西门子PLC模块授权总经销商 6ES7193-6BP00-0BA0 ET 200SP 基础单元

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除了上述 OPC 基金会*名空间之外，还要关注用于访问 CPU 数据的*名空间：S7‑1500 OPC UA服务器的所有变量或方法都包括在标准服务器接口的*名空间(Namespace)“http://www.siemens.com/simatic-s7-opcua”中。系统默认，该*名空间的索引为 3。如果在服务器中插入其它*名空间或删除现有的某个*名 空间，则索引将随之更改。因此 OPC UA客户端需要在读取或写入其数值之前向服务器请求*名空间（例如“http://www.siemens.com/simatic-s7-opcua”）的当前索引。下图举例说明了此类请求的结果。 Identifier Identifier 对应于引号内的 PLC 变量名称。在 STEP 7中，引号是唯一不能用作名称的符号。引 号可避免发生*名冲突。 在以下示例中介绍了如何读取“StartTimer”变量的值：Identifier 可包含多个组成部分。各个组成部分之间以句点进行分隔。下图举例说明了“MyDB”数组数据块的完整读取。该数据块包含带十个整数值的数组。全部十个值应一次性读取。因此，需在数组范围中输入“0:9”。 NodeId、标识符和*名空间示例 下图说明了NodeId、标识符和*名空间之间的相互关系：两个节点使用相同标识符但属于不 同*名空间时不会出现问题。 通信 145 功能手册,11/2022, A5E03735819-AK STEP 7 (TIA Portal) 可通过服务器接口轻松导入*名空间。 0K [G?82*,X OPC UA 服务器地址空间中的 PLC 变量 下图所示为示例程序的 PLC 变量在 OPC UA服务器地址空间中所处的位置（摘自 UA 客户 端）： 146通信 功能手册, 11/2022, A5E03735819-AK OPCUA 通信 10.1 需了解的 OPC UA 知识 OPC UA 通信 10.1 需了解的 OPC UA 知识“MyDB”数据块是一个全局数据块。因此，该数据块位于节点“DataBlocksGlobal”下。“StartTimer”是一个内存变量，存储在“Memory”节点下。 图10-4  OPC UA 服务器地址空间中的 PLC 变量 OPC UA 服务器地址空间中的方法如果通过用户程序实现某个方法，则在 OPC UA 服务器的地址空间中将采用以下形式 通信 147 功能手册, 11/2022,A5E03735819-AK OPC UA 通信 10.1 需了解的 OPC UA 知识 （请参见在 OPC UA 服务器上提供方法(页 240)）： 图 10-5  OPC UA 服务器地址空间中的方法 10.1.6 需了解的 OPC UA客户端知识 OPC UA 客户端的基本知识 OPC UA 客户端程序可用于执行以下操作： • 从 OPC UA 服务器进行信息访问（如S7-1500 CPU）：读/浏览访问、写访问、订阅 • 通过 OPC UA 服务器执行方法 但是，OPC US客户端仅可访问为此目的启用的数据（请参见“管理读写权限 (页 187)”）。 要建立与 OPC UA服务器的连接，需通过服务器的端点（请参见“OPC UA 服务器的端点 (页 179)”）。 148 通信 功能手册, 11/2022,A5E03735819-AK OPC UA 通信 10.1 需了解的 OPC UA 知识 从 OPC UA 服务器读取信息如果存在与服务器端点的连接，则可使用客户端的导航功能：从既定的起始点（“根”节点）开 始，浏览服务器的地址空间。该过程提供了以下信息： • 启用的 PLC 变量、数据块和数据块元素 • 这些 PLC 变量、数据块和 DB元素的*名空间索引及标识符 • PLC 变量和 DB 元素的数据类型 • 数组中的元素数量（读取和写入数组时需要） 此外，还可读取有关OPC UA 服务器自身的信息，以及基于 OPC Foundation 中“OPC UA for Devices”标准的S7-1500 信息（如，序列号和固件版本） 从服务器中读取数据和写入服务器中的数据 现在，您已明确 PLC变量的*名空间、标识符和数据类型。这表示，用户现在可专门读取各个 PLC 变量和 DB 元素，以及整个数组和结构。有关读取布尔变量和数组数据块的示例，请参见“寻址节点 (页 144)”部分。 有关访问结构的规则，请单击此处 (页 290)。基于浏览服务器地址空间时所读取的信息（索引、标识符和数据类型），还可通过 OPC UA 客 户端将这些值传输到 S7-1500中。在以下示例中，介绍了如何覆盖数组数据块“MyDB”中的前 三个值。 对于“ArrayRange”，可指定待覆盖的数组元素。