圖形化在線建模的OPC UA網關設計①

蘇 鑫,李軍懷,王懷軍,張發存,崔穎安,馮連強

1(西安理工大學 計算機科學與工程學院,西安 710048)

2(中國重型機械研究院股份公司,西安 710032)

1 引言

我國制造業發展時間較短,存在著信息化、自動化和智能化程度不高的問題,在傳統制造業向智能制造轉型升級的過程中,制造環節裝備通信協議與數據的異構導致的互聯互通等制約智能制造發展的關鍵問題仍然沒有解決.工業現場底層設備種類繁多,不同的通信協議使得數據采集和通信系統的統一成為難題,直接影響車間的統一管理[1].且由于缺乏統一的數控信息模型標準,設備間數據的異構同時導致了語義上不能互通[2].因此,在工業現場設備之間建立統一規范的通信模式以及統一的語義模型對于車間數字化水平提升尤為重要.

OPC UA為不同協議的數據交換提供了一種可靠的解決方案[3].OPC UA是一種平臺無關的面向服務的體系結構,能夠實現原始數據和預處理的信息從制造層級到生產計劃或ERP 層級的傳輸[4].OPC UA 具有平臺獨立性,在從嵌入式微控制器到基于云的服務器上都可以運行其全部功能.OPC UA 通過會話加密、身份驗證和審核跟蹤等功能實現其安全性.另外,OPC UA 也是一種“面向未來”的架構,新的傳輸協議、安全算法、編碼標準或應用程序服務等創新技術和方法可以方便地整合到OPC UA[5].

OPC UA是OPC 基金會在經典OPC 規范的基礎上制定的新一代工業信息接口規范.經典OPC 基于微軟COM和DCOM 技術,這導致經典OPC 嚴重依賴Windows 平臺,應用場景受到了限制.OPC UA的誕生消除了經典OPC的平臺依賴性,提供了更加豐富的功能,還增強了數據對象的建模能力.近年來,國內外學者積極開展對OPC UA 技術研究和應用.同濟大學夏文霞等提出了一種OPC UA與時間敏感型網絡(Time-Sensitive Networking,TSN)的融合技術[6],旨在解決OPC UA與5G 蜂窩網絡的傳輸映射問題.浙江理工大學的黃李炳等開發了基于OPC UA的數控機床聯網適配器[7],將不同品牌數控系統的數據接口統一,方便上層SCADA、MES、ERP 管理系統與底層設備組網.德國在“阿爾法文圖斯”海上風電廠并網發電項目中采用OPC UA 技術在數據采集與監視控制系統(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)中進行數據采集和監控.von Arnim 等提出了一種能夠使用現有數據結構生成OPC UA 地址空間的方法[8],使用該方法能夠在OPC UA 服務器運行時創建地址空間,方便使用OPC UA 規范與現有實例進行數據交換.

當前,西門子等國外知名廠商都在其產品中支持了OPC UA 服務,但是在工業現場仍有大量的舊設備并不支持OPC UA 功能,當把OPC UA 作為主要的通信架構時,這些設備需要一種從原始通信協議到OPC UA 協議的中間件來接入通信網絡.本文提出了一種圖形化信息建模的OPC UA 網關,連接不同協議的設備并將這些設備的數據映射到OPC UA 地址空間,便于邊緣服務器、MES和ERP 等管理軟件以OPC UA 協議實現對數據的快速訪問,以及實現面向不同協議的設備層設備互聯、異構數據的采集與數據模型的統一和不同層級語義互操作性.同時,提供了針對設備與數據的圖形化信息建模平臺,用戶通過Web 頁面對設備建立信息模型并定義數據映射規則,通過網關將信息模型應用到地址空間,簡化建模過程.

2 數字化車間的OPC UA 網關設計

OPC UA為工業生產制造場景提供了一種新的互聯互通架構以及信息交互模型.數字化車間中OPC UA 網關對接入設備層的各類設備進行數據采集,并將所采集數據映射到OPC UA 服務器的地址空間節點.對于邊緣服務器和制造執行系統等其他車間管理系統,OPC UA 網關將多種多樣的復雜現場協議屏蔽,提供統一的由OPC UA 定義的通信協議.

