基于OPCUA的多機器人通信研究

巫廣達

[摘? ? 要]OPC技術可提供工業(yè)標準接口規(guī)范，用于Windows管理軟件與現(xiàn)場設備的集成。但OPC技術在平臺應用中存在諸多難點，例如底層車間數(shù)據(jù)向高層傳輸?shù)碾y度較大、安全性欠佳等。為此，在技術研究逐步深入之下，衍生出OPCUA技術，其可以突破既有技術的局限性，在平臺兼容性、安全性等方面均有突出的優(yōu)勢，對于系統(tǒng)的發(fā)展而言有重要的推動作用，可以實現(xiàn)無縫集成的高質量發(fā)展目標，于工業(yè)環(huán)境中，則給工業(yè)4.0的基礎-設備互聯(lián)互通創(chuàng)設了良好的條件。

[關鍵詞]OPC技術;OPCUA技術;工業(yè)機器人;通信機制

[中圖分類號]TP242 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–0–03

Multi-robot Communication Based on OPCUA

Wu Guang-da

[Abstract]OPC technology can provide industry standard interface specifications for the integration of Windows management software and field devices. However， there are many difficulties in the application of OPC technology in the platform， such as the difficulty of transmitting the data from the bottom workshop to the high level， and the poor security. For this reason， under the gradual deepening of technical research， OPCUA technology is derived， which can break through the limitations of existing technologies and has outstanding advantages in platform compatibility， security， etc.， which is important for the development of the system. The promotion role can achieve the high-quality development goal of seamless integration. In the industrial environment， it creates good conditions for the interconnection of equipment， the basis of Industry 4.0.

[Keywords]OPC technology; OPCUA technology; industrial robot; communication mechanism

工業(yè)逐步朝著自動化的方向發(fā)展，在此期間采用到多類型網(wǎng)絡，各層次的各系統(tǒng)分別對應有特定的網(wǎng)絡，盡管選用的是相同的平臺，也依然有可能存在多類形式的網(wǎng)絡，而各類網(wǎng)絡均有其獨特性，因此如何高效交換數(shù)據(jù)成為重難點內容。OPC技術作為前沿的數(shù)據(jù)交換技術，其在工業(yè)控制領域取得廣泛的應用，已然成為主流的工業(yè)接口標準，是多數(shù)工控廠商青睞的技術形式。

1 OPCUA概述

在OPC技術逐步發(fā)展之下，OPCUA應運而生，其對于促進工業(yè)化通訊發(fā)展而言有重要的作用，有利于提高標準化水平。OPCUA以服務器和客戶為核心，由兩者共同構成，其中服務器可用于保存數(shù)據(jù)，并基于此進行建模，構成涵蓋“節(jié)點”和“參考”兩大關鍵元素的元模型。客戶以標準協(xié)議為依托，可及時準確地識別到地址空間里可被修改的部分，同時也能夠根據(jù)需求完成相應的修改操作。具體涉及到的網(wǎng)絡協(xié)議有兩種形式，若客戶與服務器間的數(shù)據(jù)吞吐規(guī)模較為可觀，此時最為合適的是二進制協(xié)議;而針對網(wǎng)絡防火墻存在的問題，更具可行性的是SOAP的Webservice協(xié)議。此外，出于安全層面的考慮，OPCUA標準提供加密和身份驗證，嚴把安全關卡，得益于此方式，在傳輸層無需額外加密。

OPCUA在信息交換領域具有優(yōu)勢，可在客戶和服務端環(huán)境中訪問數(shù)據(jù)，與此同時也能夠完成縱向和橫向的信息交換操作。數(shù)據(jù)交換的便捷性較好，原因在于其不受供應商通信協(xié)議的限制，公司內部各級別可高效完成數(shù)據(jù)的傳輸操作。由此，可以明確OPCUA的優(yōu)勢，例如：將數(shù)據(jù)傳至企業(yè)級，高度集成底層車間設備、制造管理系統(tǒng)和決策軟件。根據(jù)OPCUA（數(shù)據(jù)存取）規(guī)范可以得知，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀寫和監(jiān)控作業(yè)，同時也可以借助PLC等相關設備完成對設備的監(jiān)控，以便更為及時準確地獲取到數(shù)據(jù)，掌握其在特定階段內的變化規(guī)律。

2 OPCUA系統(tǒng)結構與運行模式

2.1 OPCUA客戶端和服務器結構

OPCUA采用到C/S（客戶端/服務器）結構，并基于消息傳遞機制完成通信作業(yè)，以非二進制數(shù)據(jù)傳輸。從組成來看，客戶端結構為重要部分，涉及到客戶端應用程序、通信棧等，具體如圖1所示。

