Monitorovanie infraštruktúry siete prostredníctvom OPC klientskej aplikácie
|
Trenčianska Univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne
Fakulta Mechatroniky |
|
Monitorovanie infraštruktúry siete prostredníctvom OPC klientskej aplikácie Diplomová práca |
| Autor: | Bc. Ján Kondrla |
| Pedagogický vedúci: |
Ing. Tomáš Páleník |
| Študijný odbor: | Mechatronika
|
| Akademický rok |
2009/2010
|
| Abstrakt
Diplomová práca sa zaoberá možnosťami monitorovania infraštruktúry siete so zameraním na sieťové a priemyselné štandardy. Vychádza z praktických skúsenosti zo správy počítačových sietí a z informácií získaných v odbornej literatúre. Popisuje problematiku monitorovania TCP/IP sieti a bližšie opisuje protokoly SNMP a OPC. V zostávajúcej časti sa zaoberá návrhom a realizáciou monitorovacej OPC aplikácie s využitím monitorovania sieťových alebo priemyselných zariadení. V závere práce je uvedený alternatívny spôsob tvorby klientskej aplikácie. |
| Abstract
The thesis discusses the monitoring of network infrastructure with a focus on networking and industry standards. It is based on practical experience of management of computer networks and information obtained in the literature. It describes the problems of monitoring TCP/IP networks and further analyzes SNMP and OPC protocols. The remaining part of the thesis presents application design and implementation of monitoring application. The conclusion describes an alternative way of creation of client applications. |
Úvod
Informatizácia je v súčasnosti jedným z najdynamickejšie sa rozvíjajúcim ľudským odvetvím. Neodmysliteľnou súčasťou informatizácie sú aj dátové komunikačné siete. Postupom času vznikajú čoraz väčšie a komplexnejšie siete. Informatizácia zasiahla do všetkých oblastí ľudskej činnosti a svoje uplatnenie si našla aj priemyselnom odvetví. Počítačové systémy v priemysle urýchľujú vývoj a výrobu nových produktov a umožňujú komplexné riadenie a monitorovanie priemyselných procesov.
Dynamickým rozvojom počítačových a priemyselných sieti vzniká potreba monitorovania zariadení z centrálneho miesta. Riešenie ponúkajú štandardizované protokoly pre monitorovanie sieťovej infraštruktúry a priemyselných zariadení.
Účelom diplomovej práce je zorientovanie sa v problematike počítačových a priemyselných sieti, v princípoch dátovej komunikácie v sieťach a možnostiam monitorovania sieťových a priemyselných zariadení. Práca ponúka komplexný pohľad na problematiku monitorovania sieťovej infraštruktúry štandardizovanými protokolmi. Opisuje základné princípy pri manažovaní sieťovej infraštruktúry a výhody použitia jednotného protokolu pre monitorovanie priemyselných zariadení.
Výsledkom diplomovej práce je monitorovacia klientska aplikácia pre operačný systém Microsoft Windows, ktorá prostredníctvom štandardného protokolu komunikuje s existujúcimi serverovými riešeniami. Aplikácia je schopná získavať údaje o sieťových alebo priemyselných zariadeniach a následne údaje zobrazovať používateľovi.
Pri vývoji monitorovacej klientskej aplikácie boli použité najmä interné materiáli spoločnosti SAE Automation s.r.o. Nová Dubnica a dynamická knižnica, ktorú vyvíja a distribuuje združenie OPC Foundation. Prvá kapitola diplomovej práce je úvodom do teórie počítačových a priemyselných sieti z pohľadu hardvéru. Popisuje princípy fungovania siete, základné prvky, hierarchiu a výhody budovania sieťových komplexov. Druhá kapitola popisuje všeobecný spôsob komunikácie medzi sieťovými entitami. Je venovaná základným princípom komunikácie v komunikačných sieťach. Popisuje teoretický model OSI/ISO, model TCP/IP a sieťový protokol TCP/IP.
Tretia kapitola bližšie skúma štandardizované protokoly určené na monitorovanie sieťovej infraštruktúry a priemyselných zariadení. Popisuje účel manažovacieho protokolu, použitie protokolových operácií, formát správ a hierarchiu ukladania dát v databáze zariadení. Ďalej sa zaoberá významom OPC protokolu pri monitorovaní priemyselných zariadení a softvérovým aplikáciám určeným na zber a uchovávanie dát z priemyselných zariadení.
Štvrtá kapitola je zameraná na návrh monitorovacej klientskej aplikácie a vychádza z praktických a teoretických poznatkov z manažovania sieťových a priemyselných zariadení. Piata kapitola je venovaná realizácii monitorovacej OPC klientskej aplikácie, opisom jej základných funkcií, opisom použitého zdrojového kódu a spôsobom komunikácie so serverovými OPC aplikáciami. Záver práce sa zaoberá alternatívnymi možnosťami pri tvorbe monitorovacích klientskych OPC aplikácií. Uvedené sú ich výhody i nevýhody oproti realizovanému riešeniu a popis implementácie webového OPC klienta do praxe.
Výsledok diplomovej práce, klientska aplikácia, je určený najmä pre potreby spoločnosti SAE Automation s.r.o. Nová Dubnica. Získané teoretické poznatky môžu byť využité správcami sieti, alebo programátormi pri písaní vlastných monitorovacích aplikácií založených na priemyselnom OPC protokole.
