OPC UA系統框架綜述

(重慶三峽學院 重慶 404632)

一、OPC UA簡介

OPC UA 的全稱為OPC Unified Architecture，它表示OPC統一體系架構，是一種以服務為主提供一個完整的安全可靠的跨平臺架構。OPC UA的優點是使開發人員能夠安全地交換大量的數據，具有更高層次的相互操作性，同時產生了一些新的技術和高水準的性能水平，在原有基礎上增加了原始OPC的功能，同時的，OPC UA不再僅僅依賴DCOM，而是加強建設面向服務的架構(SOA),因此OPC UA越來越得到企業的青睞運用。為了解決工控軟件、PLC、嵌入式網關等產品的系統的兼容性問題，各大廠商都紛紛增加了對OPC UA協議的支持。所以，各種OPC UA設備能不能滿足規約所定義的標準功能集，就要有專門的認證機構提供專業的測試服務。

因此，由OPC基金會授權和委托，OPC中國聯合機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所(ITEI)建立了國內唯一的OPC認證測試實驗室，并在2017年9月5日在中國職工之家飯店正式發布國家標準GB/T 33863.1～.8-2017《OPC統一架構》。

(一)OPC UA 的技術特性

傳統的OPC DA規范采用COM/DCOM技術，只能在Windows平臺當中運行，并且COM技術十分復雜，使OPC的推廣產生許多困難，微軟后期不再維護和升級COM技術。OPC UA規范再也不是基于COM/DCOM技術，也就是說OPC UA不但可以在Windows平臺上實現，更可以在Linux，與其他的嵌入式平臺中實現。標準OPC所具有的功能，OPC UA也都具有。

1.等價功能：OPC UA和OPC在COM中的功能都一樣。

2.多功能平臺支持：支持從嵌入式的微控制器到以云為基礎的分散式控制架構。

3.安全：互訪認證，對于信息的加密性以及安全監聽功能。

4.擴展性功能：在當前程序正常工作的情況下，還可以新增其他應用功能。

5.信息建模的豐富多元化：可對復雜的信息進行定義，而不僅僅是單一的數據。

二、系統框架設計

整個系統采用三層架構設計，從下至上分別是設備驅動層、OPC UA服務層、OPC UA客戶端。

設備驅動層：負責所有底層設備的數據采集；

OPC UA服務層：載入OPC Moduler數據模型，并對底層設備采集的數據按照OPC UA規范進行存儲，為客戶端提供統一訪問接口；

OPC UA客戶端：獲取服務層提供的數據，以及執行可調用的方法。

整個系統的設計框架如圖1所示：

圖1 OPC系統設計框架

OPC服務層設計：

OPC服務層是整個系統的核心層，負責底層數據的臨時存儲以及向客戶端提供數據訪問接口的功能。

UA數據模型設計：

UA數據模型是整個系統的核心設計，在該模型中，定義了整個系統需要用到的底層設備，以及各個設備獲取的數據以及可執行的方法。

構建UA數據模型，可使用Unified Automation UaModuler工具進行設計，在ObjectTypes的BaseObjectType中，對每一個設備增加一個數據模型，并設置相應的設備名稱和描述，之后為新增加的模型增加Children節點，設置該設備可獲取的所有變量(測試值)以及可以調用的方法。設計完成后，可導出對應的BuildingAutomation.xml通用配置文件。如下圖2所示(構建的UT55A數據模型)。

圖2 UT55A數據模型

關鍵類設計：

UANodeManager：

節點管理器，用于讀取BuildingAutomation.xml配置文件，并根UA據模型文件在系統中創建節點地址空間。

UAServerManager：

實例化節點管理器，并啟動整個OPCUA服務，使服務器能夠被發現。

(一)底層驅動設計

在底層驅動設計中，需要考慮所有設備的數據獲取方式，以及整個地址空間數據模型的組織方式，使得采集的數據能夠正確對應到數據模型中。為此設計了也一個IController接口，和一個UnderlyingSystem關鍵類。

IController接口：

在IController接口中，定義了所有底層設備驅動需要實現的方法，所有的底層設備驅動，按照該接口定義的方法進行編寫。

void DataReceived(object sender,SerialDataReceivedEventArgs e)：

接收到數據數據的處理函數。

void OpenCom()：

打開通信端口。

bool ReadRegisters()：

讀取寄存器。

void SetParam(string strName,object param)：

設置底層設備驅動的參數，第一個參數為該設備的名稱，第二個參數為與該設備相關的配置信息，包括設備名稱、該設備對應的底層驅動的類名、與該設備對應的命令文件的路徑、以及該設備的通信端口配置(串口和網口)。

UnderlyingSystem類：

UnderlyingSystem類，用于對底層設備驅動采集的數據進行整理，根據數據模型開辟內存空間，并按照數據模型的接口將數據存放在內存塊中，建立數據字典，與UA模型實現對應關系。

在系統中，設計了ComCfg.xml文件，用于配置與數據模型相對應的各個設備以及設備通信端口，以及各個設備驅動類與底層設備通信所需要用到的命令文件。首先載入該文件，并根據設備類型實例化不同的底層驅動類。

底層驅動類：

實現IController接口，連接設備，通過讀取命令配置文件，與底層設備進行通信讀取數據。

系統中，為每一個設備設計了一個對應的命令配置文件，該文件中所有的命令配置信息與模型文件相對應，也就是說，返回數據的個數、數據類型，都要與模型文件嚴格對應。

如下圖3所示

圖3 OPC UA服務器底層驅動構架

(二)OPC UA的界面設計

1.OPC UA客戶端設計

在程序中，找到其必需的設計器變量，并將系統組成成分賦空值，并清理正在使用的資源，并且同步判斷是否為托管資源，若是托管資源，窗口設計器則生成相應代碼，并確認服務器名稱及節點地址，由此生成界面控件及標簽，到此，完成客戶端設計過程；若不是托管資源，則返回，繼續清理正在使用的資源。

2.設備配置界面

當我們工作時，運行到指定的模型文件。并且進入到配置界面，再進行對應的串口配置，或網口配置。

服務端采用WinForm窗口程序，方便維護人員對服務端進行配置，如圖4所示。

圖4 OPCUSS設備配置界面

下圖為根據UA數據模型，為不同變量配置命令。

圖5 命令配置界面

下圖為OPC UA客戶端主界面，用于根據IP地址和端口號查找OPC UA服務器，并顯示服務器上的模型信息。

圖6 OPC UA客戶端主頁面

在客戶端，可以顯示不同節點可調用的方法，如下圖所示。

圖7 節點調用界面

三、OPC UA在控制系統中的應用

在企業進行工作時，當我們運用OPC UA技術時，它極大的方便了我們工作。OPC UA 很好的解決了之前的OPC規范存在的問題，在互操作性上,做了很多改進，加快了研發速度和運行效率，削并且減了工作成本。在以后的生產生活中，除了傳統的OPC 客戶端訪問方式,還有在現場智能設備中投放使用的OPC UA服務器。OPC UA技術其在網絡上具有兼容性，安全系數更高，版本更新更快，平臺更多且相互獨立等優點。它可以在所有的自動化層面上發揮作用，從人機界面，和 PLC，到MES、ERP等其他高層系統，加深了公司和控制系統的交流溝通，信息交互。