OPC UA技術(shù)及應用

OPC UA技術(shù)及應用OPC UA技術(shù)及應用OPC UA Technology and Application王華劉楓(西南大學(xué)計算機與信息科學(xué)學(xué)院,重慶400715)OPC UA技術(shù)是工控軟件揍口的斷標準,人們利用它可以促進(jìn)工廠(chǎng)底屢和企業(yè)系統間的集成。詳細地介紹了OPUA技術(shù),并分析了 OPC UA技術(shù)的應用及其發(fā)展的前景。詞: OPC UA,平臺獨立性,安全性,互操作性OPC UA technology is a new standard of software interface in industry control system, people can integrate devices offactory understratum and enterprise system This paper introduces the OPC UA technology and discusses its application inhe smart instrument development and in the control system. At last this paper views its development trendKeywords: OPC UA, platform independence, security, interoperabilityoPc( OLE for Process Control)技術(shù)在當今過(guò)程控制領(lǐng)4)增強的命名空間:在目前的OPC規范中支持將數據組織域,是一種非常流行的數據交換技術(shù)。但是,用戶(hù)和開(kāi)發(fā)人員對成層次結構, OPC UA更支持無(wú)限的節點(diǎn)命名和無(wú)限的關(guān)系設它的抱怨越來(lái)越多,首先是它的COM原始基礎,使開(kāi)發(fā)難度加定,同時(shí)每個(gè)節點(diǎn)均可以對其他節點(diǎn)有無(wú)限的關(guān)系設定大;其次是OPC規范的覆蓋范圍不夠廣泛,沒(méi)有提供必要的網(wǎng)5)大量的服務(wù)功能 OPC UA規范定義了大量的通用服務(wù)。絡(luò )安全性,統一的地址空間和定義對象映射;再次是現行O6)采用UA二進(jìn)制編碼,使數據快速編碼和解碼,提高了數平臺不獨立,它受限于 Microsoft公司的操作系統,對 Linux和據的傳輸速度。Os等系統缺乏支持?；谶@種情況,OPC基金會(huì )推出了新一代此外,它還能集成現有的基于 COM/DCOM技術(shù)開(kāi)發(fā)的OPC UA(OPC Unified Architecture)規范。OPC服務(wù)器( DA, HAD、A&E),使它們很容易通過(guò) OPC UA映1 OPC UA簡(jiǎn)介射和使用。OPC UA是一個(gè)新的工業(yè)軟件接口規范,其目的在于提出12 OPC UA規范一個(gè)企業(yè)制造模型的統一對象和架構定義,具有跨平臺、增強命目前, OPC UA規范包含核心規范部分與存取類(lèi)型規范部名空間、支持復雜數據內置、大量通用服務(wù)等新特點(diǎn)。為了區別分,其中核心規范部分包括 OPC UA Data Access, OPC UA于以往的經(jīng)典OPC技術(shù)OPC基金會(huì )重新定義OPC含義:開(kāi) Alarms and Conditions, OPC UA Programs以及 OPC UA放( Openness)生產(chǎn)力( Productivity)協(xié)作性( Collaboration)。 Historical Access規范;存取規范部分包括 OPC UA Security它將發(fā)展了12年的現行的OPC技術(shù)推進(jìn)和連結為一個(gè)整合 Model, OPC UA Address Space Model, OPC UA Ser的平臺,該平臺將從DCOM構架遷移到基于 Web service技 vices OPC UA Information Model、 OPC UA Service Map術(shù)的框架下。pings和 OPC UA Profiles等。