工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 課件 12 OPC UA通信及應(yīng)用

OPC UA通信及應(yīng)用一、OPCUA通信二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化三、數(shù)控系統(tǒng)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信一、OPCUA通信1.什么是OPCOPC規(guī)范定義了一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，它基于微軟的OLE/COM（ComponentObjectModel）技術(shù)，采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)基于驅(qū)動程序的客戶機(jī)/服務(wù)器模型相比見圖1，OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從底層的開發(fā)中脫離出來，從而使控制系統(tǒng)、現(xiàn)場設(shè)備與工廠管理層應(yīng)用程序之間具有更大的互操作性。一、OPCUA通信如圖1所示，OLE/COM的擴(kuò)展遠(yuǎn)程OLE自動化與DCOM（DistributedCOM）技術(shù)支持TCP/IP等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以將OPC客戶、服務(wù)器在物理上分開，即分布于不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。如此硬件開發(fā)商通過提供帶有OPC接口的服務(wù)器，即可使得任何帶有OPC接口的客戶程序都可采取統(tǒng)一的方式存取不同硬件廠商設(shè)備的數(shù)據(jù)。（a）基于驅(qū)動程序的客戶機(jī)/服務(wù)器模型（b）基于OPC的客戶機(jī)/服務(wù)器模型圖1控制層與現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)交換一、OPCUA通信2.OPC與OPCUAOPC技術(shù)在控制級別很好地解決了監(jiān)控軟件與硬件設(shè)備的互通性問題，并且在一定程度上支持了軟件之間的實時數(shù)據(jù)交換。然而這種傳統(tǒng)的OPC規(guī)范在面向更大規(guī)模的企業(yè)用軟件在互聯(lián)性能上對數(shù)據(jù)通信的要求存在一定的不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。①微軟COM/DCOM技術(shù)的局限性，主要表現(xiàn)在實現(xiàn)DCOM時的繁瑣操作以及可能會存在的安全隱患；②缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，大大降低了數(shù)據(jù)訪問效率，導(dǎo)致用戶使用的不便；③缺少跨平臺通用性，COM技術(shù)的局限使得其平臺可移植性較差；④較難與Internet應(yīng)用程序集成。一、OPCUA通信為彌補(bǔ)上述不足，OPCUA（UnifiedArchitecture，即統(tǒng)一架構(gòu)）應(yīng)運而生。如圖2所示，OPCUA以統(tǒng)一的架構(gòu)與模式，既可以實現(xiàn)設(shè)備底層的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備互操作等的橫向信息集成，又可以實現(xiàn)設(shè)備到SCADA、SCADA到MES（生產(chǎn)工程執(zhí)行系統(tǒng)）、設(shè)備到云端的垂直信息集成，讓數(shù)據(jù)采集、信息模型化，使工廠底層與企業(yè)層面之間的通信更加安全、可靠。圖2OPCUA應(yīng)用形式一、OPCUA通信3.OPCUA的改進(jìn)相對于傳統(tǒng)的OPC規(guī)范，OPCUA主要在以下幾個方面做了改進(jìn)。（1）訪問統(tǒng)一性如圖3所示，OPCUA有效地將現(xiàn)有的OPC規(guī)范（DA、A&E、HDA、命令、復(fù)雜數(shù)據(jù)和對象類型）集成進(jìn)來，成為目前新的OPCUA規(guī)范。OPCUA定義了全新集成的API（應(yīng)用程序接口），提供了一致、完整的地址空間和服務(wù)模型，使得在同一個OPC服務(wù)區(qū)下更方便地訪問實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警信息等，有效避免通過不同的OPC服務(wù)器各自的API訪問不同的數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)OPC同一系統(tǒng)的信息不能以統(tǒng)一方式被訪問的問題。圖3訪問統(tǒng)一性一、OPCUA通信（2）通信性能OPCUA規(guī)范可以通過任何單一端口（經(jīng)管理員開放后）進(jìn)行通信。這讓穿越防火墻不再是OPC通信的路障，并且為提高傳輸性能，OPCUA消息的編碼格式可以是XML文本格式或二進(jìn)制格式。如圖4所示，OPCUA也可使用多種傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，比如：TCP和通過HTTP的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，即OPCUA規(guī)范實現(xiàn)了通過因特網(wǎng)和通過防火墻的標(biāo)準(zhǔn)化與安全通信。