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2024年3月25日发(作者:distributedcom错误10010)

机电工程技术

50

01

MECHANICAL

&

ELECTRICAL

ENGINEERING

TECHNOLOGY

Vol.50

No.01

DOI:

10.

3969

/j.

issn.

1009-9492.

2021.

01.

001

张宪民

薛栋栋

郑家和

等.

智能制造中基于

0

PC

UA

的多源异构数据传输与解析技术

[J]

.

机电工程技术

2021

,

50

(01)

1-7.

智能制造中基于

OPC

UA

的多源异构数据传输与解析技术

*

张宪民

薛栋栋

郑家和

(华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室

广州

510641

)

摘要

随着信息技术的快速发展,

智能制造技术得到了业界的高度重视

而智能制造的关键环节之一是实现各设备与各系统的互联互通

OPCUA

作为一种用于工业通讯中的数据交互规范

可用于实现对制造过稈中的多源异构数据的传输与解析

进而实现互联互通

以智能制造互联互通研

究领域的热点技术

OPCUA

为出发点

,介绍了

OPCUA

的发展历史与技术特点

在此基础上分析了

OPCUA

技术的研究进展与应用情况

指出了需

要解决的技术问题,

最后对

OPC

UA

技术进行了展望

OPC

UA

技术的应用和研究提供了参考

关键词

OPCUA

多源异构数据

智能制造

;

互联互通

中图分类号:

TP274

文献标志码:

A

文章编号

1009

-

9492(2021)01

-

0001

-

07

开放科学(资源服务)标识码

(OSID)

嚴讓豎瓠

The

Transmission

and

Parse

Technology

of

Multi-source

Heterogeneous

Data

Based

on

OPC

UA

in

Intelligent

Manufacturing

Zhang

Xianmin

Xue

Dongdong

Zheng

Jiahe

Li

Hai

(

Guangdong

Provincial

Key

Laboratory

of

Precision

Equipment

and

Manufacturing

Technology,

South

China

University

of

Technology,

Guangzhou

510641,

China

)

Abstract:

With

the

rapid

development

of

the

information

technology,

intelligent

manufacturing

technology

has

been

highly

valued

by

the

industry,

and

one

of

the

key

links

of

intelligent

manufacturing

is

to

realize

the

interoperability

between

each

device

and

each

system.

As

a

data

interaction

specification

for

industrial

communications,

OPC

UA

can

be

used

to

realize

the

transmission

and

analysis

of

heterogeneous

data

from

multiple

sources

in

the

manufacturing

process,

thus

achieving

interoperability.

Based

on

the

hot

technology

OPC

UA

in

the

field

of

intelligent

manufacturing

interconnection,

the

development

history

and

technical

characteristics

of

OPC

UA

were

introduced.

On

this

basis,

the

research

progress

and

application

of

OPC

UA

technology

were

analyzed,

and

the

technical

problems

to

be

solved

were

pointed

out.

Finally,

the

prospect

of

OPC

UA

technology

was

presented.

It

provides

a

reference

for

the

application

and

research

of

OPC

UA

technology.

Key

words:

OPC

UA;

multi-source

heterogeneous

data;

intelligent

manufacturing;

interoperability

0

引言

随着

工业

4.0

中国制造

2025

规划

的提

制造业开始向智能制造转型

1-2]

o

工业物联网是

深度学习

9

边缘计算

10]

等技术实现物理世界数字

制造数据信息化

制造过程智能化

最终实现

智能制造

第四次工业革命的表现形式

3

一个完整的工业物联

OPC

UA

Object

Linking

and

Embedding

for

Pro

­

网架构从下至上可以分为智能感知层

互联互通层

与智能决策层

3

个层级

4

工业现场存在各种不同的

设备

除了用于加工制造过程

还提供了丰富的数

cess

Control

Unified

Architecture

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

已经被德国机械及制造商协会

VDMA

指定为

但这些设备通信方式多样

语义信息不一

此产生的多源异构的数据无法得到利用

形成了

信息孤岛

5

互联互通层的作用正是提供统一语

工业

4.0

通信的推荐规范

11]

