Документация проекта

Авторы

Бажал Дарий
Гуань Хаоюань
Голышев Артём
Федотюк Екатерина
Ян Цзунхао

Руководитель

Куклин Егор Вадимович

Описание проекта

Цель проекта — разработка SCADA-системы для визуализации и управления моделью промышленной линии по обработке и фасовке фишек, включающей 7 программируемых логических контроллеров (ПЛК). SCADA-система реализована в среде MasterSCADA 4D и обеспечивает интерфейс оператора (ЧМИ) для мониторинга состояния установки, управления ею, а также отображения данных с контроллеров.

Дополнительно разработан OPC UA сервер на Python, который также выполняет роль преобразователя протокола. Он взаимодействует с ПЛК по протоколу Easy IP и распределяет полученную от них информацию в OPC UA теги. Для удобства развертывания и кроссплатформенности, были созданы Docker-контейнеры для OPC UA сервера и для masterscada runtime (masterplc), куда загружается проект SCADA-системы.

Структура проекта

315_line_docs/
├── Docs/                              # Различные документации для установки
│   ├── manualsFST/                    # Документации для FST 4
│   ├── stations/                      # Документации и блок-схемы для каждой станции
│   └── IP-Адреса.txt                  # Список IP адресов для каждой станции
│
├── SCADA/                             # Проекты MasterSCADA
│   ├── SCADA_line315_DA.zip           # OPC DA
│   └── SCADA_line315_py.zip           # OPC UA
│
├── list_of_components/                # Оборудование станций
│
├── programs/                          # Программы для работы OPC DA сервера и рабочие коды, загруженные в контроллеры
│
├── main.py                            # OPC UA сервер
├── README.md                          # Документация проекта
└── requirements.txt                   # Зависимости проекта

Используемое ПО и протоколы

FST 4.0
MasterSCADA 4D 1.3
Matrikon OPC Explorer
UA Expert
OPC DA
OPC UA

Оборудование станций

Этапы разработки

Проектирование интерфейса

Были спроектированы и реализованы пользовательские интерфейсы (окна) для каждой из шести подсистем установки. Интерфейсы включают в себя графические элементы, отображающие действия исполнительных механизмов и датчиков (например, вращение, сверление, наличие фишки и др.), а также навигационные элементы, позволяющие переключаться между экранами
Были выявлены необходимые теги, отражающие состояния оборудования, и произведена их привязка к соответствующим элементам интерфейса. Это обеспечило корректную визуализацию в SCADA по реальным сигналам, получаемым от контроллеров через OPC-сервер
Для каждой станции была написана управляющая логика на языке ST (Structured Text)
После настройки интерфейса и логики была выполнена проверка SCADA-системы в режиме подключения, который предоставляет MasterSCADA 4D. Это позволило убедиться в корректной работе визуальных компонентов и их связи с тегами

Создание OPC UA сервера на Python

Изучение спецификаций протокола EasyIP
Написание формирователя запросов и парсера ответа в соответствии с требованиями протокола
Написание серверной части программы
Тестирование в работе с контроллером
Распараллеливание программы для работы с несколькими контроллерами и тестирование

Контейнеризация

Написание docker-файлов для обоих контейнеров
Загрузка образов на Docker Hub
Скачивание образов на ПК и загрузка SCADA-проекта в masterplc
Запуск контейнеров на ПК для тестирования работоспособности

Тестирование

Проверка связи с сервером
Проверка корректности отображения информации и функционирования ЧМИ

Ожидаемые результаты

Полноценная SCADA-система, отображающая текущие состояния всех участков линии:
- Визуализация действий каждой из станций
- Сбор статистики по фишкам (по цветам, количеству)
Стабильный обмен данными между SCADA и контроллерами через OPC UA-сервер
Упрощённый процесс развёртывания системы за счёт контейнеризации
Подготовленная документация и демонстрационная среда

Структура установки и SCADA

Структура установки

Модель промышленной линии состоит из трёх станций, каждая из которых имеет две подстанции с отдельными ПЛК (Festo FEC FC640). Вся установка построена на базе оборудования Festo и используется для демонстрации процессов автоматизации. Рабочие программы для контроллеров находятся в архиве ControllerPrograms.

