基于OPCUA技术的工业物联网应用研究.docx

基于OPCUA技术的工业物联网应用研究摘要：随着工业4.0的到来，对工厂自动化，智能化提出了更高的要求，而工业物联网是实现自动化的基础和前提。面对市场上不同的硬件供应商和软件开发商，设备互联成为了实现工厂自动化的瓶颈和关键技术。本文首先阐述了传统通信方式在工业4.0时代存在的缺陷，然后介绍了一种最新的设备互联技术——OPCUA，并分析了其通信架构和优势，最后利用OPCUA协议构建了工业自动化控制和管理系统。关键词：OPCUA技术；工业物联网；工厂自动化和智能化；0引言实现工厂的高度智能化和无人化一直是工业领域不断追求的目标。现如今，工业4.0时代已经到来，我国也大力推广和深化生产的智能制造，工厂自动化必将迎来一场革新，向更高的智能化进行转变。而实现工业自动化的前提是工业设备之间的通信连接和数据交换，即工业物联网，通过外接传感器和监控平台，使现场设备具有实时采集数据、远程控制等功能。在OPCUA技术出现之前，设备之间通信并没有统一的标准，不同的设备和软件厂商都制定了自己的通信标准，开发了自己的驱动程序。然而随着工厂规模的扩大和自动化水平的提高，工厂中一套完整的控制系统往往由很多不同厂商的设备组成的，每个设备和上层软件之间的通信都有各自的接口。传统的通信协议不仅成本高，开发和维护过程繁琐，同时也限制了工业物联网的发展。传统设备之间的连接方式如图1所示：图1传统设备连接方式OPCUA技术的出现完美地解决了这一问题，实现了不同厂商的工业设备和软件之间即插即用式的连接，为工业物联网的实现铺平了道路，为工厂自动化、智能化提供了解决方案。OPCUA通信协议在工业4.0时代具有十分重要的意义。1OPCUA概述OPCUA（OPCUnifiedArchitecture）是指在OPC基础上推出的统一通信架构，所有使用OPCUA协议的设备和计算机，都可以相互访问。在介绍OPCUA之前，需要先了解OPC协议。1.1OPC协议经典OPC（OLEforProcessControl）是一种基于OLE（ObjectLinkingandEmbedding）的过程控制技术，而OLE技术是基于微软公司COM/DCOM技术的对象连接与嵌入技术。因此，OPC的使用必须依托于Windows系统，有一定的局限性。OPC为不同供应厂商的设备和应用程序之间提供了一种标准化接口，不管现场设备以何种形式存在，都可以用统一的方式进行访问。硬件供应商只需要提供OPC服务器，软件端就可以随意访问，不用再开发各种驱动程序。OPC通信连接方式如下图：图2OPC通信连接方式1.2OPCUA协议OPCUA是在OPC基础上推出的统一信息传递标准，不再基于微软的COM/DCOM技术，而是以面向服务的架构（SOA）为基础。因此，OPCUA具有独立性、跨平台性，不再局限于Windows系统，可以应用到Linux、AppleOS、Android等操作系统。OPCUA协议的通信架构如图3所示：图3OPCUA协议的通信架构1.3OPCUA通信模式OPCUA通信系统采用传统的C/S模式，包括服务器和客户端，真正实现了现场设备和软件之间的即插即用。OPCUA服务器负责数据的中转，是整个系统的核心部分。OPCUA通信架构如图4所示：图4OPCUA协议的通信模式从图中可以看出，OPCUA服务器是整个通信系统的核心，主要具备两个功能。（1）将现场设备、PLC所使用的各种不同的现场总线和通信协议转换成统一的OPCUA协议。服务器由设备开发商提供。（2）通过OPCUA协议与客户端通信，作为中介实现客户端和现场设备、PLC的数据交互。客户端由软件开发商提供。2基于OPCUA的工业控制管理系统2.1系统搭建OPCUA通信协议不仅可用于底层设备之间的连接，还可以用于数据库、MES等工业管理软件之间的连接。利用OPCUA协议可以轻松构建一整套自上而下的工业控制管理系统。如图5所示：图5工业控制管理系统该系统中，选用SiemensS7-1500PLC和ParkerPLC，两者的区别在于，ParkerPLC采用Windows系统；而SiemensPLC采用西门子公司自主研发的系统，只支持OPCUA通信协议，不支持传统OPC协议。每个PLC都相当于一个独立的总线系统，利用OPCUA协议可以很方便地实现总线系统异构网段之间的数据交换。监控端可选用触摸屏或基于PC端的组态监控软件，仅需配置IP地址和端口号，便可通过OPCUA协议实现监控界面和任意设备的数据交换。完美解决设备驱动程序开发中的异构问题。利用OPCUA协议还可以构建整个企业网络的数据接口规范，实现控制系统向管理系统的升级。2.2OPCUA的服务器地址OPCUA定义了一种集成的地址空间和信息模型，能够以面向对象的方式公开对象、变量、方法和数据结构的全网格网络。在此基础上，OPCUA