姜澤苗 孔慶奎 范瑜

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1,北京 100044;山東能源臨礦集團(tuán)王樓煤礦2,山東 濟(jì)寧 272000)

OPC UA技術(shù)在冶金設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜澤苗1孔慶奎2范瑜1

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院1,北京 100044;山東能源臨礦集團(tuán)王樓煤礦2,山東 濟(jì)寧 272000)

OPC UA技術(shù)在工業(yè)控制方面有著不可替代的優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在其跨平臺性和實(shí)時性上,可以方便地解決工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控過程中各個子系統(tǒng)和底層設(shè)備之間互操作以及互通信的難題。結(jié)合冶金現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的搭建,對OPC UA技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了研究,開發(fā)了OPC UA客戶端和服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)了對冶金設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測并及時制定故障應(yīng)對方案的目的。OPC UA技術(shù)在信息建模與跨平臺方面的強(qiáng)大優(yōu)勢預(yù)示著基于OPC UA技術(shù)的集成系統(tǒng)必將成為今后的開發(fā)熱點(diǎn)。

OPC統(tǒng)一架構(gòu) 客戶端 服務(wù)器 數(shù)據(jù)采集 冶金

0 引言

隨著計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的快速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)需要的信息交換覆蓋從工段、車間、工廠企業(yè)乃至世界各地的市場。溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從底層現(xiàn)場設(shè)備到控制、企業(yè)管理的各個層次。但工業(yè)控制系統(tǒng)存在大量來自不同技術(shù)或生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品,從多種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)并存發(fā)展,到底層的數(shù)據(jù)采集板卡、PLC、工業(yè)控制計算機(jī),以及DCS控制系統(tǒng)。工業(yè)企業(yè)面臨如何有效解決系統(tǒng)內(nèi)不同技術(shù)間的信息訪問和互操作性的問題。

用于過程控制的對象鏈接與嵌入統(tǒng)一架構(gòu)(object linking and embedding for process control and unified architecture,OPC)在第一代OPC技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上,將OPC從以微軟為中心的COM/DCOM技術(shù)轉(zhuǎn)化為開放式標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)一了各種OPC技術(shù)規(guī)范。.NET全新的通信架構(gòu),便于配置和維護(hù),可視化程度增強(qiáng),具有更高的可靠性、安全性和可擴(kuò)展性。鑒于OPC UA技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢,其迅速被引入了工業(yè)自動化領(lǐng)域,主要用于實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。要實(shí)現(xiàn)OPC UA技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用,關(guān)鍵環(huán)節(jié)就在于搭建OPC UA服務(wù)器與客戶端。本文以基于OPC UA技術(shù)的冶金現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為例,重點(diǎn)介紹OPC UA服務(wù)器、客戶端以及客戶端與服務(wù)器互通信的設(shè)計實(shí)現(xiàn)。

1 OPC UA技術(shù)概述

OPC UA之前的通信接口規(guī)范都是基于微軟的COM/DCOM技術(shù),因此不夠靈活,平臺局限性大。為解決上述問題,OPC基金會發(fā)布了最新的數(shù)據(jù)通信統(tǒng)一方法——OPC統(tǒng)一架構(gòu)[1]。

OPC UA不再依靠DCOM,而是基于面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)。現(xiàn)在,OPC UA已經(jīng)成為獨(dú)立于微軟、UNIX或其他的操作系統(tǒng)企業(yè)層和嵌入式自動組建之間的橋梁。OPC UA的基礎(chǔ)組件是數(shù)據(jù)傳輸和信息建模,該技術(shù)的最大亮點(diǎn)在于不受平臺限制,且在信息建模和通信安全方面優(yōu)勢顯著。OPC UA的信息模型不局限于特定的協(xié)議映射,允許添加新的協(xié)議,并且其系統(tǒng)內(nèi)部已經(jīng)包含了豐富的信息模型,因此可以非常方便地為所提供的數(shù)據(jù)建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ蚚2]。OPC UA的服務(wù)是以抽象的方式定義的,它使用傳輸機(jī)制在客戶端與服務(wù)器之間交換數(shù)據(jù),這使得OPC UA的客戶端可以訪問最小的一塊數(shù)據(jù),而不需要了解復(fù)雜系統(tǒng)的整個模型。同時,OPC UA可以成功覆蓋傳統(tǒng)OPC的功能。

綜上所述,OPC UA就是在傳統(tǒng)OPC技術(shù)之上的改進(jìn),從而使得數(shù)據(jù)采集、信息模型化以及工廠底層與企業(yè)層面之間的通信更加安全、可靠。