Станция 1

Distributing:

Магазин с фишками
Манипулятор для переноса фишек на платформу

Testing:

Платформа с датчиками и поршнем:
- Определение цвета
- Сортировка: черные — в буфер, красные и серебристые — на тележку
Скат для перемещения фишек на тележку
Скат для бракованных фишек

Станция 2

Handling:

Манипулятор для захвата и переноса фишек

Processing:

Круговой конвейер
Датчик положения фишки
Сверлильный станок

Станция 3

Handling 2:

Манипулятор для переноса фишек

Sorting:

Конвейер
Скаты по цветам
Сбрасыватели для направления фишек

Контроллеры каждой станции обмениваются данными с главным контроллером, который координирует их работу, а также отвечает за управление конвейером, проходящим через всю установку.

Логика экранов SCADA

Каждый экран содержит названия подсекций станции и 2 кнопки для навигации между окнами системы. По клику мыши происходит переход на следующее/предыдущее окно. Проект находится в папке SCADA.

First Station (Distributing + Testing)

Отображение действий:

Наличие фишки в магазин
Перенос фишки на платформу
Подъём/спуск платформы
Сброс фишки (на тележку или в буфер)

Индикаторы:

Тележка подъехала
Обнаружена бракованная фишка

Используемые теги:

DISTR_AW0 – перенос фишки
DISTR_A0_0 – фишка в магазине
TESTING_AW0 – передвижение платформы
TESTING_EW0 – сброс фишек на тележку/ в буфер; определение бракованных фишек
CONVEER_EW10 – тележка у станции

Second Station (Handling + Processing)

Отображение действий:

Перенос фишки
Вращение платформы
Детекция перевёрнутой фишки
Сверление

Индикаторы:

Наличие тележки

Используемые теги:

HANDLING_TV0 – перенос фишки
PROCESSING_AW0 – вращение платформы; проверка положения; сверление
PROCESSING_EW0 – тележка у станции

Third Station (Handling 2 + Sorting)

Отображение действий:

Перенос фишки
Визуализация сортировки

Индикаторы:

Цвет фишки: красный, серебристый
Счётчик фишек по цветам
Тележка подъехала

Используемые теги:

HANDLING2_TV0 – перенос фишки
SORTING_EW0 – цвет фишки; сортировка
CONVEER_EW14 – тележка у станции

Структура и реализация OPC UA сервера

Введение

Код программы на языке Python находится здесь.

На 27.05.2025 данный сервер развёрнут локально на рабочей станции разработчика. Сервер находится в режиме разработки, планируется развёртывание на выделенном сервере.

При создании данной программы информация о протоколе Easy IP бралась из следующих файлов документации:

В качестве информационного ресурса и основы для парсера использовался код открытой библиотеки EasyIP на Python, находящийся в репозитории по ссылке https://github.com/birchroad/fstlib/tree/master/src.

Important

Для данной версии севера используется библиотека opcua, так как c при реализации с библиотекой asyncua не получилось корректно работать с MasterSCADA 4D 1.3 (при компиляции проекта возникала ошибка «отказ внешних устройств», хотя теги выгружались корректно). В будущем рекомендуется пересмотреть используемую библиотеку в сторону асинхронной, так как это должно быть более производительным решением. Также в данной версии не предусмотрена обработка запроса на запись информации в тег (переменную контроллера), а только запрос информации от контроллеров, сложность здесь заключается не в формировании соответствующего пакета, а в организации работы программы по запросу от MasterSCADA. У нас не было времени на реализацию этого, так что настоятельно рекомендуется это сделать.

Начало работы

Для работы сервера необходимо установить Python версии 3.9 или выше. После установки убедитесь, что она выполнена успешно:

python3 --version

Затем выполните следующие шаги:

Клонируйте репозиторий

git clone https://github.com/fu1m3n/315_line_docs.git

Установите зависимости из папки проекта

pip3 install -r requirements.txt

Запустите программу main.py

python3 main.py

В результате в консоли выводится сообщение: OPC UA server running at opc.tcp://0.0.0.0:4840. Это означает, что сервер успешно запущен.

Разбор и пояснения к коду

Далее будут поясняться нетривиальные части кода, смысл которых непрозрачен исходя из комментария к строчкам.

1. Конфигурация контроллеров

Список, содержащий имена и сетевые параметры (IP-адрес и порт) для контроллеров, с которыми будет работать сервер. Каждый контроллер будет опрашиваться отдельно в своём потоке.

