Máquinas Elétricas Rotativas, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y AUTOMÁTICA

Fede Pérez

OPC

Conceptos Fundamentales

OPC Conceptos Fundamentales 1

Fede Pérez Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática

Sección 1 INTRODUCCIÓN

1. DEFINICIÓN

OPC corresponde a un conjunto de especificaciones basadas en los estándares de Microsoft (COM, DCOM, OLE Automation y Active X) que cubren los requerimientos de comunicación industrial entre aplicaciones y dispositivos, especialmente en lo que se refiere al tiempo real.

2. HISTORIA

 La prehistoria – Windows 3. Con la introducción de Windows 3.0 en 1990 se hizo posible OPC, sobre una plataforma barata, para ejecutar aplicaciones múltiples simultáneamente. Aún mejor, Windows proporcionó un mecanismo estándar para aquellas aplicaciones que intercambian datos en tiempo de ejecución. Este mecanismo era el Intercambio de datos Dinámico, o DDE, y no mucho antes, los usuarios vieron los beneficios de tener sus procesos o datos de planta dentro de aplicaciones de propósito general como Microsoft Excel.

Pronto sin embargo, las limitaciones de DDE se hicieron claras. No era muy robusto, no había ningún apoyo para DDE a través de una red, y, el peor de todos, su ancho de banda era muy limitado.

Se intentó rectificar estos defectos mediante tentativas, produciendo el mayor impacto el Wonderware’s InTouchTM SCADA software, que introdujo un medio de conectar a una red el tráfico DDE (NetDDETM, que era posteriormente ocupado por Microsoft), y también aumentó el ancho de banda eficaz de DDE empaquetando objetos de datos múltiples en cada paquete o mensaje (FastDDETM). La desventaja principal de este esquema, y otros como AdvanceDDETM del Software de Rockwell, consistía en que estaban sujetos a derechos privados, requiriendo pagos a sus inventores, y así nunca se lograría un verdadero estándar de industria.

 OLE 2.0 y WinSEM Cuando OLE 2.0 se lanzó en 1992, era evidente que tarde o temprano reemplazaría los usos de DDE, porque era más flexible, más robusto, y usaba mecanismos más eficientes de transporte.

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Productos comerciales que usan OPC comenzaron a aparecer a finales de 1996. A mediados de 1998, se confirma como el estándar de industria.

La Fundación tiene el apoyo de la industria (sobre 150 miembros en total), además de Japón y Europa. La fundación tiene su propia web, http: // www.opcfoundation.org/.

 Un Ámbito Más amplio para OPC OPC Data Access 2.0 se publica a finales de 1998 y contiene documentos de especificación separados para clientes e interfaces de automatización. La especificación de cliente incluyó un mecanismo más robusto. Los interfaces de automatización, mientras tanto, fueron rediseñados para mejorar su uso, y aprovechar mejor la tecnología.

También a finales de 1998, el alcance de OPC fue ampliado con la publicación de las Alarmas y la especificación de interfaz de cliente de Acontecimientos, la versión 1.0.

En el año 2000 se publican nuevas especificaciones de interfaz de cliente que cubren el Acceso de Datos Históricos, Batch y la Seguridad.

 Prueba De Conformidad Posiblemente el desarrollo más significativo de 2001 era la versión OPC Foundation’s Compliance Testing y el programa de certificación para servidores de Acceso de Datos OPC, que pronto serán ampliados para cubrir Servidores de acontecimientos y Alarmas.

En el 2001 también se publicó la especificación de interfaz de automatización para el Acceso de Datos Histórico, y la versión 2.0 de especificación de interfaz Batch custom. Poco más se consiguió durante el 2001.

La especificación de OPC es una especificación técnica no-propietaria que define un sistema de interfaces estándares basados sobre la tecnología de OLE/COM.

