網絡與通信技術OPCUA服務器設備集成關鍵技術研究與開發

陳春麗　葉順流

摘 要：以OPC UA規范為基礎，參考了IEC61804中的EDDL標準，開發出OPC UA服務器的設備集成信息模型、EDDL語法解釋模塊以及節點管理模塊。基于此方案的服務器架構可自主載入和配置現場總線設備信息，以及協議無關的設備集成，為OPC客戶端提供統一的設備狀態和工業過程數據。

關鍵詞：OPC服務器 OPC統一架構 現場總線 EDDL技術

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-00-04

OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）技術在工業控制領域已得到廣泛的應用，其規范定義了現場數據交互的標準接口，實現了不同的廠商的產品無縫集成。但隨著工業信息集成化的發展，傳統OPC簡單的數據組織方式和其他一些不足阻礙了目前海量數據的高度集成化發展。OPC基金會在此情況下推出了統一架構（UA，Unified Architecture）規范[1]，不再依賴于復雜的COM技術，以面向服務架構為基礎，實現了實時歷史數據以及報警等信息的統一

訪問。

傳統OPC技術各個模塊擁有獨立的地址空間，各模塊之間的數據交互占用了大量的資源。OPC UA規范采用了統一的地址空間，以服務為功能單元對外提供一致性的訪問接口。此規范定義了元模型和標準信息模型作為基本數據模型，在此基礎上，第三方可以派生出其他信息模型。在數據組織層面，OPC UA提供了更加靈活多樣的定義方式，圖1顯示了由OPC基金會或其他合作組織所定義的信息模型[2]。

EDDL是現場總線設備商用以描述設備信息的文本語言，其生成的EDD文件中包含了設備過程數據結構，設備診斷及故障報警等信息。OPC UA與EDDL相結合的方案可以將設備信息集成到工業管理級系統層面，彌補傳統OPC技術僅關注實時數據交互而忽視設備狀態信息的監控。

本文主要首先討論EDDL設備集成模型的開發，在此基礎上，通過EDDL解釋模塊與節點管理模塊的開發來實現協議透明的設備信息集成。

1 OPCUA地址空間模型

在OPCUA服務器中，地址空間以節點（Node）來描述實際對象及其組成部分，節點之間的關系通過引用（Reference）來指定，因此，整個地址空間是網狀結構。采用網狀結構更加靈活，能夠描述更加復雜的數據類型。

引用的本質類似于指針，通過存儲其他節點的地址來快速訪問，OPC UA規范已定義基本的節點類和引用類[3]，從不同類中可派生出具有不同特性的節點和引用關系。同時，把節點之間的關系均以層次結構表示，可以簡化節點的搜索與篩選過程，地址空間中的復雜的節點關系也可以用多種樹狀結構來展現給客戶端。圖2顯示了地址空間中節點的位置分布與相互關系。

OPCUA提供了統一的數據訪問與存儲功能。現場設備的實時數據、報警與條件等信息集成在同一地址空間中，客戶端可通過瀏覽功能查看地址空間中特定的信息，通過訂閱監控項來對節點進行監視。這樣避免了對不同的功能模塊要單獨開發其地址空間的繁瑣[4]。

2 EDDL設備集成信息模型開發

OPCUA服務器支持多種信息模型的動態與靜態加載。本文主要依據IEC61804-3標準中EDDL的語義來提取設備屬性之間的層次關系，以此開發設備集成信息模型。在此基礎上，模型設計人員可以根據現場工藝，組織有針對性的特定信息模型，比如兩種設備之間的物理聯系，可以抽象出它們之間的引用關系[5]。

2.1 EDDL與EDD技術概要

電子設備描述語言（EDDL）是一種平臺無關的，文本化解釋性語言，用以定義控制系統中設備參數、屬性、故障診斷等信息，同時，部分語義定義了圖形化界面信息，根據此信息，可以生成設備的監視和配置界面[6]。

EDDL 合作組織（ECT）致力于此標準的制定與推廣，減少不同廠商的設備描述信息之間的差異，提高互操作性和集成度[7]。

2.2 EDDL設備集成模型設計

OPCUA服務器通過對EDD文件的解析來獲取設備信息，并將此信息轉化為地址空間中的設備對象節點。在此之前，需要在UA服務器中預先載入特定的模型，該模型必須能夠準確合理的反映設備信息的內容與組織。