CONTROLLERS = [
    {"name": "DISTRIBUTING", "ip": "10.1.1.1", "port": 995},
    {"name": "TESTING", "ip": "10.1.1.2", "port": 995},
    {"name": "PROCESSING", "ip": "10.1.1.3", "port": 995},
    {"name": "HANDLING", "ip": "10.1.1.4", "port": 995}
    {"name": "CONVEER", "ip": "10.1.1.6", "port": 995},
    {"name": "SORTING", "ip": "10.1.1.7", "port": 995},
    {"name": "HANDLING2", "ip": "10.1.1.8", "port": 995}
]

2. Класс EasyIPPacket

Этот класс реализует структуру пакета протокола Festo EasyIP. Он позволяет упаковывать запросы и распаковывать полученные от контроллера пакеты.

Формат заголовка: HEADER_FORMAT = "<B B H H B B H H B B H H H".

Описание структуры заголовка пакета EasyIP:

B — unsigned char (1 байт);
H — unsigned short (2 байта).

Методы:

__init__() — инициализирует поля заголовка и загружает данные, если передан пакет;
unpack(data) — распаковывает заголовок и payload из пришедших байт;
pack() — собирает заголовок и payload в бинарный пакет для отправки.

class EasyIPPacket:
    HEADER_FORMAT = "<B B H H B B H H B B H H H"
    HEADER_SIZE = struct.calcsize(HEADER_FORMAT)

    def __init__(self, data=None):
        self.flags = 0
        self.error = 0
        self.counter = 0
        self.index1 = 0
        self.spare1 = 0
        self.senddata_type = 0
        self.senddata_size = 0
        self.senddata_offset = 0
        self.spare2 = 0
        self.reqdata_type = 0
        self.reqdata_size = 0
        self.reqdata_offset_server = 0
        self.reqdata_offset_client = 0
        self.payload = b""
        if data:
            self.unpack(data)

    def unpack(self, data):
        header = struct.unpack(self.HEADER_FORMAT, data[:self.HEADER_SIZE])
        (self.flags, self.error, self.counter, self.index1, self.spare1,
         self.senddata_type, self.senddata_size, self.senddata_offset,
         self.spare2, self.reqdata_type, self.reqdata_size,
         self.reqdata_offset_server, self.reqdata_offset_client) = header
        self.payload = data[self.HEADER_SIZE:]

    def pack(self):
        header = struct.pack(self.HEADER_FORMAT,
                             self.flags, self.error, self.counter, self.index1, self.spare1,
                             self.senddata_type, self.senddata_size, self.senddata_offset,
                             self.spare2, self.reqdata_type, self.reqdata_size,
                             self.reqdata_offset_server, self.reqdata_offset_client)
        return header + self.payload

3. Формирование имен тегов

Функция формирует имя тега OPC UA на основе типа данных EasyIP и смещения (offset показывает смещение байта данных в общей пришедшей пачке). Она содержит type_map, где названию тега ставится в соответствие номер его data_type, указываемого в пакете запроса. Это позволяет корректно именовать теги при парсинге пакета, присланного контроллером, по полученным в нем данным.

def tag_name_from_type_offset(data_type, offset):
    type_map = {1: "MW", 2: "EW", 3: "AW", 5: "TV"}
    prefix = type_map.get(data_type, f"T{data_type}")
    return f"{prefix}{offset}"

4. Формирование запроса

Функция формирует запрос EasyIP для чтения 64 слов одного типа данных (MW/EW/AW/TV) начиная с адреса 0.

counter — счётчик запросов;
index1 — индекс (обычно 0);
req_type — запрашиваемый тип данных (имеется в виду data_type тега).

def build_easyip_request(counter, index1, req_type):
    packet = EasyIPPacket()
    packet.flags = 0x00
    packet.counter = counter
    packet.index1 = index1
    packet.reqdata_type = req_type
    packet.reqdata_size = 64
    packet.reqdata_offset_server = 0
    return packet.pack()

5. Парсинг полученного ответа

В этой функции происходит разбор пакета. Payload считывается в цикле в соответствии с запрашиваемым количеством слов (по полю reqdata_size). В этом же цикле вносится информация из заголовка о типе данных и смещении конкретного байта для последующего формирования названия тега. Всё это записывается в список values.

def parse_easyip_packet(data):
    packet = EasyIPPacket(data)
    values = []
    for i in range(packet.reqdata_size):
        byte_index = i * 2
        if byte_index + 2 <= len(packet.payload):
            value = struct.unpack_from("<H", packet.payload, byte_index)[0]
            position = (packet.reqdata_type, packet.reqdata_offset_server + i)
            values.append((position, value))
    return values

6. Функция опроса контроллера

Функция работает в бесконечном цикле, постоянно опрашивая контроллер.

with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) as sock: — создаёт сокет для работы с UDP портом.

