面向IIOT 的數字化車間數據通信研究及應用

張 蕾

( 中國電子科技集團公司第二研究所， 太原030024)

1 工業物聯網（IIOT）關鍵技術

典型的物聯網是通過信息傳感設備，按照約定協議將任意物品接入互聯網，組成無時空限制的物聯網絡拓撲，IIOT 自底向上可分為三層：感知層、網絡層和應用層[1]。

工業應用環境中，物聯網架構在感知層對數據采集的實時性有著更加嚴格的要求，傳統的物聯網中數據采集后需要通過網絡層，傳輸層，應用層，經過處理加工以后，數據按照原路反饋至感知層才可進行下一步操作。由于網絡層中以太網和電信網缺乏實時性的保障，在高速率、海量數據的傳輸中造成數據傳輸滯后。加上不同企業為了在其管理范圍內進行數據采集與監視，都具有自己專有的一套SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統，即監制與數據采集系統。如何將其與互聯網進行有機融合，為區分層級傳輸與緩存至SCADA 數據庫的數據集合，本文在傳統物聯網架構中增加了現場管理層。工業物聯網(IIOT)的典型架構如圖1 所示。

圖1 IIOT 四層體系架構圖

感知層通過傳感器、掃描儀、射頻等設備進行數據采集。

現場管理層主要指工廠的本地調度管理中心，融合在企業的工業監控系統中。調度中心統籌整個工業系統的數據傳輸、甄別數據類別、來源，及時處理底層采集的數據，其可編程的特點為整個網絡提供快了速數據響應、過程指令控制等功能。此外，通過該層的web 服務器、數據庫服務器，調度中心可對外提供數據接口，并將傳感器采集的數據實時傳輸至應用層，對后續數據處理分析與應用起到了重要的作用。

網絡層是連接感知層與應用層的橋梁，負責體系中的網絡組建，異構網絡相連，并依托大數據、云計算等技術進行海量信息智能處理。

應用層位于體系的最上層，通過處理不同的業務需求，整合分析底層傳輸的數據信息，并對外提供相應的解決方案。

2 面向IIOT 現場管理層的SCADA 系統

SCADA 系統在IIOT 體系結構中面向現場管理層，它可以通過與工業機器人、傳感器、PLC 等通訊實現數據采集和設備生產過程監控。同時，也為車間的運營管理提供統一的數據基礎，是連接車間MES系統和生產線自動化設備之間的紐帶，如圖2 所示。

在SCADA 系統中通過多種驅動和協議與設備層進行數據交互，其中過程控制統一架構（OPC UA）提供了統一的標準技術框架，是工業4.0 中解決跨層級數據交互一種數據通信標準。OPC UA作為一種面向服務的協議，其目的是為了使工業化通訊更加標準化[2]。它具有以下優點：

圖2 SCADA 系統架構

(1) 傳輸性能高。OPC UA 數據幀采用二進制或XML 格式進行編碼，通信過程中可以根據實際情況需要自動選擇傳輸效率更高的編碼類型。此外，OPC UA 還支持HTTP 和TCP/IP 等多種網絡協議。在面向上層服務器數據交互時，通常采用XML 格式通過HTTP 進行傳遞，便于應用層獲取結構化數據；而面向設備層時，往往采用二進制格式編碼通過TCP/IP 協議通信，以提高底層控制器的訪問效率。

(2)通信機制可靠。OPC UA 通過數據加密、標記等技術保證了數據可靠性，拒絕非授權訪問導致的信息泄露，同時，OPC UA 的訪問規范要求應用程序必須執行安全協議，因此其通信機制可靠性和安全性較高。

(3)平臺無關性。OPC UA 協議采用面向服務的架構，獨立于操作系統實現，支持多種底層設備的數據通訊接口，使其能更靈活的進行數據交換，可以連接不同廠商的設備，實現自底向上或由上而下的數據集成，極大地增強了其擴展性。

(4)實現統一訪問。OPC UA 將地址空間集成到服務端，可以構建復雜的數據結構，用統一抽象的模型描述各類設備，從而實現節點的統一訪問。

3 OPC UA 通信模式及應用研究

3.1 OPC UA 通信模式

OPC UA 基于面向對象的信息建模方法，其最小單元稱之為節點。通過節點間的引用關系形成層次化結構，將一系列節點統一到地址空間中。節點由節點屬性和引用構成,屬性是節點特征化數據的抽象描述，引用定義了節點間的關系，如圖3 所示。