2.1 數字化車間通信架構

基于OPC UA 網關的數字化車間通信架構如圖1所示.其中,設備層負責生產制造過程,設備和傳感器產生重要的現場級實時數據是上層系統把控生產制造過程以及進行決策的重要依據[9].互聯層使用OPC UA 網關作為中間件連接設備層設備,互不兼容的協議被統一成OPC UA 協議,有利于現場級數據的匯聚.同時,設備層設備在OPC UA 地址空間中形成信息模型,實現不同設備不同層級的語義互操作性.

2.2 OPC UA 網關設計

網關的結構如圖1中互聯層所示,由3 個模塊組成:OPC UA 服務器、設備層數據采集模塊和Web 控制臺.設備層數據采集模塊集成的多種現場協議驅動對不同設備的數據節點進行采集,數據采集任務被該模塊組織成一個任務隊列統一進行調度管理,并以用戶設置好的頻率調用現場協議驅動程序采集設備數據.用戶通過Web 控制臺方便地配置設備層數據采集模塊的采集任務.各模塊具體描述如下:

圖1 基于OPC UA 網關的數字化車間通信架構

(1)OPC UA 服務器在地址空間中建立用戶所需的信息模型,將接收的設備層數據采集模塊采集的數據映射到地址空間對應節點上,響應邊緣層的數據請求命令,在合適的時機對地址空間中的數據進行更新以保證客戶端讀取到最新數據.

(2)設備層數據采集模塊將數據采集任務組織為任務隊列并進行輪詢,當任務節點符合采集要求時將調用現場協議接口對設備數據進行采集,并發送給OPC UA 服務器.設備層數據采集模塊集成了Modbus-RTU、PROBFIBUS 協議和CJ188 協議等現場協議,支持不同廠商不同協議的設備進行數據交換.

(3)Web 控制臺為用戶提供了一個圖形化的工具,便于用戶構建OPC UA 地址空間中的信息模型、制定數據采集任務以及對網關進行控制.在Web 控制臺,用戶構建的信息模型及制定的數據采集任務被轉換成JSON 格式的網關配置文件,此后網關按照該配置文件進行工作.

網關工作流程如圖2所示.設備層數據采集模塊中任務節點符合數據采集條件時,使用數據請求命令獲取現場設備的數據并將數據映射到OPC UA 服務器中地址空間節點上.當邊緣服務器向OPC UA 服務器請求數據時,OPC UA 服務器為其提供數據.

圖2 網關工作流程

3 網關關鍵模塊設計與實現

OPC UA 網關關鍵模塊包括設備層數據采集模塊、OPC UA 服務器以及Web 控制臺提供的圖形化建模工具.

3.1 設備層數據采集

網關所連接的設備使用的接口類型與通信協議可能不同.另外,部分工業數據采集系統對數據傳輸具有確定性要求,例如在確定的限制時間之內完成可靠的數據通信[10].因此,本文為使數據能夠及時準確地提供給用戶或上層調用,設計了用于數據采集的任務輪詢機制.該部分程序使用獨立的線程執行,核心是一個任務隊列.網關在啟動后自動解析配置文件,并根據配置文件的信息生成任務隊列,在任務隊列的每個節點中存放了被采數據的采集頻率和數據來源地址等信息.任務輪詢機制將定時查詢任務隊列中的任務節點,若存在等待被執行的任務就會調用相關的數據采集函數進行數據采集.設備層數據采集模塊結構如圖3所示.

圖3 設備層數據采集模塊結構

設備層包含儀表儀器、傳感器和執行器等設備,不同廠家生產的設備一般使用不同的現場總線協議,目前常用的現場總線有幾十種.設備層數據采集模塊提供一種具有靈活性、可擴展性以及通用性的數據采集接口,以適配不同的現場總線協議.

3.1.1 數據采集接口

任務隊列節點記錄了數據采集任務的詳細信息,主要包括數據采集接口函數以及與協議相關的配置信息.任務節點成員信息如表1所示.

表1 任務節點成員

其中成員ProtocolInterface是數據采集接口函數指針,當網關解析配置文件并生成任務節點時會根據總線協議類型為此指針賦予對應的數據采集接口函數地址.成員protocolInfo是指向協議配置信息結構體的指針,數據采集接口函數根據此結構體提供的信息對總線配置.data 用于儲存采集到的數據.