2 冶金設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)

冶金設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)主要分為管理層、控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。由于底層設(shè)備和各類傳感器型號不同,導(dǎo)致設(shè)備層與控制層、管理層之間的互通信問題無法有效解決,支持跨平臺的OPC UA技術(shù)為此提供了可能。工程師通過管理層界面遠(yuǎn)程掌握現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù),在出現(xiàn)異常情況時可以隨時下發(fā)指令給控制層,這主要由OPC UA客戶端實(shí)現(xiàn)。控制層主要用于實(shí)現(xiàn)對底層設(shè)備運(yùn)行信息的采集和對管理層下發(fā)指令的執(zhí)行,主要由OPC UA服務(wù)器以及各類傳感器和儀表組成?，F(xiàn)場設(shè)備層即為冶金工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備,如鍋爐等。冶金設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)一方面連續(xù)檢測和控制冶金現(xiàn)場各種生產(chǎn)、公用設(shè)備的正常運(yùn)行,另一方面又對各種意外事故進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,一旦出現(xiàn)意外問題,第一時間由客戶端傳送給工程人員并經(jīng)過系統(tǒng)邏輯自動地處理控制,大大降低了冶金現(xiàn)場的安全隱患[3]。冶金設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of the system

3 OPC UA在設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 設(shè)備狀態(tài)信息采集

系統(tǒng)中需要實(shí)現(xiàn)采集的一系列重要數(shù)據(jù)就是冶金現(xiàn)場各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息[4]。在本設(shè)計中需要采集的數(shù)據(jù)主要為鍋爐等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、爐內(nèi)溫度、氣流、鍋爐液位以及設(shè)備耗電量。系統(tǒng)通過這些數(shù)據(jù)的獲取來實(shí)現(xiàn)對設(shè)備信息的實(shí)時采集。

整個系統(tǒng)采用OPC UA接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)能效數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)處理層的數(shù)據(jù)交換,OPC UA服務(wù)器和客戶端是系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的中心環(huán)節(jié)。OPC UA服務(wù)器主要用于實(shí)現(xiàn)對底層設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和封裝,并將歷史數(shù)據(jù)存放于外加的數(shù)據(jù)庫內(nèi),使得一個或多個客戶端可以用一個統(tǒng)一的方式獲取不同底層設(shè)備的數(shù)據(jù)。OPC UA客戶端的主要功能是搜索并連接OPC UA服務(wù)器,瀏覽服務(wù)器的地址空間并讀取其中存放的實(shí)時數(shù)據(jù),還可以獲取服務(wù)器存放于數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù),并通過客戶端顯示界面將實(shí)時或歷史數(shù)據(jù)以圖表的形式展示給工作人員。OPC UA服務(wù)器與客戶端的主要交互過程[5]如下。

①OPC UA客戶端發(fā)出服務(wù)調(diào)用請求,經(jīng)底層API發(fā)送給OPC UA通信棧,并通過OPC UA服務(wù)器接口調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)或方法函數(shù)。在地址空間節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行指定任務(wù)之后,返回一個響應(yīng)。

②OPC UA客戶端發(fā)出發(fā)布請求,經(jīng)底層API發(fā)送給OPC UA通信棧,并通過OPC UA服務(wù)器接口發(fā)送給服務(wù)器內(nèi)部的訂閱命令。當(dāng)訂閱指定的監(jiān)視項探測到底層設(shè)備有數(shù)據(jù)變化或者故障發(fā)生時,監(jiān)視項生成一個通知發(fā)送給訂閱,并由訂閱發(fā)送給客戶端。數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集功能實(shí)現(xiàn)圖Fig.2 Realization of data acquisition function

OPC UA服務(wù)器具有服務(wù)器接口和客戶端接口,通過服務(wù)器接口與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)系,通過客戶端接口與具有服務(wù)器接口的底層設(shè)備聯(lián)系。目前,工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備大多具有OPC接口而尚未具備UA接口,但由于OPC UA技術(shù)對原有的OPC技術(shù)具有完全的覆蓋性,因此可以通過讀寫操作實(shí)現(xiàn)OPC UA接口與OPC接口的通信。

3.2 OPC UA服務(wù)器開發(fā)

OPC UA服務(wù)器主要用于實(shí)現(xiàn)對底層設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和封裝,使得一個或多個客戶端可以用一個統(tǒng)一的方式獲取不同底層設(shè)備的數(shù)據(jù)[6]。同時,封裝了多種方法,如控制底層設(shè)備啟動或停止,可以由客戶端來觸發(fā)并由服務(wù)器執(zhí)行,從而達(dá)到監(jiān)測與控制的效果。本文選擇在Visual Studio 2010編譯環(huán)境下,利用C++語言編寫實(shí)現(xiàn)基于OPC UA技術(shù)的服務(wù)器。

