐ SetTriggering

§  -‐ DeleteMonitoredItems

§  Method

§  -‐ Call

§ 

§  NodeManagement

§  -‐ AddNodes

§  -‐ AddReferences

§  -‐ DeleteNodes

§  -‐ DeleteReferences

§ 

§  Query

§  -‐ QueryFirst

§  -‐ QueryNext

§ 

§  SecureChannel

§  -‐ OpenSecureChannel

§  -‐ CloseSecureChannel

27

28

Nytt i OPC UA vs OPC Classic

Alle spesifikasjone samlet i en

29

OPC UA Klient

Før

Nå OPC UA Server

OPC Klient (DCOM basert)

OPC DA Server

OPC HDA Server

OPC AE Server

Brannmur/internett vennlig

§  Før: ú  Å åpne for DCOM gjennom brannmur krevde et sollid hull i brannmuren ú  Umulig å rute over internett

§  Nå: ú  Kun et nålestikk i brannmur med UA binary, ingen hull med UA på W3C stack ú  Ruter fint over internett

30

OPC UA Klient

OPC UA Server

Kryss-plattform

§  OPC UA kan implementeres på hvilken som helst plattform med en ANSI C compiler og en TCP IP stack implementasjon

§  Implementering allerede gjort på bl.a.: ú  Linux ú  Mac ú  Windows ú  VxWorks ú  Embedded ú  Etc

OPC server PC ikke nødvendig lenger

OPC Server Levrandør X

Fysisk utstyr

IO enhet

OPC Klient applikasjon fra Leverandør Y

OPC UA

Pålitelig kommunikasjon

OPC UA Client (active)

OPC UA Server (active)

OPC UA Klient

(stand by)

OPC UA Server

(stand by)

Device/application exposed with OPC

UA

§  Legacy OPC: ú  Nothing (proprietary vendor specific extensions)

§  OPC UA: ú  Fail-‐over redundancy ú  Supports spooling, buffring pacages on bad transmission, and retransmit when

transmission OK

En protokoll for alt fra embedded til enterprise nivå kommunikasjon

34

OPC UA

35

Informasjonsmodeller

Informasjonsmodeller definisjon

§  Wikipedia:

An information model in software engineering is a representation of concepts, relationships, constraints, rules, and operations to specify data semantics for a chosen domain of discourse. It can provide sharable, stable, and organized structure of information requirements for the domain context.

36

Vi bruker alle informasjonsmodeller

§  Verden er for kompleks for oss

§  Vi forenkler vår oppfatning av virkeligheten vha informasjonsmodeller

§  Nå et eksempel:

37

Et sett m virkelige, levende personer

38

Anna

Tor

Torild

Petter

Per

Kåre

Svein

Laila

Nils

Informasjonsmodell observert av vaktmester Terje

Anna

Tor

Gunnar

Torild

Petter

Per

Otto

Kåre

Svein

Laila

Nils

Team A Wing

Team B Match

Beck Beck

Captain Keeper

Line

Participates

Wing

Coach

Manager

Participates

Spectator

Spectator

? Fru Rygge

Vaktmester Terje

Informasjonsmodell for de same entitetene observer av nabofru Rygge

40

Anna

Tor

Gunnar

Torild

Petter

Per

Otto

Kåre

Svein

Laila

Nils

Family 2 Vandalist

Family 1

Unknown Son

Occasional guest

Daughter Frequent guest

Son Father

Mother

Neighbour

Lives in

Son

Neigh-‐bourhood

Lives in Mother

Lover

Friend

Girlfriend

Vi kan konkludere

§  De same virkelige ting kan ta del I forskjellige informasjonsmodeller

§  Modellene er ofte utvidet med abstrakte objekter, slik som match og neighborhood, og vi kobler objekter med typede relasjoner

§  Ingen modell er mere riktig enn de andre, da hver modell brukes for forskjellige formål

§  Forskjellige modeller kan eksistere samtidig

41

Definisjon av informasjonsmodeller, er essensielt for avansert interoperabilitet §  Computer systemer broker også informasjonsmodeller for å

kommunisere

§  Eksempler på informasjonsmodeller fra industrien:

ú  S-‐95: Describes general structures in manufacturing companies, like process topologies, material structures and activity structures

ú  S-‐88: Description of batch processes, recipes and batch activities ú  PLCOpen: Description of control logic in sequence controlled

systems ú  OpenO&M (MIMOSA): Description of structures for maintenance

and operations ú  WITSML: Descriptions of data structures connected to wells from

drilling operations

42

Data vs økende semantisk informasjon

140.3 Quantity: pressure

Unit: bara

Name: PT-‐18-‐1637A:X

Description: production control valve

6.8 Quantity: pressure

Unit: bara

Name: PT-‐18-‐1642:X

Description: production control valve

upstream to

pipeline A

43

For kommunikasjon

§  …søker vi interoperabilitet… ú  På tvers av disipliner ú  Gjennom hierarkier ú  På tvers av selskaper

§  …for mere og mere komplekse oppgaver… §  …med mere og mere data.

§  Et fokus på informasjonsmodeller for varierende formål vil være en god strategi for å håndtere interoperabilitetesutfordringen

44

OPC UA and information models

§  OPC UA is the only real-‐time communication protocol that has been designed to host foreign information models

§  OPC UA clearly separates the protocol stack from the information model building capability

§  OPC UA servers can expose different simultaneous information models at the same time

§  OPC UA facilitates incremental strategies on information models ú  A simple client can access all information in any UA server, even though he

doesn’t understand the semantics in the expressed information models ú  A client can become more and more advanced as time goes by ú  A server can incrementally implement support for more and more

information models to facilitate future integration requirements

45

Today: Bilaterale communication strategies

Production system 1

IMS Vend. A

Enterprise ERP Vend B

Production system 2

IMS Vend. A

i.e. B2MML

i.e. B2MML

Asset Mgt Vend C

? Prop vend. A/C

Integrated Operations Vend D

? Prop vend. A/D

Production system 3

IMS C Vend E

? ? ?

Arrows are never ending

integration projects

46

We need: Multilaterale communication strategies

Production system 1

IMS Vend . A

Enterprise ERP Vend B

Production system 2

IMS Vend. A

Asset Mgt Vend C

Industry Integrated Operations Vend D

Production system 3

IMS C Vend E

Std ERP Model

Std maint. Model

Std Industry Model

Std ERP Model

Std maint. Model

Std Industry Model

Std ERP Model

Std maint. Model

Std Industry Model

Std Industry Model Std maint.Model Std ERP Model

OPC UA

Arrows between standard software packages from

vendors

47

48

OPC UA - teknisk oversikt

UA Spesifikasjonslag

49

UA Stack

UA Base Services

Prog HA AC DA

Standard informasjonsmodeller, OPC

Foundation og andre

Leverandør spesifikke modeller

Transport og protokoll binding

§  Protokoll stacker for forskjellige use case’r ú  API’er uavhengig av protokoll ú  Web Services for enterprise aksess ú  Binary TCP protocol for sanntids kommunikasjon

ú  Plattform uavhengig implementeringer

§  Robust kommunikasjon ú  Sekvens nummerering

ú  Sesjon keep-‐alive mekanisme ú  Synkronisering vha bufring og spooling ú  Redundans støtte

§  Innebygget sikkerhet ú  Applikasjons autentisering ú  Bruker autentisering ú  Signerte og krypterte meldinger ú  Integrert audit konsept

50

UA Stack

UA Base Services

Prog HA AC DA


Foundation og andre


OPC UA – protocol stack alternativer

HTTP/HTTPS

SOAP 1.2

WS Secure Conversation

UA XML UA Binary

UA Secure Conversation

UA TCP

TCP/IP

XML WS

XML WS

Native with

SOAP HTT

P

Native Bina

ry

Message Transport Layer

Secure Channel Layer

Message Encoding Layer

Performance on embedded devices – example Prediktor UA toolkit §  ARMv5, 100MHz, 64MB ram, linux 2.6.25

§  100 Mb dedicated network between client and server

§  Read performance (poll):

§  Write performance:

52

Node count Min [msec] Max [msec] Avg. [msec] Reads/sec 1 4.5 15.2 5.5 181.8 10 7.2 15.9 8.1 1234.6 100 32.7 48.2 36.1 2770.1 1000 291.0 331.1 307.9 3247.8

Node count Min [msec] Max [msec] Avg. [msec] Writes/sec 1 4.5 7.0 5.2 192.3 10 6.8 13.0 7.6 1315.8 100 30.1 45.0 32.0 3125.0 1000 252.4 285.2 266.3 3755.2

Security

§  Use of OPC UA security must be embedded in a security management system to provide meaningful security

§  OPC UA is secure-‐by-‐design and addresses security concerns by providing ú  authentication of

  Users   Application instances (Software)

ú  Confidentiality and integrity by signing and encrypting messages ú  Availability by minimum processing before authentication ú  Auditability by defined audit events for OPC UA operations

§  OPC UA allows to setup different levels of security §  OPC UA certificate management can be

ú  integrated into existing infrastructure of the site or ú  newly set up based on requirements

53

OPC UA Base Services – OPC UA API

§  Protokoll uavhengeig OPC UA API

§  Tjenester for ú  Discover Servers and Endpoints

ú  Browse Server Address Space   Instances   Type System

ú  Read and Write current data ú  Read History of Data and Events ú  Call Methods ú  Subscribe for

  Data Changes   Events

ú  Create / Delete Nodes and References

§  Generic Services ú  No feature specific extensions ú  Features added through Information Models

54

UA Stack

UA Base Services

Prog HA AC DA


Foundation og andre


Standard innebygde informasjons modeller

§  Data Acces ú  Representation of Process Variables ú  E.g. AnalogItemType with unit and range

§  Alarms & Conditions ú  Representation of Process Alarm Systems ú  State machines for Alarm states ú  Events for state changes ú  Methods feedback like Acknowledge

§  Historical Access ú  Information about historized data and events

§  Programs ú  Representation of programs ú  Manipulate programs like start, stop ú  State of a program execution ú  Result data handling

55

UA Stack

UA Base Services

Prog HA AC DA


Foundation og andre


OPC UA companion modeller

§  Standard Informatsjonsmodeller ú  Domene-‐spesifikke modeller ú  Industri-‐spesifikke modeller

§  Utarbeides ved ú  å samarbeide med andre standardiserings

organisasjoner ú  å adressere spesielle domenespesifikke behov

56

UA Stack

UA Base Services

Prog HA AC DA


Foundation og andre


57

DI

ADI PLCOpen

DA

FDI*

HA AC Prog

MES*

S 95*

* in progress

OPC UA informasjonsmodeller så langt

OPC UA base model


§  For å eksponere eksisterende semantiske modeler vha UA

§  For å eksponere et domene som ikke er definert som en standard ennå i OPC UA

§  For å bruke OPC UA som en implementeringsteknologi for egne/produkt-‐interne behov for å konseptualisere semantiske modeller

58

UA Stack

UA Base Services

Prog HA AC DA


Foundation og andre


Inkrementell/iterativ strategi i å implementere OPC UA

§  Klienter laget for Base Services kan fremdeles aksessere informasjon i høyere lag

§  Inkrementelle og iterative utviklingsstrategier kan brukes for klienter

§  Servere kan legge på informasjonsmodeller etter som de blir definert, og det er behov for implementering

59

UA Stack

UA Base Services

Prog HA AC DA


Foundation og andre


Nytt i UA v 1.02 (høst 2012)

§  Standard XML skjema for adresserom ú  Offline browsing ú  Addresserom import og eksport ú  Standard lagringsformat for informasjons modeller

§  Filoverføring mulig med FileType objekt

§  HTTPs basert protokoll i stacken §  Nye katalog tjenester

ú  Local Directory Service (i UA v 1) ú  Global Directory Service (tjener på port 4840) ú  Ad-‐hoc discovery (ingen navnetjener)

§  Forbedret redundans modus og nettverksredundans

60

espen&krogh,&ceo&prediktor,&norges&rep.&opc ......opc kurs - del 1 17...

Documents