函數指針ProtocolInterface是數據采集接口具備通用性和可擴展性的關鍵,其函數簽名為void Protocol-Interface(void *protocolInfo,void **data).統一的接口設計規范方便匹配不同的現場協議接口函數,不同接口函數在實際調用時才將配置信息結構體進行類型強制轉換.使得符合這一設計規范的數據采集接口函數都允許通過該指針被統一調用,實現了數據采集接口的通用性和可擴展性.

3.1.2 Modbus 協議接入數據采集接口

下面以Modbus-RTU 協議為例說明底層協議接入數據采集接口的過程.Modbus是一種采用主從架構的串行通信協議,已成為工業領域通信協議的業界標準之一,目前大多數計量儀表都具有RS485 通訊接口,支持Modbus 通訊協議[11].

配置信息結構體ModbusInfoStruct 定義了完成一次Modbus 數據采集所需要的全部信息,結構體成員信息如表2所示.

表2 配置信息結構體成員

設備通過Modbus 協議接入網關進行數據采集的主要過程如下:

(1)網關在生成Modbus 協議數據采集的任務節點時會為成員指針變量protocolInfo 申請內存,強制轉換為ModbusInfoStruct 類型的指針后為各成員賦值;

(2)Modbus 數據采集接口函數為void Modbus_PollFunc(void *protocolInfo,void **data),與ProtocolInterface 具有相同函數簽名,方便接入設備層數據采集模塊;

(3)Modbus 數據采集接口函數將配置信息指針protocolInfo 轉換為struct ModbusInfoStruct *類型;

(4)然后根據配置信息中的從機ID和寄存器地址進行數據采集,采集到的數據通過指針data 返回給設備層數據采集模塊.

3.2 OPC UA 服務器

OPC UA 服務器為OPC UA 客戶端提供數據,典型的OPC UA 應用的形式如圖4所示.

圖4 OPC UA 軟件層次

一個完整的OPC UA 應用程序由3 個部分組成:OPC UA 棧、OPC UA SDK和UA 服務器或者UA 客戶端[12].本文基于open62541 實現OPC UA 服務器,open62541是一個開源的OPC UA 協議棧,與其他OPC UA 協議棧相比,open62541 在CPU 利用率、實時性和功耗等方面更有優勢[13,14].

OPC UA 服務器使用單獨的線程運行.網關啟動后首先通過配置文件解析器將配置文件解析生成地址空間信息模型,然后開啟OPC UA 服務,為接入服務器的OPC UA 客戶端提供數據.

為了保證OPC UA 客戶端能夠讀取節點的最新數據,通常需要服務器循環采集并更新數據,這種方法需花費大量時間更新數據,即使客戶端對數據的訪問頻率不高,也會浪費大量系統資源.而open62541為地址空間中的節點設定了回調函數,在客戶端讀取數據之前,服務器先調用回調函數,在回調函數中對服務器端的數據進行更新,使得服務器端在不重復刷新數據的前提下讓客戶端讀取到最新數據,提升系統效率.

3.3 圖形化在線建模

現有的OPC UA 信息建模工具SiOME和UaModeler,在圖形界面下也提供了快速建模的功能[15],但建立的模型無法直接應用在OPC UA 服務器上,需要先生成程序源代碼或XML 文件,編譯后才能使用新建的信息模型,步驟繁瑣且容易出錯.

為方便用戶快速便捷地建立OPC UA 信息模型并應用到網關中,設計了一種圖形化在線建模工具,支持在線建模且不需要對源代碼進行修改和重新編譯.

3.3.1 圖形化在線建模工具的設計

圖形化在線建模工具是基于Web的應用程序,為用戶提供了快速信息建模功能,其結構如圖5所示.

圖5 圖形化在線建模工具結構圖

通過圖形化在線建模工具,用戶可以方便地創建新模型,并根據實際需求編輯模型.模型內部節點以樹形結構進行組織,節點中包含對應OPC UA 節點的屬性,此外,在Variable 類型節點中還包含了采集設備層數據的必要信息.新建的信息模型會被傳回Web 服務器保存在本地磁盤成為配置文件,并為其在數據庫中創建一份記錄(包括模型名稱、存儲路徑、日期以及當前應用狀態).用戶使用該工具能夠對所有模型進行管理.

