基于OPC UA的煤矿监控系统集成设计与实现

张爱绒，谢斌红，张英俊

（1.太原理工大学 期刊中心，太原030024；2.太原科技大学 计算机学院，太原030024）

随着自动化和信息化的快速发展，煤矿企业系统日益复杂，规模日益扩大，用户希望把从井下底层的设备信息到高层的企业决策信息都能够有效地集成、整合和共享，有效利用各自所需信息的价值。充分的信息和共享是工厂自动化的基础，信息孤岛的打破是提高工厂综合生产效率的前提，因此用户对数据的交互和共享的要求越来越高，数据和交换的核心地位越来越凸显。而目前，由于不同的监控系统相互独立，兼容性差，且网络化的监控系统采用了不同的通信技术和信息交换标准，难以做到信息共享和统一管理，容易形成“信息孤岛”［1］。此外，现用井下分站大多采用不同的开发平台、由不同的厂家开发，彼此之间形成了由不同通信协议和通信接口组成的异构系统。因此，各监测系统的数据有效集成和共享就成为煤矿企业亟需解决的首要问题。在对OPC UA技术研究的基础上，研发了OPC UA的客户端和服务器端程序，通过各子系统的数据个性化定制功能，实现了系统数据的充分集成与共享，有效解决了现场异构设备不同通信协议带来的数据集成和传输问题。在寺河矿二号井工业性试验结果表明，OPC UA在平台无关性、可互操作性、安全性、可靠性等方面优势显著，具有广阔的应用前景。

1 煤矿监控系统集成方案设计

1.1 系统集成逻辑架构

图1 监控系统集成逻辑架构

煤矿监控系统集成方案的逻辑架构如图1所示，采用分层技术，系统从下到上分为设备层、设备 接入层、主干数据传输链路层、数据采集层、数据存储层和业务层。各层之间紧密协作又各自独立，每个逻辑层在为其上层提供数据和服务的同时，又为其下层提供了合适的服务接口。该逻辑架构降低了层之间的依赖关系，且能够保持各层逻辑上相对独立性，从而使整个系统的逻辑结构更为清晰，提高了系统和软件的可维护性和可扩展性。

1.2 系统集成拓扑结构

如图2所示，在设备接入区域，系统采用协议网关和嵌入式OPC UA服务器两种设备接入技术，其中自主设计的多协议网关，可以方便、灵活连接CAN、RS485、Profile-Bus等工业现场总线到综合接入平台的传输网络；实时数据库提供的OPC UA客户端和组态软件可通过嵌入式的OPC UA服务器直接从工业现场提取设备数据。这两种设备安装在现场总线的最前端，极大的缩短现场总线的电缆长度，实时地将现场总线的数据转化为以太网数据流，通过GEPON（无缘光纤以太网）数据链路层网络快速的进入数据采集层，为数据的进一步快速处理奠定坚实的基础。

图2 监控系统集成拓扑结构

2 基于OPC UA的数据集成与共享

2.1 OPC UA技术

OPC技术提供了现场设备、控制系统和企业范围应用间的即插即用和互操作，但由于其本身存在移植性、安全性等问题使其在有些场合并不适用。随着OPC UA技术的推出，解决了以往的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。OPC UA为了解决OPC的缺陷提出了以下几点方案：

1）OPC UA基于消息传递，消息采用了WSDL格式的定义，而非二进制数据传输，从而实现了平台无关性。

2）OPC UA采用了集成的地址空间，增加了语义识别功能。客户软件在连接到OPC UA服务器的时既可知道数据的类型，还可识别服务器定义实体间的数据语义。

3）OPC UA定义了全新的标准统一的服务集，使其在同一个OPC UA服务器下方便访问实时数据、历史数据、报警信息等，避免了通过不同OPC服务器各自的API访问不同的数据，也简化了服务器开发时API重叠的问题。

4）OPC UA可以方便地从OPC DA服务器和客户端升级到OPC UA服务器和客户端，实现了与原有OPC服务器完全兼容。

5）集成的OPC UA数据加密功能符合国际安全标准，为Internet及各企业网络内的远程访问和数据共享、客户端和服务器之间的安全通讯提供了保障。

可以看到，OPC UA集成了现有的OPC规范，并且是跨平台的，提供更高的可靠性、安全性和数据集成，可显著改进企业信息的连通性。

2.2 OPC UA系统结构

OPC UA采用客户端／服务器结构，客户端包括OPC UA客户端应用程序、OPC UA通信栈、OPC UA客户端API。它使用OPC UA客户端API与OPC UA服务器端发送和接收OPC UA服务请求和响应。OPC UA服务器包括OPC UA服务器应用程序、真实对象、OPC UA 地址空间、发布／订阅实体、OPC UA服务器接口API、OPC UA通信栈。它使用OPC UA服务器API从OPC UA客户端来传送和接收消息。OPC UA客户端与服务器的交互也是通过问答模式，客户端与服务器之间的交互是通过UA的通信栈进行的。OPC UA服务器与客户端的主要交互过程［2］如下：