OPC

UA

为多元异构数据

的采集和传输提供了技术方案

对应

ISO/OSI

七层模

如图

1

所示

OPC

UA

为应用于应用层的通讯协

其余层次的通讯协议可以如图所示

本文以智能制造互联互通研究领域的热点技术

OPC

UA

为出发点

OPCUA

技术进行了介绍

义的通信方式

实现对多元异构数据的传输与解

打通数据链

从而实现制造资源向智能化转变

使制造过程中的多源异构数据得到有效利用

6-7

有实现了各设备与各系统的互联互通

使接口标准

OPC

UA

的发展历程及其技术特点

其次讲述了

OPC

UA

信息建模和

OPC

UA

应用的开发流程

,介绍

信息交互简便化

才能进一步地运用孪生车间冋

基金项目

国家重点研发计划项目

编号

2020YFB1713400

收稿日期

2021

-

01

-

04

-

1

-

2021年

01

机电工程技术

50

卷第

01

了现阶段

OPCUA

技术在各个领域中的应用情况

后分析了应用

OPC

UA

技术时存在的问题

最后展望

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

OPC

UA

技术相关研究的进展

本文为

OPC

UA

加密和传输

通信速度较快

术的应用和研究提供了参考

1

ISO/OSI

七层模型

1

OPC

UA

介绍

1.1

OPC

UA

技术发展历程

1995

OPC

Object

Linking

and

Embedding

for

Process

Control

技术由

OPC

基金会提出

12

是微软

公司

OLE

技术在过程控制中的应用

提供了

3

OPC

规范

数据访问

DA

报警和事件

A&E

历史

数据访问

HDA

广泛应用于自动化行业中

OPC

技术存在一系列的问题

如对

Windows

的依赖

安全性不足

各服务器相互独立等问题问

推出的

OPC

可扩展标记语言

-

数据访问

XML-DA

是平台无关的

OPC

规范

可用于网络通

但高资源消耗带来有限的性能提升

实时性较

且安全性方面的问题未能解决网

2006

又推

出了

OPC

UA

Unified

Architecture

通信规范

15]

OPC

的继承与升级

解决了

OPC

技术在跨平台

安全性

建模能力方面的不足购

由于

OPC

UA

强大

的信息建模能力

OPCUA

技术得到了众多行业应用

的关注

出现了许多伴随行业标准

PLCopen

发布

OPC

UA

相关的技术规范用于运动控制

17

0

1.2

OPC

UA

技术特点

1

访问的统一性

OPCUA

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

18

o

2

面向服务架构

SOA

o

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凹

因此

OPCUA

可以使用

C++

C#

java

等各种语言开发

并可以在

Win

­

dows

.

Linux

Unix

等平台进行开发

20

另外

OPC

UA

标准定义了

10

37

种标准服务

如建立会话

浏览

调用方法等

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

21

其身份认证机

制能有效地防御网络中的恶意攻击

22

保证安全可靠

的通信

5

可靠性与冗余性

采用冗余校验技术

备对错误的自动检查与纠正能力

6

C/S

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

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

23

采用面向对象思想进行信息建模

在元模型的

基础上可以建立灵活的信息模型

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

2

OPC

UA

应用和研究

2.1

信息建模

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

24

o

在建立信息模型方面有

多种体系

OPCUA

UML

CIM-OSA

25

王民

26

对几种信息建模方式进行了对比

可以发现基于

OPC

UA

的信息建模具有明显的优势

OPC

UA

技术中

信息模型包含在

OPC

UA

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

通过引用形成了地址空间的层次结构

OPC

UA

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

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

OPC

UA

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

-

2

-

张宪民

,等

智能制造中基于

OPC

UA

的多源异构数据传输与解析技术

数据类型

(

DataType)

|

|

数据

类型的

描述

It

(Variable)

:

I

|

对象

(Object)

|

方法

(Method)

:

||

表示控制方法

可|

參考类型

(ReferenceType)

:

|自定义新的参考类型

|描述不同节点之间的关系

可||

1

1.

简单数据类型

float

I

double

包含值

数据类型、

|

I

包含变量节点

方法节

浏览名

、展示名

其他对象节点

I

以远程调用

I

Organzies

M

HasSubType

II

I

可以描述现

场某具

体设备

表示对某特定信息的

I

I

或者特定结构化信息

描述

I

丨对象类型的实例化

写权限等属性

O

视图

(View)

:

I

组织地址空间

|HasProperty

|HasModellii

igRule]

内置数据类型

I

供入口

,ocalizedTex1

I

i

冋亟硕

|

4

.结构化数据类型

变量类型

(VariableType)

:

|

对象类型

(ObjectType)

:

I

对象的抽象化

相当于类

包含建模规则

|

璽璽埋詐型

PropertyType

|

I

2

.自定义对象类型

1

|

r

-------------------

FoldcrTypeHFi

leTypel

I

H

Arrow

5.

|il

E

义数据类型

IM

a

c

hi

n

eS

ta

t

u

sH

on

DataltemType

l|SMTShape

:

Analog

It

emType

[BaseEvent

Typel

ConditionType

Rect

lb

2

OPC

UA

地址空间中

8

种类型节点

BaseEventType

表示组织层次结构的参考类型

Orga-

nizes

另外

OPCUA

还提供了对元模型进行扩展

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/T

37928-2019

)

相关标准

29

如果

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

没有行业伴随模型参考

则需要对实际的设备或系

统进行抽象

建立标准化的信息模型

实现从物理

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

空间到虚拟空间的映射

信息模型可以输出为

XML

文件以便重复使用

灵活地建立信息模型

OPC

UA

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

然后

选择使用的

OPC

UA

开发库

当开发

OPC

UA

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

想理解

HasSubType

参考类型相当于继承

Has-

Component

相当于类中的变量与方法等

此外

事件

商业库有

Unified

Automation

A

Prosys

等公司提供的

OPC

UA

SDK

28

O

一些工业软件也实现了

OPC

UA

是处理信息鸿沟的重要方法之一旳

事件提供了相比

一般数据更多的信息

代表特定事件发生

可用于设

可以直接创建

OPCUA

服务器和客户端

Lab-

view

30

Kepware

选择一个合适的开发方式能大大

地节省工作量

可以根据开发语言

操作系统

需要的功能

性能等各方面的因素选择合适的

OPC

UA

开发包

置通知和报警

最后

OPC

基金会定义了各种节点

类型及参考类型的图形化表示方法

28

可以使用代表

特定语义的图形画出人类易读信息模型图

基于

OPC

UA

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

最后

在设备或系统中开发

OPC

UA

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

一种类型的设备与系统对外呈现标准的接口

实现

策略

数据缓存策略实现对多源异构数据源的绑

语义的统一,

是实现智能制造互联互通的首要工作

并绑定方法

设置事件与报警

历史访问

访

2.2

应用开发

问安全

[32

等功能

运行

OPCUA

服务器

对于缺乏软

件接口而又需要获取的数据

可以通过增加传感器

首先

对目标将应用

OPC

UA

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

以采集数据

对于工业现场众多的标准协议及私有

协议

进行协议转换

转换为

OPC

UA

通讯协议

,使

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

对外呈现统一的接口如图

3

所示

搭建完

OPCUA

务器后

在需要使用数据的位置建立

OPCUA

客户

通过

OPC

UA

的编码格式进行数据的传输

-

3

-

2021年

01

机电工程技术

50

卷第

01

Modbus

现场总线

GenICam

相机通用

接口标准

£■23

寸行协-

其他标准

通信协议

3

协议转换

2.3

应用案例

OPC

UA

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

5

月开

发了支持

OPCUA

的海上风力发电机

OPCUA

工控领域的第一次成功应用

33

西门子

艾默生等公

司的产品也开始支持

OPC

UA

通讯

28

o

在我国

2017

9

GB/T

33863.1

.8-2017

OPC

统一架构

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

34

发酵

行业

35

船舶集成平台昭

盾构机叭煤矿监控

38

地铁监控

39

等各种领域

在制造车间的应用与研究是

最多的

包括染整车间

40

印刷车间跑

模具装备制

造车间

42

制造车间中最重要的两个部分即为机床

与机器人,

在机床方面

对西门子数控机床

43-44

产数控机床

45

塑性成形机床

46

轧辊磨床

47

等有对

OPC

UA

接口的应用与开发研究

机器人方面

有应

OPC

UA

技术在工业机器人操作系统

ROS

上开发机

器人监控系统的研究

48

也有针对特定类型的机器人

SCARA

49

及特定公司的机器人如

FANUC

机器人

50

上监控系统的研究

3

存在的问题

OPC

UA

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

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

年叫

而不同行业的设备的寿命也不尽相同

52

o

因此

对所有的设备与系统进行升级换代

使得制

造工厂中的所有设备与系统均支持

OPC

UA

通讯协议

是一项任重而道远的工作

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

OPC

UA

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