圖4通信性能一、OPCUA通信（3）可靠性、冗余性如圖5所示，OPCUA使用可靠的通信機(jī)制、可配置的超時、自動錯誤檢查和自動恢復(fù)等機(jī)制，定義了一種可靠、堅固的架構(gòu)，對OPCUA客戶機(jī)與服務(wù)器之間的物理連接可以進(jìn)行監(jiān)視，以便隨時發(fā)現(xiàn)通信中的穩(wěn)定性。另外，OPCUA具有冗余特性，可以在服務(wù)器和客戶機(jī)應(yīng)用中實施，防止數(shù)據(jù)的丟失，實現(xiàn)高可用性系統(tǒng)。圖5OPCUA冗余性一、OPCUA通信（4）標(biāo)準(zhǔn)安全模型如圖6所示，OPCUA訪問規(guī)范明確提出了標(biāo)準(zhǔn)安全模型，每個OPCUA應(yīng)用都必須執(zhí)行OPCUA安全協(xié)議，這在提高互通性的同時降低了維護(hù)和額外配置費用。用于OPCUA應(yīng)用程序之間傳遞消息的底層通信技術(shù)提供了加密功能和標(biāo)記技術(shù)，保證了消息的完整性，也防止信息的泄漏。圖6安全數(shù)據(jù)訪問一、OPCUA通信（5）平臺無關(guān)性O(shè)PCUA軟件的開發(fā)不再依靠和局限于任何特定的操作平臺。如圖7所示，由于使用了基于面向服務(wù)的技術(shù)，OPCUA具有平臺獨立的屬性，可以實施全新的、節(jié)省成本的自動化理念。嵌入式現(xiàn)場設(shè)備、過程控制系統(tǒng)（DCS）、PLC、HMI等可以依靠OPCUA服務(wù)器直接連到各種類型的操作系統(tǒng)。過去只局限于Windows平臺的OPC技術(shù)拓展到了Linux、Unix、Mac等各種其它平臺。基于Internet的WebService服務(wù)架構(gòu)(SOA)和非常靈活的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，OPCUA的發(fā)展不僅立足于現(xiàn)在，更加面向未來。圖7平臺無關(guān)性二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化1.傳統(tǒng)的OPC技術(shù)OPC技術(shù)：為工業(yè)控制和生產(chǎn)自動化領(lǐng)域提供了一套硬件和軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)，使過程控制系統(tǒng)中的自動化控制應(yīng)用軟件與現(xiàn)場設(shè)備之間具有更強(qiáng)的互操作性。OPC基于微軟的COM/DCOM技術(shù)，實現(xiàn)了無論現(xiàn)場設(shè)備是什么類型，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問。應(yīng)用軟件只需要訪問OPC服務(wù)器，即可實現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信，硬件設(shè)備只需要一個驅(qū)動程序，就可以與所有的軟件實現(xiàn)通信。OPC服務(wù)器集成了多種總線協(xié)議，可以實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。圖8采用OPC技術(shù)的過程控制系統(tǒng)二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化傳統(tǒng)OPC技術(shù)存在以下幾方面的不足：（1）缺少跨平臺的通用性由于COM技術(shù)對Microsoft平臺的依賴性，其平臺的可移植性較差，這使得基于DCOM/COM技術(shù)的OPC接口的應(yīng)用只能限制于企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)和Windows平臺。（2）微軟DCOM/COM技術(shù)的局限性為實現(xiàn)DCOM功能，計算機(jī)系統(tǒng)中需要設(shè)置多個防火墻端口，以滿足分布式控制系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)置過程復(fù)雜，且有很大的安全隱患。微軟于2002年發(fā)布了新的.NET框架并且宣布停止COM技術(shù)的研發(fā)，這影響了基于DCOM/COM技術(shù)的傳統(tǒng)OPC技術(shù)的發(fā)展。二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化（3）較難與Internet應(yīng)用程序集成傳統(tǒng)的OPC基于二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸，很難穿過網(wǎng)絡(luò)防火墻，因此基于COM/DCOM技術(shù)的OPC接口不能與Internet應(yīng)用程序進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交換，盡管通過OPCXML技術(shù)實現(xiàn)了與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的的數(shù)據(jù)通信，但是數(shù)據(jù)吞吐量相比DCOM還是有所減少。（4）缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型目前存在多種版本的OPC數(shù)據(jù)交換規(guī)范，如實時數(shù)據(jù)訪問規(guī)范(OPCDA)，歷史數(shù)據(jù)訪問規(guī)范(OPCHAD)，報警事件訪問范(OPCA&E)等。OPCCOM特性將不同的功能分布于多個OPC服務(wù)器，通過接口連接代表不同特性的功能，這造成了單一系統(tǒng)的信息不能通過一致的方式進(jìn)行訪問。