工業無線網絡OPC-UA發布/訂閱機制優化研究

梁超 賈宇波

摘 要：OPC統一架構（OPC UA）作為一種工業通信的數據交換規范，可以有效解決數據通信的訪問一致性和標準化問題。但其應用在工業無線網絡環境下缺乏實時性，無法滿足工業通信高可靠、高實時需求的應用場景。為了解決以上問題，提出了一種適用于工業無線網絡OPC-UA的優化方法，采用分布式協商的調度方式，建立時間同步機制，改進非實時的OPC-UA發布/訂閱模式。結果表明，工業無線網絡OPC-UA發布/訂閱機制優化方法可以保證數據能夠可靠地從源節點傳送到匯聚節點，提高OPC-UA在工業無線網絡中數據交換的抖動性，從0.05ms提高到0.01ms，實現工業現場設備數據與互聯網管理平臺互聯互通，以及在傳輸機制和語義信息層面上的統一。

關鍵詞：OPC-UA;工業無線網絡;時間同步;數據通信

DOI：10. 11907/rjdk. 192285 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）007-0015-04

Research on Optimization of OPC-UA Publish/Subscribe Mechanism

in Industrial Wireless Network

LIANG Chao，JIA Yu-bo

（School of Information Science and Technology，Zhejiang SCI-TECH University，Hangzhou 310018，China）

Abstract：As a data exchange specification of industrial communication， OPC unified architecture （OPC UA） can effectively solve the problem of access consistency and standardization of data communication. However， the application in the industrial wireless network environment is lack of real-timeness， which can not meet the industrial communication high reliable， high real-time needs of the application scene. In order to solve the above problems， an optimization method suitable for industrial wireless network OPC-UA is proposed， which adopts the distributed negotiation scheduling method， establishes the time synchronization mechanism， and improves the non-real-time OPC-UA publish/subscribe mode. The results show that the optimization method of the OPC-UA publish and subscribe mechanism of the industrial wireless network can ensure that data can be reliably transmitted from the source node to the sink node， and improve the jitter of the data exchange of OPC-UA in the industrial wireless network from 0.05ms to 0.01ms. The data of industrial field equipment is interconnected with the management platform of the Internet， and unified in terms of transmission mechanism and semantic information.

Key Words： OPC-UA;industrial wireless network;time synchronization;data communication

0 引言

隨著工業智能制造及自動化技術的不斷發展，智能化、標準化、模塊化成為工業4.0時代的關鍵詞。不同設備廠間多協議設備語義信息互通和管理困境是工業現場常遇到的問題。數據通信約定不一致，加上生產監控使用不同的通訊標準，導致信息共享和統一管理極為困難。2018年，我國國家標準規范《OPC統一架構》（OPC Unified Architecture，OPC UA）正式實施，規范了工業通信的數據交換架構，基于發布/訂閱（簡稱Pub/Sub）通信標準的OPC-UA將適用于更多場景[1]。

文獻[2]使用OPC-UA服務端作為網關共享有線網絡數據方案，利用CAN網絡傳輸實時數據訪問的OPC-UA地址空間，基于有線網絡實現互聯互通;文獻[3]指出工業以太網環境OPC-UA 發布/訂閱與TSN時間敏感網絡相結合是目前有效的高實時通信方法，可以保證網絡數據時間同步，而工業無線網絡中硬件設備有限、通信環境嘈雜，傳統無線調度模式與OPC-UA應用需更加關注信息與數據交換實時性和可靠性提升;文獻[4]提出OPC-UA工業互聯網解決方案，但并未對其實時性進行研究;文獻[5]針對OPC-UA客戶端和服務端在設備睡眠模式下影響實時性的問題，提出基于無線現場設備的OPC-UA睡眠機制，增強睡眠時傳輸的可靠性，在睡眠情況下，該方法具有普適性;文獻[6]基于OPC-UA的C/S架構及其地址空間技術，研究網絡通信架構在應用層上的實時性改善，實現信息和數據轉發，對數據鏈路層未作優化;文獻[7]分析TDMA調度模式下工業無線傳感器網絡與多種工業總線融合設計實現思路，具有研究借鑒意義。

這樣，任何數據類型（包括字符串）都可以用于發布/訂閱服務，其配置信息也存儲在信息模型中，在整個發布服務周期中都可以訪問，不會破壞實時性。除了向“中斷”提供可重入信息模型訪問，“替換即復制”策略在普通OPC-UA服務器上也實現了無鎖的多線程操作。