Затем в цикле for осуществляется перебор требуемых типов данных, для которых будут формироваться запросы. Потом формируется запрос и отправляется в соответствии с адресом и портом контроллера.

data, _ = sock.recvfrom(2048) – получение ответа от контроллера.

Затем ответ парсится с помощью функции в список values. Далее в цикле формируются имена тегов в соответствии с полученными данными.

Далее начинается бесконечный цикл опроса. Конструкция try except обрабатывает ошибку: отсутствие ответа от контроллера в течение заданного времени.

opc_tags[full_tag].set_value(ua.Variant(value, ua.VariantType.UInt16)) – здесь обновляется значение тега на сервере.

Эта часть кода необходима для получения данных о конкретных битах из байт данных от контроллера, так как они тоже используются как переменные. Биты А0-А15 соответствуют входному слову AW0, которое состоит из 2-х байт. Будущим студентам рекомендуется вынести эту процедуру в отдельную функцию.

def poll_controller(controller, opc_tags, idx, ctrl_node):
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) as sock:
        sock.settimeout(1.0)
        counter = 1
        while True:
            try:
                for data_type in [1, 2, 3, 5]:  # 1=MW, 2=EW, 3=AW, 5=TV
                    request = build_easyip_request(counter, 0, data_type)
                    sock.sendto(request, (controller["ip"], controller["port"]))
                    data, _ = sock.recvfrom(2048)
                    values = parse_easyip_packet(data)

                    for (pos, value) in values:
                        d_type, d_offset = pos
                        tag_name = tag_name_from_type_offset(d_type, d_offset)
                        full_tag = f"{controller['name']}_{tag_name}"

                        if full_tag in opc_tags:
                            opc_tags[full_tag].set_value(ua.Variant(value, ua.VariantType.UInt16))

                        # если это AW0 — раскладываем биты A0…A15
                        if d_type == 3 and d_offset == 0:
                            for bit in range(16):
                                bit_value = bool((value >> bit) & 1)
                                bit_tag = f"A{bit}"
                                full_bit_tag = f"{controller['name']}_{bit_tag}"
                                if full_bit_tag in opc_tags:
                                    opc_tags[full_bit_tag].set_value(ua.Variant(bit_value, ua.VariantType.Boolean))

                counter += 1

            except socket.timeout:
                print(f"Timeout: no response from {controller['name']}")
            time.sleep(POLL_INTERVAL)

7. Запуск OPC UA сервера и создание тегов

server = Server() – создается объект сервера.

Далее задается адрес сервера и регистрируется собственное пространство имен.

objects = server.get_objects_node() - Получается папка objects, где будут создаваться теги и группы (по контроллерам).
opc_tags = {} - создается словарь для хранения тегов.

Далее идет цикл для всех контроллеров, которые были заданы в конфигурации.

ctrl_node = objects.add_object(idx, controller["name"]) – создается папка в OPC UA сервере с именем контроллера, внутри которой уже будут добавляться его теги.

Далее в цикле для всех data_type создается по 64 тега (все это только для одного контроллера).

node = ctrl_node.add_variable(idx, tag_name, 0, ua.VariantType.UInt16) – создается переменная (тег).
opc_tags[full_tag] = node – добавляется ссылка на тег в словарь тегов opc_tags.

Далее идет отдельное создание переменных под биты А.

threading.Thread(target=poll_controller, args=(controller, opc_tags, idx, ctrl_node), daemon=True).start() – здесь самое важное: для каждого контроллера запускается отдельный поток с опросом, который выполняет функцию poll_controller. Данный поток завершается вместе с основным потоком (процессом).
server.start() - запускает OPC UA сервер. Сервер начинает слушать по заданному адресу и порту.