2.2.1 設備集成（DI）模型

OPCUA基金會近期發布了用于設備集成的規范[8]，此規范定義了通用的設備參數類型，在對象類型部分，設備對象類型繼承于元模型中的基對象類型，同時，在采用不同總線協議的設備信息中抽象出協議對象類型，構成了協議透明的信息模型。圖3表示了其中部分對象類型的定義以及它們之間的關系。

在設計設備集成信息模型的過程中，應當以此規范中定義的模型作為中間層模型，在實現此模型的基礎上來進行擴展。

2.2.2 EDDL設備集成（EDI）模型開發

可見，通過此種方式構建的設備變量類型可以包含了EDDL對變量的基本描述信息。其中設備變量節點繼承于基對象類型節點，它擁有對象類型節點的基本屬性，同時，通過組合關系其包含了一個變量值節點，此節點擁有當前值、值類型、訪問級別以及最小采樣間隔等屬性。

3 EDDL解釋器與節點管理功能

完成EDDL設備集成模型的設計后，需要UA服務器節點管理功能對此模型進行加載，當有EDD文件導入時，EDDL解釋器對此文件進行解析，并把獲取到的設備參數信息傳遞至節點管理功能模塊，同時，節點管理模塊在地址空間中調用模型中相應的節點類開始創建設備節點，并且進行初始化與數據綁定操作。服務器架構如圖5所示。

解釋器主要用以分析設備EDD文件，獲取其中的設備描述信息，并以節點管理模塊能夠識別的數據格式進行傳遞此信息。首先依據EDDL標準中對語法和詞法的定義，開發出相應的分析器，然后對分析結果按照EDDL設備集成信息模型中的節點類型進行重新組織，以便節點管理模塊能夠快速獲取到相應的信息。

節點管理功能主要負責信息模型的加載以及相關節點的實例化和初始化操作。節點管理功能模塊中包含了不同的節點管理類，分別負責相應的信息模型的加載，而所有的節點管理類由主節點管理類負責調度。OPC UA服務器啟動后，對于UA規范中要求滿足的基本信息模型以及服務器狀態信息模型，由核心節點管理類加載，除此之外，每個節點管理類負責單個或多個特定信息模型的加載。

采用分級的節點管理結構能夠清晰劃分出每個節點管理類的職責，也提高了設備節點信息的訪問效率，同時能夠靈活的加載特定的信息模型，減少了多個模型之間的耦合性。圖6顯示了節點管理的分級結構。

4 結語

本文主要研究了基于EDDL技術的OPCUA信息模型設計以及服務器中EDD解釋器與節點管理功能的開發。

采用此方案架構的服務器不用關注設備類型的差異，可以統一的獲取現場實時過程數據以及設備的配置信息、診斷信息、管理信息等非過程控制數據，提高了全廠信息集成度。

目前OPC基金會仍在不斷完善UA規范，并與多家現場總線基金會合作，共同推進統一標準的、高兼容性和集成度的解決方案。

參考文獻

[1] OPC Foundation.OPC unified architecture specification part 1：Overview and Concepts Release 1.01 [S/OL].[2009-02-05].http：//www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY&CI=283.

[2] Wolfgang Mahnke，Stefan-Helmut Leitner，Matthias Damm.OPCUnified Architecture[M].Springer Press， Ladenburg Germany，2009：10-16.

[3] OPC Foundation.OPC unified architecture specification part 3：Address Space Model Release 1.01[S/OL]. [2009-02-05].http：//www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY&CI=283.

[4] 陸會明，閻志峰.OPCUA服務器地址空間關鍵技術研究與開發[J].電力自動化設備，2010，30（7）：109-113.

[5] OPC Foundation. OPC unified architecture specification part 5： Information Model Release 1.01 [S/OL].[2009-02-05].http：//www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY&CI=283.

[6] IEC 61804-3.Function Blocks（FB） for Process Control， part 3：Electronic Device Description Language （EDDL） [S/OL].[2006-09].http：//webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/Artnum_PK/44641.

[7] IEC/TR 61804-4.Function Blocks（FB） for Process Control， part 4：EDD interoperability guideline[S/OL].[2006-12].http：//webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/Artnum_PK/44641.

[8] OPC Foundation.OPC Unified Architecture for Devices （DI） Companion Specification Release 1.00[S/OL].[2009-12].http：//www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY&CI=283.