3. APLICACIÓN DE OPC

OPC es un mecanismo uniforme para comunicar a numerosas fuentes de datos, o dispositivos en el piso de la fábrica, o en una base de datos en una habitación de control. La arquitectura de la información para la Industria del Proceso mostrada en la Figura 1-1, implica los niveles siguientes:

9 Administración de Campo. Con la llegada de dispositivos inteligentes, se puede proporcionar una riqueza de información sobre dispositivos de campo que no estaban previamente disponibles. Esta información proporciona los datos de un dispositivo, sus parámetros de configuración, las materias de la construcción, etc. Todo esta información debe ser presentada al usuario, y a cualquier aplicación que la use. 9 Proceso de Administración. La instalación de Sistemas Distribuidos de Control (DCS) y sistemas SCADA para supervisar y controlar datos del proceso de fabricación disponibles electrónicamente que habían sido recopilados manualmente. 9 Administración del negocio. Los beneficios pueden ser obtenidos instalando sistemas del control. Esto se consigue integrando la información recogida del proceso en los sistemas de negocio que maneja aspectos financieros de la fabricación.

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Proporcionar esta información eficazmente a aplicaciones de cliente aminora el esfuerzo requerido para proporcionar esta integración.

Para conseguir esto, los fabricantes necesitan conseguir acceso a los datos del piso de la planta e integrarlos en su sistema de negocio. Los fabricantes deben ser capaces de utilizar las herramientas (Paquetes de SCADA, las Bases de datos, etc.) para satisfacer sus necesidades. La clave es una arquitectura abierta y eficaz de comunicación en el acceso de datos, y no los tipos de datos.

Handheld PDA Configuration andMaintenance

Measurement -Pressure -Temp -Flow -Level

Valves Positioners

Coriolis

PD Meters Common Head

Analytical -Simple -Complex

-Analog I/O -Discrete I/O -TC/RTD

Fisher

Field Management

Fieldbus

Windows NT Operator Console

Windows NT RT/History Data Server

Windows 3. Windows- Windows NT Client Applications

Process Management

Plant Highway

Windows NT Operator Console RT/History Data Server

Business Management

Plant Highway

Controller

Figura 1-1 Esquema general

4. ARQUITECTURA OPC

Lo que se necesita para las aplicaciones es una manera común de acceder a los datos de cualquier fuente, como un dispositivo o una base de datos.

El servidor OPC en esta figura y en secciones posteriores es sinónimo de cualquier servidor que proporciona el interfaz OPC.

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interfaces son pensados para apoyar el desarrollo de servidores OPC también en otros lenguajes.

4.3 Esquema General

OLE para el Control de Proceso (OPC™) está diseñado para permitir a las aplicaciones de cliente el acceso a los datos de planta de una manera consistente. OPC proporcionará muchos beneficios:

9 Los fabricantes de hardware sólo tienen que hacer un conjunto de componentes de programa para que los clientes los utilicen en sus aplicaciones. 9 Los fabricantes de software no tienen que adaptar los drivers ante cambios de hardware. 9 Con OPC, la integración de sistemas en un entorno heterogéneo se convertirá simple.

Ethernet

PCs with Win95 or NT Workstations with NT

Minis with OLE/COM Gateways

Mainframes with OLE/COM Gateways

OPC Data Server (NT)

Device 1

Device 2

OPC Data Server (NT)

Device 3

OPC Data Server (NT) Device 4

MMI Custom VB Apps

SCADA Custom VB Apps

SCADA Custom Apps

Production Control Custom Apps

Figura 1-3 Esquema general

5. FUNCIONALIDAD OPC

El objetivo principal de OPC es entregar las especificaciones a la industria tan rápido como sea posible. Con esto en la mente, el alcance de las primeras versiones del documento se limita a áreas comunes de todos vendedores. La funcionalidad adicional se definirá en versiones futuras. Por lo tanto, las primeras versiones enfocan en:

9 Acceso de Datos en línea, en otras palabras, la lectura y escritura eficiente de datos entre una aplicación y un dispositivo de control de proceso

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9 El Manejo de Alarma y el Acontecimiento, en otras palabras, los mecanismos para Clientes de OPC para ser notificados de las condiciones especificadas y alarma, 9 Acceso a Datos Históricos, en otras palabras, la lectura, procesamiento y redacción de datos históricos

Las funcionalidades tales como la seguridad, datos históricos y acontecimientos son características que pertenecen a versiones siguientes.

