OPC UA技術在智能校準系統中的應用

丁 蔚 彭 誠 李 軍 侯旭瑋

(北京東方計量測試研究所，北京 100086)

1 引 言

隨著自動化校準技術的發展，給計量領域新的工作模式提出了挑戰。國外有Fluke公司的Met/Cal plus校準軟件系統、Keysight科技N7800自動校準軟件平臺、NI公司的Calibration Executive等自動化校準軟件已投入使用。國內也有少數計量技術機構基于Met/Cal FMS與HTBasic開發平臺進行定制化擴展開發[1,2]。

目前，國內一些大型計量技術機構已開展半自動校準程序的研發工作，針對具有程控接口的儀器設備研制配套自動校準系統，配合人工接插線、撥盤、按鈕等手動行為，結合計算機技術實現數據采集、顯示、處理、記錄、過程(狀態)監控和錯誤處理確認等功能，這是半自動化校準模式。在日益繁重的計量任務和用工成本增加的情況下，半自動化計量模式已無法進一步提高測量效率，為保證測量準確度和可靠性，對智能計量提出了更多要求。計量智能化通過使用相關技術替代人工操作，消除人工作業環節，提高計量效率，提高測量質量，提升技術管理水平，已勢在必行。檢定校準工作方式分類，如圖1所示，其中手動和半自動計量的兩種模式是現階段的主要計量方式。人工智能技術在眾多行業中具有廣泛應用，也使“機器換人”新型服務模式在傳統計量領域的實現成為可能，將傳統的計量自動化推向更高層次，但目前其在計量領域的應用還處于起步階段。

圖1 檢定校準工作方式分類框圖Fig.1 Classification chart of verification and calibration working mode

結合實際需求，以不帶程控接口的手持式數字萬用表為例，研制手持式萬用表智能校準系統。智能校準系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 智能校準系統結構框圖Fig.2 Structural sketch of automatic calibration system

圖2中，上層自動校準系統以LabVIEW虛擬儀器開發環境作為自動校準系統構建基礎，進行UI設計和邏輯設計，開發友好的人機界面，具有測量數據顯示、數據分析處理以及數據存儲查詢等功能。下層硬件設備包括多種智能設備，實現替代人工操作。此類智能設備通過PLC編程實現對現場多種傳感器和執行器進行數據采集和自動控制。自動校準系統和智能控制系統之間需要使用安全、穩定的通信協議來提供可互操作性，通過充分論證，本系統通訊方式采用新一代OPC UA通信技術實現下位機與上位機的網絡通信，達到實時數據交互。目前國內對于OPC UA技術的使用還不是很廣泛，但其憑借強大的功能，極其適合工控界的數據的交互。本文重點對使用OPC UA技術實現LabVIEW和PLC間的通信進行了研究，使通信和數據交換實現更方便、穩定。

2 手持萬用表智能校準系統簡介

手持式數字萬用表作為電磁學計量領域中應用最為廣泛的通用電參數測量設備，隨著企業生產線規模的不斷擴大，以及對產品質量要求的不斷提高，校準需求不斷增加，但校準工作仍然只能通過人工手動或者半自動的方式完成，手動測量引入更多誤差，數據記錄繁雜，整個校準過程耗時費力、人工錯誤率高、創造價值低、工作效率較低。針對以上問題，研制手持萬用表智能校準系統，其結構如圖3所示，由上位機和下位機(即自動校準軟件和采集監控系統)構成。

圖3 手持萬用表智能校準系統結構示意圖Fig.3 Structural diagram of automatic calibration system for handheld digital multimeter

手持萬用表智能校準系統中由機器人、末端執行器和力傳感器模擬人工動作和觸感，達到替代人工接插測試線、人工換檔、人工按鈕等人工操作的目的，以上智能設備需保證控制的穩定、可靠。PLC作為專業的工業自動控制裝置，具有穩定性、靈活性較高、抗外界環境干擾強等良好性能[2-4]，同時具備良好的通信能力，可對多種現場總線和通信協議進行支持[5](如TCP，UDP，RS232，RS483，S7，profibus，pofinet，MPI，PPI，MODBUS等)。將其應用于對智能設備的控制工作中，融合信息處理和通信等相關技術，作為手持式萬用表智能校準系統中控制系統的技術解決方案。

另外，手持萬用表智能校準系統還需工業數字相機、光源設備完成圖像數據的獲取、處理、判定等工作，并實現標準信號控制、校準數據實時顯示、數據處理分析和證書出具等功能，因此需開發自動校準軟件實現良好的界面交互和系統的邏輯設計。鑒于LabVIEW所具有的開發周期短，易學易用，界面友好等優點[6]，選用其作為自動校準軟件的開發語言。

