OPC UA技术及应用

OPC UA技术及应用OPC UA技术及应用OPC UA Technology and Application王华刘枫(西南大学计算机与信息科学学院,重庆400715)OPC UA技术是工控软件揍口的斷标准,人们利用它可以促进工厂底屡和企业系统间的集成。详细地介绍了OPUA技术,并分析了 OPC UA技术的应用及其发展的前景。词: OPC UA,平台独立性,安全性,互操作性OPC UA technology is a new standard of software interface in industry control system, people can integrate devices offactory understratum and enterprise system This paper introduces the OPC UA technology and discusses its application inhe smart instrument development and in the control system. At last this paper views its development trendKeywords: OPC UA, platform independence, security, interoperabilityoPc( OLE for Process Control)技术在当今过程控制领4)增强的命名空间:在目前的OPC规范中支持将数据组织域,是一种非常流行的数据交换技术。但是,用户和开发人员对成层次结构, OPC UA更支持无限的节点命名和无限的关系设它的抱怨越来越多,首先是它的COM原始基础,使开发难度加定,同时每个节点均可以对其他节点有无限的关系设定大;其次是OPC规范的覆盖范围不够广泛,没有提供必要的网5)大量的服务功能 OPC UA规范定义了大量的通用服务。络安全性,统一的地址空间和定义对象映射;再次是现行O6)采用UA二进制编码,使数据快速编码和解码,提高了数平台不独立,它受限于 Microsoft公司的操作系统,对 Linux和据的传输速度。Os等系统缺乏支持。基于这种情况,OPC基金会推出了新一代此外,它还能集成现有的基于 COM/DCOM技术开发的OPC UA(OPC Unified Architecture)规范。OPC服务器( DA, HAD、A&E),使它们很容易通过 OPC UA映1 OPC UA简介射和使用。OPC UA是一个新的工业软件接口规范,其目的在于提出12 OPC UA规范一个企业制造模型的统一对象和架构定义,具有跨平台、增强命目前, OPC UA规范包含核心规范部分与存取类型规范部名空间、支持复杂数据内置、大量通用服务等新特点。为了区别分,其中核心规范部分包括 OPC UA Data Access, OPC UA于以往的经典OPC技术OPC基金会重新定义OPC含义:开 Alarms and Conditions, OPC UA Programs以及 OPC UA放( Openness)生产力( Productivity)协作性( Collaboration)。 Historical Access规范;存取规范部分包括 OPC UA Security它将发展了12年的现行的OPC技术推进和连结为一个整合 Model, OPC UA Address Space Model, OPC UA Ser的平台,该平台将从DCOM构架迁移到基于 Web service技 vices OPC UA Information Model、 OPC UA Service Map术的框架下。pings和 OPC UA Profiles等。1.1 OPC UA技术优势2 OPC UA系统结构在生产管理软件的不断发展过程中,标准的采用也在不断和现行OPC一样, OPC UA系统结构包括 OPC UA服务更新,为适应应用需求的发展,OPC基金会适时推出了OPC器和客户端两个部分,每个系统允许多个服务器和客户端相互UA规范,为企业软件架构的建立指明了新的方向。 OPC UA具作用。备以下新的特点:21 OPC UA客户端1)基于TcP/P通信同时利用了 Web service技术、XMLOPC UA客户端的体系结构包括客户终端的客户端/服务技术以及NET架构,解决了跨越微软系统平台,实现了多平台器交互。它包括 OPC UA客户端应用程序 OPC UA通信栈的互操作性OPC UA客户端AP,如图1所示。