Otras metas para el diseño de OPC son: 9 Sencillo de aplicar. 9 Flexible de acomodar a múltiples necesidades 9 Proporcionar un nivel alto de funcionalidad 9 Ser eficiente.

Las especificaciones incluyen lo siguiente: 9 Un conjunto de interfaces COM para el uso de cliente y servidor. 9 Referencias a un conjunto de interfaces de Automatización OLE para apoyar a clientes desarrollados con las aplicaciones de gestión de niveles más altos como Excel, Visual Básico, etc.

Microsoft distribuyó la tecnología OLE (DCOM) para facilitar a clientes la comunicación con servidores remotos.

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1.1 Perspectiva General del Acceso de Datos OPC

A un nivel alto, un Servidor de Datos OPC esta compuesto por varios elementos: el servidor, el grupo y el item. El servidor OPC mantienes información sobre el servidor y sirve como container para objetos del grupo OPC. El objeto del grupo OPC mantiene información sobre si mismo y provee de mecanismos para contener y organizar lógicamente items de OPC.

Los grupos OPC proveen un modo para que los clientes organicen los datos. Por ejemplo, el grupo puede representar los items en un display del operador o informe especial. También se pueden crear conexiones basadas en excepciones entre el cliente y los items en el grupo y se pueden habilitar o deshabilitar según sean necesarias. Un cliente OPC puede configurar la velocidad a la que un servidor OPC debería de proveer de los cambios de datos al cliente OPC.

Hay dos tipos de grupos, los públicos y los locales (o privados). Los públicos son para compartir entre muchos clientes y los locales son privado para cada cliente.

Dentro de cada grupo el cliente puede definir mas de un item OPC.

Item 1

Group

Item 2 Item 3

Figura 2-3 – Relación grupo/item

Los Items OPC representan conexiones a las fuentes de datos dentro de un servidor. Desde el punto de vista de una interfaz, un Item OPC, no es accesible como un objeto por parte de un Cliente OPC. Por lo tanto, no hay ninguna interfaz externa definida para un Item OPC. Todo los accesos a Items OPC se hacen atraves de un objeto del Grupo OPC que contiene al Item OPC.

A cada Item se le asocian sellos de Valor, Calidad y Tiempo. El Valor se expresa en la forma VARIANT y la Calidad es parecido a lo especificado por Fieldbus.

Es importante entender que los items no son fuentes de datos, son únicamente conexiones a ellas. Por ejemplo, los tags en un sistema DCS existes independientemente de si en ese momento hay un Cliente OPC accediendo a ellos.

1.2 Perspectiva General de la Gestión de Alarmas y Eventos OPC

Estas interfaces ofrecen mecanismos para que los Clientes OPC reciban notificaciones de ciertos eventos especificados y de condiciones de alarma. También ofrecen servicios que permiten a Clientes OPC determinar los eventos y condiciones soportados por el Servidor OPC y obtener su estado.

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Hacemos uso de las entidades denominadas como alarmas y eventos. En lenguaje informal estos dos conceptos se usan de forma indiferente.

En OPC, alarma es una condición anormal y por lo tanto es un caso especial de condición. Una condición es un estado concreto del Servidor de Eventos OPC o de uno de los objetos contenidos por dicho servidor, que puede resultar de interés para sus clientes. Por ejemplo, el tag FC101 puede tener las siguientes condiciones asociadas a el: HighAlarm, HighHighAlarm, Normal, LowAlarm, y LowLowAlarm.

