智能制造中的opcua技术研究与应用

智能制造中的opcua技术研究与应用

0opcua技术概述随着“工业4.0”和“中国制造2025计划”的提出，制造业开始转向智能制造。OPCUA(ObjectLinkingandEmbeddingforProcessControlUnifiedArchitecture）是用于实现工业物联网互联互通的一种标准化的、完全开放的通讯协议，已经被德国机械及制造商协会（VDMA）指定为工业4.0通信的推荐规范本文以智能制造互联互通研究领域的热点技术OPCUA为出发点，对OPCUA技术进行了介绍，包括OPCUA的发展历程及其技术特点；其次讲述了OPCUA信息建模和OPCUA应用的开发流程，介绍了现阶段OPCUA技术在各个领域中的应用情况；然后分析了应用OPCUA技术时存在的问题；最后展望了OPCUA技术相关研究的进展。本文为OPCUA技术的应用和研究提供了参考。1启动opc阿富汗1.1纤维增强技术—OPCUA技术发展历程1995年，OPC(ObjectLinkingandEmbeddingforProcessControl）技术由OPC基金会提出1.2opcua技术特点(1）访问的统一性。OPCUA将OPC技术中的DA、A&E、HDA及各种命令集合在一起，形成地址空间，客户端只需要一次访问，即可获得所有的信息(2）面向服务架构（SOA）。应用程序通过标准服务进行联系，服务是中立的，独立于硬件平台、操作系统和编程语言(3）高性能通信。通过单一的端口进行通信，减少了配置的时间，通过通信栈进行数据的编码、加密和传输，通信速度较快。(4）安全性。OPCUA使用标准安全模型保证安全性，底层提供加密和安全通道，主要通过非对称加密方式和X.509证书保证安全性(5）可靠性与冗余性。采用冗余校验技术，具备对错误的自动检查与纠正能力。(6)C/S与Pub/Sub实现机制。OPCUA提供了两种不同的实现机制：一种为主要基于TCP的客户端/服务器模型（C/S），一种为主要基于UDP的发布者/订阅者模型（Pub/Sub）。不同的实现机制应用于不用的场景。(7）面向对象建模。OPCUA具备强大的建模能力对于制造过程中的多源异构数据，使用具有众多优越性的OPCUA技术进行传输和解析，可以使多元异构数据得到利用，有利于设备及系统实现互联互通。24ue的应用和研究2.1opcua语义及对元模型的生成信息建模是工业4.0中的一个关键因素，代表数据的意义与对数据的描述，实现互联互通的关键即为建立标准化的信息模型在OPCUA技术中，信息模型包含在OPCUA服务器的地址空间中，完全互联并以图拓扑呈现，有利用实现访问的统一性。在地址空间中，节点为基本单位，而节点是由属性和引用两部分组成，属性用于描述特定节点，引用代表两个节点之间的关联，通过引用形成了地址空间的层次结构。在OPCUA的地址空间中，总共有8种类型的节点，分别为数据类型节点、变量节点、变量类型节点、对象节点、对象类型节点、方法节点、视图节点、参考类型节点，各种类型节点的语义及关系如图2所示。OPCUA标准元模型预定义了很多标准的数据类型、变量类型、对象类型与参考类型，如表示属性的变量类型PropertyType、表示基本事件类型的对象类型BaseEventType、表示组织层次结构的参考类型Organizes等。另外，OPCUA还提供了对元模型进行扩展的自由度，客户端可以可以自动识别自定义类型的语义，如自定义枚举数据类型MachineStatus表示系统状态、自定义对象类型SCARAType表示对SCARA设备的抽象等，通过这些操作可以丰富语义，更加灵活地建立信息模型。OPCUA信息建模是面向对象进行建模的，对象类型节点与对象节点相当于类与类的实例化，部分参考类型也可以以面向对象的思想理解，如HasSubType参考类型相当于继承，HasComponent相当于类中的变量与方法等。此外，事件是处理信息鸿沟的重要方法之一基于OPCUA的信息建模对多源异构数据的融合与解析具有非常重要的意义。因此，在制造工厂对各种设备与系统建立合理且完整的信息模型，使同一种类型的设备与系统对外呈现标准的接口，实现语义的统一，是实现智能制造互联互通的首要工作。2.2利用opcua实现动态配置首先，对目标将应用OPCUA功能的设备或系统进行分析。观察设备或系统的使用场景，看其是应用于设备级、车间级或企业级，分析其组成元素和包含的异构数据，确定需要实现的功能。其次，建立设备或系统的信息模型。