基于OPC UA技術的實時數據服務的研究與應用

柴處處，韓慶敏，杜軍釗

(華北計算機系統工程研究所，北京 100083)

基于OPCUA技術的實時數據服務的研究與應用

柴處處，韓慶敏，杜軍釗

(華北計算機系統工程研究所，北京100083)

隨著工業4.0的深入及新一代信息技術的推廣，處于控制層和操作層的數據采集平臺逐漸成為實現智能制造的關鍵指標，而實時數據服務是數據采集平臺中最重要的服務之一，是數據采集平臺運行的基礎。針對離散制造業生產線的柔性要求和信息量的增大、設備/系統種類的多樣化的現狀，客戶不斷提出如何實現數據的實時獲取、安全存儲以及便捷的配置和訪問等重要問題。提出了基于OPCUA技術的實時數據服務，不僅解決了數據采集平臺中信息模型的一致問題，而且為處于智能制造體系中基礎層的數據采集平臺提供了一個開放的高效的通信服務。結果表明，該服務具有標準化、便于集成、節省開發成本、符合市場需求等優點。

OPCUA；實時數據服務；數據采集平臺

0 引言

隨著市場對制造企業“大規模定制化”的要求越來越強烈，工業現場的根本結構有了新的發展，傳統層次化的結構模型已經越來越不適應“柔性化、敏捷化”的生產需求。德國工業4.0提出的網狀結構將成為未來的趨勢。在這種網狀結構中，要求每一個節點(包括人、機、系統等)都能夠點對點的通信，處于物理世界和數字世界的分界線上的實時數據服務也必須適應新的架構和要求：適合大規模分布式部署，提供面向多異構系統的便捷安全的數據訪問機制，實現可配置的信息模型，適合系統的集成和改造，這是未來工業現場實時數據服務的發展趨勢。而OPC UA技術的諸多優點非常適用于實現數據采集平臺的實時數據服務。

1 智能制造對數據采集的需求

工業4.0的核心技術是信息物理系統(Cyber-Physical Systems，CPS)，它通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需相應、快速迭代、動態優化。信息物理系統能夠將物理實體、生產環境和制造過程精準映射到虛擬空間并進行實時反饋，即把設備、生產線、工廠、供應商、產品、客戶緊密地連接在一起，實現制造業生產模式的重構。工業4.0將無處不在的傳感器、專用設備、嵌入式終端系統、智能控制系統、通信設施通過CPS形成一個智能網絡，使得產品與生產設備之間、不同的生產設備之間以及數字世界和物理世界之間能夠互聯，使得機器、工作部件、系統以及人類會通過網絡持續地保持數字信息的交流[1]。

基于OPC UA技術的數據采集平臺是一個高度集成、開放和共享的數據服務平臺，能夠實現工廠內各類裝備、控制系統和信息系統的互聯互通，以及物料、產品、設備與人的無縫集成，是實現從單個機器、產線、車間到工廠的工業全系統互聯互通的重要基礎平臺，支撐數據流動，為打造萬物互聯的世界提供了基礎和前提，是構建智能制造的基石。

實時數據服務是數據采集平臺中最重要的服務之一，是整個平臺運行的基礎[2]。實時數據服務能將現場設備采集的數據存入OPC UA的地址空間中，還能夠對上層邏輯提供各種服務，是整個數據采集平臺的核心。

2 OPC UA技術

2.1OPCUA產生的背景

經典OPC接口是基于COM和DCOM技術的，有諸多缺點：不具有平臺無關性，僅適用于微軟平臺環境；DCOM的遠程訪問具有局限性，并且難以配置；COM產生的傳輸報文過于復雜，通過Internet來發送COM報文非常困難；DA、Aamp;E和HAD服務器之間相互獨立，不便于協調工作[3]。

OPC UA的誕生是希望為所有的基于COM的規范建立一個沒有損失任何功能和性能的真正替代品。另外，它同時滿足了能夠描述復雜系統的、豐富的和可擴展的建模能力，以及平臺獨立的系統接口及安全性的所有需求。

2.2OPCUA的優勢

OPC UA能夠替代OPC并且得到廣泛應用是因為OPC UA有如下優點：

(1)組件對象模型(COM)/分布式組件對象模型(DCOM)的終止；

(2)打破COM的局限；

(3)OPC通信穿過防火墻；

(4)在非視窗平臺使用OPC；

(5)通過Web服務實現跨平臺的OPC通信；

(6)統一數據模型；

(7)支持復雜數據結構；

(8)保證通信不丟失數據；

(9)對非授權數據訪問而增加的保護；

(10)支持新的命令調用。

2.3OPCUA應用程序架構

如圖1所示，應用程序架構分為三層，客戶端和服務器程序工作在SDK的上層，高級功能表示為軟件開發工具箱(SDK)，低級功能部分表示為協議棧。本文中的數據采集平臺使用OPC基金會提供的SDK進行開發。