Komunikačné siete
Úlohou komunikačných sieti je prenos informácie medzi dvoma komunikujúcimi sieťovými entitami. Komunikácie nie je obmedzená priestorovo, komunikujúce strany môže byť vzdialené tisícky kilometrov. Prenosovým médiom informácie sú elektrické impulzy, svetelné lúče alebo rádiové vlny.
Počítačová sieť
Počítačová sieť je systém vzájomne prepojených a spolupracujúcich počítačov, minimálne dvoch, za účelom výmeny dát alebo zdieľania služieb [1]. Počítačové siete v porovnaní so samostatnými počítačmi prinášajú niekoľko zásadných výhod.
Prostredníctvom siete možno pohodlne a rýchlo prenášať informácie medzi počítačmi, zdieľať údaje alebo prostriedky, monitorovať rôzne procesy a mnoho ďalších úloh. Poskytujú omnoho väčší výpočtový výkon pri relatívne nízkych obstarávacích nákladoch. Napríklad tzv. distribuované operačné systémy dokážu riešiť veľmi zložité problémy, náročné na výpočtový výkon, rozdelením úlohy na menšie časti. Každú časť spracuje iný počítač čím sa doba spracovania niekoľko násobne zníži. [1]
Okrem samotnej infraštruktúry je počítačová sieť zložená z aktívnych a pasívnych prvkov. Medzi základné stavebné prvky patria počítače, ktoré sa podľa účelu delia na dve skupiny: servery a klienti. Server je počítač, ktorý poskytuje svoje služby alebo prostriedky ostatným počítačom v sieti. Z hľadiska výkonnosti je to najvýkonnejší počítač v sieti. Podľa poskytovanej služby rozlišujeme tri základné typy serverov:
- aplikačný – bežia na ňom rôzne aplikácie,
- súborový – poskytuje diskový priestor klientom,
- databázový – slúži ako centrálne úložisko dát.
V menšej počítačovej sieti postačuje fyzicky jeden server, ktorý spravidla poskytuje viacero služieb.
Klient alebo pracovná stanica je počítač fyzicky pripojený k počítačovej sieti, ktorý využíva služby poskytované počítačovou sieťou. Na klientske počítače sú kladené menšie hardvérové nároky ako na serveri. V niektorých prípadoch sú to dokonca bezdiskové pracovné stanice, ktoré slúžia iba ako terminál. Funkčnosť terminálu je rovnaká ako sólo počítača.
Štandardná počítačová sieť sa skladá minimálne z jedného servera a z viacerých klientskych počítačových staníc, ktoré sú do siete vzájomne prepojené aktívnym alebo pasívnym centrálnym prvkom.
Priemyselné siete
Automatizácia výroby prináša do priemyslu používanie číslicových zariadení ako sú napríklad snímače a akčné členy. Z toho dôvodu je logické spracovať údaje z týchto zariadení v číslicovom počítači. Hierarchickým spájaním monitorovacích a monitorovaných zariadení do logického celku vznikajú priemyselné siete, ktoré prinášajú podobné výhody ako počítačové siete popísane v predchádzajúcej kapitole.
Použitie priemyselnej siete umožňuje monitorovanie prístrojov a zariadení, ich konfiguráciu a diagnostiku, sledovanie aktuálneho stavu a stavových veličín a riadenie technologického procesu v reálnom čase. Priemyselnú sieť môžeme rozdeliť do troch logických úrovní [2]:
- Riadená,
- Riadiaca,
- Kontrolná.
Na najnižšej úrovni sú riadené alebo monitorované prvky (Obr. 1). Sú to rôzne snímače, senzory, programovateľné automaty a pod. Z hľadiska hierarchie je to riadená alebo procesná úroveň. Z tejto úrovne priemyselnej siete sa získavajú údaje, ktoré informujú obsluhu o aktuálnom priebehu výrobného procesu a v prípade medzných hodnôt stavových veličín informujú alarmom o hroziacom nebezpečenstve. [2] Vyššia úroveň priemyselnej siete (Obr. 1) je riadiaca úroveň, ktorá získava údaje z procesnej úrovne a dispečeri riadi prvky tejto najnižšej úrovne. Pre monitorovanie a riadenie automatizácie procesov dispečeri používajú klientske pracovné stanice alebo terminály. Pre zjednodušenie ovládania a prehľade automatizácie sa používajú rôzne SCADA a HIM systémy. Tieto systému poskytujú obsluhe, dispečerom, grafické rozhranie a uľahčujú tak komunikáciu a riadenie objektov v najnižšej úrovni. [2]
Najvyššia úroveň je tvorená štandardnou počítačovou sieťou. Táto úroveň nie je primárne určená na priame riadenie výrobných procesov, ale na riadenie celého podniku. Táto časť priemyselnej siete je zameraná najmä na kontrolnú činnosť, vyhodnocovanie alarmov, plánovanie a zefektívňovanie výroba a pod.
Procesná a riadiaca úroveň tvoria jeden celok a v priemyselnom podniku môže existovať takýchto celkov niekoľko. Napríklad každá výrobná hala má svoju vlastnú procesnú a riadiacu úroveň a všetky sú pripojené do najvyššej úrovne priemyselnej siete, ktorá monitoruje chod celého podniku. [2]
Prepojenie priemyselnej siete z Internetom umožňuje vzdialenú správu technologických zariadení. Vďaka Internetu sú dostupné informácie o procese riadenia zo vzdialených pobočiek takmer v reálnom čase.