OPC

UA

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

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

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

备及系统不仅需要纵向的上位机与下位机间的通

还需要设备与设备

系统与系统之间的数据交

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

应用

OPC

UA

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

53

o

当前制造车间中

制器与嵌入式系统之间需要更加频繁的通信

系统

可能需要与云平台直接通信

系统需要开放更多的

功能

而新的技术如物联网

边缘计算的出现为嵌

入式系统的多边通信提供了可能性

54-55

但仍需要解

决最重要的通信问题

OPCUA

即为解决嵌入式系统

通信问题的合适的技术

但当嵌入式平台的代码容

量很小时

,OPC

UA

技术的开发应用就变得很困难

56

o

在国外

小型设备及传感器的嵌入式系统上开发

OPC

UA

服务已经有了大量的研究

57

Unified

Automa-

-

4

-

张宪民

智能制造中基于

OPC

UA

的多源异构数据传输与解析技术

tion

公司已经提供了针对小型设备的

OPC

UA

软件解

决方案

28

而国内相关的研究极少

4

OPC

UA

研究展望

4.1

发布者

/

订阅者架构

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

OPC

UA

通讯效率收到制约的问题

58

OPC

基金会于

2018

年发布了发布者

/

订阅者

(

Pub/

Sub

)

规范

59

C/S

架构与

Pub/Sub

架构的对比如图

4

所示

可以发现相比

C/S

架构点对点的通讯方式

Pub/Sub

采用组播式通讯

信息的传递通过消息中间

(

MOM

)

完成

60

发布者按照一定规则发布数

订阅者接收数据

发布者与订阅者之间互为透

可以动态地改变发布者和订阅者的数量

发布者发布消息时

即使订阅者断开连接也能

完成消息发布

从而实现了发布者与订阅者之间的

解耦

C/S

架构

!

Pub/Sub

架构

4

C/S

架构与

Pub/Sub

架构

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

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

(

AMQP

)

和消息队列遥测传输

(

MQTT)o

其中

AMQP

提供了更多安全方面的功能

61-62

MQTT

则需

要消耗的资源更少

适用于硬件资源受限的情况

63-64

Pub/Sub

OPC

UA

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

Pub/Sub

结合

AMQP

MQTT

技术

为设备上云

提供了支持

作为

OPC

UA

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

OPC

UA

无法保证数据传输时的实时性

,限制了

OPC

UA

的使用场合

由此

时间敏感网络

(

TSN

)

-

5

-

结合

OPCUA

应运而生阿

TSN

是对以太网标准的扩

工作在

ISO/OSI

七层模型中的数据链路层

提供

3

个核心功能

时间同步

流量调度以及系统配

66

OPC

UA

TSN

结合可以显著提升实时性

备或系统响应更加迅速

对底层的大量数据

TSN

有效减轻传输时的网络负担

。目前

针对

OPC

UA

TSN

相结合的研究与应用已经得到了一定的进展

芯片制造商与设备制造商纷纷提出

TSN

解决方案

67

Julius

P

68

提出

了一种基于

open62541

OPC

UA

Pub/Sub

结合

TSN

的方法

多家国际组织和知名厂商

联合发布了

OPC

UA

TSN

智能制造测试床

69

TSN

OPC

UA

组合应用具有很好的应用前景

4.3

其他方面研究展望

针对上文中提到的当前

OPC

UA

应用时存在的问

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

OPC

UA

的信息模型

在各

种嵌入式系统加入

OPC

UA

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

ModbusTCP

协议的

OPC

UA

中间件

70

数据的安全问题是工业物联网的

巨大隐患

OPC

UA

安全机制的进一步研究

如应

用于移动终端的身份认证方法皿

更加优越的加密方

72

等具有很强的研究价值

最后

如今各种新的技

术不断出现

云架构

73

5G

74

OPCUA

技术相结合

进行应用也应该得到关注

5

结束语

随着信息时代的到来

人们对信息共享的需求

越来越高

也促使着制造工厂向智能制造的方向发

OPCUA

技术作为实现智能制造中互联互通的一

个关键技术

对制造现场的多源异构数据

其不仅

能够实现高效的传输

还能通过信息建模实现数据

语义的统一

进而实现多源异构数据的解析

通过

OPC

UA

技术

来自不同厂家的设备可以通过标准的

技术入口直接相互联通

实现即插即用

OPCUA

一种面向未来的工业通信技术

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应该对

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第一作者简介

张宪民

(

1964-

)

博士

教授

博士研

究生导师

研究领域为精密装备与现代控制技术

机器人机

构学

机器视觉等

(编辑

王智圣)


本文标签: 技术 制造 系统 信息 设备