2.4OPCUA的地址空間

地址空間定義了服務器的數據和怎樣管理這些數據，它是由節點和節點間的引用組成的。地址空間是通過節點管理器對象來管理的，而節點管理器通常用來定義OPC UA的節點，最重要的節點類別是對象、變量和方法。

圖1 應用程序架構

3 實時數據服務的設計與實現

實時數據包含了豐富的系統運行信息，反映了當前設備運行狀況和生產狀況。通過對實時數據的分析和處理，能夠了解生產現場運行狀態、預測設備的健康狀況和事故的發生概率，有利于檢測系統的運行和預測性維護[4]。實時數據服務不僅能夠將采集到的數據存入OPC UA的地址空間中，還能將數據存入歷史數據庫并向上層提供查詢數據的功能，并且能夠在數據超出預設時產生報警。因此，對于整個數據采集平臺，實時數據服務的作用至關重要。

3.1原理

如圖2所示，實時數據服務是數據采集平臺的核心，可以分為通信接口管理服務、實時數據訪問服務、報警管理服務、歷史數據服務、權限管理服務、日志服務、數據訪問服務和配置服務8個模塊。現場數據采集服務器從現場設備上采集數據、文件，提供訪問服務給通用客戶端(可跨網段訪問)。歷史數據存儲在數據歷史服務器上，需要的客戶端可通過其提供的服務進行多種形式的查詢。當采集到的數據超出預設的限度時，報警管理服務將會產生報警，及時提示客戶端對報警進行處理。

圖2 數據采集平臺設計

3.2模塊設計

3.2.1實時數據訪問服務

實時數據訪問服務主要實現兩方面的功能：一是對外提供實時數據，二是將實時數據存入歷史數據隊列。實時數據訪問服務的關鍵在于創建地址空間。

地址空間是通過節點管理器(NodeManager)對象來管理的，節點管理器通常用來定義OPC UA的節點。UaServer包含一個基本的節點管理器NodeManagerRoot，它處理標準的OPC UA服務器的地址空間。它定義了地址空間的根結構，而根結構中包含了主要的文件夾(Views，Object和Types)。它也管理服務器對象，而服務器對象用于向UA客戶端發布服務器狀態和診斷信息。為了能在服務器的地址空間中增加自己的節點，必須定義自己的節點管理器和自己的命名空間，自己的節點管理器類定義如下：

public class NodeManager extends NodeManagerUaNode {

//給nodeManager加監聽

public NodeManager(UaServer server) {}

public void createAddressSpace() {}

public void processDataChanger(UaVariable

variable, DataValue dataValue){}

public void myDataChanger(UaVariable variable){}

……

}

創建地址空間后，從下層設備讀取的數據就可以存到相應的節點位置。

讀寫服務不僅允許讀寫變量的值，而且可以使用通用方式去讀寫節點屬性，用來訪問地址空間中的元數據。I/O管理器用于處理客戶端應用程序的讀寫調用。為了更加定制化地讀數據，設計為不使用默認的I/O管理器的功能，而是選擇實現自己的IOManager類，然后在節點管理器中將它注冊進去，這樣就可以使用IoManager中的方法對實時數據進行讀寫操作了。

讀數據的另一種方法是訂閱變化的數據[5]。對于需要周期性更新變量值的客戶端來說，這是個好辦法。定義自己的事件管理器myEventManager監控客戶端訂閱的創建、修改或移除等動作并做出反應。重寫NodeManager類的afterCreateMonitoredDataItem()方法和deleteMonitoredItem()方法來持續追蹤監視dataItems，當監視的值發生改變時，可以調用MonitoredEventItem.notifyEvent()發送到客戶端。

將采集到的實時數據存入實時數據隊列[6]。用戶可以在界面中設置采集頻率，程序會以同樣的頻率將實時數據隊列中的數據與歷史數據隊列中的數據進行對比，若兩隊列數據一致，則實時數據隊列將數據清空，歷史數據隊列不變；若兩隊列數據不一致，則實時數據隊列清空，將改變的數據添加到歷史數據隊列。在緩存中創建一個報警隊列，當實時數據隊列中的對象根據設定的上、下限值判斷發生越界時，將此對象插入報警隊列。

3.2.2通信接口管理服務

通信接口管理服務負責管理一個數據采集服務器的通信鏈路，包括建立鏈接、診斷故障、關閉鏈接、配置鏈接參數(對不同的驅動有不同的配置界面，可設置設備地址、端口、刷新周期等)，實現將不同類型的數據轉化為地址空間中的數據類型。

3.2.3報警管理服務

報警管理服務能夠判斷實時數據是否越界并且在越界后進行提示。SDK中有兩種重要的事件類型：標準事件和條件。ExclusiveLevelAlarmType是一個定制化條件，用來初始化一個報警節點：

final NodeId myAlarmId = new NodeId(ns, quot;MyLevel.Alarmquot;);

myAlarm = new ExclusiveLevelAlarmType (myNodeManager, myAlarmId, quot;MyLevelAlarmquot;, Locale.ENGLISH);

