工业网络技术 课件 12 OPC UA通信及应用

OPC UA通信及应用一、OPCUA通信二、从OPC到OPCUA的进化三、数控系统与上位机的网络通信一、OPCUA通信1.什么是OPCOPC规范定义了一个工业标准接口，它基于微软的OLE/COM（ComponentObjectModel）技术，采用客户机/服务器结构。与传统基于驱动程序的客户机/服务器模型相比见图1，OPC规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从底层的开发中脱离出来，从而使控制系统、现场设备与工厂管理层应用程序之间具有更大的互操作性。一、OPCUA通信如图1所示，OLE/COM的扩展远程OLE自动化与DCOM（DistributedCOM）技术支持TCP/IP等多种网络协议，可以将OPC客户、服务器在物理上分开，即分布于不同的网络节点。如此硬件开发商通过提供带有OPC接口的服务器，即可使得任何带有OPC接口的客户程序都可采取统一的方式存取不同硬件厂商设备的数据。（a）基于驱动程序的客户机/服务器模型（b）基于OPC的客户机/服务器模型图1控制层与现场设备的数据交换一、OPCUA通信2.OPC与OPCUAOPC技术在控制级别很好地解决了监控软件与硬件设备的互通性问题，并且在一定程度上支持了软件之间的实时数据交换。然而这种传统的OPC规范在面向更大规模的企业用软件在互联性能上对数据通信的要求存在一定的不足，主要表现在以下几个方面。①微软COM/DCOM技术的局限性，主要表现在实现DCOM时的繁琐操作以及可能会存在的安全隐患；②缺乏统一的数据模型，大大降低了数据访问效率，导致用户使用的不便；③缺少跨平台通用性，COM技术的局限使得其平台可移植性较差；④较难与Internet应用程序集成。一、OPCUA通信为弥补上述不足，OPCUA（UnifiedArchitecture，即统一架构）应运而生。如图2所示，OPCUA以统一的架构与模式，既可以实现设备底层的数据采集、设备互操作等的横向信息集成，又可以实现设备到SCADA、SCADA到MES（生产工程执行系统）、设备到云端的垂直信息集成，让数据采集、信息模型化，使工厂底层与企业层面之间的通信更加安全、可靠。图2OPCUA应用形式一、OPCUA通信3.OPCUA的改进相对于传统的OPC规范，OPCUA主要在以下几个方面做了改进。（1）访问统一性如图3所示，OPCUA有效地将现有的OPC规范（DA、A&E、HDA、命令、复杂数据和对象类型）集成进来，成为目前新的OPCUA规范。OPCUA定义了全新集成的API（应用程序接口），提供了一致、完整的地址空间和服务模型，使得在同一个OPC服务区下更方便地访问实时数据、历史数据、报警信息等，有效避免通过不同的OPC服务器各自的API访问不同的数据，解决了传统OPC同一系统的信息不能以统一方式被访问的问题。图3访问统一性一、OPCUA通信（2）通信性能OPCUA规范可以通过任何单一端口（经管理员开放后）进行通信。这让穿越防火墙不再是OPC通信的路障，并且为提高传输性能，OPCUA消息的编码格式可以是XML文本格式或二进制格式。如图4所示，OPCUA也可使用多种传输协议进行传输，比如：TCP和通过HTTP的网络服务，即OPCUA规范实现了通过因特网和通过防火墙的标准化与安全通信。图4通信性能一、OPCUA通信（3）可靠性、冗余性如图5所示，OPCUA使用可靠的通信机制、可配置的超时、自动错误检查和自动恢复等机制，定义了一种可靠、坚固的架构，对OPCUA客户机与服务器之间的物理连接可以进行监视，以便随时发现通信中的稳定性。另外，OPCUA具有冗余特性，可以在服务器和客户机应用中实施，防止数据的丢失，实现高可用性系统。图5OPCUA冗余性一、OPCUA通信（4）标准安全模型如图6所示，OPCUA访问规范明确提出了标准安全模型，每个OPCUA应用都必须执行OPCUA安全协议，这在提高互通性的同时降低了维护和额外配置费用。用于OPCUA应用程序之间传递消息的底层通信技术提供了加密功能和标记技术，保证了消息的完整性，也防止信息的泄漏。图6安全数据访问一、OPCUA通信（5）平台无关性OPCUA软件的开发不再依靠和局限于任何特定的操作平台。如图7所示，由于使用了基于面向服务的技术，OPCUA具有平台独立的属性，可以实施全新的、节省成本的自动化理念。嵌入式现场设备、过程控制系统（DCS）、PLC、HMI等可以依靠OPCUA服务器直接连到各种类型的操作系统。