趙艷領(lǐng)，閆曉風(fēng)，劉 丹

（機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所 網(wǎng)絡(luò)控制研究中心，北京 100055）

基于SDK嵌入式OPC UA服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)

趙艷領(lǐng)，閆曉風(fēng)，劉 丹

（機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所 網(wǎng)絡(luò)控制研究中心，北京 100055）

針對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備類型多樣、接口不同導(dǎo)致的系統(tǒng)集成問題，通過開發(fā)一種支持多種接口類型設(shè)備的嵌入式OPC UA服務(wù)器進(jìn)行設(shè)備綜合管控，并可以方便的集成到已有的信息系統(tǒng)。該服務(wù)器以SDK為基礎(chǔ)，并將其移植到Arm和Linux嵌入式系統(tǒng)平臺上，根據(jù)SDK提供的API函數(shù)構(gòu)建現(xiàn)場設(shè)備到OPC UA地址空間的映射，通過地址空間的管理達(dá)到現(xiàn)場設(shè)備管控的目的。測試驗證表明，該服務(wù)器滿足現(xiàn)場設(shè)備管控與集成要求。

OPC UA；OPC UA服務(wù)器；SDK；嵌入式系統(tǒng)

0 引言

隨著智能制造的逐步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)/云計算等技術(shù)在工業(yè)中越來越受到重視和使用，工業(yè)數(shù)據(jù)越來越體現(xiàn)“數(shù)據(jù)即資產(chǎn)”這一重要的產(chǎn)業(yè)趨勢[1,2]。然而用于獲取這些工業(yè)數(shù)據(jù)的設(shè)備制造商、設(shè)備類型、集成接口等各方面存在較大差異，工業(yè)4.0與智能制造時代面臨的第一個問題將是互聯(lián)與互通問題[3]，因此采用一種標(biāo)準(zhǔn)的集成方法顯得十分重要。

在傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)集成中，OPC是事實上的集成標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)OPC是在微軟Windows的OLE技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種數(shù)據(jù)交換方法，其目的就是通過一個統(tǒng)一的接口實現(xiàn)不同廠商的軟件產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)交換。但是由于傳統(tǒng)的OPC 技術(shù)逐漸顯示出其不夠靈活、安全機制不足、平臺局限、實現(xiàn)和使用過于復(fù)雜等諸多弱點，于是OPC基金會在2006年推出了OPC UA來取代傳統(tǒng)的OPC技術(shù)[4,5]。OPC UA是OPC基金會推出的新一代集成規(guī)范，其目的是提出一個企業(yè)制造模型的統(tǒng)一架構(gòu)。OPC UA支持復(fù)雜數(shù)據(jù)內(nèi)置，統(tǒng)一的地址空間，跨平臺操作，支持抽象的服務(wù)功能。它可以被應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)、MES以及ERP促進(jìn)企業(yè)與控制系統(tǒng)的連通性[6,7]。

本文在分析OPC UA應(yīng)用開發(fā)框架的基礎(chǔ)上，通過對OPC UA SDK（software development kit軟件開發(fā)包）進(jìn)行選型和移植，以Arm和Linux為嵌入式運行平臺，通過構(gòu)建設(shè)備到OPC UA地址空間的映射和管控，實現(xiàn)嵌入式OPC UA服務(wù)器的功能。

1 OPC UA應(yīng)用程序開發(fā)

1.1 概述

OPC UA功能按角色可以分為OPC UA服務(wù)器功能和OPC UA客戶端功能，服務(wù)器功能是指用來提供數(shù)據(jù)和統(tǒng)一的訪問接口和服務(wù)，客戶端根據(jù)統(tǒng)一的訪問接口和服務(wù)可以對OPC UA服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，這些功能即可以被單獨作為一個應(yīng)用程序如單純的OPC UA客戶端工具，也可以被集成到用戶程序中如MRS系統(tǒng)支持OPC UA客戶端功能，用戶程序也可能集中了服務(wù)器和客戶端兩者的功能。

1.2 OPC UA軟件層

圖1 OPC UA軟件層次圖

圖1是一個常見的OPC UA應(yīng)用開發(fā)的邏輯軟件層次圖[8]，該層次模型是為了更好的開發(fā)軟件和理解OPC UA應(yīng)用包含的功能。軟件層次包括三個部分，最底層的是OPC UA通信棧，通信棧之上是服務(wù)器或者客戶端功能集即對應(yīng)的SDK軟件開發(fā)包，OPC UA服務(wù)器應(yīng)用或者客戶端應(yīng)用是根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需要開發(fā)相應(yīng)的功能如創(chuàng)建地址空間或者定義需要讀取的數(shù)據(jù)。

