Bruk av OPC UA i industrielle kontrollsystemer

Abstract

Økt bruk av digitalt utstyr i industrien fører til økt behov for effektiv sammenkobling. Mens det i mange tiår har eksistert flere konkurrerende kommunikasjonsløsninger for feltutstyr og kontrollere, virker OPC UA nærmest å ha blitt en industristandard fra kontrollere og oppover. OPC UA er en åpent tilgjengelig, plattformuavhengig kommunikasjonsprotokoll for automasjonsindustrien, til nå oftest brukt til å styre og overvåke kontrollere fra et overordnet system, slik som en HMI eller SCADA-løsning. Flere store norske industriprosjekter har de siste årene tatt i bruk OPC UA for å hente ut data fra kontrollsystemer til overordnede programmer. Equinor bruker for eksempel OPC UA på Johan Sverdrup-feltet, og Aker BP har som mål å strømme sanntidsdata fra borerigg til skyplattform ved hjelp av OPC UA. Subsea-industrien har kommet enda lenger, og har blitt enig om å standardisere på OPC UA mellom havbunnsutstyr og plattformutstyr. OPC UA beskrives også noen ganger som en protokoll for sammenkoblingen mellom automasjonsutstyr og IT-utstyr. Aker BP ser for eksempel for seg å bruke forskningsinstituttet NORCE sin simulator OpenLab Drilling under testing og utvikling av nye overvåking- og kontrollsystemer via OPC UA, som de kaller en «akseptert industristandard».

Oppgaven denne rapporten omhandler kom av et ønske om å oppgradere øvingsopplegget i faget «TTK4175 – Instrumenteringssystemer». Faget handler blant annet om automatiseringssystemer og industrielle kommunikasjonsprotokoller, og det var nå et ønske om å inkludere OPC UA i øvingsopplegget. I tillegg skulle en prosjektoppgave fornyes, og studentene ville fremover få utlevert en ny simulator som det skulle lages kontrollsystem for. Denne rapporten tar derfor for seg (1) en løsning for å koble fagets ABB kontroller mot den nye simulatoren ved hjelp av OPC UA, og (2) implementeringen av et HMI-program som bruker OPC UA for å styre og overvåke den samme kontrolleren. HMI-programmet er ment som en del av en ny laboratorieoppgave om OPC UA.

Det resulterende HMI-programmet har et grafisk brukergrensesnitt som gjenspeiler prosessen, og lar studentene styre og overvåke kontrolleren. Programmet kommuniserer med kontrolleren over OPC UA ved hjelp av en oversetter i midten, fordi kontrolleren bare støtter en eldre versjon av OPC. Oversetteren er OPC Foundation sin egen «UA COM Server Wrapper». For programmering av OPC UA kommunikasjon ble Python-biblioteket «opcua» fra FreeOpcUa benyttet, mens PyQt5 og Matplotlib ble brukt for utvikling av det grafiske brukergrensesnittet og for plotting av sanntidsverdier.

For sammenkobling av kontroller og simulering blir det implementert et kontrollsystem for hastighetsregulering av en motor simulert i SIMIT. Kommunikasjonen foregår over OPC UA ved hjelp av en oversetter i midten. Dette kontrollsystemet fungerer som en demonstrasjon av all nødvendig funksjonalitet for regulering av mer omfattende prosess-simuleringer, og rapporten kommer med forslag til fremgangsmåte for både programmering av kontroller i ABB, oppsett av kommunikasjon mellom kontroller og simulator, og utvikling av simulator i SIMIT.

Increased use of digital equipment in the industry leads to an increased need for eficcient communication. While there for many deacades has existed multiple competing communications products for field equipment and controllers, OPC UA seems to have become an industry standard from controllers upwards. OPC UA is an openly accessible, platform-independent communication protocol for the automation industry, most often used to control and monitor controllers from a supervisory system, such as an HMI or SCADA solution. In recent years, several large Norwegian industrial projects have used OPC UA to extract data from control systems to monitoring applications. For example, Equinor uses OPC UA in the Johan Sverdrup field, and Aker BP aims to stream real-time data from drilling rig to cloud platform using OPC UA. The subsea industry has come even further, and has agreed to standardize on OPC UA between subsea and platform equipment. OPC UA is also sometimes described as a protocol for the interconnection of automation and IT equipment. For example, Aker BP plans on using the research institute NORCE's simulator OpenLab Drilling to test and develop new monitoring and control systems via OPC UA, which they call an "accepted industry standard".

The idea for this thesis came from a desire to upgrade the laboratory exercise program in the subject "TTK4175 - Instrumentation Systems". Topics in the subject include automation systems and industrial communication protocols, and there was now a desire to include OPC UA in the exercise program. In addition, a project assignment was to be reworked, and the students would in the future be given a new simulator for which a control system was to be created. This report therefore considers (1) a solution for the interconnection of an ABB controller with the new simulator using OPC UA, and (2) the implementation of an HMI program that uses the OPC UA protocol to control and monitor the same controller. The HMI program is intended as part of a new laboratory assignment on OPC UA.

The resulting HMI program has a graphical user interface that reflects the process and allows students to control and monitor the controller. The HMI communicates with the controller over OPC UA using a translator in the middle, because the controller only supports an older version of OPC. The translator is the OPC Foundation's own "UA COM Server Wrapper". For programming OPC UA communication, the Python library "opcua" from FreeOpcUa was used, while PyQt5 and Matplotlib were used for developing the graphical user interface and for plotting real-time values.

For the connection of controller and simulator a control system for speed control of a motor simulated in SIMIT is implemented. The communication takes place over OPC UA using a translator in the middle. This control system serves as a demonstration of all the necessary functionality for the control of more comprehensive process simulations, and this report proposes a procedure for both programming of controls in ABB, setup of communication between controller and simulator, and development of simulations in SIMIT.