智能制造中的opcua技術(shù)研究與應(yīng)用

智能制造中的opcua技術(shù)研究與應(yīng)用

0opcua技術(shù)概述隨著“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025計(jì)劃”的提出，制造業(yè)開始轉(zhuǎn)向智能制造。OPCUA(ObjectLinkingandEmbeddingforProcessControlUnifiedArchitecture）是用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的一種標(biāo)準(zhǔn)化的、完全開放的通訊協(xié)議，已經(jīng)被德國(guó)機(jī)械及制造商協(xié)會(huì)（VDMA）指定為工業(yè)4.0通信的推薦規(guī)范本文以智能制造互聯(lián)互通研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)OPCUA為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)OPCUA技術(shù)進(jìn)行了介紹，包括OPCUA的發(fā)展歷程及其技術(shù)特點(diǎn)；其次講述了OPCUA信息建模和OPCUA應(yīng)用的開發(fā)流程，介紹了現(xiàn)階段OPCUA技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況；然后分析了應(yīng)用OPCUA技術(shù)時(shí)存在的問題；最后展望了OPCUA技術(shù)相關(guān)研究的進(jìn)展。本文為OPCUA技術(shù)的應(yīng)用和研究提供了參考。1啟動(dòng)opc阿富汗1.1纖維增強(qiáng)技術(shù)—OPCUA技術(shù)發(fā)展歷程1995年，OPC(ObjectLinkingandEmbeddingforProcessControl）技術(shù)由OPC基金會(huì)提出1.2opcua技術(shù)特點(diǎn)(1）訪問的統(tǒng)一性。OPCUA將OPC技術(shù)中的DA、A&E、HDA及各種命令集合在一起，形成地址空間，客戶端只需要一次訪問，即可獲得所有的信息(2）面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）。應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)進(jìn)行聯(lián)系，服務(wù)是中立的，獨(dú)立于硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語言(3）高性能通信。通過單一的端口進(jìn)行通信，減少了配置的時(shí)間，通過通信棧進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼、加密和傳輸，通信速度較快。(4）安全性。OPCUA使用標(biāo)準(zhǔn)安全模型保證安全性，底層提供加密和安全通道，主要通過非對(duì)稱加密方式和X.509證書保證安全性(5）可靠性與冗余性。采用冗余校驗(yàn)技術(shù)，具備對(duì)錯(cuò)誤的自動(dòng)檢查與糾正能力。(6)C/S與Pub/Sub實(shí)現(xiàn)機(jī)制。OPCUA提供了兩種不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制：一種為主要基于TCP的客戶端/服務(wù)器模型（C/S），一種為主要基于UDP的發(fā)布者/訂閱者模型（Pub/Sub）。不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制應(yīng)用于不用的場(chǎng)景。(7）面向?qū)ο蠼?。OPCUA具備強(qiáng)大的建模能力對(duì)于制造過程中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，使用具有眾多優(yōu)越性的OPCUA技術(shù)進(jìn)行傳輸和解析，可以使多元異構(gòu)數(shù)據(jù)得到利用，有利于設(shè)備及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。24ue的應(yīng)用和研究2.1opcua語義及對(duì)元模型的生成信息建模是工業(yè)4.0中的一個(gè)關(guān)鍵因素，代表數(shù)據(jù)的意義與對(duì)數(shù)據(jù)的描述，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的關(guān)鍵即為建立標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型在OPCUA技術(shù)中，信息模型包含在OPCUA服務(wù)器的地址空間中，完全互聯(lián)并以圖拓?fù)涑尸F(xiàn)，有利用實(shí)現(xiàn)訪問的統(tǒng)一性。在地址空間中，節(jié)點(diǎn)為基本單位，而節(jié)點(diǎn)是由屬性和引用兩部分組成，屬性用于描述特定節(jié)點(diǎn)，引用代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，通過引用形成了地址空間的層次結(jié)構(gòu)。在OPCUA的地址空間中，總共有8種類型的節(jié)點(diǎn)，分別為數(shù)據(jù)類型節(jié)點(diǎn)、變量節(jié)點(diǎn)、變量類型節(jié)點(diǎn)、對(duì)象節(jié)點(diǎn)、對(duì)象類型節(jié)點(diǎn)、方法節(jié)點(diǎn)、視圖節(jié)點(diǎn)、參考類型節(jié)點(diǎn)，各種類型節(jié)點(diǎn)的語義及關(guān)系如圖2所示。OPCUA標(biāo)準(zhǔn)元模型預(yù)定義了很多標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類型、變量類型、對(duì)象類型與參考類型，如表示屬性的變量類型PropertyType、表示基本事件類型的對(duì)象類型BaseEventType、表示組織層次結(jié)構(gòu)的參考類型Organizes等。