二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化2.OPCUAOPCUA是基于之前OPC成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，推出的一個新的工業(yè)軟件接口規(guī)范，其目的在于提出一個企業(yè)制造模型的統(tǒng)一對象和架構(gòu)定義，具有跨平臺、增強(qiáng)命名空間、支持復(fù)雜數(shù)據(jù)內(nèi)置、大量通用服務(wù)等新特點。OPCUA是傳統(tǒng)OPC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，提供了一些重要的特性，包括如平臺獨立性，擴(kuò)展性，高可靠性和連接互聯(lián)網(wǎng)的能力。通過OPCUA，所有需要的信息在任何時間，任何地點對每個授權(quán)的人員都可用。圖9OPCUA二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化OPCUA的技術(shù)優(yōu)化：（1）集成性O(shè)PCUA集成了幾乎現(xiàn)存的所有的OPC規(guī)范，包括OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范、OPC報警事件規(guī)范、安全性規(guī)范、XML數(shù)據(jù)存取規(guī)范、歷史數(shù)據(jù)訪問規(guī)范等。OPCUA將各個規(guī)范的地址空間集成在一個平臺上，實現(xiàn)了不同規(guī)范在同一地址空間中的調(diào)用。OPCUA提供了一致、完整的地址空間和服務(wù)模型，解決了過去同一系統(tǒng)的信息不能以統(tǒng)一方式被訪問的問題。如圖10所示是OPCUA的集成性優(yōu)化。圖10OPCUA的集成性優(yōu)化二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化（2）通信性能OPCUA規(guī)范可以通過任何單一端口（經(jīng)管理員開放后）進(jìn)行通信，如圖11所示。這讓穿越防火墻不再是OPC通信的路障，并且提高了傳輸性能，減少了安全隱患。OPCUA消息的編碼格式可以是XML文本格式或二進(jìn)制格式，也可使用多種傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，比如：TCP和通過HTTP的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。圖11OPCUA在通信性能上的優(yōu)化二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化（3）可靠性、冗余性O(shè)PCUA的開發(fā)含有高度可靠性和冗余性的設(shè)計。可調(diào)試的逾時設(shè)置，錯誤發(fā)現(xiàn)和自動糾正等新特征，都使得符合OPCUA規(guī)范的軟件產(chǎn)品可以很自如地處理通信錯誤和失敗。OPCUA的標(biāo)準(zhǔn)冗余模型也使得來自不同廠商的軟件應(yīng)用可以同時被采納并彼此兼容。圖12OPCUA的高可靠性和冗余性二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化（4）平臺無關(guān)性O(shè)PCUA軟件的開發(fā)不再依靠和局限于任何特定的操作平臺。過去只局限于Windows平臺的OPC技術(shù)拓展到了Linux、Unix、Mac等各種其它平臺。這意味著開發(fā)者可以使用他們熟悉的語言和操作系統(tǒng)開發(fā)基于OPCUA的應(yīng)用，而不只有一種通過http使用SOAP/XML的選擇?；贗nternet的WebService服務(wù)架構(gòu)(SOA)和非常靈活的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)使OPCUA的發(fā)展不僅立足于現(xiàn)在，更加面向未來。圖13OPCUA的平臺無關(guān)性二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化（5）標(biāo)準(zhǔn)安全模型OPCUA訪問規(guī)范明確提出了標(biāo)準(zhǔn)安全模型，每個OPCUA應(yīng)用都必須執(zhí)行OPCUA安全協(xié)議，這在提高互通性的同時降低了維護(hù)和額外配置費用。用于OPCUA應(yīng)用程序之間傳遞消息的底層通信技術(shù)，提供了數(shù)據(jù)加密功能和標(biāo)記技術(shù)，保證了消息的完整性，也防止了信息的泄漏。圖14OPCUA標(biāo)準(zhǔn)安全模型數(shù)據(jù)加密標(biāo)記二、從OPC到OPCUA的進(jìn)化3.OPCUA的優(yōu)勢（1）基于TCP/IP通信，同時利用了WebService技術(shù)、XML技術(shù)以及.NET架構(gòu)，解決了跨越微軟系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了多平臺的互操作性。（2）集成的OPCUA數(shù)據(jù)加密功能符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)，通過用戶鑒權(quán)、簽名和加密傳輸?shù)确绞?，防止非授?quán)訪問和過程數(shù)據(jù)損壞。為Internet及各企業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的遠(yuǎn)程訪問和數(shù)據(jù)共享、客戶端和服務(wù)器之間的安全通訊提供了保障。（3）在實現(xiàn)各個規(guī)范地址空間的集成的基礎(chǔ)上，OPCUA支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以完整地描述復(fù)雜的過程和系統(tǒng)；實現(xiàn)了單一系統(tǒng)信息的一致性訪問，大大提高了通信速率。