1.1 OPC UA技術(shù)優(yōu)勢2 OPC UA系統結構在生產(chǎn)管理軟件的不斷發(fā)展過(guò)程中,標準的采用也在不斷和現行OPC一樣, OPC UA系統結構包括 OPC UA服務(wù)更新,為適應應用需求的發(fā)展,OPC基金會(huì )適時(shí)推出了OPC器和客戶(hù)端兩個(gè)部分,每個(gè)系統允許多個(gè)服務(wù)器和客戶(hù)端相互UA規范,為企業(yè)軟件架構的建立指明了新的方向。 OPC UA具作用。備以下新的特點(diǎn):21 OPC UA客戶(hù)端1)基于TcP/P通信同時(shí)利用了 Web service技術(shù)、XMLOPC UA客戶(hù)端的體系結構包括客戶(hù)終端的客戶(hù)端/服務(wù)技術(shù)以及NET架構,解決了跨越微軟系統平臺,實(shí)現了多平臺器交互。它包括 OPC UA客戶(hù)端應用程序 OPC UA通信棧的互操作性OPC UA客戶(hù)端AP,如圖1所示。它使用 OPC UA客戶(hù)端AP2)集成的 OPC UA數據加密功能符合國際安全標準,為nter-與 OPC UA服務(wù)器端發(fā)送和接收 OPC UA服務(wù)請求和響應。net及各企業(yè)網(wǎng)絡(luò )內的遠程訪(fǎng)問(wèn)和數據共享、客戶(hù)端和服務(wù)器之22 OPC UA服務(wù)器間的安全通訊提供了保障。OPC UA服務(wù)器代表客戶(hù)端/服務(wù)器相互作用的服務(wù)器端3)復雜數據內置:在新的數據獲取標準 OPC DA中增加了點(diǎn)。它主要包括 OPC UA服務(wù)器應用程序、真實(shí)對象 OPC UA復雜數據規范例如當前的DA服務(wù)器不僅可以支持簡(jiǎn)單數據,地址空間、發(fā)布/訂閱實(shí)體 OPC UA服務(wù)器接口A(yíng)PH、 OPC UA還可以支持變化型變量 Variant,在 OPC UA中,這種復雜數據通信中國煤化工服務(wù)器AP從 OPC UA類(lèi)型的支持變成基本的功能客戶(hù)CNMHG申工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表系就集成工具開(kāi)發(fā);重慶市科委重大科技重點(diǎn)攻關(guān)項目(CSTC,2007AB2031)《工業(yè)控制計算機)2008年21卷第12期OPC UA提供一致的,集成的地址空間以及服務(wù)模型。它PcUA客戶(hù)酯允許一個(gè)單獨的 OPC UA服務(wù)器來(lái)集成數據、警報和事件以及PcUA客戶(hù)端應用程序請求發(fā)歷史數據到它的地址空間,用一個(gè)集成的服務(wù)集提供對它們的諸索發(fā)透收到通知存取。3.1 OPC UA安全模型OPC UA安全模型完成客戶(hù)端和服務(wù)器端的認證、用戶(hù)認CUA客戶(hù)AT證數據保密性等操作。在沒(méi)有指明的任何情況下,安全機制是OPCUA垂慣桃A門(mén)必須的。由于以太網(wǎng)已經(jīng)延伸到現場(chǎng)設備層,所以企業(yè)管理人員可以通過(guò) Interne掌握工廠(chǎng)的實(shí)時(shí)運營(yíng)狀態(tài)。因此, OPC UA服OPCUA務(wù)器OPUA服務(wù)器OPCUA雁務(wù)墨 OPCUA最務(wù)器務(wù)器或客戶(hù)端必須要采用一定的安全策略保證系統的安全圖1。PCUA客戶(hù)端架構OPC UA采用了會(huì )話(huà)建立、審核、傳輸安全等措施保證控制系統的網(wǎng)絡(luò )安全。OPeA備器3.2集成地址空間模型OPC UA的地址空間是由一系列節點(diǎn)組織構成的,客戶(hù)端通過(guò)OPC服務(wù)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)它。地址空間里的節點(diǎn)是用于表現真實(shí)對象、對象的定義以及對象間的引用。在現有OPC規范中,各個(gè)規范單獨定義自己的地址空間和服務(wù),而 OPC UA把這種模型統為一個(gè)集成的地址空間。為了提升客戶(hù)機和服務(wù)器的互操作性, OPC UA地址空間用高層規范來(lái)結構分層。盡管地址空間里的節點(diǎn)通過(guò)分層通常容易進(jìn)入,但他們可能都互相引用,允許地址空間代表一個(gè)相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。