基于OPC UA的云端遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

張?zhí)煊睿圉?/p>

(1. 東華大學(xué) 信息學(xué)院，上海201620；2. 四川煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司， 四川 成都 610041)

隨著工業(yè)4.0[1]概念的推出，中國也提出了“中國制造2025”的行動綱領(lǐng)，這些概念從本質(zhì)上講就是要通過和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的方式實現(xiàn)智能化制造。而在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域也在不斷地經(jīng)歷著變革，其中工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速。將以太網(wǎng)應(yīng)用于控制領(lǐng)域，可以完善不同廠商設(shè)備之間的互操性，并且實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和診斷，成為底層的現(xiàn)場設(shè)備與先進(jìn)的控制優(yōu)化層溝通的橋梁，這對遠(yuǎn)程控制提供了堅實的基礎(chǔ)。但以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由于各個硬件設(shè)備工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大都不同，還不能解決應(yīng)用軟件和各種設(shè)備驅(qū)動程序間的通信問題，而OPC技術(shù)目前作為一整套規(guī)范為工業(yè)自動化提供數(shù)據(jù)交換的解決方案已經(jīng)得以有效的實現(xiàn)。OPC UA[2]是工業(yè)4.0的重要基礎(chǔ)性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，超越了工業(yè)以太網(wǎng)的范圍，為不同的現(xiàn)場總線系統(tǒng)的集成提供了有效的軟件實現(xiàn)手段，允許來自不同的廠商以及不同平臺的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。本文也正是基于此提出了云端遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的被控對象為真實的工業(yè)設(shè)備，可以達(dá)到控制算法對被控對象遠(yuǎn)程控制的效果。

1 OPC技術(shù)

1.1 OPC簡介

OPC(OLE for process control)是由國際組織OPC基金會管理的一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，給工業(yè)控制領(lǐng)域提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，主要用于過程控制系統(tǒng)和制造業(yè)自動化系統(tǒng)[3]。由于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集和交互的標(biāo)準(zhǔn)，需要獲取數(shù)據(jù)對象，并且需要根據(jù)確認(rèn)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)獲取，所以說OPC可以讓各類設(shè)備的信息在不同場合和廠家硬件之間暢通無阻的交換，為各個應(yīng)用之間提供透明的數(shù)據(jù)訪問。

OPC采用C/S模式，是一套與廠商無關(guān)的軟件數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)接口和規(guī)程，解決了軟硬件廠商的矛盾和過程控制系統(tǒng)與其數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)交換問題[4]，完成了系統(tǒng)的集成，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性。

當(dāng)前大部分自動化軟件解決方案的提供者都支持OPC協(xié)議，并且還在陸續(xù)加入。而OPC基金會為了更好地推廣OPC技術(shù)，其在成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上還推出了OPC UA標(biāo)準(zhǔn)，而隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，OPC UA也成為最為重要的標(biāo)準(zhǔn)之一。

1.2 OPC UA標(biāo)準(zhǔn)

過程控制統(tǒng)一對象模型(OPC UA)提供了一個與平臺無關(guān)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)，不再受Windows平臺限制，相較于OPC DA[5]靈活性和安全性都有了很大提高，以一定格式自動采集數(shù)據(jù)，在底層的網(wǎng)絡(luò)傳輸過程還是基于TCP/IP協(xié)議。

OPC UA專注于將數(shù)據(jù)從A移動到B，同時還保障數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，對硬件和軟件之間的數(shù)據(jù)實現(xiàn)雙向傳遞，可讀可寫，大幅革新了傳統(tǒng)的通信協(xié)議。當(dāng)數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)靡越鉀Q，也就為遠(yuǎn)距離的系統(tǒng)控制帶來可能。

2 系統(tǒng)設(shè)計

在工業(yè)控制領(lǐng)域，控制算法研究和實際項目有差別，只模擬仿真并不能復(fù)刻實際工程的種種問題，無法帶來實際的應(yīng)用價值，因此，遠(yuǎn)程控制可以對算法的改進(jìn)優(yōu)化提供強(qiáng)大的助力，同時在工業(yè)控制行業(yè)中，遠(yuǎn)程控制也能為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益并減輕決策成本。

首先要明確所謂的遠(yuǎn)程控制的含義，現(xiàn)在多數(shù)的遠(yuǎn)程控制實際上只是實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果，通過遠(yuǎn)程操控實地上位機(jī)進(jìn)而達(dá)到控制，這并沒有擺脫對時空上的限制，而本文的遠(yuǎn)程控制是指在一個工業(yè)控制系統(tǒng)中，可以擺脫空間上的限制，控制算法作為控制器遠(yuǎn)程控制和調(diào)試被控對象，以達(dá)到設(shè)定的控制指標(biāo)。

