基于 OPC UA技术的工业物联网应用研究

基于 OPC UA技术的工业物联网应用研究

张海鹏 朱江

湖北航鹏化学动力科技有限责任公司 湖北襄阳 441000

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——OPC UA，并分析了其通信架构和优势，最后利用OPC UA协议构建了工业自动化控制和管理系统。

关键词：OPC UA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OPC UA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

OPC UA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。OPC UA通信协议在工业4.0时代具有十分重要的意义。

1 OPC UA概述

OPC UA（OPC Unified Architecture）是指在OPC基础上推出的统一通信架构，所有使用OPC UA协议的设备和计算机，都可以相互访问。在介绍OPC UA之前，需要先了解OPC协议。

1.1 OPC协议

经典OPC（OLE for Process Control）是一种基于OLE（Object Linking and Embedding）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2 OPC通信连接方式

1.2 OPC UA协议

OPC UA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，OPC UA具有独立性、跨平台性，不再局限于Windows系统，可以应用到Linux、Apple OS、Android等操作系统。OPC UA协议的通信架构如图3所示：

图3 OPC UA协议的通信架构

1.3 OPC UA通信模式

OPC UA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。OPC UA服务器负责数据的中转，是整个系统的核心部分。OPC UA通信架构如图4所示：

图4 OPC UA协议的通信模式

从图中可以看出，OPC UA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OPC UA协议。服务器由设备开发商提供。

（2）通过OPC UA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OPC UA的工业控制管理系统

2.1 系统搭建

OPC UA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OPC UA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Siemens S7-1500PLC和Parker PLC，两者的区别在于，Parker PLC采用Windows系统；而Siemens PLC采用西门子公司自主研发的系统，只支持OPC UA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OPC UA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OPC UA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OPC UA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。

2.2 OPC UA的服务器地址

OPC UA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，OPC UA支持使用复杂的数据结构。图6为OPC UA客户端从服务器获取的地址空间。

图6 OPC UA服务器地址

由图6可见，OPC UA客户端可以直接获取当前连接设备的变量，不需要建立地址映射表，且变量直接显示定义的变量标签，不需要对地址空间和变量类型进行配置，大大简化了系统的使用和维护。

2.3 OPC UA的安全性

OPC UA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，定义一种可靠坚固的架构，对OPC UA客户机与服务器之间的物理连接可以进行监视，随时发现通信中的问题。OPC UA的冗余功能也可以防止数据的丢失、提高可靠性。

3 OPC UA的革新意义

OPC UA作为一种统一的架构，既可以实现设备底层的数据采集、设备互操作等横向信息的集成，还可以实现设备到SCADA、再到MES、云端的垂直信息集成。不仅提高了工业系统开发和维护的效率，也大大降低了成本。

OPC UA因此已经成为德国工业4.0、美国工业互联网以及中国智能制造的重要技术标准，主流的设备和软件厂商都纷纷开发出了支持OPC UA协议的产品。随着工厂自动化和智能化要求的不断提高，OPC UA必将革新传统的通信协议，得到越来越广泛的应用。

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