def start_opcua_server():
    server = Server()
    server.set_endpoint("opc.tcp://0.0.0.0:4840")
    uri = "http://easyip.festo/opcua/"
    idx = server.register_namespace(uri)
    objects = server.get_objects_node()

    opc_tags = {}
    for controller in CONTROLLERS:
        ctrl_node = objects.add_object(idx, controller["name"])

        for data_type in [1, 2, 3, 5]:
            for offset in range(64):
                tag_name = tag_name_from_type_offset(data_type, offset)
                full_tag = f"{controller['name']}_{tag_name}"
                node = ctrl_node.add_variable(idx, tag_name, 0, ua.VariantType.UInt16)
                node.set_writable()
                opc_tags[full_tag] = node

        # создаём биты A0…A15
        for bit in range(16):
            bit_tag = f"A{bit}"
            full_bit_tag = f"{controller['name']}_{bit_tag}"
            node = ctrl_node.add_variable(idx, bit_tag, False, ua.VariantType.Boolean)
            node.set_writable()
            opc_tags[full_bit_tag] = node

        threading.Thread(target=poll_controller, args=(controller, opc_tags, idx, ctrl_node), daemon=True).start()

    server.start()
    print("OPC UA server running at opc.tcp://0.0.0.0:4840")

8. Главная функция

Запускает сервер и оставляет главный поток в бесконечном цикле. В это время сервер работает, параллельно опрашивая несколько контроллеров.

if __name__ == "__main__":
    start_opcua_server()
    while True:
        time.sleep(1)

Использование OPC DA сервера

Альтернативный способ подключения SCADA-системы к установке - использование протокола OPC DA и стороннего сервера. Для этого можно запустить программы OPC DA Server и MatrikonExplorer на операционной системе Windows.

После подключения компьютера с этими программами к установке, необходимо изменить его IP-адрес. Он должен находиться в той же подсети, что и установка. Например, можно использовать свободный IP-адрес 10.1.1.11. Работоспособность соединения можно проверить командой ping CONTROLLER_IP_HERE в консоли: должен происходить обмен пакетами.

Затем нужно настроить Topic Definition и Socket Definition для сервера.

Здесь необходимо указать адрес компьютера, который был установлен в настройках.

Далее для каждой установки необходимо создать Topic Definition.

Чтобы отслеживать изменения значений переменных, можно использовать программу Matrikon Explorer, хотя это не является обязательным шагом.

В Matrikon Explorer необходимо выбрать созданный сервер, подключиться к нему, нажать кнопку "Add Tags" и перетащить все доступные теги из папок (по отдельности для каждой папки), созданных на предыдущем шаге в Topic Definition.

Затем можно подключаться к серверу в MasterSCADA. Для этого нужно выбрать протокол OPC DA в дереве проекта, подключиться к созданному серверу и выгрузить все теги в проект.

После подключения и загрузки конфигурации можно будет отслеживать изменение переменных в MasterSCADA и/или Matrikon Explorer при работе установки, а также изменять их.

Список задач на будущее

Рекомендуется перейти на асинхронную библиотеку (например, asyncua), так как это может повысить производительность сервера.
Необходимо разработать функционал для обработки запросов от MasterSCADA на запись данных в переменные контроллера.
Развернуть оба решения в контейнерах на серверах кафедры.

Name		Name	Last commit message	Last commit date
Docs		Docs
SCADA		SCADA
list_of_components		list_of_components
programs		programs
README.md		README.md
main.py		main.py
requirements.txt		requirements.txt

Latest commit

History

Folders and files

Repository files navigation

Документация проекта

Авторы

Руководитель

Описание проекта

Структура проекта

Используемое ПО и протоколы

Оборудование станций

Этапы разработки

Проектирование интерфейса

Создание OPC UA сервера на Python

Контейнеризация

Тестирование

Ожидаемые результаты

Структура установки и SCADA

Структура установки

Станция 1

Станция 2

Станция 3

Логика экранов SCADA

First Station (Distributing + Testing)

Second Station (Handling + Processing)

Third Station (Handling 2 + Sorting)

Структура и реализация OPC UA сервера

Введение

Начало работы

Разбор и пояснения к коду

1. Конфигурация контроллеров

2. Класс EasyIPPacket

3. Формирование имен тегов

4. Формирование запроса

5. Парсинг полученного ответа

6. Функция опроса контроллера

7. Запуск OPC UA сервера и создание тегов

8. Главная функция

Использование OPC DA сервера

Список задач на будущее

About

Resources

Stars

Watchers

Forks

Releases

Packages

Used by

Contributors

Languages