如何使用SIMATIC NET实现OPC UA冗余服务器的通信

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。

图1

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  代理西门子模拟器模块6ES7374-2XH01-0AA0
? 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

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。

图2

? 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 V8.2

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。

(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。

(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。

图3

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

图4

(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。

图5

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

图6

(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。

图7

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

图8

图9

图10

(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。

图11

(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。

图12

图13

图14

(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。

图15

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

图16  代理西门子模拟器模块6ES7374-2XH01-0AA0

(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。

图17

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。

图18

图19

(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 Connection中的IP地址一样，为192.168.0.168，如图20所示。

图20

(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 Connection中的IP地址一样，为192.168.0.188，参考图20所示。  代理西门子模拟器模块6ES7374-2XH01-0AA0

(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