它使用 OPC UA客户端AP2)集成的 OPC UA数据加密功能符合国际安全标准,为nter-与 OPC UA服务器端发送和接收 OPC UA服务请求和响应。net及各企业网络内的远程访问和数据共享、客户端和服务器之22 OPC UA服务器间的安全通讯提供了保障。OPC UA服务器代表客户端/服务器相互作用的服务器端3)复杂数据内置:在新的数据获取标准 OPC DA中增加了点。它主要包括 OPC UA服务器应用程序、真实对象 OPC UA复杂数据规范例如当前的DA服务器不仅可以支持简单数据,地址空间、发布/订阅实体 OPC UA服务器接口APH、 OPC UA还可以支持变化型变量 Variant,在 OPC UA中,这种复杂数据通信中国煤化工服务器AP从 OPC UA类型的支持变成基本的功能客户CNMHG申工业自动化仪器仪表系就集成工具开发;重庆市科委重大科技重点攻关项目(CSTC,2007AB2031)《工业控制计算机)2008年21卷第12期OPC UA提供一致的,集成的地址空间以及服务模型。它PcUA客户酯允许一个单独的 OPC UA服务器来集成数据、警报和事件以及PcUA客户端应用程序请求发历史数据到它的地址空间,用一个集成的服务集提供对它们的诸索发透收到通知存取。3.1 OPC UA安全模型OPC UA安全模型完成客户端和服务器端的认证、用户认CUA客户AT证数据保密性等操作。在没有指明的任何情况下,安全机制是OPCUA垂惯桃A門必须的。由于以太网已经延伸到现场设备层,所以企业管理人员可以通过 Interne掌握工厂的实时运营状态。因此, OPC UA服OPCUA务器OPUA服务器OPCUA雁务墨 OPCUA最务器务器或客户端必须要采用一定的安全策略保证系统的安全图1。PCUA客户端架构OPC UA采用了会话建立、审核、传输安全等措施保证控制系统的网络安全。OPeA备器3.2集成地址空间模型OPC UA的地址空间是由一系列节点组织构成的,客户端通过OPC服务来访问它。地址空间里的节点是用于表现真实对象、对象的定义以及对象间的引用。在现有OPC规范中,各个规范单独定义自己的地址空间和服务,而 OPC UA把这种模型统为一个集成的地址空间。为了提升客户机和服务器的互操作性, OPC UA地址空间用高层规范来结构分层。尽管地址空间里的节点通过分层通常容易进入,但他们可能都互相引用,允许地址空间代表一个相互联系的网络节点。aK通技[3.3集成对象模型害产和cUA害户地 DCUA害户现有 OPC AP定义的对象是相互分离独立的 OPC UA通图2PCUA服务器架构过 OPC UA对象模型,实现了对各个对象服务的集成。对象模型OPC UA客户端与服务器主要的交互形式是:通过客户端是通过对象的变量方法事件及其相关的服务来表现对象。务请求,经底层通信实体发送给 OPC UA通信栈,并通34PCUA集成服务过服务器接口调用请求/响应服务,在地址空间的节点上执行指 OPC UA把客户机和服务器之间的接口定义为一组服务。定任务之后,返回一个响应;客户端发送发布请求,经底层通信这些服务被组织到称为服务集的逻辑组中。 OPC UA服务器对客实体发送给 OPC UA通信栈,并通过服务器接口发送给订阅,户机提供两个功能。它们允许客户机向服务器发出请求并从服务当订阅指定的监视项探测到数据变化或者事件/警报发生时,监器接收响应,也允许客户机向服务器发送通知。服务器使用通知视项生成一个通知发送给订阅,并由订阅发送给客户端。来报告事件,比如警报数据值变化、事件和程序的执行结果23 OPC UA服务器间的互访问服务集的采用解决了现有OPC规范在应用时服务重叠问新的 OPC UA技术支持服务器间的相互访问,也就是一台题。它包括安全信息服务集、会话服务集,节点管理服务集视图服务器作为另一个服务器的客户端如图3所示。通过服务器间服务集、属性服务集、方法服务集、监视服务集、订阅服务集、查的交互可以实现:基于点对点的服务器信息交换;链接服务器实询服务集等。现分层体系,提供以下功能4 OPC UA在控制系统中的应用1)对低层服务器的数据聚集;OPC技术可以避免使用传统上在企业内部传递信息所需2)构造吏高层次的数据给客户端;要的昂贵定制接口和驱动器,它提供了现场设备、控制系统和企3)向用户提供一个集成的接口以访问多个底层服务器业范围内的应用程序间的即插即用和互操作性,但是它并不是3 OPC UA的模型和服务在任何地方都适用,如市场要求日益明显的一致性和互操作性等问题,产品的移植和兼容性问题。 