張 蕾

( 中國電子科技集團公司第二研究所， 太原030024)

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）關鍵技術

典型的物聯(lián)網(wǎng)是通過信息傳感設備，按照約定協(xié)議將任意物品接入互聯(lián)網(wǎng)，組成無時空限制的物聯(lián)網(wǎng)絡拓撲，IIOT 自底向上可分為三層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層[1]。

工業(yè)應用環(huán)境中，物聯(lián)網(wǎng)架構在感知層對數(shù)據(jù)采集的實時性有著更加嚴格的要求，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集后需要通過網(wǎng)絡層，傳輸層，應用層，經(jīng)過處理加工以后，數(shù)據(jù)按照原路反饋至感知層才可進行下一步操作。由于網(wǎng)絡層中以太網(wǎng)和電信網(wǎng)缺乏實時性的保障，在高速率、海量數(shù)據(jù)的傳輸中造成數(shù)據(jù)傳輸滯后。加上不同企業(yè)為了在其管理范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視，都具有自己專有的一套SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即監(jiān)制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如何將其與互聯(lián)網(wǎng)進行有機融合，為區(qū)分層級傳輸與緩存至SCADA 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集合，本文在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構中增加了現(xiàn)場管理層。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIOT)的典型架構如圖1 所示。

圖1 IIOT 四層體系架構圖

感知層通過傳感器、掃描儀、射頻等設備進行數(shù)據(jù)采集。

現(xiàn)場管理層主要指工廠的本地調(diào)度管理中心，融合在企業(yè)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中。調(diào)度中心統(tǒng)籌整個工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、甄別數(shù)據(jù)類別、來源，及時處理底層采集的數(shù)據(jù)，其可編程的特點為整個網(wǎng)絡提供快了速數(shù)據(jù)響應、過程指令控制等功能。此外，通過該層的web 服務器、數(shù)據(jù)庫服務器，調(diào)度中心可對外提供數(shù)據(jù)接口，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)實時傳輸至應用層，對后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析與應用起到了重要的作用。

網(wǎng)絡層是連接感知層與應用層的橋梁，負責體系中的網(wǎng)絡組建，異構網(wǎng)絡相連，并依托大數(shù)據(jù)、云計算等技術進行海量信息智能處理。

應用層位于體系的最上層，通過處理不同的業(yè)務需求，整合分析底層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，并對外提供相應的解決方案。

2 面向IIOT 現(xiàn)場管理層的SCADA 系統(tǒng)

SCADA 系統(tǒng)在IIOT 體系結構中面向現(xiàn)場管理層，它可以通過與工業(yè)機器人、傳感器、PLC 等通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設備生產(chǎn)過程監(jiān)控。同時，也為車間的運營管理提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎，是連接車間MES系統(tǒng)和生產(chǎn)線自動化設備之間的紐帶，如圖2 所示。

在SCADA 系統(tǒng)中通過多種驅動和協(xié)議與設備層進行數(shù)據(jù)交互，其中過程控制統(tǒng)一架構（OPC UA）提供了統(tǒng)一的標準技術框架，是工業(yè)4.0 中解決跨層級數(shù)據(jù)交互一種數(shù)據(jù)通信標準。OPC UA作為一種面向服務的協(xié)議，其目的是為了使工業(yè)化通訊更加標準化[2]。它具有以下優(yōu)點：

圖2 SCADA 系統(tǒng)架構

(1) 傳輸性能高。OPC UA 數(shù)據(jù)幀采用二進制或XML 格式進行編碼，通信過程中可以根據(jù)實際情況需要自動選擇傳輸效率更高的編碼類型。此外，OPC UA 還支持HTTP 和TCP/IP 等多種網(wǎng)絡協(xié)議。在面向上層服務器數(shù)據(jù)交互時，通常采用XML 格式通過HTTP 進行傳遞，便于應用層獲取結構化數(shù)據(jù)；而面向設備層時，往往采用二進制格式編碼通過TCP/IP 協(xié)議通信，以提高底層控制器的訪問效率。

(2)通信機制可靠。OPC UA 通過數(shù)據(jù)加密、標記等技術保證了數(shù)據(jù)可靠性，拒絕非授權訪問導致的信息泄露，同時，OPC UA 的訪問規(guī)范要求應用程序必須執(zhí)行安全協(xié)議，因此其通信機制可靠性和安全性較高。

(3)平臺無關性。OPC UA 協(xié)議采用面向服務的架構，獨立于操作系統(tǒng)實現(xiàn)，支持多種底層設備的數(shù)據(jù)通訊接口，使其能更靈活的進行數(shù)據(jù)交換，可以連接不同廠商的設備，實現(xiàn)自底向上或由上而下的數(shù)據(jù)集成，極大地增強了其擴展性。

(4)實現(xiàn)統(tǒng)一訪問。OPC UA 將地址空間集成到服務端，可以構建復雜的數(shù)據(jù)結構，用統(tǒng)一抽象的模型描述各類設備，從而實現(xiàn)節(jié)點的統(tǒng)一訪問。

3 OPC UA 通信模式及應用研究

3.1 OPC UA 通信模式

OPC UA 基于面向對象的信息建模方法，其最小單元稱之為節(jié)點。通過節(jié)點間的引用關系形成層次化結構，將一系列節(jié)點統(tǒng)一到地址空間中。節(jié)點由節(jié)點屬性和引用構成,屬性是節(jié)點特征化數(shù)據(jù)的抽象描述，引用定義了節(jié)點間的關系，如圖3 所示。