另外，OPCUA還提供了對(duì)元模型進(jìn)行擴(kuò)展的自由度，客戶端可以可以自動(dòng)識(shí)別自定義類型的語義，如自定義枚舉數(shù)據(jù)類型MachineStatus表示系統(tǒng)狀態(tài)、自定義對(duì)象類型SCARAType表示對(duì)SCARA設(shè)備的抽象等，通過這些操作可以豐富語義，更加靈活地建立信息模型。OPCUA信息建模是面向?qū)ο筮M(jìn)行建模的，對(duì)象類型節(jié)點(diǎn)與對(duì)象節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于類與類的實(shí)例化，部分參考類型也可以以面向?qū)ο蟮乃枷肜斫?，如HasSubType參考類型相當(dāng)于繼承，HasComponent相當(dāng)于類中的變量與方法等。此外，事件是處理信息鴻溝的重要方法之一基于OPCUA的信息建模對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與解析具有非常重要的意義。因此，在制造工廠對(duì)各種設(shè)備與系統(tǒng)建立合理且完整的信息模型，使同一種類型的設(shè)備與系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的接口，實(shí)現(xiàn)語義的統(tǒng)一，是實(shí)現(xiàn)智能制造互聯(lián)互通的首要工作。2.2利用opcua實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置首先，對(duì)目標(biāo)將應(yīng)用OPCUA功能的設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行分析。觀察設(shè)備或系統(tǒng)的使用場(chǎng)景，看其是應(yīng)用于設(shè)備級(jí)、車間級(jí)或企業(yè)級(jí)，分析其組成元素和包含的異構(gòu)數(shù)據(jù)，確定需要實(shí)現(xiàn)的功能。其次，建立設(shè)備或系統(tǒng)的信息模型。查看是否存在適用的行業(yè)伴隨模型，如建立車間機(jī)床信息模型可以參考我國(guó)于2019年發(fā)布的《數(shù)字化車間機(jī)床制造信息模型》（GB/T37928-2019）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)然后，選擇使用的OPCUA開發(fā)庫。當(dāng)開發(fā)OPCUA服務(wù)器或客戶端時(shí)，一般不會(huì)從標(biāo)準(zhǔn)讀起，從零開始進(jìn)行自主研發(fā)，而是會(huì)使用開源庫或者商業(yè)庫進(jìn)行開發(fā)。常用的OPCUA開源庫有open62541庫，商業(yè)庫有UnifiedAutomation、Prosys等公司提供的OPCUASDK最后，在設(shè)備或系統(tǒng)中開發(fā)OPCUA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)信息模型的實(shí)例化。通過節(jié)點(diǎn)映射關(guān)系、數(shù)據(jù)采集策略、數(shù)據(jù)緩存策略實(shí)現(xiàn)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源的綁定，并綁定方法，設(shè)置事件與報(bào)警、歷史訪問、訪問安全2.3opcua在風(fēng)電發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用OPCUA作為具有巨大優(yōu)越性的通訊協(xié)議，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。德國(guó)倍福公司于2010年5月開發(fā)了支持OPCUA的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是OPCUA在工控領(lǐng)域的第一次成功應(yīng)用在我國(guó)，2017年9月GB/T33863.1～.8-2017《OPC統(tǒng)一架構(gòu)》前8個(gè)部分發(fā)布，OPCUA技術(shù)在我國(guó)也得到越來越廣泛的應(yīng)用，包括針織領(lǐng)域3opcua在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀OPCUA已經(jīng)得到充足的應(yīng)用，但當(dāng)前仍存在一些問題需要解決，主要包括以下幾個(gè)方面。(1）設(shè)備與系統(tǒng)的升級(jí)。使用OPCUA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)的互聯(lián)互通能帶來巨大的優(yōu)勢(shì)，但各種制造工廠已經(jīng)存在大量設(shè)備與產(chǎn)線，新的數(shù)字化車間、智能設(shè)備在制造業(yè)中所占的比例較小?，F(xiàn)有的設(shè)備不可能完全舍棄，只能在維護(hù)現(xiàn)有設(shè)備與系統(tǒng)的同時(shí)進(jìn)行逐步的改造與升級(jí)。然而，現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備的壽命周期較長(zhǎng)，如美國(guó)生產(chǎn)線的平均壽命程度為22年(2）標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的建立。只有建立了各行各業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型，實(shí)現(xiàn)語義的統(tǒng)一，才能實(shí)現(xiàn)真正的即插即用。但目前大部分自動(dòng)化行業(yè)尚未建立標(biāo)準(zhǔn)化的OPCUA信息模型供設(shè)備制造商參考與使用，不同的設(shè)備制造商對(duì)相同的設(shè)備使用不同的信息模型顯然與建立信息模型的初衷相悖。