过去只局限于Windows平台的OPC技术拓展到了Linux、Unix、Mac等各种其它平台。基于Internet的WebService服务架构(SOA)和非常灵活的数据交换系统，OPCUA的发展不仅立足于现在，更加面向未来。图7平台无关性二、从OPC到OPCUA的进化1.传统的OPC技术OPC技术：为工业控制和生产自动化领域提供了一套硬件和软件的接口标准，使过程控制系统中的自动化控制应用软件与现场设备之间具有更强的互操作性。OPC基于微软的COM/DCOM技术，实现了无论现场设备是什么类型，客户都以统一的方式去访问。应用软件只需要访问OPC服务器，即可实现与现场设备之间的通信，硬件设备只需要一个驱动程序，就可以与所有的软件实现通信。OPC服务器集成了多种总线协议，可以实现协议的转换。图8采用OPC技术的过程控制系统二、从OPC到OPCUA的进化传统OPC技术存在以下几方面的不足：（1）缺少跨平台的通用性由于COM技术对Microsoft平台的依赖性，其平台的可移植性较差，这使得基于DCOM/COM技术的OPC接口的应用只能限制于企业内部互联网和Windows平台。（2）微软DCOM/COM技术的局限性为实现DCOM功能，计算机系统中需要设置多个防火墙端口，以满足分布式控制系统的应用需求，设置过程复杂，且有很大的安全隐患。微软于2002年发布了新的.NET框架并且宣布停止COM技术的研发，这影响了基于DCOM/COM技术的传统OPC技术的发展。二、从OPC到OPCUA的进化（3）较难与Internet应用程序集成传统的OPC基于二进制数据传输，很难穿过网络防火墙，因此基于COM/DCOM技术的OPC接口不能与Internet应用程序进行正常的数据交换，尽管通过OPCXML技术实现了与互联网应用的的数据通信，但是数据吞吐量相比DCOM还是有所减少。（4）缺乏统一的数据模型目前存在多种版本的OPC数据交换规范，如实时数据访问规范(OPCDA)，历史数据访问规范(OPCHAD)，报警事件访问范(OPCA&E)等。OPCCOM特性将不同的功能分布于多个OPC服务器，通过接口连接代表不同特性的功能，这造成了单一系统的信息不能通过一致的方式进行访问。二、从OPC到OPCUA的进化2.OPCUAOPCUA是基于之前OPC成功应用的基础上，推出的一个新的工业软件接口规范，其目的在于提出一个企业制造模型的统一对象和架构定义，具有跨平台、增强命名空间、支持复杂数据内置、大量通用服务等新特点。OPCUA是传统OPC工业标准的补充，提供了一些重要的特性，包括如平台独立性，扩展性，高可靠性和连接互联网的能力。通过OPCUA，所有需要的信息在任何时间，任何地点对每个授权的人员都可用。图9OPCUA二、从OPC到OPCUA的进化OPCUA的技术优化：（1）集成性OPCUA集成了几乎现存的所有的OPC规范，包括OPC数据访问规范、OPC报警事件规范、安全性规范、XML数据存取规范、历史数据访问规范等。OPCUA将各个规范的地址空间集成在一个平台上，实现了不同规范在同一地址空间中的调用。OPCUA提供了一致、完整的地址空间和服务模型，解决了过去同一系统的信息不能以统一方式被访问的问题。如图10所示是OPCUA的集成性优化。图10OPCUA的集成性优化二、从OPC到OPCUA的进化（2）通信性能OPCUA规范可以通过任何单一端口（经管理员开放后）进行通信，如图11所示。这让穿越防火墙不再是OPC通信的路障，并且提高了传输性能，减少了安全隐患。OPCUA消息的编码格式可以是XML文本格式或二进制格式，也可使用多种传输协议进行传输，比如：TCP和通过HTTP的网络服务。图11OPCUA在通信性能上的优化二、从OPC到OPCUA的进化（3）可靠性、冗余性OPCUA的开发含有高度可靠性和冗余性的设计。可调试的逾时设置，错误发现和自动纠正等新特征，都使得符合OPCUA规范的软件产品可以很自如地处理通信错误和失败。OPCUA的标准冗余模型也使得来自不同厂商的软件应用可以同时被采纳并彼此兼容。图12OPCUA的高可靠性和冗余性二、从OPC到OPCUA的进化（4）平台无关性OPCUA软件的开发不再依靠和局限于任何特定的操作平台。过去只局限于Windows平台的OPC技术拓展到了Linux、Unix、Mac等各种其它平台。这意味着开发者可以使用他们熟悉的语言和操作系统开发基于OPCUA的应用，而不只有一种通过http使用SOAP/XML的选择。基于Internet的WebService服务架构(SOA)和非常灵活的数据交换系统使OPCUA的发展不仅立足于现在，更加面向未来。