aK通技[3.3集成對象模型害產(chǎn)和cUA害戶(hù)地 DCUA害戶(hù)現有 OPC AP定義的對象是相互分離獨立的 OPC UA通圖2PCUA服務(wù)器架構過(guò) OPC UA對象模型,實(shí)現了對各個(gè)對象服務(wù)的集成。對象模型OPC UA客戶(hù)端與服務(wù)器主要的交互形式是:通過(guò)客戶(hù)端是通過(guò)對象的變量方法事件及其相關(guān)的服務(wù)來(lái)表現對象。務(wù)請求,經(jīng)底層通信實(shí)體發(fā)送給 OPC UA通信棧,并通34PCUA集成服務(wù)過(guò)服務(wù)器接口調用請求/響應服務(wù),在地址空間的節點(diǎn)上執行指 OPC UA把客戶(hù)機和服務(wù)器之間的接口定義為一組服務(wù)。定任務(wù)之后,返回一個(gè)響應;客戶(hù)端發(fā)送發(fā)布請求,經(jīng)底層通信這些服務(wù)被組織到稱(chēng)為服務(wù)集的邏輯組中。 OPC UA服務(wù)器對客實(shí)體發(fā)送給 OPC UA通信棧,并通過(guò)服務(wù)器接口發(fā)送給訂閱,戶(hù)機提供兩個(gè)功能。它們允許客戶(hù)機向服務(wù)器發(fā)出請求并從服務(wù)當訂閱指定的監視項探測到數據變化或者事件/警報發(fā)生時(shí),監器接收響應,也允許客戶(hù)機向服務(wù)器發(fā)送通知。服務(wù)器使用通知視項生成一個(gè)通知發(fā)送給訂閱,并由訂閱發(fā)送給客戶(hù)端。來(lái)報告事件,比如警報數據值變化、事件和程序的執行結果23 OPC UA服務(wù)器間的互訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)集的采用解決了現有OPC規范在應用時(shí)服務(wù)重疊問(wèn)新的 OPC UA技術(shù)支持服務(wù)器間的相互訪(fǎng)問(wèn),也就是一臺題。它包括安全信息服務(wù)集、會(huì )話(huà)服務(wù)集,節點(diǎn)管理服務(wù)集視圖服務(wù)器作為另一個(gè)服務(wù)器的客戶(hù)端如圖3所示。通過(guò)服務(wù)器間服務(wù)集、屬性服務(wù)集、方法服務(wù)集、監視服務(wù)集、訂閱服務(wù)集、查的交互可以實(shí)現:基于點(diǎn)對點(diǎn)的服務(wù)器信息交換;鏈接服務(wù)器實(shí)詢(xún)服務(wù)集等?，F分層體系,提供以下功能4 OPC UA在控制系統中的應用1)對低層服務(wù)器的數據聚集;OPC技術(shù)可以避免使用傳統上在企業(yè)內部傳遞信息所需2)構造吏高層次的數據給客戶(hù)端;要的昂貴定制接口和驅動(dòng)器,它提供了現場(chǎng)設備、控制系統和企3)向用戶(hù)提供一個(gè)集成的接口以訪(fǎng)問(wèn)多個(gè)底層服務(wù)器業(yè)范圍內的應用程序間的即插即用和互操作性,但是它并不是3 OPC UA的模型和服務(wù)在任何地方都適用,如市場(chǎng)要求日益明顯的一致性和互操作性等問(wèn)題,產(chǎn)品的移植和兼容性問(wèn)題。 OPC UA技術(shù)的出現解決oPc客戶(hù)端了以往的OPC規范存在的固有問(wèn)題,如它在互操作性上的改進(jìn)削減了成本,加快了開(kāi)發(fā)速度并促進(jìn)了運行效率。今后,除了傳統的 OPC UA客戶(hù)端對服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)方式以外,也可以把OPC UA服務(wù)器集成到現場(chǎng)智能設備中。與目前的OPC標準相比, OPC UA技術(shù)具有安全性、網(wǎng)絡(luò )陬務(wù)器側兼容性、可升級性、獨立平臺等優(yōu)點(diǎn)。它可以應用在所有的自動(dòng)相作用驟務(wù)器接口化層面上,從人機界面和PLC,到MES( Manufacturing Execu中國煤化工 e Planning)以及其他高層CNMHG性OPC UA技術(shù)是未來(lái)工業(yè)控制接口的發(fā)展方向,由于其具圖3服務(wù)器間的交互作用(下第42頁(yè))小車(chē)倒立擺起擺的控制算法的研究與仿真實(shí)現m角度為正。角速度逆時(shí)針為正。(3)模糊控制自動(dòng)擺起的規則庫根據實(shí)驗經(jīng)驗得到模糊控制的規則庫如表1所示。