1）客户发送服务请求，经底层通信实体发送给OPC UA通信栈，并通过OPC UA服务器接口调用请求／响应服务，在地址空间的一个或多个节点上执行指定任务之后，返回一个响应。

2）客户发送发布请求，经底层通信实体发送给OPC UA通信栈，并通过OPC UA服务器接口发送给预定，当预定指定的监视项探测到数据变化或者事件／警报发生时，监视项生成一个通知发送给预定，并由预定发送给客户。

2.3 OPC UA接口实现

OPC UA的实现主要分为两个方面：OPC UA客户端和OPC UA服务器。客户端完成对数据的读取和功能的实现；服务器实现对各类数据源的封装，使得客户端可以统一的方式去访问服务器获得数据。OPC UA规范对各类接口和方法进行了抽象，功能实现则留给了用户。为了加快用户开发，OPC基金会及其成员提供了适用于各种应用场合的不同语言版本的软件开发包，如嵌入式系统、Linux系统等。比较典型的有Softing AG、Kepware、Unified Automation 等公司的产品［3］。这里采用由Unified Automation提供的OPC UA C＋＋SDK来完成客户端和服务器的实现。OPC UA客户端的实现主要完成连接和浏览UA服务器的地址空间等功能，其基本流程如下：

1）初始化UA通信栈，这是客户端与服务器的通信基础；

2）连接到UA服务器；

3）浏览UA服务器地址空间，读写相应的数据，调用服务器提供的方法，处理事件报警；

4）接收处理数据变化通知，完成监控项读取；5）关闭与服务器的连接。

OPC UA服务器的开发需要着重注意的是

OPC UA地址空间的建立和对外部实体（即子系统或设备）通信协议的封装［4］。其基本流程如下：

1）初始化UA通信栈，读取XML或INI格式的配置文件；

2）对外部数据源进行抽象，建立对象类型（Object Type）、对象（Object），添加变量（Variable）和属性（Property），完成地址空间的扩展；

3）封装与外部实体（数据源）的通信，获取或写入数据，并建立相应的变量监控，封装对设备的控制；

4）根据设定时间对变量值进行检测，如有变化则发出数据变化或者事件报警通知给客户端；

5）服务器关闭，断开与客户端的连接。

2.4 数据集成与共享

系统实现了嵌入式OPC UA和通用OPC UA，前者应用在井下设备现场，实现对井下分站数据的采集和缓存；地面数据中心的全功能OPC UA节点既可通过数据传输链路直接采集井下子系统的数据，也可与其它OPC节点相连间接的获取数据，整个采集模块可以组成网状的逻辑连接。由于数据标准规范，服务接口统一，通过以上两种方式为煤矿瓦斯灾害监测预警系统、人员定位系统、通讯联络等系统提供了基础数据，实现了系统间数据有效集成。

另外，利用OPC UA技术研发了如图3所示的数据定制组件，通过该组件，可方便灵活为各子系统提供标准统一和个性化的数据发布服务，实现了系 统间数据共享。

图3 数据定制界面

3 结束语

作为新一代数据交换技术，OPC UA能实现从底层设备到企业决策层的全方位集成，具有安全性强、可靠性高的特点。采用OPC UA接口进行系统集成将极大地缩小开发周期，提高系统之间的互操作性，解决了许多自动化企业的“信息孤岛”问题。目前在国内OPC UA的应用还不成熟，但其在平台无关性、可互操作性、安全性、可靠性等方面具有显著的优势，必将成为今后的研究热点。

［1］ 张英俊，郭勇义.基于 CORBA的煤矿瓦斯综合监测预警系统集成技术研究［J］.太原理工大学学报，2009，40（1）：24-27.

［2］ 张力展，靳其兵，赵大力.基于 OPC UA的管控一体化研究［J］.工业控制计算机，2008，21（9）：26-27.

［3］ 苏延召，李艾华.基于 OPC UA的自动化系统集成技术研究 ［J］.测控技术，2011，30（3）：68-71.

［4］ 任雯，梁岚珍.基于 OPC技术和工业以太网的异构系统集成研究［J］.石油化工高等学校学报，2008，21（3）：92-96.