當用戶將模型應用到網關后,網關在重新啟動后會自動讀取當前處于應用狀態的配置文件,并在OPC UA 地址空間中建立此信息模型,在設備層數據采集模塊中生成任務隊列.用戶使用圖形化建模工具進行信息建模的流程如圖6所示.

圖6 圖形化建模工具使用流程圖

3.3.2 配置文件與配置文件解析器

配置文件基于JSON 格式,是一種輕量級的數據交換格式[16].配置文件內包含了從數據采集到地址空間構建的全部信息,主要包括:

(1)OPC UA 服務器地址空間信息模型;

(2)用于設備層數據采集的現場協議配置信息,例如協議類型、地址和寄存器地址等;

(3)設備層數據與地址空間中節點的對應關系;

(4)數據的采集頻率等其他信息.

配置文件解析器共有兩個,其中一個位于OPC UA服務器內,該配置文件解析器解析配置文件后會為OPC UA 服務器構造地址空間信息模型.另一個配置文件解析器位于設備層數據采集模塊,解析配置文件中有關設備層數據采集的任務,并構造形成任務隊列.配置文件解析器使用了CJSON 庫作為解析引擎,使用深度優先搜索方法對樹形結構的配置文件進行解析.

4 OPC UA 網關應用

4.1 單相電表的信息建模

本文以單相電表DDS5188為例對OPC UA 網關進行信息建模,并連接實物進行測試.該電表支持以RS435為接口的Modbus-RTU 協議,常用于大型場館的用電控制系統.電表的6 種數據根據屬性分為兩類,電壓、電流和功率屬于電表的實時電力數據;波特率、電壓量程和電流量程屬于電表參數.由此,電表的信息模型用如圖7所示的地址空間視圖表示.電表DDS5188的設備地址設置為0x01,其部分寄存器信息如表3所示.

表3 單相電表部分寄存器信息

圖7 單相電表信息模型視圖

在圖形化在線建模工具中進行單相電表信息建模,建模界面如圖8所示.重啟網關后網關開始對單相電表進行數據采集.

圖8 單相電表建模過程

4.2 網關運行

使用Raspberry Pi 4B的串口設備“/dev/serial0”作為Modbus 通信的物理端口,該接口為TTL 電平,通過一個MAX485 芯片轉換為RS485 電平,并連接到單相電表DDS5188.將串口配置為8 個數據位、不校驗、一個停止位的模式,之后打開串口與單相電表建立連接.

使用UaExpert 作為OPC UA 客戶端連接網關OPC UA 服務器,查看在OPC UA 服務器地址空間中創建的單相電表的模型,監控采集到的各項數據如圖9所示.

圖9 OPC UA 客戶端訪問網關結果

4.3 實驗分析

從建模的過程可以看出,通過瀏覽器可以直接訪問OPC UA 網關圖形化在線建模工具.用戶只需要使用該工具進行信息建模并將模型保存,重啟網關后信息模型將應用在OPC UA 地址空間中.相比目前行業通用的UaModeler 等OPC UA 信息建模工具,OPC UA 網關提供的圖形化在線建模工具降低了建模的復雜性,用戶無需對模型進行導出以及對代碼進行重新編譯就可以使用,降低了用戶的學習和使用成本.

從實驗結果可以看出,OPC UA 網關實現了對Modbus 等現場協議的屏蔽,向上層應用提供了同一的服務接口.將來自單相電表的數據構建為結構化的模型,提供了更為豐富有效的語義信息.實驗中使用軟件UaExpert 作為OPC UA 客戶端能夠實時從OPC UA服務器獲取單相電表運行數據,表明OPC UA 網關實現了數據的高效可靠傳輸.

5 結束語

為了使當前制造車間中不支持OPC UA 功能的制造設備融入數字化車間互聯架構,本文設計了一種圖形化在線建模的OPC UA 網關,克服了異構網絡之間的數據交換壁壘,為實現車間數字化提供了解決方案.OPC UA 網關為用戶提供了便利的圖形化建模工具,減小了應用成本.另外,網關支持網頁端控制臺對網關的控制與狀態監控,更便于用戶使用.最后,以單相電表DDS5188為例對OPC UA 網關的建模和使用進行了測試,驗證了網關的可行性.