3 LabVIEW和PLC通信方式

在手持萬用表智能校準系統中要消除自動化軟件和硬件平臺之間互操作性的障礙，實現以LabVIEW為開發環境開發的自動校準系統和應用PLC技術開發的控制系統之間的互聯互通，建立的有效可靠的通信來保證數據交互和運動控制。

OPC(Open Platform Communications,開放平臺通信)是工控界比較流行的一種數據交換技術，不同的設備和軟件的接口得到了統一，軟件商不必針對每一個設備都開發對應的驅動，很好的解決了不同生產廠商之間的通信問題。主流PLC廠商都支持OPC通信協議。

LabVIEW與PLC通信兩種解決方案如圖4所示。其中NI OPC Servers是NI公司為實現與主流PLC廠商通信而開發一款控制器驅動。OPC采用客戶端和服務端架構，其中客戶端實現數據的訪問，服務端負責數據和邏輯處理，客戶端通過連接對應服務端并對其地址空間中的節點進行瀏覽訂閱實現[7,8]。NI OPC Servers在本系統中作為服務端，可與上位機客戶端進行通信。借助NI OPC Servers，底層實現細節不再是需要了解或掌握的部分，只需關注要進行操作的數據源、數據宿和數據，在開發應用程序過程中編寫效率提高，對編程人員素養要求降低。

圖4 LabVIEW與PLC通信的兩種解決方案框圖Fig.4 Block diagram of communication solutions between LabVIEW and PLC

LabVIEW與PLC早期多以串口通信形式實現[9]，作為工業上的通用協議，應用廣泛，目前仍然是虛擬儀器的構成方式之一，在實際使用中具有簡單便捷的優點，但存在速度慢的缺點。隨著通信技術的發展，現今多以網絡通信方式實現。當前LabVIEW與PLC兩者之間常規的網絡通信為共享變量方法。

OPC UA是OPC基金會基于OPC的一些不足進一步開發的，利用OPC UA技術進行通信，提供系統的高效性和安全性，基于OPC UA技術實現跨平臺的各類現場設備、控制系統和信息系統的實時互聯互通[10]，具有高度集成、開放共享的特點。通過LabVIEW OPC UA軟件開發工具包實現OPC UA客戶端的程序實現，與NI OPC Servers實現通信[11]。

4 工程實現

根據實際工程情況，分別采用創建共享變量和OPC UA技術兩種方法實現LabVIEW和PLC的通信，對比兩者的優劣。

兩種方法都是通過NI OPC Servers實現數據轉化，將PLC中的數據傳遞到NI OPC Servers中，由其將數據轉化為LabVIEW 可以識別的數據形式，再由LabVIEW調用轉化之后的數據來實施監控。反之，LabVIEW的數據發送至NI OPC Servers進行轉化成PLC可以識別的數據格式。

NI OPC Servers功能由單獨軟件提供，可以進行創建、配置、查看與PLC關聯的標簽。

1)安裝NI OPC Servers；

2)新建Channel，根據通信協議的需要配置Device driver信息(根據選用的PLC進行相關信息的設置)，Network Adapter選本機的網卡，其余按默認即可；

3)在通道上新建Device，配置Device信息(根據選用的PLC和PLC的配置進行相關屬性的配置)，其余按默認即可；

4)在設備上創建相關聯的標簽變量，其中自定義標簽變量名稱，配置標簽地址與對應的PLC 中對應變量的變量地址相同，實現了標簽變量與PLC中地址變量的對應綁定；

5)在NI OPC服務器中，選擇工具欄下的Launch OPC Quick Client(或工具欄上的QC圖標)查看OPC標簽數據，如果通訊成功，Quality一欄會顯示Good，同時幫助了調試過程中對數據讀取是否正確的判斷。

4.1 共享變量解決方案

共享變量用于實現網絡通信，通過創建與監視不同的數據項，綁定到與下位機相對應的標簽來完成通信功能。使用共享變量過程中，不用了解底層復雜的通信協議本身，也不用進行編程工作，只需創建并對共享變量完成相關設置后，即可實現在計算機間的網絡通信、數據交換。

從LabVIEW 8.0開始，LabVIEW DSC模塊新增了共享變量引擎的功能，允許LabVIEW作為OPC客戶端。具體操作如下。

1)創建OPC Client類型的I/O服務器，在提供的本機或網絡上瀏覽到的OPC Servers列表中選擇需要綁定的OPC Servers，并設置更新速率，完成庫的建立，實現對I/O服務器的管理；