1.2.1 通信棧

OPC UA通信棧需要實現(xiàn)OPC UA規(guī)范第6部分（OPC UA統(tǒng)一架構(gòu)第6部分：映射）的要求，主要功能包括三個部分：

1）數(shù)據(jù)編碼功能包括二進(jìn)制和XML編碼對應(yīng)于第6部分的數(shù)據(jù)編碼；2）安全相關(guān)的功能，對應(yīng)于第6部分的安全協(xié)議；3）通信協(xié)議包括消息傳輸使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OPC UA TCP和SOAP/HTTP，對應(yīng)于第6部分的傳輸協(xié)議。

在這里需要強調(diào)的是，該部分隱含的是用戶程序運行平臺必須要支持一些功能才能使得OPC UA通信棧正常運行，如運行平臺需要支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

1.2.2 OPC UA功能集

OPC UA功能集包括客戶端功能集和服務(wù)器功能集如圖2所示，服務(wù)器功能集主要是根據(jù)構(gòu)建的地址空間提供數(shù)據(jù)和服務(wù)，客戶端功能集是利用服務(wù)訪問數(shù)據(jù)，在語義上兩者對應(yīng)的服務(wù)種類是一致的，但是角色不同，如節(jié)點屬性操作服務(wù)，客戶端執(zhí)行的讀請求，而服務(wù)器是應(yīng)答對應(yīng)的讀操作。

圖2 OPC UA服務(wù)器架構(gòu)

OPC UA功能集需要實現(xiàn)OPC UA的概念、信息模型、服務(wù)等相關(guān)規(guī)范，如發(fā)現(xiàn)服務(wù)集、安全會話的創(chuàng)建、激活、關(guān)閉等操作；節(jié)點的創(chuàng)建、刪除、增加、關(guān)聯(lián)引用等管理服務(wù)；屬性訪問服務(wù)如讀、寫、歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)集；訂閱服務(wù)；數(shù)據(jù)訪問DA（OPC UA第8部分：數(shù)據(jù)訪問）等功能。

1.2.3 業(yè)務(wù)相關(guān)功能開發(fā)

對于業(yè)務(wù)功能的開發(fā)是根據(jù)用戶需求制定的，對于OPC UA服務(wù)器而言，業(yè)務(wù)功能開發(fā)就是創(chuàng)建地址空間以及地址空間的管理；對于OPC UA客戶端而言，業(yè)務(wù)功能開發(fā)主要是確定讀取服務(wù)器地址空間哪些數(shù)據(jù)，怎樣讀取數(shù)據(jù)等功能。

2 嵌入式OPC UA服務(wù)器設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 OPC UA服務(wù)器功能需求

如圖2所示，該嵌入式OPC UA服務(wù)器的主要功能是對支持Modbus或Profibus協(xié)議的現(xiàn)場儀表進(jìn)行管控，對外提供統(tǒng)一的OPC UA接口，可以方便的集成到支持OPC UA客戶端功能的信息系統(tǒng)如MES系統(tǒng)中。支持的主要功能包括：

1）需要運行在Arm和Linux系統(tǒng)上；

2）對服務(wù)器地址空間里的數(shù)據(jù)節(jié)點進(jìn)行讀操作；

3）地服務(wù)器址空間里的數(shù)據(jù)節(jié)點進(jìn)行寫操作；

4）對服務(wù)器地址空間里的數(shù)據(jù)節(jié)點進(jìn)行訂閱；

5）對服務(wù)器地址空間進(jìn)度瀏覽；

6）對服務(wù)器地址空間創(chuàng)建視圖；

7）對Modbus設(shè)備或Profbus設(shè)備進(jìn)行管控。

2.2 SDK的選擇

一般來說，由于OPC UA規(guī)范的復(fù)雜性，如果按照OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)從零開始開發(fā)一個OPC UA應(yīng)用程序?qū)⒑馁M大量的人力和財力投入，常見的開發(fā)方式是在OPC UA 通信棧和SDK的基礎(chǔ)上開發(fā)面向應(yīng)用的程序，這將大大提高開發(fā)速度。本文采用購買第三方SDK進(jìn)行開發(fā)的方式，商用SDK包含了OPC UA通信棧和功能集功能，對外提供API函數(shù)。

目前國內(nèi)還沒有OPC UA SDK相應(yīng)的產(chǎn)品和服務(wù)，常見的OPC UA SDK供應(yīng)商包括加拿大的MatrikonOPC、德國的Softing、Prosys、Unified Automation等公司。購買SDK要綜合考慮多方面的因素，主要包括如下幾個關(guān)鍵方面，如表1所示。

