网络与通信技术OPCUA服务器设备集成关键技术研究与开发

陈春丽　叶顺流

摘 要：以OPC UA规范为基础，参考了IEC61804中的EDDL标准，开发出OPC UA服务器的设备集成信息模型、EDDL语法解释模块以及节点管理模块。基于此方案的服务器架构可自主载入和配置现场总线设备信息，以及协议无关的设备集成，为OPC客户端提供统一的设备状态和工业过程数据。

关键词：OPC服务器 OPC统一架构 现场总线 EDDL技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（a）-00-04

OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）技术在工业控制领域已得到广泛的应用，其规范定义了现场数据交互的标准接口，实现了不同的厂商的产品无缝集成。但随着工业信息集成化的发展，传统OPC简单的数据组织方式和其他一些不足阻碍了目前海量数据的高度集成化发展。OPC基金会在此情况下推出了统一架构（UA，Unified Architecture）规范[1]，不再依赖于复杂的COM技术，以面向服务架构为基础，实现了实时历史数据以及报警等信息的统一

访问。

传统OPC技术各个模块拥有独立的地址空间，各模块之间的数据交互占用了大量的资源。OPC UA规范采用了统一的地址空间，以服务为功能单元对外提供一致性的访问接口。此规范定义了元模型和标准信息模型作为基本数据模型，在此基础上，第三方可以派生出其他信息模型。在数据组织层面，OPC UA提供了更加灵活多样的定义方式，图1显示了由OPC基金会或其他合作组织所定义的信息模型[2]。

EDDL是现场总线设备商用以描述设备信息的文本语言，其生成的EDD文件中包含了设备过程数据结构，设备诊断及故障报警等信息。OPC UA与EDDL相结合的方案可以将设备信息集成到工业管理级系统层面，弥补传统OPC技术仅关注实时数据交互而忽视设备状态信息的监控。

本文主要首先讨论EDDL设备集成模型的开发，在此基础上，通过EDDL解释模块与节点管理模块的开发来实现协议透明的设备信息集成。

1 OPCUA地址空间模型

在OPCUA服务器中，地址空间以节点（Node）来描述实际对象及其组成部分，节点之间的关系通过引用（Reference）来指定，因此，整个地址空间是网状结构。采用网状结构更加灵活，能够描述更加复杂的数据类型。

引用的本质类似于指针，通过存储其他节点的地址来快速访问，OPC UA规范已定义基本的节点类和引用类[3]，从不同类中可派生出具有不同特性的节点和引用关系。同时，把节点之间的关系均以层次结构表示，可以简化节点的搜索与筛选过程，地址空间中的复杂的节点关系也可以用多种树状结构来展现给客户端。图2显示了地址空间中节点的位置分布与相互关系。

OPCUA提供了统一的数据访问与存储功能。现场设备的实时数据、报警与条件等信息集成在同一地址空间中，客户端可通过浏览功能查看地址空间中特定的信息，通过订阅监控项来对节点进行监视。这样避免了对不同的功能模块要单独开发其地址空间的繁琐[4]。

2 EDDL设备集成信息模型开发

OPCUA服务器支持多种信息模型的动态与静态加载。本文主要依据IEC61804-3标准中EDDL的语义来提取设备属性之间的层次关系，以此开发设备集成信息模型。在此基础上，模型设计人员可以根据现场工艺，组织有针对性的特定信息模型，比如两种设备之间的物理联系，可以抽象出它们之间的引用关系[5]。

2.1 EDDL与EDD技术概要

电子设备描述语言（EDDL）是一种平台无关的，文本化解释性语言，用以定义控制系统中设备参数、属性、故障诊断等信息，同时，部分语义定义了图形化界面信息，根据此信息，可以生成设备的监视和配置界面[6]。

EDDL 合作组织（ECT）致力于此标准的制定与推广，减少不同厂商的设备描述信息之间的差异，提高互操作性和集成度[7]。

2.2 EDDL设备集成模型设计

OPCUA服务器通过对EDD文件的解析来获取设备信息，并将此信息转化为地址空间中的设备对象节点。在此之前，需要在UA服务器中预先载入特定的模型，該模型必须能够准确合理的反映设备信息的内容与组织。