OPC UA服務(wù)器的關(guān)鍵在于地址空間開發(fā)。在OPC UA中,最重要的節(jié)點(diǎn)類別是對象、變量和方法[7]。節(jié)點(diǎn)類別為對象的節(jié)點(diǎn)用于地址空間結(jié)構(gòu),并將變量和方法等組織在一起,產(chǎn)生事件。節(jié)點(diǎn)類別為變量的節(jié)點(diǎn)代表一個值,該值的數(shù)據(jù)類型取決于該變量,客戶端可以對這個值進(jìn)行讀取、寫入等。節(jié)點(diǎn)類別為方法的節(jié)點(diǎn)代表服務(wù)器中一個由客戶端調(diào)用并返回結(jié)果的方法。引用是兩個節(jié)點(diǎn)之間的連接,它形成了地址空間的層次結(jié)構(gòu)[8]。

本系統(tǒng)中服務(wù)器地址空間中所要存放的數(shù)據(jù)主要分為測量數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)即通過測量獲得的各類底層模擬設(shè)備數(shù)據(jù),如鍋爐溫度、鍋爐液位、設(shè)備耗電量等。控制數(shù)據(jù)即為控制層發(fā)出的用于控制底層設(shè)備行為的數(shù)據(jù),如控制鍋爐機(jī)組運(yùn)行/停止的命令等。狀態(tài)數(shù)據(jù)即為表征系統(tǒng)內(nèi)各個傳感器、底層設(shè)備的運(yùn)行情況的數(shù)據(jù),如鍋爐運(yùn)行狀態(tài)等。以一個鍋爐對象為例,地址空間架構(gòu)如圖3所示。

圖3 服務(wù)器地址空間架構(gòu)圖Fig.3 Architecture of server address space

建立地址空間時,首先在程序中定義節(jié)點(diǎn)管理類(NodeManager),用于管理整個地址空間的所有節(jié)點(diǎn),并在服務(wù)器啟動時申請內(nèi)存空間。再定義空調(diào)對象類,在其中創(chuàng)建各個實(shí)例對象數(shù)據(jù)類,實(shí)際上就是在節(jié)點(diǎn)管理類中建立點(diǎn)表。在3種數(shù)據(jù)類下,分別定義對應(yīng)類型的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn),包括定義節(jié)點(diǎn)ID、節(jié)點(diǎn)類型、節(jié)點(diǎn)瀏覽名稱、節(jié)點(diǎn)顯示名稱等,所創(chuàng)建的地址空間類似于文件夾結(jié)構(gòu)。

空間建立完畢后,應(yīng)為各個節(jié)點(diǎn)添加相應(yīng)的功能函數(shù)。設(shè)備節(jié)點(diǎn)屬性的功能函數(shù)是由IOManager和MethodManager實(shí)現(xiàn)的。IOManager用于與節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系,MethodManager用于實(shí)現(xiàn)方法的調(diào)用。編寫功能函數(shù)SetMethodManager()、GetMethodManager(),就可以實(shí)現(xiàn)對于節(jié)點(diǎn)方法的添加。

3.3 監(jiān)測子系統(tǒng)開發(fā)

能效監(jiān)控子系統(tǒng)即為一個帶有顯示界面的OPC UA客戶端。OPC UA客戶端的主要功能是搜索并連接OPC UA服務(wù)器,瀏覽服務(wù)器的地址空間并讀取其中存放的實(shí)時數(shù)據(jù)。同時,通過客戶端顯示界面將實(shí)時或歷史數(shù)據(jù)以圖表的形式展示給工作人員,達(dá)到對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測與控制。

利用C++語言在MFC中進(jìn)行客戶端開發(fā)客開發(fā)[9]。由于OPC UA需要與MFC編程環(huán)境相結(jié)合,因此需要首先配置好編程環(huán)境的項目設(shè)置參數(shù),之后初始化UA通信棧,添加工具包中的頭文件,完成客戶端功能實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)備工作。