OPCUA服務器涵蓋的內容豐富，包含服務器應用程序、OPCUA地址空間、OPCUA服務器接口API等，可從客戶端傳送消息，亦可實現(xiàn)對消息的接收。

2.2 OPCUA運行模式

基于API實現(xiàn)客戶端和服務器的數(shù)據(jù)交換，從底層通訊收到信息后，向客戶端和服務器分發(fā)。從宏觀角度來看，針對某應用具有OPCUA規(guī)范的情況，在客戶端API的加持下，能夠實現(xiàn)客戶端與通信站的高效交互，在此過程中的信息傳遞則由客戶端通信棧和服務器通信棧兩者協(xié)同完成，期間由服務器API完成信息處理作業(yè)，同時以客戶端API產(chǎn)生交互，獲取具體的參數(shù)，并向客戶端傳輸。在OPCUA結構中，各客戶端均能夠與服務器實現(xiàn)交互，并且交互具有多樣化的特征，即“一對一”“一對多”，對于服務器而言也依然可以選擇與某個或多個客戶端產(chǎn)生交互。數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a形式含兩類，即XML和二進制。

3 OPCUA對象模型

OPCAPI定義的對象具有相互分離的特征，在構建起對象模型后，可高效集成各對象服務，即集成化水平較高。以UA的對象模型為例，其能夠實現(xiàn)對象的變量、方法、事件及相關服務的高效集成，具體如圖2所示。

OPCUA允許單獨的OPCUA服務器集成數(shù)據(jù)至其他地址空間，通過集成服務集的應用，來完成對其的存取操作。具體而言，若OPCUA服務器將溫度傳感器視為一個對象，則包含溫度值、警報接線和警報參數(shù)三部分，由三者共同組成。若借助某現(xiàn)存OPC規(guī)范實現(xiàn)，完成整個流程需要涉及到的是OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范、OPC報警事件規(guī)范，相比之下，OPCUA服務器則有更為明顯的便捷性優(yōu)勢，其能夠將數(shù)據(jù)、警報、事件集成至特定的地址空間內，在此方式下，客戶端的效率提高，僅需一次調用便能夠獲得該部分集成的內容，全程無需使用特定的API來完成調用動作。

4 OPCUA集成地址空間

在現(xiàn)有的技術認知中，部分用戶僅將其視為通信協(xié)議，未充分關注到其含有復雜元模型的特點，而事實上，此類元模型有其存在的價值，突出優(yōu)勢則在于對信息的處理能力較強，明顯優(yōu)于典型的OPC。通過該模型的應用，可提供簡潔的數(shù)據(jù)。但需意識到的是，在該復雜元模型的應用過程中，可能會引發(fā)服務器端的異常，較為常見的有復雜信息管理問題，除了準確區(qū)分兩種應用外，還需判斷應用對數(shù)據(jù)的管理能力。此時，IEC62541標準提供了重要的解決思路，用NodeStore接管數(shù)據(jù)和啟用堆棧，以此來取得訪問權限。在實際應用中，普遍采用標準化的元模型，在此基礎上聯(lián)合應用到標準化branch-specific信息模型，依托于此配置方式，增強互操作性，在現(xiàn)階段的信息模型類型中，IEC61131-3模型則頗具代表性。

對節(jié)點的分析具有必要性，其屬于地址空間的基本元素，具體包含屬性和應用兩部分，各自均有特定的內涵。其中，屬性用于描述點，應用則確定各節(jié)點的關系。應用的語義表達包含兩種，①具有等級的應用，構成地址空間;②不具有等級的應用，指示現(xiàn)場設備的屬性是其重要的功能。在地址空間中，對象為極為關鍵的功能單元，對象節(jié)點借助某引用類型組織變量、方法，并產(chǎn)生事件。客戶端可讀取和寫入值，方法表示客戶端調用的方法，事件指的是各類不經(jīng)常發(fā)生的情況，其中較為常見的是系統(tǒng)報警。為實現(xiàn)對客戶端地址訪問空間的簡化處理，技術內涵加以深化，即OPCUA定義了視圖的概念，在此基礎上，各視圖均定義地址空間節(jié)點的某子集。在各類型節(jié)點中，視圖節(jié)點屬于基礎組成部分，可將其視為視圖顯示的入口。

根據(jù)現(xiàn)行的OPC規(guī)范可以得知，各規(guī)范分別對應特定的地址空間以及相應的服務，在問題的處理尤其是遇到復雜度較高的問題時，往往需使用到各式各樣的地址空間，此時必然會影響程序運行效率。為此，提出集成地址空間的概念，以便緩解復雜問題處理過程中地址空間類型過多、繁瑣的局面。