3.2.4歷史數據訪問服務

歷史數據訪問服務中創建了一個歷史數據隊列，并將原始的數據列表復制到歷史數據隊列中，當歷史數據隊列中的數據發生變化時，才將變化的數據插入歷史數據庫，數據表中會有時間戳列，記錄數據的變化時刻。當上層MES和ERP需要查詢歷史數據時，調用程序中的操作數據庫的方法，可以返回查詢結果。設計中使用歷史管理器處理所有歷史數據和事件函數。在SDK中沒有默認的函數，所以要自己追蹤歷史數據并且實現這些服務。程序定義了自己的子類(HistoryManager類)，并且重寫方法，然后用myNodeManager.getHistoryManager()把這個管理器設置到自己的節點管理器中。

3.2.5權限管理服務

權限管理服務能夠根據客戶端的分類進行權限的增、刪、改、查，有利于提高整個數據采集平臺的安全性。

3.2.6日志服務

日志服務能夠記錄數據采集平臺中發生的事件信息，根據這些信息可以進行排錯，優化數據采集平臺的性能。

3.2.7配置服務

配置服務能夠配置數據采集平臺運行所需的所有條件，如配置數據庫。

3.2.8數據訪問服務

(1)標準OPC UA訪問方式

對于支持OPC UA的上層業務邏輯，可以直接訪問實時數據服務的地址空間。

(2)標準API接口訪問方式

對于不支持OPC UA的上層業務邏輯，不能識別地址空間的對象。數據訪問服務提供標準API接口訪問方式，將對象轉化為上層業務邏輯能識別的數據類型。在程序中設計了一個動態鏈接庫，包含了4個方法：Read()，Write()，Open()和Close()，對上層業務邏輯提供高效的讀寫服務。

public void readData(){}

//讀數據

public boolean writeData(){}

//寫數據

public void openConnect(){}

//打開連接

public void closeConnect(){}

//關閉連接

4 實時數據服務的應用

在數據采集平臺中使用實時數據服務，成功實現了從多個不支持OPC UA的設備中采集簡單數據和文件，完成了將實時數據存入歷史數據庫，并向上層提供數據訪問服務的功能。

5 結論

智能制造信息化與工業化深度融合是工業4.0的一個關鍵目標。基于OPC UA技術，實現一套工業異構系統的互聯組件和工具，使得它們之間組網更簡單，集成開發量降低，實現智能制造的核心目標——萬物互聯。

[1] 中國電子技術標準化研究院.信息物理系統白皮書[R].2017-3.

[2] 朱耀春，陸會明,張永慶.OPC數據服務器的開發與測試(Ⅰ)[I].現代電力，2003,20(6): 63-66.

[3] MAHNKE W,LEITNER S H,DAMM M.OPC 統一架構[M].馬國華，譯.北京:機械工業出版社，2011.

[4] 朱耀春.OPC數據存取服務器的開發與研究[D].北京：華北電力大學，2003.

[5] 孫建華.OPC UA服務器數據管理與訂閱功能模塊研究與開發[D].北京：華北電力大學，2011.

[6] 魏亞敏,李軼,張申,等.礦山物聯網時間同步系統設計與實現[J]. 電子技術應用,2017,43(1): 81-83.

2017-04-27)

柴處處(1990-)，女，碩士，工程師，主要研究方向：智能制造、工業軟件等。

韓慶敏(1979-)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向：工業軟件、自動化控制系統、智能制造、現場總線等。

Research and application of real-time data service based on OPC UA technology

Chai Chuchu, Han Qingmin, Du Junzhao

(National Computer System Engineering Research Institute of China, Beijing 100083, China)

With the development of INDUSTRIE 4.0 and the promotion of the new generation of information technology, the data acquisition platform which is in the control layer and operation layer is becoming the key index of intelligent manufacturing, while real-time data service is one of the most important service in data acquisition platform and the foundation of the platform. For the situation that there is increasing flexibility requirements and a amount of information and diversification of equipment system types, customs continually put forward many important problems, such as how to realize the real-time and reliable storage of data collection and convenient configuration and access. The real-time data service based on OPC UA technology presented in this paper not only solves the problem of the consistency of information model in data acquisition platform, but also provides an open and efficient communication service for the data acquisition platform based on the intelligent manufacturing system. The results show that the service has many advantages, such as standardization, convenient for integration, saving development cost and meeting the requirements of the market.

OPC UA; real-time data service; data acquisition platform

TP311.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.22.002

柴處處，韓慶敏，杜軍釗.基于OPCUA技術的實時數據服務的研究與應用J.微型機與應用，2017,36(22)：5-7,10.