状态代码“Good”用于指示数据传输已成功。不 过，您只能向 S7-1500写入值，而不能写入这些值的时间戳。时间戳为只读。 通过注册提高访问速度 Registered Read/Write有助于对数据进行重复的优化访问 – 具有*高性能。注册变量节点时， OPC UA 服务器会创建一个直接引用所注册节点的数字Identifier（数字 NodeId）。对于客户 端对此数字 Identifier 的读取或写入作业，服务器不必将任何字符串解析为Identifier，并且可 以通过优化的方式访问所请求的变量。 该 Identifier仅适用于当前会话。会话连接中断/丢失时，需重新查询。 通信 149 功能手册, 11/2022, A5E03735819-AK OPCUA 通信 10.1 需了解的 OPC UA 知识在以下示例中，首先在服务器上注册一个“StartTimer”变量。之后，将使用快速功能“RegisteredWrite”对该值进行设置。在相同模式中，也可使用函数“RegisteredRead”。在重复读出数据时，该函数优势彰显。但在 具体应用中，则建议使用Subscription 进行代替。 建议：由于注册需要等待一段时间，因此建议在将注册信息保存在 OPC UA 客户端的启动程序 中。请注意 S7-1500 CPU 属性中可设置的注册节点*大数目，同时客户端需也需符合该数目的要 求。具体信息，请参见“OPC UA服务器的常规设置 (页 199)”。 订阅 术语“Subscription”时一个函数，该函数仅传输 OPC UA 服务器上已注册OPC UA 客户端中的变 量。数值发生变更后，OPC UA 服务器仅向 OPC UA 客户端发送一条有关已注册变量的消息(monitored Items)。通过对这些变量进行监视，OPC UA 客户端无需再进行固定采样(Polling)，这有助于降低网络负荷。 要使用该功能，需创建一个 Subscription。为此，需在 UA客户端中指定“发布间隔”(Publishing Interval)，并单击“创建”(Create) 按钮。发布时间间隔是服务器在通知(data change notification) 中向客户端发送新值的时间间隔。 在下面的示例中，已创建了一个订阅：客户端将每隔50 ms 接收一条包含新值的消息（发布 间隔为 50 ms）。 防止服务器过载 可通过“*小发布时间间隔”(Minimumpublishing interval) 设置 S7-1500 CPU 的 OPC UA 服务器，确保不会提供客户端请求的极短发送时间间隔。请参见“服务器的订阅设置 (页 200)”。 示例：如上所述，客户端想要以50 ms 的发布时间间隔进行操作。但是，这样短的发布时间间隔会导致网络负荷和服务器负荷较高。因此，应将服务器的“*短发布时间间隔”(Minimum publishing interval)设置为 1000 ms。并将那些订阅需要较短发布时间间隔的客户端“减速”为 1000 ms，从而防止服务器过载。订阅范围内的采样和传输 (Sampling & Publishing) 属于通信过程，与其它通信过程 （TCP/UDP/Web服务器通信...）一样，均由 CPU 按优先级 15 进行处理。优先级较高的 OB 会中断通信。如果设置的采样和传输时间间隔过短，该设置会导致通信负荷过高。因此，在满足 应用需求的前提下，应尽可能选择较大的时间间隔。通信 150 功能手册, 11/2022, A5E03735819-AK OPC UA 通信 10.1 需了解的 OPC UA 知识有关变量一致性的信息，请参见“CPU 变量的一致性 (页 191)”。 监视 PLC 变量 10.1.7 Subscription创建后，系统将通知服务器该功能待监视的变量。在以下示例中，将“Voltage”变 量添加到订阅中。 在“Voltage”变量中，包含S7-1500 CPU 检测的电压值。 采样间隔（“Sampling Interval”）包含一个负值(-1)。该值决定了将为采样间隔使用 OPC UA 服 务器的默认设置。默认设置由订阅的传输间隔（“PublishingInterval”）定义。如果要设置*小 的可行采样间隔，请选择数值“0”。 在本示例中，该队列的长度设置为“1”：每隔 50ms，从 CPU 中仅读取一个值，并在该值发生 变更后发送到 OPC UA 客户端。 在本示例中，“死区”(Deadband)参数设置为“0.1”：值的更改值需要达到 0.1 V；只有这样，发送方才会向客户端发送新值。若值的更改幅度小于该值，则服务器不会发送。例如，可使用该参数禁用信号噪声：没有实际意义的过程变量的轻微变化。 数据类型映射 SIMATIC 和 OPC UA 数据类型 SIMATIC数据类型通常与 OPC UA 数据类型不对应。 