客戶端和服務器作為兩大重要主體，彼此間應具有良好的互操作性，考慮到此方面的需求，OPCUA地址空間的節(jié)點構建有其特定的方式，即以層次結構進行組成，將地址空間緊密聯(lián)系，使其構成聯(lián)動性較強、互通性較好的網(wǎng)狀結構。

5 工業(yè)機器人信息模型

機器人具有通用性，給工業(yè)生產(chǎn)提供了重要的支持，在生產(chǎn)任務的實現(xiàn)路徑中，合理配套機器人以及外圍設備均較為關鍵，應當說，在現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展中，機器人技術的應用成果已經(jīng)顯現(xiàn)，并且將取得更為長遠的發(fā)展。但是，以何種方式靈活地將工業(yè)機器人應用于生產(chǎn)中屬于重難點內容，仍值得加強探討。工業(yè)機器人宛如標準件，其具有規(guī)范化的特征，而工業(yè)生產(chǎn)需求多樣化，以靈活的方式將工業(yè)機器人應用于其中極具必要性，具體需要聯(lián)動周邊設備和工業(yè)軟件，協(xié)同推動發(fā)展。工業(yè)機器人的運行并非獨立，除了保證自身的性能外，還需要獲得外圍設備的支持，例如焊接變位機、工裝夾具等均較為關鍵，各類裝置需要保持協(xié)調的狀態(tài)，而為了實現(xiàn)此目標，則需用PLC加以協(xié)調。從生產(chǎn)線運轉的角度來看，其往往需得到多個工業(yè)機器人工作站的支持，不僅于此，生產(chǎn)線還涵蓋諸如自動化立體倉庫、噴涂設備等在內的各類自動化設備，此時需以更高一層的PLC來高效協(xié)調工作站，提高協(xié)同運行水平。

工業(yè)生產(chǎn)中，設備模型信息、傳感器數(shù)據(jù)、產(chǎn)品模型信息、人工輸入數(shù)據(jù)等均具有重要性，需將其匯聚于一起，達到集成的效果，而實現(xiàn)此目標的關鍵則是建立抽象真實世界的模型，給工業(yè)機器人任務的規(guī)劃創(chuàng)設良好的條件。通過數(shù)據(jù)模型的應用，匯總成機器可讀的信息，同時與物理信息建立起交流的關系。各類格式僅提供框架結構，若要高效地應用工業(yè)機器人技術，僅采用該框架結構顯然不足，需針對該結構做拓展和細化處理。具體而言，需以抽象的格式描述工作流程，闡明涉及到的細分流程以及過渡條件，同時也可以根據(jù)生產(chǎn)狀況定義人和機器人的工作，并明確彼此間的相關性，形成協(xié)調的關系。為此，需構建等級模型，在此方式下，反復將任務細化，衍生出多類次任務，在逐層分解之下，達到單個硬件組件即可有效執(zhí)行任務的效果。對于各層次的任務描述，較為常見的是由特定的生產(chǎn)商提供，具體體現(xiàn)在系統(tǒng)集成商、零件供應商等。

從工業(yè)機器人信息模型的組成來看，較為常見的屬靜態(tài)信息模型，其可以反映機器人的本體信息和通用信息，涉及到的細分類型較多，包含機器人工作空間信息模型、機器人本體過程信息模型等。除了靜態(tài)信息模型外，還存在組件信息模型和過程信息模型。

6 OPCUA的安全性

對于傳統(tǒng)的OPC規(guī)范，其在安全方面的優(yōu)勢有所欠缺，過度依賴于COM/DCOM的安全性。與之有所不同的是，OPCUA規(guī)范加以升級，定義一套全面的安全機制，安全性顯著提升。從客戶端和服務器兩者來看，均有專用的安全通道，應用到PKI和X509v3標準。在數(shù)據(jù)交換前，存在特殊的安全通信;OPCUA標準含有安全模式，其特點在于能夠與PLC達到高效數(shù)據(jù)交互的效果。各項操作均建立在安全通道的基礎上，對于保證安全性而言有重要的作用。對于PLC，其僅需在自身執(zhí)行安全功能即可，而除此之外的其他各方面的安全目標均由OPCUA安全模式而實現(xiàn)。

7 結束語

OPCUA規(guī)范兼具數(shù)據(jù)傳輸安全、高效等多重特征，可在DCS、MES等領域取得有效的應用。相比傳統(tǒng)的OPC技術，OPCUA技術的出現(xiàn)有效彌補了傳統(tǒng)方式的空缺，對于推動工業(yè)信息通道的發(fā)展、提高工業(yè)4.0技術水平而言均有重要的意義。

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