2.1 系統(tǒng)的建立

早在2002年，文獻(xiàn)[6]就有了基于TCP/IP因特網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的概念，遠(yuǎn)程控制需要做到的就是將被控對象的輸出作為控制算法的輸入，而控制算法的輸出再回到被控對象的輸入，該過程通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，以達(dá)到擺脫距離的限制。而隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷更新，遠(yuǎn)程控制將會得以更好的實現(xiàn)。首先OPC UA技術(shù)可以有效地解決數(shù)據(jù)交互問題，其次KEPServer軟件和云端可以解決數(shù)據(jù)跨局域網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸問題，由于云服務(wù)器具有內(nèi)網(wǎng)穿透的功能，算法放入云端還能打破對空間的限制，以此為基礎(chǔ)，一個復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)也能簡單高效地實現(xiàn)隨時隨地的遠(yuǎn)程控制測試。

基于OPC UA的云端遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的建立是將控制算法放在云服務(wù)器上，而被控對象是真正的工業(yè)設(shè)備，通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，二者間可以交換數(shù)據(jù)，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1所示，位于云服務(wù)器的控制端和底層硬件的被控對象之間借助與KEPServer軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)互通，首先在被控對象處，KEPServer軟件連接工業(yè)設(shè)備節(jié)點后作為OPC客戶端，在控制器端，控制系統(tǒng)連接KEPServer軟件后作為OPC服務(wù)端，然后雙方的KEPServer軟件通過OPC UA Client通道互聯(lián)，此時就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)互通。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由云服務(wù)器控制端、OPC數(shù)據(jù)傳輸端和作為控制對象的實際工程三部分組成，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖中可以看到在簡化的反饋系統(tǒng)中，其前向通道和反饋通道均由OPC UA傳輸，所以該控制系統(tǒng)的控制距離就可以不再受到約束，并且OPC UA作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)對幾乎任意硬件設(shè)備的通信，該功能對軍工和民用產(chǎn)品的研究和制造都將帶來巨大的便利。

圖2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

OPC數(shù)據(jù)傳輸端作為數(shù)據(jù)傳輸部分，這些工作主要由OPC Server來完成，最廣泛的OPC服務(wù)器軟件采用KEPServer軟件實現(xiàn)，軟件介紹和配置將在下一節(jié)敘述。

云服務(wù)器控制端主要實現(xiàn)控制器的作用，由于KEPServer軟件的遠(yuǎn)程連接需要在局域網(wǎng)內(nèi)實施，所以將控制算法放在云端，利用云平臺的內(nèi)網(wǎng)穿透功能以便于KEPServer軟件跨局域網(wǎng)連接，進(jìn)而可以達(dá)到隨時隨地的遠(yuǎn)程控制整個被控對象，真正的擺脫時空上的限制。

被控對象就是實際的工程項目，甚至可以狹義地理解為底層的硬件設(shè)備，常見為不同型號的可編程序控制器(PLC)，目前如西門子、歐姆龍、三菱等主流硬件供應(yīng)商都支持OPC UA協(xié)議，因此只要有相應(yīng)的驅(qū)動，就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3 軟件介紹和配置

3.1 KEPServer軟件簡介

Kepware是一家做大型通用OPC Server的廠家，一直致力于工業(yè)自動化領(lǐng)域的通信連接，作為OPC技術(shù)和產(chǎn)品供應(yīng)商[7]，其主要產(chǎn)品有KEPServer， LinkMaster等，其中KEPServer軟件應(yīng)用最為廣泛。KEPServer軟件是產(chǎn)業(yè)界一致認(rèn)可的第三方OPC服務(wù)器軟件，集成幾十個廠家的上百種驅(qū)動，可以支持幾乎所有的知名PLC廠家，實現(xiàn)軟硬件間的互聯(lián)。該軟件作為一個連接通信平臺，可以為PLC，傳感器，數(shù)據(jù)庫或是OPC Server轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的OPC的數(shù)據(jù)格式，大幅減少了連接復(fù)雜度。

3.2 KEPServer軟件配置

配置KEPServer軟件步驟如下：

1)明確連接的一方為客戶端，被連接的為服務(wù)器端，在該系統(tǒng)中，被控對象為客戶端，控制器為服務(wù)器端，同時客戶端已經(jīng)建好硬件設(shè)備的輸入輸出節(jié)點，服務(wù)器端也已經(jīng)建立好對應(yīng)的輸入輸出節(jié)點。

2)連接雙方需要互相交換安全證書。客戶端一方導(dǎo)出客戶端驅(qū)動程序證書，發(fā)送給服務(wù)器端同時導(dǎo)入其受信任的客戶端，服務(wù)器端同樣需要導(dǎo)出服務(wù)器證書發(fā)送給客戶端，并導(dǎo)入其受信任的服務(wù)器端。

3)在作為客戶端的KEPServer軟件中新建通道，在通道類型下拉框中選擇“OPC UA Client”，目的是與服務(wù)器端連接，在輸入端點URL界面，輸入服務(wù)器端所對應(yīng)的URL地址，注意這里一定要填寫控制器也就是服務(wù)器端所在云服務(wù)器的公網(wǎng)IP地址，以保證通過網(wǎng)絡(luò)訪問指定的服務(wù)器端，其他默認(rèn)下一步。