2.3 SDK的移植

本文根據(jù)嵌入式OPC UA服務(wù)器功能需求從上述供應(yīng)商中最終確定了一款SDK（為避嫌不聲明具體哪一家供應(yīng)商），該SDK以源碼的形式提供，需要移植到本方案使用的ARM和Linux嵌入式系統(tǒng)上，SDK的目錄結(jié)構(gòu)大致如下：

表1 購買OPC UA SDK考慮因素

移植大致流程如下：

1）配置GCC交叉編譯工具；

2）下載OpenSSL源碼和配置OpenSSL環(huán)境（為安全功能提供安全相關(guān)庫）；

3）修改配置和安裝路徑（/config no-asm shared–prefx=安裝路徑Shared必須要加）；

4）修改SDK自帶的Makefle，編譯工具為配置的交叉編譯工具；

5）進(jìn)行編譯生成SDK庫。

2.4 地址空間的創(chuàng)建

不同的SDK可能API接口不一致，但是具體的功能和創(chuàng)建方法是一致的，采用該SDK提供的API創(chuàng)建地址空間一般分為三個步驟：

1）初始化一個變量/對象；2）創(chuàng)建一個變量/對象；3）增加到某一個對象下。

關(guān)鍵API如下：

（1）創(chuàng)建對象增加到某對象下

①UAServer_Init_confg_structure_Folder

②UAServer_Create_Folder

③UAServer_Add_to_objects_folder 增加到Objects目錄下

④UAServer_Add_to_folder 增加到指導(dǎo)的folder節(jié)點下

UAServer_Add_to_objects_folder函數(shù)是把創(chuàng)建的對象增加到objects目錄下，objects目錄是OPC UA標(biāo)準(zhǔn)地址空間中的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點，在創(chuàng)建自己地址空間時，第一步就需要在節(jié)點下增加對象。

（2）創(chuàng)建一個模擬量數(shù)據(jù)點增加到某對象下

①UAServer_Init_confg_structure_AnalogItem

②UAServer_Create_AnalogItem

③UAServer_Add_to_folder

（3）創(chuàng)建一個離散量數(shù)據(jù)點增加到對象下

①UAServer_Init_confg_structure_TwoStateDiscrete

②UAServer_Create_TwoStateDiscrete

③UAServer_Add_to_folder

其他API函數(shù)的使用與此類似。建立一個Modbus目錄，其下存在一個從站slave1，slave1包含多個數(shù)據(jù)點的目標(biāo)地址空間，如圖3和圖4所示。

圖3 目標(biāo)地址空間

圖4 利用API創(chuàng)建地址空間

3 測試驗證

本文采用標(biāo)準(zhǔn)OPC UA供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)OPC UA客戶端對嵌入式OPC UA服務(wù)器功能進(jìn)行測試驗證，驗證系統(tǒng)包括多個Modbus設(shè)備和Profibus設(shè)備連接到嵌入式服務(wù)器上，通過客戶端的操作對基于用戶名和密碼的安全認(rèn)證、地址空間瀏覽、創(chuàng)建視圖、數(shù)據(jù)讀寫操作、數(shù)據(jù)訂閱等功能進(jìn)行測試驗證，驗證表明該嵌入式OPC UA服務(wù)器滿足功能和設(shè)計需求，該設(shè)備將在實際企業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行示范應(yīng)用。

4 結(jié)束語

OPC UA技術(shù)在國內(nèi)正在形成一個熱潮，在工業(yè)4.0、智能制造等領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可，因此支持OPC UA規(guī)范的數(shù)據(jù)采集設(shè)備在解決設(shè)備/系統(tǒng)集成方面將會得到廣泛應(yīng)用，本文的案例不僅可以針對Modbus和Profibus接口的設(shè)備，根據(jù)需要，該設(shè)備可以支持更多的協(xié)議類型，遺憾的是，國內(nèi)的SDK開發(fā)尚未起步，因此未來國產(chǎn)SDK的開發(fā)工業(yè)軟件強基的一個重要方向。

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Design and development about the embedded OPC UA server based on SDK

ZHAO Yan-ling, YAN Xiao-feng, LIU Dan

TP319

：A

1009-0134(2017)01-0049-04

2016-11-12

冶金工業(yè)系統(tǒng)能效監(jiān)測評估及優(yōu)化控制技術(shù)與系統(tǒng)（2014AA041803）

趙艷領(lǐng)（1984 -），男，工程師，碩士研究生，研究方向為工業(yè)自動化系統(tǒng)開發(fā)、工控系統(tǒng)信息安全和嵌入式軟件開發(fā)等。