（4）OPCUA基于TCPUA二進(jìn)制協(xié)議，使用了高效的數(shù)據(jù)編碼，提供了非常高效的數(shù)據(jù)傳輸，可以滿足更高的性能要求。三、數(shù)控系統(tǒng)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信1.WinCC與數(shù)控系統(tǒng)的通信設(shè)置步驟操作示意圖一、數(shù)控系統(tǒng)通信地址設(shè)置1在“調(diào)試”界面中，選擇“網(wǎng)絡(luò)”，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)界面2點擊屏幕右側(cè)對應(yīng)“更改”的按鈕，對X130端口的IP地址進(jìn)行設(shè)置3輸入新的IP地址：10，點擊“確認(rèn)”按鈕，重啟數(shù)控系統(tǒng)后可生效三、數(shù)控系統(tǒng)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信步驟操作示意圖4在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置一覽中，查看重啟后網(wǎng)絡(luò)端口的IP地址和子網(wǎng)掩碼5點擊屏幕右側(cè)的“公司網(wǎng)絡(luò)”按鈕，可查看端口號：TCP/4840三、數(shù)控系統(tǒng)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信步驟操作示意圖二、WinCCRTProfessional與數(shù)控系統(tǒng)的OPCUA連接6在項目樹中選中已添加的WinCC設(shè)備下，雙擊選擇“連接”選項，添加一個OPCUA連接7在連接參數(shù)中，填寫OPC服務(wù)器的“URL”：opc.tcp://10:4840，其中包括數(shù)控系統(tǒng)IP地址及其端口號，連接完成三、數(shù)控系統(tǒng)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信2.WinCC與數(shù)控系統(tǒng)的通信設(shè)置WinCC設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)通信設(shè)置完成后，便可對數(shù)控系統(tǒng)的監(jiān)控變量進(jìn)行讀取和添加。在WinCC中選擇數(shù)控系統(tǒng)所需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)變量，相關(guān)變量的路徑可查詢表1。表1數(shù)控系統(tǒng)變量路徑監(jiān)控參數(shù)WinCC設(shè)備變量地址查找路徑主軸位置X軸位置Root/Objects/Sinumerik/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[1]Y軸位置Root/Objects/Sinumerik/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[2]Z軸位置Root/Objects/Sinumerik/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[3]主軸轉(zhuǎn)速主軸轉(zhuǎn)速Root/Objects/Sinumerik/Nck/LogicalSpindle/actSpeed[4]三色燈狀態(tài)紅燈Root/Objects/Sinumerik/Plc/Q0.2黃燈Root/Objects/Sinumerik/Plc/Q0.3綠燈Root/Objects/Sinumerik/Plc/Q0.4三、數(shù)控系統(tǒng)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控變量的添加是建立在WinCC與數(shù)控系統(tǒng)建立的OPCUA連接的基礎(chǔ)上。在WinCC設(shè)備下，添加HMI變量，這些變量作為連接SCADA系統(tǒng)界面與數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的橋梁；變量實際上是從數(shù)控系統(tǒng)讀取的，為了讀取這些變量，需要提供一個數(shù)控系統(tǒng)的連接地址，來找到要讀取的數(shù)值。由于三軸位置和主軸轉(zhuǎn)速對應(yīng)的變量形式為數(shù)組，需要從對應(yīng)數(shù)組中選擇具體的元素與之關(guān)聯(lián)。“X軸位置”對應(yīng)的變量為actToolBasePos數(shù)組的第一位元素，“Y軸位置”對應(yīng)第二位，“Z軸位置”對應(yīng)第三位；主軸轉(zhuǎn)速對應(yīng)actSpeed數(shù)組的第四位元素。三、數(shù)控系統(tǒng)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信步驟操作示意圖1在HMI變量中添加需要監(jiān)控的變量。輸入變量名“X軸位置”，連接方式選擇已建立起的OPC連接“Connection_1”2在WinCC設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)連接在線時，可根據(jù)表XX中的地址查找路徑直接選擇WinCC設(shè)備變量“X軸位置”所對應(yīng)的數(shù)組3“X軸位置”對應(yīng)的變量為actToolBasePos數(shù)組的第一位元素，手動輸入該元素的位數(shù)三、數(shù)控系統(tǒng)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信步驟操作示意圖4參考