查看是否存在适用的行业伴随模型，如建立车间机床信息模型可以参考我国于2019年发布的《数字化车间机床制造信息模型》（GB/T37928-2019）相关标准然后，选择使用的OPCUA开发库。当开发OPCUA服务器或客户端时，一般不会从标准读起，从零开始进行自主研发，而是会使用开源库或者商业库进行开发。常用的OPCUA开源库有open62541库，商业库有UnifiedAutomation、Prosys等公司提供的OPCUASDK最后，在设备或系统中开发OPCUA服务器实现信息模型的实例化。通过节点映射关系、数据采集策略、数据缓存策略实现对多源异构数据源的绑定，并绑定方法，设置事件与报警、历史访问、访问安全2.3opcua在风电发电领域的应用OPCUA作为具有巨大优越性的通讯协议，已经得到了广泛的应用。德国倍福公司于2010年5月开发了支持OPCUA的海上风力发电机，是OPCUA在工控领域的第一次成功应用在我国，2017年9月GB/T33863.1～.8-2017《OPC统一架构》前8个部分发布，OPCUA技术在我国也得到越来越广泛的应用，包括针织领域3opcua在工业领域的应用现状OPCUA已经得到充足的应用，但当前仍存在一些问题需要解决，主要包括以下几个方面。(1）设备与系统的升级。使用OPCUA技术，实现设备与系统的互联互通能带来巨大的优势，但各种制造工厂已经存在大量设备与产线，新的数字化车间、智能设备在制造业中所占的比例较小。现有的设备不可能完全舍弃，只能在维护现有设备与系统的同时进行逐步的改造与升级。然而，现实中的设备的寿命周期较长，如美国生产线的平均寿命程度为22年(2）标准化信息模型的建立。只有建立了各行各业中标准化的信息模型，实现语义的统一，才能实现真正的即插即用。但目前大部分自动化行业尚未建立标准化的OPCUA信息模型供设备制造商参考与使用，不同的设备制造商对相同的设备使用不同的信息模型显然与建立信息模型的初衷相悖。(3）实时性问题。目前OPCUA相关应用的实现机制基本采用了客户端/服务器（C/S）架构。该架构在传输层的基本通讯协议主要为TCP通讯协议，因此，具备序列号、确认应答机制、超时重传等保证可靠性的机制，同时这些机制也导致了无法保证实时性。另外，制造现场所需要传输与解析的多源异构数据成倍增加，OPCUA服务器中的节点数量在不断增多，当多个OPCUA客户端同时连接OPCUA服务器传输大量数据时，资源开销巨大，对网络带宽的要求增高，实时性愈加无法保证。(4）跨网络问题。现今，自动化金字塔的工业物联网架构已经不能满足现代智能制造的需求，设备及系统不仅需要纵向的上位机与下位机间的通信，还需要设备与设备、系统与系统之间的数据交互，即横向的通信；另外，云计算、孪生车间等技术需要云平台直接连接现场设备，即跨层级的任意的联通。当前大部分的研究应用都是基于同一个网络下的互联，而不同的设备或系统可能位于不同网络，应用OPCUA技术实现跨局域网的安全可靠且实时性较高的互联互通仍是需要解决的问题。(5）嵌入式系统中的OPCUA。生活中嵌入式系统无处不在，家用电器如咖啡机及生活用品如智能手表均为嵌入式系统，在工业制造中常用的传感器也为嵌入式系统。嵌入式平台可以认为是用于实现某特定系统的控制与调节的计算平台，且大部分嵌入式系统计算能力相对较弱4关于opc的研究4.1发展趋同技术及方案为了解决传统的C/S实现机制因为实时性、资源受限而导致的OPCUA通讯效率收到制约的问题为了使信息在来自不同厂商的发布者和订阅者之间的自由传递，在MOM模型的基础上开发了多种协议，其中使用最为广泛的方案是高级消息队列协议（AMQP）和消息队列遥测传输（MQTT）。其中，AMQP提供了更多安全方面的功能Pub/Sub的OPCUA实现机制可用于制造车间中实现横向的互联互通，同一产线中不同设备间的互相通信对工序协同、故障避免等具有重要意义。另外，Pub/Sub结合AMQP与MQTT技术，为设备上云提供了支持。作为OPCUA较新内容，Pub/Sub未来将会得到更多的研究与更广泛的应用。4.2时间敏感网络OPCUA无法保证数据传输时的实时性，限制了OPCUA的使用场合，由此，时间敏感网络（TSN）结合OPCUA应运而生4.3基于opcua的通讯软件针对上文中提到的当前OPCUA应用时存在的问题，未来将会不断地有相关的研究，如不断地建立应用于各行各业中的基于OPCUA的信息模型、在各种嵌入式系统加入OPCUA通讯功能等。其次，当前工业现场已经存在大量的通讯协议，协议转换中间件的开发具有一定的必要性，如ModbusTCP协议的OPCUA中间件5基于opcua技术的互联互通随着信息时代的到来，人们对信息共享的需求越来越高，也促使着制造工厂