圖3 OPC UA 節(jié)點建模

OPC UA 采用Client/Server 模式，如圖4 所示，OPC UA 客戶端通過通信棧發(fā)送請求信息到OPC UA 服務端，服務端對請求數(shù)據(jù)進行解析，將相應節(jié)點數(shù)據(jù)通過消息棧發(fā)送響應信息回傳給客戶端。

圖4 基于C/S 架構的OPC UA 通信模式

OPC UA 的數(shù)據(jù)通信的一般流程為：

(1) 對底層設備信息建模，并在數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫中進行描述，結合設備層級關系，加入節(jié)點引用標記；

(2) 調(diào)用OPC UA 服務器定義的API 接口，并針對底層設備模型（真實對象）構建相應的OPC UA 服務器；

(3) 將設備層需要采集或控制的數(shù)據(jù)在服務器節(jié)點中進行裝載封裝，提供客戶端調(diào)用；

(4) 在應用層構建OPC UA 客戶端，解析服務端響應請求中的數(shù)據(jù)；

(5) 讀取數(shù)據(jù)庫中相應信息完成數(shù)據(jù)采集工作，或向數(shù)據(jù)庫寫入數(shù)據(jù)實現(xiàn)設備驅動。

3.2 構建數(shù)字化車間通信架構

針對數(shù)字化車間無統(tǒng)一通信協(xié)議導致信息流不暢、數(shù)據(jù)實時性較差的弊端，采用OPC UA 對數(shù)字化車間的通xun 架構進行了構建，如圖5 所示。

圖5 數(shù)字化車間通信架構

數(shù)字化車間通信架構主要包括四個層級，分別為：

設備層：由PLC 設備、數(shù)控設備、傳感器、工業(yè)機器人等構成。在設備層中，將各類設備統(tǒng)一抽象映射到OPC UA 地址空間中，把設備數(shù)據(jù)和訪問控制方法封裝為定義為服務器節(jié)點，通過訂閱/發(fā)布模式對外發(fā)布應用程序。而設備間也可以通過在設備上分別構建OPC UA 客戶端來的進行數(shù)據(jù)交互。

數(shù)據(jù)通信層：核心是SCADA 系統(tǒng)，由SCADA 服務端為MES 等管理信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，向下通過設備層客戶端讀取或寫入節(jié)點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設備數(shù)據(jù)的采集和設備控制。

制造執(zhí)行層：通過在MES 系統(tǒng)中構建OPC UA 客戶端，向SCADA 系統(tǒng)采集設備狀態(tài)、質量等過程數(shù)據(jù)，派發(fā)工單指令，驅動設備生產(chǎn)。向上傳遞生產(chǎn)過程信息，實現(xiàn)與ERP 等系統(tǒng)的集成。

企業(yè)數(shù)據(jù)決策層：面向ERP 等企業(yè)管理信息平臺，主要作用為向MES 下達生產(chǎn)計劃，通過豐富的UI 界面展現(xiàn)車間運行狀態(tài)，輔助決策。

3.3 OPC UA 數(shù)據(jù)通信應用

以數(shù)字化車間中常見的PLC 設備為例，從數(shù)據(jù)采集和設備監(jiān)控兩方面對OPC UA 數(shù)據(jù)通信進行分析，如圖6 所示。

圖6 典型OPC UA 數(shù)據(jù)通信應用

（1）數(shù)據(jù)采集時，PLC 設備將數(shù)據(jù)采集程序封裝成API 接口，裝載到OPC UA 服務端，等待OPC UA 客戶端的調(diào)用，客戶端調(diào)用成功后將設備數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，最后傳遞給MES 系統(tǒng)。

（2）設備控制時，在MES 端構建客戶端，下達設備控制指令，通過OPC UA 協(xié)議，調(diào)API 接口，OPC UA 服務端解析客戶端請求數(shù)據(jù)幀，通過具體的PLC 控制程序實現(xiàn)設備驅動。對應工序結束后，依次反饋完成信號，逐級發(fā)送響應數(shù)據(jù)。

3.4 應用效果分析

面向數(shù)字化車間存在不同種類設備的特點，基于OPC UA 重構數(shù)字化車間數(shù)據(jù)通信方式，OPC UA 協(xié)議通過在地址空間中的映射，實現(xiàn)語義統(tǒng)一條件下的建模，構建標準化的接口規(guī)范，打通了各層數(shù)據(jù)的壁壘。并且適配各類設備驅動，無需針對性定制化開發(fā)，降低成本投入，也提高了系統(tǒng)的可重用性和擴展性。通過對節(jié)點進行數(shù)據(jù)封裝，大大提高了資源模型的重用性。同時，OPC UA 將設備數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)中心，為制造執(zhí)行和企業(yè)決策以及大數(shù)據(jù)應用提供了數(shù)據(jù)支撐。

4 結束語

OPC UA 的通訊架構基于工業(yè)以太網(wǎng)，雖然能夠保證傳輸速率和數(shù)據(jù)實時性，但缺乏與無線設備通訊，在很大程度上增加了它的局限性。隨著5G技術的飛速發(fā)展，其未來應用場景會更加豐富。