2)在庫中創建綁定變量，創建過程中通過瀏覽OPC服務器列表，選擇所創建的共享變量對應要綁定的OPC標簽，并設置共享變量屬性(存儲選擇、報警界限、變量情況描述、用戶權限獲取等)；

3)進行共享變量部署；

4)完成創建并與PLC標簽綁定后，對共享變量的操作就如變量一般。代碼功能為：上位機通過對共享變量賦值模擬觸發信號，PLC接收信號后控制機器人對手持萬用表進行自動接插線、撥盤動作，完成后給上位機發送“動作完成”的信號，程序中的循環結構進行不斷的輪詢共享變量的狀態以獲取該信號，然后進行下一步動作，如圖5所示。

圖5 共享變量技術程序部分示意圖Fig.5 Diagram of part program code using shared variable technology

4.2 OPC UA解決方案

如果在2013到2016版本的LabVIEW上實現與PLC基于OPC UA技術的通信，在LabVIEW DSC模塊包含一個API，用于在OPC UA服務器和客戶端之間以編程方式通信和交換數據。從LabVIEW 2017開始，OPC UA Toolkit與LabVIEW DSC模塊分開發布，成為獨立的LabVIEW工具包[12]。

對NI OPC servers的配置包括前文所述外，還需在OPC UA Configuration Manager中的Servers Endpoints地址(即客戶端與NI OPC servers的連接地址)進行設置，該地址是客戶端連接NI OPC servers需要填寫的地址。當不同的Client端同時訪問同一個NI OPC Servers時，根據不同的端口號區分。通過對Trusted Clients配置實現安全方式連接。

NI OPC Servers配置完成后，還需通過LabVIEW編程開發一個OPC UA客戶端實現與OPC UA Server的通信。

通過創建對NI OPC UA Servers節點的數據訂閱，程序框架采用事件結構完成對變量的監控。NI OPC Servers收集所訂閱的節點的數據變化，向OPC UA客戶端發送通知消息。如圖6所示為部分代碼示意圖，其實現的功能是：通過事件結構和OPC UA數據訂閱VI按照設置的速率獲取OPC UAServer返回數據更改通知，對系統中機器人準備就緒的情況進行監控，當機器人準備就緒時，PLC相關寄存器的狀態改變，上傳至OPC UA Server相關聯節點，代碼通過事件結構和OPC UA數據訂閱VI按照設置的速率獲取OPC UAServer返回數據更改通知，獲知機器人已準備就緒這一情況，進入下一步測量工作。

圖6 OPC UA技術程序部分示意圖Fig.6 Diagram of part program code using OPC UA technology

程序中可通過OPC UA工具包中的讀寫子VI直接完成對變量的操作，將需要修改的命令傳遞到OPC UA服務端，由NI OPC Server通過以太網傳遞到PLC。

5 方案對比

通過共享變量和OPC UA技術兩種方案實現的可直觀得出如下結論。

1)創建共享變量方法需要進行共享變量的創建，在部署方面會花費更多的事件，適用于和較少量OPC Server的節點標簽連接；

2)在對數據變化查詢方面，創建共享變量方法采用輪詢的方式進行，相較于OPC UA技術的事件結構，共享變量實現方案占用更多的CPU資源，甚至可能造成遺漏事件。同時共享變量方法在OPC Server節點標簽多的情況下需要編寫多段重復代碼。以上也會對通信的實時性造成影響；

3)創建共享變量的方式是基于DCOM系統組件的方式，制約了系統的高效性、可移植性和安全性；

4)OPC UA通信技術可以支持安全和非安全通信，安全通信通過添加加密環節，配置證書來確保系統安全可靠。

綜上，采用OPC UA技術實現LabVIEW和PLC的通信具有更好的穩定性、響應性、實時性和安全性，同時編程工作減少，代碼更簡潔，降低維護難度。

6 結束語

將人工智能技術應用在計量領域，可以實現智能設備替代人工操作，保證計量結果的質量，提高工作效率。在智能化校準系統中，PLC發揮其在控制系統中的良好作用，同時LabVIEW強大的編程特性和豐富的工具庫能夠實現復雜邏輯處理，數據分析等功能，使用OPC UA技術實現LabVIEW與PLC的實時通信，開發速度提高，維護難度降低，保證了系統的高穩定性、快響應性。

下一步工作將進一步開發智能化校準系統，實現多型號的數字多用表和手持萬用表的全自動校準系統。系統中的智能設備數量將大量增加，對應OPC Server中的標簽節點數量將大幅度增加，需優化改進代碼，實現多OPC UA客戶端的訪問。