4)單擊添加設(shè)備，在選擇導(dǎo)入項目時，如果連接成功，將會出現(xiàn)服務(wù)器端的節(jié)點列表，此時將控制器端KEPServer軟件中的輸入輸出節(jié)點添加至本地KEPServer中，才能完成數(shù)據(jù)通信。

5)此時客戶端有本地已建立的輸入、輸出節(jié)點和剛添加的控制器端的輸入、輸出節(jié)點，右鍵單擊Advanced Tags選擇NEW LINK Tag，將本地的輸入和控制器端的輸出連接，本地的輸出和控制器端的輸入連接，就實現(xiàn)了雙向連接，完成數(shù)據(jù)間的傳輸。

4 實際測試

在工業(yè)控制企業(yè)中，控制效果有微小的提升都會減少很大的運行成本，因此一個優(yōu)秀的控制算法可以為企業(yè)帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益，在測試中，系統(tǒng)云端算法采用預(yù)測PI控制算法，對某公司的氣相色譜裝置中的色譜柱進(jìn)行了溫度遠(yuǎn)程控制，并取得較好的控制效果。

4.1 預(yù)測PI算法介紹

將預(yù)測算法和PID算法融合在一起的控制器，可以將PID算法的簡單性、實用性、魯棒性和模型預(yù)測控制算法的預(yù)測功能結(jié)合起來[9]。預(yù)測PI算法可以有效地解決過程控制中滯后的問題，當(dāng)參數(shù)發(fā)生改變時，也能使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。該算法主要由PI和預(yù)測兩部分構(gòu)成，預(yù)測部分可以實現(xiàn)對滯后過程控制中選擇合適的當(dāng)前控制，使系統(tǒng)未來的輸出恰好是控制指標(biāo)所期望的形式，這樣可以減少時滯帶來的影響，并且進(jìn)行有效地控制，PI部分保留對模型精度要求不高的優(yōu)點，提高控制器的魯棒性，實現(xiàn)良好的控制性能。

4.2 控制結(jié)果

氣相色譜儀在工作過程中，試樣由氣路系統(tǒng)進(jìn)入，通過進(jìn)樣系統(tǒng)氣化后，再經(jīng)色譜柱分離，最后進(jìn)入檢測系統(tǒng)，隨后得到數(shù)據(jù)結(jié)果。在該過程中，溫度控制系統(tǒng)需要控制進(jìn)樣系統(tǒng)、色譜柱和檢測系統(tǒng)，所以溫度對該裝置的影響是非常大的[10]。在該次測試中，溫度控制系統(tǒng)主要對色譜柱的柱溫進(jìn)行了遠(yuǎn)程控制，分別測試了升降溫度和連續(xù)升溫的效果，色譜柱升降溫曲線如圖3所示，色譜柱連續(xù)升溫曲線如圖4所示。

圖3 色譜柱升降溫曲線

圖4 色譜柱連續(xù)升溫曲線

從圖3和圖4中可以看到，控制器的輸出根據(jù)設(shè)定值的變化不斷變化，使得實際溫度緊緊跟隨設(shè)定值，說明整個系統(tǒng)正常運行，設(shè)定值的改變會影響實際溫度的改變，同時當(dāng)控制器的輸出關(guān)閉后，被控對象的輸出即色譜柱柱溫立即開始下降，這證明控制器的輸出不斷作用于遠(yuǎn)端的色譜柱，二者之間存在數(shù)據(jù)交流。當(dāng)設(shè)定值發(fā)生改變后，實際溫度并沒有立即改變，這是因為在遠(yuǎn)程控制過程中，數(shù)據(jù)的交換基于OPC UA協(xié)議，而它同樣要依靠因特網(wǎng)傳輸，所以就會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)延遲使得數(shù)據(jù)沒能及時交互，所以在圖形中會出現(xiàn)滯后的情況。

由于云端遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要檢測遠(yuǎn)程控制效果，因而并沒有對色譜柱溫度控制對象進(jìn)行建模和仿真，同時未對不同的控制算法進(jìn)行比較，所以主要檢驗了遠(yuǎn)程控制效果是否達(dá)到預(yù)期。從實際測試中可以看出，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定的達(dá)到期望的控制值，取得了滿意的遠(yuǎn)程控制效果，同時也表明預(yù)測PI控制算法可以很好的完成對色譜柱溫度的控制。

5 結(jié)束語

基于OPC UA的遠(yuǎn)程控制是一種先進(jìn)的控制模式，不僅通用性強(qiáng)而且實現(xiàn)成本低。經(jīng)過測試，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以有效地進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，大幅節(jié)約了時間成本，帶來較大的便利。但該系統(tǒng)也有不足，由于其可以隨時隨地進(jìn)行控制，因此也受制于網(wǎng)絡(luò)延遲以及系統(tǒng)自身所帶來的延遲問題，當(dāng)延遲較大時就會產(chǎn)生一定的滯后，控制效果也會因此受到影響，進(jìn)而影響算法的效果。