如何使用SIMATIC NET实现OPC UA冗余服务器的通信

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1 简介
OPC就是OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control，是独立于设备供应商的软件接口，它能够在来源于不同的设备供应商的硬件和软件之间交换数据。
SIMATIC NET软件提供西门子工业自动化产品的OPC软件接口，包括OPC DA (Data Access)、OPC A&E(Alarm & Event)、OPC XML (eXtensible Markup Language)等，如图1所示。n

图1n

1.1 OPC UA
OPC UA (Unified Architecture)是OPC基金会近年来建立并推广的新的OPC标准，它将OPC DA、OPC A&E、OPC HAD (Historian Data Access)和OPC XML DA等整合在一起，提供了新的基于TCP、安全、强大和标准化的通信协议。
相对于传统的基于COM/DCOM的OPC标准，OPC UA具备以下优势：
• 将不同的OPC标准整合为统一的接口，简化了客户机应用程序的开发
• 实现跨平台通信
• 独立于DCOM，简化了防火墙等安全设置
• 基于认证的授权模式，实现数据的高安全性n

1.2 SIMATIC NET和OPC UA冗余
从SIMATIC NET V8.1开始，可以实现OPC UA客户机对OPC UA冗余服务器的透明访问。网络架构如图2所示。n

图2n

• 两个OPC UA服务器通过配置为统一的IP地址形成OPC UA冗余服务器
• OPC UA客户机通过网络负载平衡访问OPC UA冗余服务器
• OPC UA服务器和控制器之间的通信是基于工业以太网或PROFIBUS的S7连接
注意：OPC UA冗余服务器的配置需要以下条件：
• SIMATIC Net V8.1及以上版本
• Windows Server 2008 R2及以上版本
本例中所使用的硬件和软件环境如下：
(A) S7-300 PN
CPU 317F-2 PN/DP (6ES7 317-2FK14-0AB0, Firmware V3.2)
(B) ES 工程师站/OPC UA服务器
IPC547C(6AG4 104-1DR21-3CC5), CP1613 A2, CP5613 A2
Windows Server 2008 R2 Enterprise SP1(X64)
STEP7 Professional 2010 SR2 (STEP7 V5.5 SP2 HF4), SIMATIC NET V8.2
(C) ES 工程师站/OPC UA服务器
HP Compaq 8200 Elite, CP1613 A2, CP5613 A2
Windows Server 2008 R2 Enterprise SP1(X64)
TIA Portal V12 (STEP7 V12), SIMATIC NET V8.2
(D) OPC UA客户机
Field PG M3 (6ES7 715-1BB20-0AA0)
Windows 7 Ultimate SP1(X64)
SIMATIC NET V8.2n

2组态OPC UA冗余服务器

2.1 组态NLB
NLB (Network Load Balancing)，即网络负载平衡，是Windows Server操作系统的重要服务组件。它增强了WEB、FTP、防火墙、服务器代理、VPN和其它关键Internet服务器应用程序的可用性和延展性。
NLB 通过两个或多个运行Windows Server操作系统的主机资源整合为群集，群集中所有的主机可以被一组相同的群集IP地址寻址，并且运行所需服务器应用程序（例如WEB、FTP和OPC服务器等）。当群集中某个主机宕机时，连接到该主机的活动连接将丢失，而群集将在继续运行的主机之间自动重新分配负载，服务器应用程序将通信请求重新定向到其它的主机。
以图2为例，当其中一台OPC UA服务器宕机时，OPC UA客户机可以通过NLB配置的冗余IP地址访问另一台OPC UA服务器。n

(A) OPC UA服务器使用本机板载以太网卡作为NLB，使用CP1613 A2和控制器通信。设置IPC547C的板载以太网卡的IP地址为192.168.0.168，设置HP8200的板载以太网卡的IP地址为192.168.0.188。如图2所示，将OPC UA服务器的板载网卡和OPC UA客户机连接在一个交换机上，将OPC UA服务器的CP1623 A2和S7-300控制器连接在另一个交换机上。n

(B) 在默认情况下，NLB不会随Windows Server 2008 R2 SP1安装，需要手动安装。打开Server Manager，选择Features – Add Features，如图3所示。n

图3n

(C) 在Features列表中选择Network Load Balancing，如图4所示。n

图4n

(D) 打开Administrative - Network Load Balancing Manager，在根节点Network Load Balancing Clusters上右键选择New Cluster，如图5所示。n

图5n

(E) 在Host中输入IPC547C的板载以太网卡的IP地址192.168.0.168，选择Coect，在Interfaces available for configuring a new cluster中选择Local Area Coection 192.168.0.168，如图6所示。n

图6n

(F) 根据实际要求分配主机的Priority等级，本例中保持默认设置，如图7所示。n

图7n

(G) 选择Add，设置Cluster IP address为192.168.0.178，如图8~10所示。n

图8n

图9n

图10n

(H) 根据实际要求选择Cluster operation mode，本例中保持默认设置，如图11所示。n

图11n

(I) 选择Edit，根据实际要求选择Cluster IP address、Port range、Protocols和Filtering mode等参数，本例中设置Affinity为None，其余保持默认设置，如图12~14所示。n

图12n

图13n

图14n

(J) Network Load Balancing Manger中出现已经建立的Cluster(OPC_Red)及其Host(IPC547C)，在Cluster上右键选择Add Host To Cluster，图15所示。n

图15n

(K) 在Host中输入HP8200的板载以太网卡的IP地址192.168.0.188，选择Coect，在Interfaces available for configuring a new cluster中选择Local Area Coection 192.168.0.188，如图16所示。n