在進(jìn)行模糊推理運算時(shí),采用 Mandan最大最小合成運算,而輸出的模糊運算則采用重心法。圖9桿角度與角速度的關(guān)系{n=025下面將軸的加速度設置為au=9/2,在 Simulink環(huán)境下實(shí)現模糊控制器進(jìn)行仿真。結果如圖11。UcX×…x×X為模糊控制系統的輸人,X∈VcR為模糊系統的輸出,那么,模糊控制系統構成了由子空間U到子空間V上a的Xp的一個(gè)映射。糊戈則庫i的推現XAxB圖10模糊控制系統的基本結構圖圖11搖桿角度與角速度的關(guān)系(1)輸入輸出空間的模糊分割5結束語(yǔ)通過(guò)線(xiàn)性變換將擺的角度的測量值映射到論域[-1,1,角以上倒立擺擺起的三種控制算法進(jìn)行仿真研究,通過(guò)其仿速度的的測量值同樣映射到論域{-119和采用7級分割分真結果分析,它們各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)從圖39.1)來(lái)看,能量制別為 NB, NM, NS, Z、PS、PMPB。對軸的加速度也映射到-1,算法具有明顯的優(yōu)勢擺起時(shí)間短控制效果好但需要明確對1].分割成9級,分別為 NB. NMB. NMS NS、ZPS、PMs、象參數且不易實(shí)現;Bang-Bang控制算法反應速度快,實(shí)現容PMB、PB易,但是控制粗糙,控制效果不好。模糊控制算法具有不需要了(2)輸入輸出量的模糊化解對象模型的參數的優(yōu)點(diǎn),只需要合適的控制規則,就會(huì )具有很這里對小車(chē)的控制力大小轉化成對軸的加速度的大小,那好的控制效果且力矩受限的情況同樣滿(mǎn)足要求但是模糊控制么這里的輸出量就是對小車(chē)的加速度a。軸加速度角度和角速算法計算量大同時(shí)獲得控制規則需要做大量的實(shí)驗。度均使用三角形隸屬度函數這里以垂直向下角度為0逆時(shí)針參考文獻表1自動(dòng)擺起橫糊規則庫[1]趙莉單級倒立擺的模糊控制及仿真[J]山東師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2004(3):102-103[2]關(guān)紅洲倒立擺自動(dòng)擺起和穩定控制系統及策略研究[D]杭州:浙江大學(xué),2005[3]Yoshida, Kazunobu Swing-up control of an inverted pendulumy energy -based methods. Proceedings of the AmericanControl Conference, 1999., 4045-4047[收稿日期:2008722](上接第39頁(yè))術(shù),各生產(chǎn)廠(chǎng)商將實(shí)現企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò )與現場(chǎng)設備層的無(wú)縫集成執行系統并推動(dòng)OPC規范向企業(yè)級領(lǐng)域擴展。 OPC UA的出現必將引發(fā)工業(yè)控制系統尤其是軟件理念的又一輪技術(shù)革新。[1JIEC 62541-1: OPC Unified Architecture Specification-Part 1Overview and Concepts(S].[S 1. ] IEC, 2008Lm平臺下ndw:平臺下PcUA照務(wù)香PCWA脹務(wù)器[2JIEC 62541-2: OPC Unified Architecture Specification- Part 2:Security Model[S].[.1.]: IEC, 2008Prbu總晚IEC 62541-3: OPC Unified Architecture Specification-Part 3:Address Space Model[S].[S 1. ] IEC, 2008cRc以務(wù)[認務(wù)[4]IEC 62541-4: OPC Unified Architecture Specification -Part 4智能儀表其他設備凵中國煤化工。m5CNMHG圖4。PcUA技術(shù)在系統集成中的應用Unitied Architecture Specification-Part 6有的巨大優(yōu)勢,吸引了眾多系統廠(chǎng)商的關(guān)注。運用 OPC UA技Mappings[S][S 1. IEC, 2008[收稿日期:2008.7.24]