S7-1500 CPU 将 SIMATIC 变量（SIMATIC数据类型）提供给其自己的 OPC UA 服务器作为 OPC UA 数据类型。随后，OPC UA 客户端可以通过服务器接口访问这些OPC UA 数据类型的变量。 客户端可以从这样的变量中读取属性“DataType”，并在 SIMATIC 中重建原始数据类型。 示例一个变量的 SIMATIC 数据类型为“COUNTER”。在表中可读取 COUNTER → UInt16。现在了解到不需要进行转换；COUNTER 值以 UInt16 数据类型通过该线路发送。客户端将通过属性“DataType”检测该变量实际上是否为 SIMATIC 数据类型“COUNTER”，并基于此信息，重新构建该据类型。 表格 10-1  SIMATIC 和 OPC UA 数据类型 SIMATIC数据类型OPC UA 数据类型性 BOOLBoolean BYTE BYTE → Byte WORD WORD → UInt16DWORD DWORD → UInt32 通信 151 功能手册, 11/2022, A5E03735819-AK SIMATIC数据类型OPC UA 数据类型性 LWORDLWORD → UInt64 SINTSByte INTInt16 DINTInt32LINTInt64 USINTByte UINTUInt16 UDINTUInt32 ULINTUInt64 REALFloatLREALDouble S5TIMES5TIME → UInt16 TIMETIME → Int32 LTIMELTIME →Int64 DATEDATE → UInt16 TIME_OF_DAY (TOD)TOD → UInt32 LTIME_OF_DAY(LTOD)LTOD → UInt64 DATE_AND_TIME (DT)DT → Byte[8] LDTDateTime DTL特殊说明：只能使用 OPC UA 客户端完整描述该结 构。该结构中的各元素仅支持只读访问 （如“YEAR”） 映射为结构CHARCHAR → Byte WCHARWCHAR → UInt16 STRING （代码页或 1252 或Windows-1252） STRING → String WSTRING （UCS-2；通用编码字符集） StringTIMERTIMER → UInt16 COUNTERCOUNTER → UInt16 152通信 功能手册, 11/2022,A5E03735819-AK OPC UA 通信 10.1 需了解的 OPC UA 知识 OPC UA 通信 10.1 需了解的OPC UA 知识 数组 OPC UA 通常采用数组访问方式进行读写操作问，即带有下标和长度。一个单变量实际上就是一各特殊的数组（下标为 0，长度为 1）。只是在该线路上重复发送此数据类型。对于变量，“DataType”属性指示基本数据类型。属性“ValueRank”和“ArrayDimensions”用于显示当前是否使用数组进行处理以及该数组的大小。 基于数组的数据类型 一些 SIMATIC 数据类型的 OPC UA值映射到字节数组中。这些数据类型的数组随后会映射为二 维数组。 示例：SIMATIC 数据类型 DATE_AND_TIME (DT)在 OPC UA 侧映射到 8 字节数组 (Byte[8])，见 上表。定义 SIMATIC 数据类型 DATE_AND_TIME(DT) 的数组时，会将其视为二维数组。 这会影响 OPC_UA_NodeAdditionalInfo 和OPC_UA_NodeAdditionalInfoExt 系统数据类型的使 用，例如：对于上述数据类型，必须为多维数组使用系统数据类型 OPC_UA_NodeAdditionalInfoExt，而 不是OPC_UA_NodeAdditionalInfo。 结构 结构作为 ExtensionObject 进行传送。S7-1500服务器使用二进制表示来在线路上传输 ExtensionObjects；各结构元素相继出现。在前面的是数据类型的NodeId；客户端使用其来建 立结构。 对于 OPC UA 规范 V1.03及以下版本，要实现该目的，客户端需读取、解码和解析完整的 DataTypeDictionary（除非已通过 XML导入功能离线学习此库）。 从 OPC UA V1.04 开始，DataTypeDescription属性也可用于此目的，即可以更快速轻松地进行 读取和解析。客户端仅在第一次访问期间或之前一次性确定结构设置，随后会在会话期间使用此信息。 特殊 SIMATIC 数据类型 上表中不存在以及无法定义为结构或 PLC 数据类型元素的 SIMATIC 数据类型不受OPC UA 客户 端支持。举例来说，此类数据类型有“ANY”或“POINTER”指针、函数块“Block_FB”、函数“Block_FC”或硬件数据类型“REMOTE”。 如果选择不受支持的数据类型，则将生成一条错误消息。 