图13OPCUA的平台无关性二、从OPC到OPCUA的进化（5）标准安全模型OPCUA访问规范明确提出了标准安全模型，每个OPCUA应用都必须执行OPCUA安全协议，这在提高互通性的同时降低了维护和额外配置费用。用于OPCUA应用程序之间传递消息的底层通信技术，提供了数据加密功能和标记技术，保证了消息的完整性，也防止了信息的泄漏。图14OPCUA标准安全模型数据加密标记二、从OPC到OPCUA的进化3.OPCUA的优势（1）基于TCP/IP通信，同时利用了WebService技术、XML技术以及.NET架构，解决了跨越微软系统平台，实现了多平台的互操作性。（2）集成的OPCUA数据加密功能符合国际安全标准，通过用户鉴权、签名和加密传输等方式，防止非授权访问和过程数据损坏。为Internet及各企业网络内的远程访问和数据共享、客户端和服务器之间的安全通讯提供了保障。（3）在实现各个规范地址空间的集成的基础上，OPCUA支持复杂的数据结构，可以完整地描述复杂的过程和系统；实现了单一系统信息的一致性访问，大大提高了通信速率。（4）OPCUA基于TCPUA二进制协议，使用了高效的数据编码，提供了非常高效的数据传输，可以满足更高的性能要求。三、数控系统与上位机的网络通信1.WinCC与数控系统的通信设置步骤操作示意图一、数控系统通信地址设置1在“调试”界面中，选择“网络”，进入网络界面2点击屏幕右侧对应“更改”的按钮，对X130端口的IP地址进行设置3输入新的IP地址：10，点击“确认”按钮，重启数控系统后可生效三、数控系统与上位机的网络通信步骤操作示意图4在网络设置一览中，查看重启后网络端口的IP地址和子网掩码5点击屏幕右侧的“公司网络”按钮，可查看端口号：TCP/4840三、数控系统与上位机的网络通信步骤操作示意图二、WinCCRTProfessional与数控系统的OPCUA连接6在项目树中选中已添加的WinCC设备下，双击选择“连接”选项，添加一个OPCUA连接7在连接参数中，填写OPC服务器的“URL”：opc.tcp://10:4840，其中包括数控系统IP地址及其端口号，连接完成三、数控系统与上位机的网络通信2.WinCC与数控系统的通信设置WinCC设备与数控系统通信设置完成后，便可对数控系统的监控变量进行读取和添加。在WinCC中选择数控系统所需要监控的数据变量，相关变量的路径可查询表1。表1数控系统变量路径监控参数WinCC设备变量地址查找路径主轴位置X轴位置Root/Objects/Sinumerik/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[1]Y轴位置Root/Objects/Sinumerik/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[2]Z轴位置Root/Objects/Sinumerik/Channel/MachineAxis/actToolBasePos[3]主轴转速主轴转速Root/Objects/Sinumerik/Nck/LogicalSpindle/actSpeed[4]三色灯状态红灯Root/Objects/Sinumerik/Plc/Q0.2黄灯Root/Objects/Sinumerik/Plc/Q0.3绿灯Root/Objects/Sinumerik/Plc/Q0.4三、数控系统与上位机的网络通信数控系统监控变量的添加是建立在WinCC与数控系统建立的OPCUA连接的基础上。在WinCC设备下，添加HMI变量，这些变量作为连接SCADA系统界面与数控系统参数的桥梁；变量实际上是从数控系统读取的，为了读取这些变量，需要提供一个数控系统的连接地址，来找到要读取的数值。由于三轴位置和主轴转速对应的变量形式为数组，需要从对应数组中选择具体的元素与之关联。“X轴位置”对应的变量为actToolBasePos数组的第一位元素，“Y轴位置”对应第二位，“Z轴位置”对应第三位；主轴转速对应actSpeed数组的第四位元素。三、数控系统与上位机的网络通信步骤操作示意图1在HMI变量中添加需要监控的变量。输入变量名“X轴位置”，连接方式选择已建立起的OPC连接“Connection_1”2在WinCC设备与数控系统连接在线时，可根据表XX中的地址查找路径直接选择WinCC设备变量“X轴位置”所对应的数组3“X轴位置”对应的变量为actToolBasePos数组的第一位元素，手动输入该元素的位数三、数控系统与上位机的网络通信步骤操作示意图4参考