2.2.1 设备集成（DI）模型

OPCUA基金会近期发布了用于设备集成的规范[8]，此规范定义了通用的设备参数类型，在对象类型部分，设备对象类型继承于元模型中的基对象类型，同时，在采用不同总线协议的设备信息中抽象出协议对象类型，构成了协议透明的信息模型。图3表示了其中部分对象类型的定义以及它们之间的关系。

在设计设备集成信息模型的过程中，应当以此规范中定义的模型作为中间层模型，在实现此模型的基础上来进行扩展。

2.2.2 EDDL设备集成（EDI）模型开发

可见，通过此种方式构建的设备变量类型可以包含了EDDL对变量的基本描述信息。其中设备变量节点继承于基对象类型节点，它拥有对象类型节点的基本属性，同时，通过组合关系其包含了一个变量值节点，此节点拥有当前值、值类型、访问级别以及最小采样间隔等属性。

3 EDDL解释器与节点管理功能

完成EDDL设备集成模型的设计后，需要UA服务器节点管理功能对此模型进行加载，当有EDD文件导入时，EDDL解释器对此文件进行解析，并把获取到的设备参数信息传递至节点管理功能模块，同时，节点管理模块在地址空间中调用模型中相应的节点类开始创建设备节点，并且进行初始化与数据绑定操作。服务器架构如图5所示。

解释器主要用以分析设备EDD文件，获取其中的设备描述信息，并以节点管理模块能够识别的数据格式进行传递此信息。首先依据EDDL标准中对语法和词法的定义，开发出相应的分析器，然后对分析结果按照EDDL设备集成信息模型中的节点类型进行重新组织，以便节点管理模块能够快速获取到相应的信息。

节点管理功能主要负责信息模型的加载以及相关节点的实例化和初始化操作。节点管理功能模块中包含了不同的节点管理类，分别负责相应的信息模型的加载，而所有的节点管理类由主节点管理类负责调度。OPC UA服务器启动后，对于UA规范中要求满足的基本信息模型以及服務器状态信息模型，由核心节点管理类加载，除此之外，每个节点管理类负责单个或多个特定信息模型的加载。

采用分级的节点管理结构能够清晰划分出每个节点管理类的职责，也提高了设备节点信息的访问效率，同时能够灵活的加载特定的信息模型，减少了多个模型之间的耦合性。图6显示了节点管理的分级结构。

4 结语

本文主要研究了基于EDDL技术的OPCUA信息模型设计以及服务器中EDD解释器与节点管理功能的开发。

采用此方案架构的服务器不用关注设备类型的差异，可以统一的获取现场实时过程数据以及设备的配置信息、诊断信息、管理信息等非过程控制数据，提高了全厂信息集成度。

目前OPC基金会仍在不断完善UA规范，并与多家现场总线基金会合作，共同推进统一标准的、高兼容性和集成度的解决方案。

参考文献

[1] OPC Foundation.OPC unified architecture specification part 1：Overview and Concepts Release 1.01 [S/OL].[2009-02-05].http：//www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY&CI=283.

[2] Wolfgang Mahnke，Stefan-Helmut Leitner，Matthias Damm.OPCUnified Architecture[M].Springer Press， Ladenburg Germany，2009：10-16.

[3] OPC Foundation.OPC unified architecture specification part 3：Address Space Model Release 1.01[S/OL]. [2009-02-05].http：//www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY&CI=283.

[4] 陆会明，阎志峰.OPCUA服务器地址空间关键技术研究与开发[J].电力自动化设备，2010，30（7）：109-113.

[5] OPC Foundation. OPC unified architecture specification part 5： Information Model Release 1.01 [S/OL].[2009-02-05].http：//www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY&CI=283.

[6] IEC 61804-3.Function Blocks（FB） for Process Control， part 3：Electronic Device Description Language （EDDL） [S/OL].[2006-09].http：//webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/Artnum_PK/44641.

[7] IEC/TR 61804-4.Function Blocks（FB） for Process Control， part 4：EDD interoperability guideline[S/OL].[2006-12].http：//webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/Artnum_PK/44641.

[8] OPC Foundation.OPC Unified Architecture for Devices （DI） Companion Specification Release 1.00[S/OL].[2009-12].http：//www.opcfoundation.org/Downloads.aspx？CM=1&CN=KEY&CI=283.