Por otro lado, un evento es un suceso detectable que es significativo para un Servidor OPC, para el aparato al que representa y para sus Clientes OPC. El evento puede estar o no asociado a una condición. Por ejemplo, las transiciones a las condiciones HighAlarm y Normal son eventos asociados a condiciones. Pero sin embargo, las acciones del operador, cambios de la configuración y errores del sistema son ejemplos de eventos que no están asociados a ninguna condición específica. Los Clientes OPC puedes solicitar la notificación de ciertos eventos específicos.

La interfaz del Servidor de Eventos IOPC ofrece métodos para permitir a un Cliente OPC:

9 Determinar los tipos de eventos que puede soportar un Servidor OPC. 9 Suscribirse a algunos eventos, de tal forma que los Clientes OPC puedan recibir notificaciones sobre ellos. Los filtros se pueden usar para definir un subconjunto de eventos deseados. 9 Acceder y manipular condiciones implementados por un Servidor OPC.

Además de la interfaz IOPC un Servidor de eventos puede soportas otro tipo de interfaces para mostrar las condiciones implementadas por un servidor.

1.3 Perspectiva General del Acceso de Datos Históricos OPC

Los motores históricos producen una información que ha de ser distribuida a usuarios y a clientes software que estén interesados en dicha información. Normalmente la mayoría de los sistemas históricos utilizan una interfaz propia para diseminar los datos. No hay capacidad para utilizar las soluciones históricas que ya existen con otras capacidades en un entorno plug-n-play. Esto hace que sea necesario que el desarrollador cree otra vez sus una infraestructura para que sea la misma para todos sus productos.

Hay distintos tipos de servidores Históricos. Algunos importantes que son soportados por esta especificación son los siguientes:

9 Servidores de datos simples. Estos servidores ofrecen poco mas que la capacidad de almacenar datos simples. 9 Servidores de análisis y compresión de datos complejos. Estos servidores ofrecen capacidad de compresión de datos además de la capacidad de almacenaje de datos. Son capaces de ofrecer funciones de análisis de datos, tales como calculo de la media, del mínimo, del máximo... Pueden actualizar datos y tener un resumen de actualizaciones.

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Figura 2-6 –Arquitectura típica de OPC

4. SERVIDORES REMOTOS VS. LOCALES

A la hora de montar las redes OPC hay dos alternativas: 9 Los clientes se deben de conectar siempre a un servidor local que hará uso de un esquema de red existente. 9 El cliente se puede conectar al servidor que desee.

OPC Automation Interface

OPC Custom Interface

Local or Remote OPC Server (Shared by many clients)

Server Data Cache

Physical Device/ Data

OPC Automation Wrapper

VB Application

C++ Application

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Sección 3 ESPECIFICACIONES

OPC

El estándar OPC está dividido en diferentes especificaciones. Todas ellas tienen como base común la especificación OPC Common y dependiendo de la aplicación para la que estén definidas las especificaciones, implementarán unos interfaces u otros a parte de los implementados en OPC Common. Las especificaciones que se pueden encontrar dentro del estándar OPC son:

™ OPC Common ™ OPC Data Access ™ OPC Alarm &Events ™ OPC Historical Data Access ™ OPC Batch ™ OPC DX ™ OPC XML

A parte de estas especificaciones se siguen preparando nuevas especificaciones.

1. OPC COMMON

Como su nombre indica es la especificación común a todos los servidores y clientes que implementen OPC en cualquiera de las especificaciones arriba mencionadas. Esta especificación define tres funciones que deben ser implementadas siempre:

9 Desconexión de los clientes a petición de los servidores. Esta función es implementada a través de la interfaz IOPCShutdown. 9 Registro de servidores dentro del sistema. 9 Capacidad de dar a conocer a las aplicaciones clientes los servidores instalados en una maquina. Esto se lleva a cabo gracias a la interfaz IOPCServerList.