4 實驗結果

使用Cooja測試工具測試節點通信抖動性[20]，OPC-UA PubSub流量配置為100μs周期時間（10kHz）。傳輸的OPC UA PubSub NetworkMessage基于具有單個整數值的PublishedDataSet。每個周期都會讀取PublishedDataSet配置，并根據從信息模型中讀取的最新值生成消息。配置的5μs偏移量為應用程序提供了足夠時間以準備下一個數據包并將其傳輸到底層，以便數據包及時排入其傳輸窗口。延遲抖動性測試如圖7、圖8所示，由圖7可以看出，無調度下非實時的OPC-UA Pub/Sub抖動性延遲集中在0.04ms～0.05ms，無調度下實時性的OPC-UA Pub/Sub抖動性集中在0.03ms-0.0375ms;圖8時隙和信道跳頻調度非實時OPC-UA Pub/Sub抖動性集中在0.012 5ms～0.02ms。相比之下，使用了時隙和信道跳頻調度的實時OPC-UA抖動性集中在0.01ms左右，實時性更高。

5 結語

本文通過研究工業無線網絡與OPC-UA發布/訂閱機制優化方法，探究無線網絡中數據傳輸的可靠性和實時性。通過數據鏈路層無線網絡時隙和信道跳頻調度的分布式鄰居節點調度，結合OPC-UA發布/訂閱節點要求，選取合適的無線網絡性能參數，實現端到端通信同步，動態調度降低了數據鏈路層的延遲抖動。在應用層，通過研究非實時的傳統OPC-UA服務器與實時的OPC-UA發布/訂閱混用機制，提出了“替換時復制”策略。對工業無線網絡OPC-UA發布訂閱/機制進行低延遲和低抖動優化，以減少信息丟失，增強工業無線網絡OPC-UA數據傳輸的可靠性與實時性。

參考文獻：

[1] 姚春雷. OPCUA——工業4.0的先行者[J]. 中國儀器儀表，2017（3）：31-31.

[2] PALM F，GRüNER S，PFROMMER J.Open source as enabler for OPC UA in industrial automation[C]. 2015 IEEE 20th Conference on in Emerging Technologies & Factory Automation （ETFA），2015 （7）：11-12.

[3] 曾鵬. 工業無線技術的標準化與應用[J]. 中國儀器儀表，2008，28（3）： 40-44.

[4] GUTIéRREZ M，ADEMAJ A，STEINER W，et al. Self-configuration of IEEE 802.1 TSN networks[C]. 2017 22nd IEEE International Conference on in Emerging Technologies and Factory Automation （ETFA），2017.

[5] 閆曉風，趙艷領，韓丹濤. 基于OPC UA通用數據采集模塊設計[J]. 儀器儀表標準化與計量，2015（6）：91-92.

[6] VIMOS V，SACOTO E，MORALES D X. Conceptual architecture definition：implementation of a network sensor using Arduino devices and multiplatform applications through OPC UA[C]. IEEE International Conference on Automatica，2016.

[7] YANG D，GIDLUND M，SHEN W，et al. CCA-Embedded TDMA enabling acyclic traffic in industrial wireless sensor networks[J]. Ad Hoc Networks，2012（14）：67-68.

[8] 張浩，楊冬，周華春. 控制與數據分離的工業無線傳感器網絡設計[J]. 計算機技術與發展，2015（8）：23-24.

[9] 馬科. OPC統一架構[M]. 北京：機械工業出版社，2012.

[10] HOFFMANN M，THOMAS P，SCHUTZ D，et al. Semantic integration of multi-agent systems using an OPC UA information modeling approach[C].? IEEE，International Conference on Industrial Informatics，2017：10-11.

[11] 司恩波，王晶，靳其兵. ？工業無線網絡鏈路選擇與時隙分配的同步優化[J]. 浙江大學學報（工學版），2016（6）：22-23.

[12] VIMOS V，SACOTO E，MORALES D X. Conceptual architecture definition：implementation of a network sensor using arduino devices and multiplatform applications through OPC UA[J].? IEEE International Conference on Automatica，2016（11）：45-47.

[13] KIM W，SUNG M. OPC-UA communication framework for PLC-based Industrial IoT applications：poster abstract[J]. IEEE/ACM Second International Conference on Internet-Of-Things Design and Implementation，2017.

[14] YANG D， GIDLUND M， SHEN W， et al. CCA-Embedded TDMA enabling acyclic traffic in industrial wireless sensor networks[J]. Ad Hoc Networks，2012（3）：11-12.

[15] 謝春秋. 基于OPC UA的數控機床遠程監控系統研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學，2017.

[16] 石春竹，柴處處，蘭培霖. 一種支持ModbusTCP協議的OPC UA服務器中間件[J]. 信息技術與網絡安全，2019（1）：18-20.

[17] 金希，張為民，費麗娜. 基于OPC UA技術的質量數據監測系統[J]. 機械制造，2018（11）：48-50.

[18] FLORIAN P，SABINE W，SOLMAZ M F，et al. UML2OPC-UATransforming UML class diagrams to OPC UA information models[J]. Procedia CIRP，2018（9）：15-17.

[19] 趙宴輝，聶亞杰，王永麗. OPC UA技術綜述[J]. 艦船防化，2010（2）：61-62.

[20] 周濟. 智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J]. 中國機械工程，2015（17）：66-67.

（責任編輯：孫 娟）