客戶端要實(shí)現(xiàn)的主要功能為連接OPC UA服務(wù)器、瀏覽服務(wù)器地址空間和讀寫數(shù)據(jù)。OPC UA客戶端能夠連接到OPC UA服務(wù)器上,并建立OPC UA組和OPC UA數(shù)據(jù)項[10],這是OPC UA數(shù)據(jù)訪問的基礎(chǔ)。搜索并建立與服務(wù)器的連接功能通過編寫連接(Connect)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。客戶端通過瀏覽(Browse)函數(shù)對地址空間進(jìn)行遍歷,向服務(wù)提交初始節(jié)點(diǎn)和瀏覽過濾條件,服務(wù)器返回通過引用連接到初始節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)列表,建立樹形層次,以便查找可用變量并選擇正確變量。讀取(Read)服務(wù)從一個或多個節(jié)點(diǎn),讀取一個或多個屬性。寫入(Write)服務(wù)往一個或多個節(jié)點(diǎn)寫入一個或多個屬性。

4 實(shí)例應(yīng)用

完成冶金設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的搭建后,運(yùn)行整個系統(tǒng),選擇客戶端界面上的不同按鍵將會顯示對應(yīng)鍋爐數(shù)據(jù)。以系統(tǒng)中6臺鍋爐設(shè)備中的鍋爐1的實(shí)時數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)為例,點(diǎn)擊“Connect”按鍵,客戶端將會連接相應(yīng)服務(wù)器,勾選鍋爐1并點(diǎn)擊“Read”按鈕,執(zhí)行讀取服務(wù)器地址空間以及數(shù)據(jù)的命令,則得到鍋爐1的運(yùn)行狀態(tài)等詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了對冶金設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測。當(dāng)出現(xiàn)鍋爐溫度超限、液位過高或過低等異常狀態(tài)時,可以立即進(jìn)行停機(jī)檢修等操作。

5 結(jié)束語

本文首先對OPC UA技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了深入研究,利用C++編程語言構(gòu)建了OPC UA客戶端、OPC UA服務(wù)器,成功實(shí)現(xiàn)了冶金現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行信息的實(shí)時監(jiān)測,大大方便了工程人員隨時掌握設(shè)備狀態(tài)信息,并且能夠迅速監(jiān)測到故障設(shè)備,為冶金工業(yè)現(xiàn)場的安全可靠運(yùn)行提供了技術(shù)保障。由于整個系統(tǒng)都采用了OPC UA接口,因此可以方便地實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場管理層與控制層之間的互通信。鑒于OPC UA技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢,將會有更多的工業(yè)控制系統(tǒng)采用OPC UA技術(shù)。

[1] Wolfgang M,Stefan L,Matthias D.OPC統(tǒng)一架構(gòu)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010:1-14.

[2] 華镕.使用OPC UA技術(shù)的十個原因[J].中國儀器儀表,2013, 30(3):55-57.

[3] 呂治忠,鐘功祥,林寧,等.鉆井泵在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].自動化儀表,2013,34(6):32-34.

[4] 李相白,李建春,曹長虹.冶金工業(yè)節(jié)能減排考核體系設(shè)計[J].冶金能源,2013,32(6):7-11.

[5] 張愛絨,謝斌紅,張英俊.基于OPC UA的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)集成設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2012,43(1):69-72.

[6] Salvatore C,Ferdinando Chiacchio.Analysis of OPC UA performances[J]. Computer Standards&Interfaces,2013,36:165-177.

[7] 陸會明,閆志峰.OPC UA服務(wù)器地址空間關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)[J].電力自動化設(shè)備,2010,30(7):109-113.

[8] 蘇延召,李艾華.基于OPC UA的自動化系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J].測控技術(shù),2011,30(3):68-71.

[9] 鄭秋生,王黎明.C/C++程序設(shè)計語言面向?qū)ο蠓謨訹M].北京:電子工業(yè)出版社,2012:45-87.

[10] OPC Foundation.OPC Data Access Custom Interface Specification 2.04[S].2000:1-5.

Application of OPC UA Technology in Monitoring System for Metallurgical Equipment

The technology of OPC UA has irreplaceable superior in industrial control area,especially its cross platform and real time performance;the difficulties of the interoperability and intercommunication among all the subsystems and bottom layer equipment in industrial field monitoring.The specifications of OPC US technology is researched combining with the establishment of monitoring system for metallurgy field equipment;and client and server of OPC UA are developed for implementing real time monitoring for the operation status of metallurgy equipment and failure timely responded scheme.The outstanding superior of OPC UA in information modeling and cross-platform indicates that the integrated systems based on OPC UA will definitely become the hot spots of development in the future.

OPC UA Client Server Data acquisition Metallurgy

TP2

A

“十二五”國家科技支撐基金資助項目(編號:2012BAB18B02)。

修改稿收到日期:2014-04-28。

姜澤苗(1991-),女,現(xiàn)為北京交通大學(xué)電氣工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事電網(wǎng)通信的研究。