1.1 Tipos de Interfaces

La especificación OPC hace una clasificación de los interfaces atendiendo a varios criterios:

9 El lenguaje de programación utilizado a la hora de diseñar los clientes y servidores. 9 La necesidad de su implementación en los servidores como en los clientes.

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Este interfaz proporciona acceso al punto de conexión para la interfaz IOPShutdown.

3. IOPCCommon Este interfaz es usado por todos los servidores OPC independientemente de que pertenezcan a una especificación u otra. Proporciona la capacidad de establecer y demandar identificadores locales (LocaleID) que serán específicos para cada sesión cliente/servidor. Un cliente que mantenga conexiones con un servidor OPC Data Access y un servidor OPC Alarms and Events usará esta interfaz de forma independiente con cada servidor. 4. IOPCServerList Esta interfaz puede trabajar de forma remota. Determina el tipo de servidores que están disponibles en una máquina.

2. OPC DATA ACCESS (OPC DA)

En un servidor OPC Data Acces se pueden diferenciar tres tipos de objetos: ™ Objeto OPC Server. ™ Objeto OPC Group ™ Objeto OPC Item

El objeto OPC Server es el objeto COM al cual se conectan las aplicaciones. Debajo de él se encuentran una colección de objetos OPC Group. Estos objetos son creados por la aplicación de forma dinámica para mantener listas de tags y atributos que en OPC son llamados items. Por ejemplo un interfaz HMI debería crear un grupo por cada imagen que tenga abierta. El contenido de los grupos y items puede variar en el tiempo dependiendo de las necesidades de las aplicaciones.

El servidor OPC Data Access tiene dos formas de estructurar los objetos Group e Item: ¾ Forma jerárquica ¾ Forma plana

Figura3.1:Estructura de los objetos Group e Item en el servidor

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2.1 El Modelo Lógico de OPC DA

A continuación se muestra una imagen en la que se representa el modelo lógico de los objetos donde se puede apreciar cada objeto y la relación que mantienen entre ellos

The Logical Object Model

OPCServer

OPCGroup(s)

Custom and Automation Interfaces

OPCGroup(s)OPCGroup(s)

OPCItem(s)OPCItem(s) OPCItem(s)

OPCItem(s)OPCItem(s) OPCItem(s)

OPCItem(s)OPCItem(s) OPCItem(s)

Figura3.2:Modelo de objetos lógico

1. Objeto OPC Server El servidor OPC DA establece un objeto del tipo OPC Server para cada cliente y crea un canal de comunicación para cliente por separado. De esta forma se evita que el flujo de información entre cliente y servidor se vea disminuida a causa de otros clientes. El objeto OPC Server mantiene información del actual servidor y se usa como depósito de objetos OPC Group.
2. Objeto OPC Group El objeto OPC Group tiene como finalidad el proporcionar a las aplicaciones un mecanismo para organizar los datos que necesitan. Diferentes grupos pueden ser usados por diferentes partes de la aplicación. El objeto OPC Group además de mantener información sobre sí mismo se encarga del mantenimiento y la organización lógica de los objetos OPC Item La transmisión de datos del servidor OPC DA actúa a nivel del OPC Group. Cada Grupo tiene que tener un nombre único relacionado con el cliente OPC. El cliente OPC puede cambiar más tarde este nombre, pudiendo especificar incluso el activo o inactivo del OPC Group El servidor OPC DA es el encargado de generar grupos OPC. Además de crear grupos es posible suprimir un grupo, obtener el nombre de un grupo y enumerar los grupos. Los grupos contienen items, que corresponden a datos en el servidor. Si el servidor es un supervisor los items se corresponden con tags. Si el servidor es un autómata los items se corresponden con registros (DB) Los servidores OPC pueden leer sus datos de bases de datos, mapas ADD-IN, o desde cualquier fuente de datos.
3. OPC Item