更多信息 通信有关基本数据类型、数组和结构映射的更多详细信息，请参见 OPC UA 规范第 6 部分“映 射”（参见 OPC UA BINARY）。对于 SIMATIC S7-1500 OPC UA 服务器中的数组与数据类型 DTL 和 LDT，必须考虑哪些因素？常见问题解答 (https://support.industry.siemens.com/cs/cn/zh/view/109766726) 153功能手册, 11/2022, A5E03735819-AK OPC UA 通信 10.2 OPC UA 的信息安全 10.210.2.1 寻址风险 附加安全规则 154 OPC UA 的信息安全 安全设置 OPC UA支持过程和生产层级中的不同系统之间以及这些系统与控制与企业层级中的系统之间 的数据交换。 这同样将导致信息安全风险。因此，OPC UA提供了一系列安全防护机制： • OPC UA 服务器和客户端的身份验证。 • 检查用户的身份。 • 在 OPC UA服务器和客户端间，对已签名/加密的数据进行交换。 仅在**有必要的情况下，才应绕过这些安全策略： • 调试过程中 •在没有外部以太网连接的独立项目中 例如，如果 OPC Foundation 的“UA SampleClient”端点选择了“无”(None)，则程序将发出一条 明确的警告消息： STEP 7编译项目时，还会检查用户是否考虑保护设置选项，并会警告用户可能存在的风险。 还包括采用“不安全”(no security) 设置的OPC UA 安全策略，该设置对应于端点“无”(None)。 说明 禁用不需要的安全策略 如果在 S7-1500 OPC UA服务器的安全通道设置中启用了所有安全策略，即采用端点“无”(None)（不安全），则服务器和客户端之间还可能存在非安全数据通信（既未签名也未 加密）。S7-1500 CPU 的 OPCUA 服务器还会向设置为“无”(None)（不安全）的客户端发送公用证书。某些客户端会检查该证书。但不会强制客户端向服务器发送证书。客户端的身份可能 仍保持未知。无论后续为哪种安全设置，每个 OPCUA 客户端随后都可以连接到服务器。 组态 OPC UA 服务器时，请确保只选择与您的设备或工厂的安全概念兼容的安全策略。应禁用所有其它安全策略。 建议：使用“Basic256Sha256 - 签名和加密”(Basic256Sha256 - Sign andEncrypt) 设置，说明 服务器只接受 Sha256证书。安全策略“Basic128Rsa15”和“Basic256”默认取消激活，不能用作 端点。请选择安全策略较高的端点。 •仅在特殊情况下，使用端点“无”(None)。 • 仅在特殊情况下，使用“访客身份验证”。 • 如果确实有必要，则仅允许通过 OPCUA 访问 PLC 变量和 DB 元素。 • 在 S7-1500 OPC UA客户端的设置中使用可信客户端列表，以仅允许对特定客户端进行访 问。 通信 功能手册, 11/2022, A5E03735819-AKOPC UA 通信 10.2 OPC UA 的信息安全 10.2.2 “中间人”攻击 X.509 证书 签名和加密 通信 ITUX.509 证书 OPC UA 的多个层级中，都集成有安全机制。其中，数字证书至关重要。仅当 OPC UA 服务器 接受 OPC UA客户端的数字证书并将其归类为可信时，客户端才能与服务器建立安全连接。 请参见“处理客户端和服务器证书 (页 202)”部分。与此同时，客户端还必须检查并信任服务器的证书。服务器和客户端必须显示自己的身份，并证明该身份与声明的相同：即，服务器和客户端必须证明自己的身份。例如，客户端和服务器 的相互验证可有效防止中间人攻击。“中间人”可能会出现在服务器和客户端之间。中间人是一种程序，会截获服务器与客户端之间 的通信并将自身伪装为客户端或服务器，以获取 S7程序的相关信息或设置 CPU 的值，进而对 设备或工厂进行攻击。 OPC UA 使用的数字证书符合国际电信联盟 (ITU) 的X.509 标准， 可识别（认证）一个程序、计*机或机构的身份。 X.509 证书包含以下信息： • 证书的版本号 • 证书的序列号• 证书颁发机构对证书进行签名的*法。 • 证书颁发机构的名称 • 证书有效期的起始和结束时间 •由证书颁发机构签名证书的程序、个人或机构名称。 • 程序、个人或机构的公钥。 因此，X509证书将身份（程序、个人或机构的名称）与该程序、个人或机构的公钥关联在一 起。 在连接建立期间检查客户端与服务器建立连接时，设备将基于证书检查全部所需信息以确保其完整性，如签名、有 效期、应用程序名称 (URN)，对于固件版本V2.5，还会检查客户端证书中客户端的 IP 地址。 说明 此外，还会检查证书中存储的有效期。因此必须设置 CPU时钟，且日期/时间必须在有效期 内，否则将无法进行通信。 要检查证书是否篡改，则需对证书进行签名