图16n

(L) 其余设置参考先前步骤F~I所示，最终在Network Load Balancing Manager中出现Cluster(OPC_Red)及其Host(IPC547C和HP8200)，当网络硬件和NLB服务正常时，Status显示为Converged，如图17所示。n

图17n

2.2 组态STEP7项目
(A) 打开OPC UA服务器（IPC547C和HP8200）的SIMATIC NET – Communication Settings，在Modules – CP1613 – Address中的Industrial Ethernet – IP address中分别输入192.168.1.168和192.168.1.188，NDIS – IP address可以不做设置。如图18~19所示。n

图18n

图19n

(B) 在STEP7中创建 SIMATIC PC Station，在硬件组态中，为PC Station分配IPC547C计算机名称，插入OPC Server、CP1613和IE General。其中OPC Server为V8.1或以上版本，CP1613的IP(RFC1006)地址为192.168.1.168，IE General的IP地址和Local Area Coection中的IP地址一样，为192.168.0.168，如图20所示。n

图20n

(C) 在STEP7中创建 SIMATIC PC Station，在硬件组态中，为PC Station分配HP8200名称，插入OPC Server、CP1613和IE General。其中OPC Server为V8.1或以上版本，CP1613的IP(RFC1006)地址为192.168.1.188，IE General的IP地址和Local Area Coection中的IP地址一样，为192.168.0.188，参考图20所示。n

(D) 在STEP7中创建 SIMATIC S7-300 Station，在硬件组态中，插入CPU 317F-2PN/DP。
其中PN-IO的IP地址和OPC UA服务器的CP1613 A2的IP地址位于同一网段，为192.168.1.17，如图21所示。n

图21n

(E) 打开NetPro，选择IPC547C的OPC Server，在下方表格空白处双击插入OPC Server到S7-300的S7 coection，如图22所示。n

图22n

(F) 在Coection Partner中选择CPU 317F-2PN/DP，在Coection - Type中选择S7 coection，如图23所示。n

图23n

(G) 在Coection Path – Local – Interface中选择CP1613，如图24所示。n

图24n

(H) 双击IPC547C中的OPC Server，在选项页S7-UA Redundancy中，启用Enable redundancy，在IP address of redundancy group中输入先前在Network Load Balancing Manager中配置的Cluster IP地址192.168.0.178，选择Assign，在Server-to-server interface中选择IE General (192.168.0.168)，其余保持默认设置，如图25~26所示。n

图25n

图26n

(I) 双击HP8200中的OPC Server，在选项页S7-UA Redundancy中，启用Enable redundancy，选择Assign，选择Redundancy group: 192.168.0.178，在Server-to-server interface中选择IE General (192.168.0.188)，其余保持默认设置，如图27~28所示。n

图27n

图28n

(J) 上述组态完毕后，IPC547C和HP8200即通过各自的IE General实现S7-UA Redundancy，冗余伙伴会出现在IP addresses of the other members of the redundancy group的列表中，如图29~30所示。n

图29n

图30n

(K) 上述示例是在OPC Server和S7-300之间建立基于Industrial Ethernet的S7连接，如果在OPC Server和S7-300之间建立基于PROFIBUS的S7 coection，则需要使用CP5613 A2，组态过程和步骤A~J类似，这里不再赘述，最终实现的网络拓扑如图31所示。n

图31

2.3 组态TIA Portal项目
同样可以使用TIA Portal V12组态OPC UA Redundancy，具体的组态步骤和STEP7类似。本例中只做简要说明。

(A) 在TIA Portal中添加两个PC Station，在Device view中分别插入OPC Server、CP1613 A2和IE General，参数可以参考2.2中的组态，如图32所示。

图32

(B) 在TIA Portal中添加S7-300，参数可以参考2.2中的组态。
(B) 在Network view中创建两个OPC Server到S7-300的S7 coection，如图33所示。

图33

(C) 在OPC Server的Properties – General – S7 – S7 UA redundancy中配置冗余参数，参数可以参考2.2中的组态，如图34~35所示。

图34

图35

2.4 编译下载项目
以IPC547C作为ES站向本机和HP8200下载PC Station，本例中只做简要说明。
(A) 在STEP7中的HP8200上右键选择PLC – Configure，如图36所示。

图36

(B) 在Accessible computers的列表中选择HP8200，选择Configure，如图37所示。

图37

(C) 确认HP8200的SCE(Station Configuration Editor)组态，选择OK，如图38~39所示。

图38

图39

(D) 参考上述操作下载IPC547C和HP8200的PC Station项目，SCE显示结果如图40所示。

图40

(E) 将OPC UA客户机(PG M3)的板载网卡和OPC UA服务器的板载网卡连接在同一个交换机上，并分配同一网段的IP地址(192.168.0.X)。
(F) 在OPC客户机(PG M3)上打开OPC Scout，在左侧导航栏中的UA server中选择Add server，如图41所示。

图41

(G) 在Discovery server URL中输入http://192.168.0.178:52601/UADiscovery，或http://192.168.0.178:4845，在Endpoints列表中选择http://192.168.0.178:4845 [OPC.SimaticNET.S7]，如图42所示。

图42

(H) 在左侧导航栏中选择http://192.168.0.178:4845 [OPC.SimaticNET.S7] – Object – S7 – S7_coection_1 – blocks – m下的m.0.b或m.length做测试，测试变量的ID Item的定义语法可以参考SIMATIC NET的手册，如图43所示。

图43

(I) 在TIA Portal中下载PC Station项目，选择相应的PG/PC interface，如图44所示。

图44

(J) 测试过程参考步骤F~H。

关键词
OPC UA，冗余，网络负载平衡，Windows Server 2008 R2，SIMATIC NET，STEP7，工业以太网，TCP/IP，PROFIBUS