(3）實(shí)時(shí)性問題。目前OPCUA相關(guān)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)機(jī)制基本采用了客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)。該架構(gòu)在傳輸層的基本通訊協(xié)議主要為TCP通訊協(xié)議，因此，具備序列號(hào)、確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制、超時(shí)重傳等保證可靠性的機(jī)制，同時(shí)這些機(jī)制也導(dǎo)致了無法保證實(shí)時(shí)性。另外，制造現(xiàn)場(chǎng)所需要傳輸與解析的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)成倍增加，OPCUA服務(wù)器中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量在不斷增多，當(dāng)多個(gè)OPCUA客戶端同時(shí)連接OPCUA服務(wù)器傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，資源開銷巨大，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求增高，實(shí)時(shí)性愈加無法保證。(4）跨網(wǎng)絡(luò)問題?，F(xiàn)今，自動(dòng)化金字塔的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代智能制造的需求，設(shè)備及系統(tǒng)不僅需要縱向的上位機(jī)與下位機(jī)間的通信，還需要設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，即橫向的通信；另外，云計(jì)算、孿生車間等技術(shù)需要云平臺(tái)直接連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，即跨層級(jí)的任意的聯(lián)通。當(dāng)前大部分的研究應(yīng)用都是基于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下的互聯(lián)，而不同的設(shè)備或系統(tǒng)可能位于不同網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用OPCUA技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨局域網(wǎng)的安全可靠且實(shí)時(shí)性較高的互聯(lián)互通仍是需要解決的問題。(5）嵌入式系統(tǒng)中的OPCUA。生活中嵌入式系統(tǒng)無處不在，家用電器如咖啡機(jī)及生活用品如智能手表均為嵌入式系統(tǒng)，在工業(yè)制造中常用的傳感器也為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式平臺(tái)可以認(rèn)為是用于實(shí)現(xiàn)某特定系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)的計(jì)算平臺(tái)，且大部分嵌入式系統(tǒng)計(jì)算能力相對(duì)較弱4關(guān)于opc的研究4.1發(fā)展趨同技術(shù)及方案為了解決傳統(tǒng)的C/S實(shí)現(xiàn)機(jī)制因?yàn)閷?shí)時(shí)性、資源受限而導(dǎo)致的OPCUA通訊效率收到制約的問題為了使信息在來自不同廠商的發(fā)布者和訂閱者之間的自由傳遞，在MOM模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了多種協(xié)議，其中使用最為廣泛的方案是高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議（AMQP）和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）。其中，AMQP提供了更多安全方面的功能Pub/Sub的OPCUA實(shí)現(xiàn)機(jī)制可用于制造車間中實(shí)現(xiàn)橫向的互聯(lián)互通，同一產(chǎn)線中不同設(shè)備間的互相通信對(duì)工序協(xié)同、故障避免等具有重要意義。另外，Pub/Sub結(jié)合AMQP與MQTT技術(shù)，為設(shè)備上云提供了支持。作為OPCUA較新內(nèi)容，Pub/Sub未來將會(huì)得到更多的研究與更廣泛的應(yīng)用。4.2時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)OPCUA無法保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的實(shí)時(shí)性，限制了OPCUA的使用場(chǎng)合，由此，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）結(jié)合OPCUA應(yīng)運(yùn)而生4.3基于opcua的通訊軟件針對(duì)上文中提到的當(dāng)前OPCUA應(yīng)用時(shí)存在的問題，未來將會(huì)不斷地有相關(guān)的研究，如不斷地建立應(yīng)用于各行各業(yè)中的基于OPCUA的信息模型、在各種嵌入式系統(tǒng)加入OPCUA通訊功能等。其次，當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)存在大量的通訊協(xié)議，協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件的開發(fā)具有一定的必要性，如ModbusTCP協(xié)議的OPCUA中間件5基于opcua技術(shù)的互聯(lián)互通隨著信息時(shí)代的到來，人們對(duì)信息共享的需求越來越高，也促使著制造工廠