OPC UA技术的出现解决oPc客户端了以往的OPC规范存在的固有问题,如它在互操作性上的改进削减了成本,加快了开发速度并促进了运行效率。今后,除了传统的 OPC UA客户端对服务器的访问方式以外,也可以把OPC UA服务器集成到现场智能设备中。与目前的OPC标准相比, OPC UA技术具有安全性、网络陬务器侧兼容性、可升级性、独立平台等优点。它可以应用在所有的自动相作用骤务器接口化层面上,从人机界面和PLC,到MES( Manufacturing Execu中国煤化工 e Planning)以及其他高层CNMHG性OPC UA技术是未来工业控制接口的发展方向,由于其具图3服务器间的交互作用(下第42页)小车倒立摆起摆的控制算法的研究与仿真实现m角度为正。角速度逆时针为正。(3)模糊控制自动摆起的规则库根据实验经验得到模糊控制的规则库如表1所示。在进行模糊推理运算时,采用 Mandan最大最小合成运算,而输出的模糊运算则采用重心法。图9杆角度与角速度的关系{n=025下面将轴的加速度设置为au=9/2,在 Simulink环境下实现模糊控制器进行仿真。结果如图11。UcX×…x×X为模糊控制系统的输人,X∈VcR为模糊系统的输出,那么,模糊控制系统构成了由子空间U到子空间V上a的Xp的一个映射。糊戈则库i的推现XAxB图10模糊控制系统的基本结构图图11摇杆角度与角速度的关系(1)输入输出空间的模糊分割5结束语通过线性变换将摆的角度的测量值映射到论域[-1,1,角以上倒立摆摆起的三种控制算法进行仿真研究,通过其仿速度的的测量值同样映射到论域{-119和采用7级分割分真结果分析,它们各有优点和缺点从图39.1)来看,能量制别为 NB, NM, NS, Z、PS、PMPB。对轴的加速度也映射到-1,算法具有明显的优势摆起时间短控制效果好但需要明确对1].分割成9级,分别为 NB. NMB. NMS NS、ZPS、PMs、象参数且不易实现;Bang-Bang控制算法反应速度快,实现容PMB、PB易,但是控制粗糙,控制效果不好。模糊控制算法具有不需要了(2)输入输出量的模糊化解对象模型的参数的优点,只需要合适的控制规则,就会具有很这里对小车的控制力大小转化成对轴的加速度的大小,那好的控制效果且力矩受限的情况同样满足要求但是模糊控制么这里的输出量就是对小车的加速度a。轴加速度角度和角速算法计算量大同时获得控制规则需要做大量的实验。度均使用三角形隶属度函数这里以垂直向下角度为0逆时针參考文献表1自动摆起横糊规则库[1]赵莉单级倒立摆的模糊控制及仿真[J]山东师范大学学报(自然科学版)2004(3):102-103[2]关红洲倒立摆自动摆起和稳定控制系统及策略研究[D]杭州:浙江大学,2005[3]Yoshida, Kazunobu Swing-up control of an inverted pendulumy energy -based methods. Proceedings of the AmericanControl Conference, 1999., 4045-4047[收稿日期:2008722](上接第39页)术,各生产厂商将实现企业上层网络与现场设备层的无缝集成执行系统并推动OPC规范向企业级领域扩展。 OPC UA的出现必将引发工业控制系统尤其是软件理念的又一轮技术革新。[1JIEC 62541-1: OPC Unified Architecture Specification-Part 1Overview and Concepts(S].[S 1. ] IEC, 2008Lm平台下ndw:平台下PcUA照务香PCWA胀务器[2JIEC 62541-2: OPC Unified Architecture Specification- Part 2:Security Model[S].[.1.]: IEC, 2008Prbu总晚IEC 62541-3: OPC Unified Architecture Specification-Part 3:Address Space Model[S].[S 1. ] IEC, 2008cRc以务[认务[4]IEC 62541-4: OPC Unified Architecture Specification -Part 4智能仪表其他设备凵中国煤化工。m5CNMHG图4。PcUA技术在系统集成中的应用Unitied Architecture Specification-Part 6有的巨大优势,吸引了众多系统厂商的关注。运用 OPC UA技Mappings[S][S 1. IEC, 2008[收稿日期:2008.7.24]