圖3 OPC UA 節點建模

OPC UA 采用Client/Server 模式，如圖4 所示，OPC UA 客戶端通過通信棧發送請求信息到OPC UA 服務端，服務端對請求數據進行解析，將相應節點數據通過消息棧發送響應信息回傳給客戶端。

圖4 基于C/S 架構的OPC UA 通信模式

OPC UA 的數據通信的一般流程為：

(1) 對底層設備信息建模，并在數據中心數據庫中進行描述，結合設備層級關系，加入節點引用標記；

(2) 調用OPC UA 服務器定義的API 接口，并針對底層設備模型（真實對象）構建相應的OPC UA 服務器；

(3) 將設備層需要采集或控制的數據在服務器節點中進行裝載封裝，提供客戶端調用；

(4) 在應用層構建OPC UA 客戶端，解析服務端響應請求中的數據；

(5) 讀取數據庫中相應信息完成數據采集工作，或向數據庫寫入數據實現設備驅動。

3.2 構建數字化車間通信架構

針對數字化車間無統一通信協議導致信息流不暢、數據實時性較差的弊端，采用OPC UA 對數字化車間的通xun 架構進行了構建，如圖5 所示。

圖5 數字化車間通信架構

數字化車間通信架構主要包括四個層級，分別為：

設備層：由PLC 設備、數控設備、傳感器、工業機器人等構成。在設備層中，將各類設備統一抽象映射到OPC UA 地址空間中，把設備數據和訪問控制方法封裝為定義為服務器節點，通過訂閱/發布模式對外發布應用程序。而設備間也可以通過在設備上分別構建OPC UA 客戶端來的進行數據交互。

數據通信層：核心是SCADA 系統，由SCADA 服務端為MES 等管理信息系統提供數據，向下通過設備層客戶端讀取或寫入節點數據，實現對設備數據的采集和設備控制。

制造執行層：通過在MES 系統中構建OPC UA 客戶端，向SCADA 系統采集設備狀態、質量等過程數據，派發工單指令，驅動設備生產。向上傳遞生產過程信息，實現與ERP 等系統的集成。

企業數據決策層：面向ERP 等企業管理信息平臺，主要作用為向MES 下達生產計劃，通過豐富的UI 界面展現車間運行狀態，輔助決策。

3.3 OPC UA 數據通信應用

以數字化車間中常見的PLC 設備為例，從數據采集和設備監控兩方面對OPC UA 數據通信進行分析，如圖6 所示。

圖6 典型OPC UA 數據通信應用

（1）數據采集時，PLC 設備將數據采集程序封裝成API 接口，裝載到OPC UA 服務端，等待OPC UA 客戶端的調用，客戶端調用成功后將設備數據存儲到數據庫中，最后傳遞給MES 系統。

（2）設備控制時，在MES 端構建客戶端，下達設備控制指令，通過OPC UA 協議，調API 接口，OPC UA 服務端解析客戶端請求數據幀，通過具體的PLC 控制程序實現設備驅動。對應工序結束后，依次反饋完成信號，逐級發送響應數據。

3.4 應用效果分析

面向數字化車間存在不同種類設備的特點，基于OPC UA 重構數字化車間數據通信方式，OPC UA 協議通過在地址空間中的映射，實現語義統一條件下的建模，構建標準化的接口規范，打通了各層數據的壁壘。并且適配各類設備驅動，無需針對性定制化開發，降低成本投入，也提高了系統的可重用性和擴展性。通過對節點進行數據封裝，大大提高了資源模型的重用性。同時，OPC UA 將設備數據存放于數據中心，為制造執行和企業決策以及大數據應用提供了數據支撐。

4 結束語

OPC UA 的通訊架構基于工業以太網，雖然能夠保證傳輸速率和數據實時性，但缺乏與無線設備通訊，在很大程度上增加了它的局限性。隨著5G技術的飛速發展，其未來應用場景會更加豐富。