OPC UA系统框架综述
2019-01-23
(重庆三峡学院 重庆 404632)
一、OPC UA简介
OPC UA 的全称为OPC Unified Architecture，它表示OPC统一体系架构，是一种以服务为主提供一个完整的安全可靠的跨平台架构。OPC UA的优点是使开发人员能够安全地交换大量的数据，具有更高层次的相互操作性，同时产生了一些新的技术和高水准的性能水平，在原有基础上增加了原始OPC的功能，同时的，OPC UA不再仅仅依赖DCOM，而是加强建设面向服务的架构(SOA),因此OPC UA越来越得到企业的青睐运用。为了解决工控软件、PLC、嵌入式网关等产品的系统的兼容性问题，各大厂商都纷纷增加了对OPC UA协议的支持。所以，各种OPC UA设备能不能满足规约所定义的标准功能集，就要有专门的认证机构提供专业的测试服务。
因此，由OPC基金会授权和委托，OPC中国联合机械工业仪器仪表综合技术经济研究所(ITEI)建立了国内唯一的OPC认证测试实验室，并在2017年9月5日在中国职工之家饭店正式发布国家标准GB/T 33863.1～.8-2017《OPC统一架构》。
(一)OPC UA 的技术特性
传统的OPC DA规范采用COM/DCOM技术，只能在Windows平台当中运行，并且COM技术十分复杂，使OPC的推广产生许多困难，微软后期不再维护和升级COM技术。OPC UA规范再也不是基于COM/DCOM技术，也就是说OPC UA不但可以在Windows平台上实现，更可以在Linux，与其他的嵌入式平台中实现。标准OPC所具有的功能，OPC UA也都具有。
1.等价功能：OPC UA和OPC在COM中的功能都一样。
2.多功能平台支持：支持从嵌入式的微控制器到以云为基础的分散式控制架构。
3.安全：互访认证，对于信息的加密性以及安全监听功能。
4.扩展性功能：在当前程序正常工作的情况下，还可以新增其他应用功能。
5.信息建模的丰富多元化：可对复杂的信息进行定义，而不仅仅是单一的数据。
二、系统框架设计
整个系统采用三层架构设计，从下至上分别是设备驱动层、OPC UA服务层、OPC UA客户端。
设备驱动层：负责所有底层设备的数据采集；
OPC UA服务层：载入OPC Moduler数据模型，并对底层设备采集的数据按照OPC UA规范进行存储，为客户端提供统一访问接口；
OPC UA客户端：获取服务层提供的数据，以及执行可调用的方法。
整个系统的设计框架如图1所示：
图1 OPC系统设计框架
OPC服务层设计：
OPC服务层是整个系统的核心层，负责底层数据的临时存储以及向客户端提供数据访问接口的功能。
UA数据模型设计：
UA数据模型是整个系统的核心设计，在该模型中，定义了整个系统需要用到的底层设备，以及各个设备获取的数据以及可执行的方法。
构建UA数据模型，可使用Unified Automation UaModuler工具进行设计，在ObjectTypes的BaseObjectType中，对每一个设备增加一个数据模型，并设置相应的设备名称和描述，之后为新增加的模型增加Children节点，设置该设备可获取的所有变量(测试值)以及可以调用的方法。设计完成后，可导出对应的BuildingAutomation.xml通用配置文件。如下图2所示(构建的UT55A数据模型)。
图2 UT55A数据模型
关键类设计：
UANodeManager：
节点管理器，用于读取BuildingAutomation.xml配置文件，并根UA据模型文件在系统中创建节点地址空间。
UAServerManager：
实例化节点管理器，并启动整个OPCUA服务，使服务器能够被发现。
(一)底层驱动设计
在底层驱动设计中，需要考虑所有设备的数据获取方式，以及整个地址空间数据模型的组织方式，使得采集的数据能够正确对应到数据模型中。为此设计了也一个IController接口，和一个UnderlyingSystem关键类。
IController接口：
在IController接口中，定义了所有底层设备驱动需要实现的方法，所有的底层设备驱动，按照该接口定义的方法进行编写。
void DataReceived(object sender,SerialDataReceivedEventArgs e)：
接收到数据数据的处理函数。
void OpenCom()：
打开通信端口。
bool ReadRegisters()：
读取寄存器。
void SetParam(string strName,object param)：
设置底层设备驱动的参数，第一个参数为该设备的名称，第二个参数为与该设备相关的配置信息，包括设备名称、该设备对应的底层驱动的类名、与该设备对应的命令文件的路径、以及该设备的通信端口配置(串口和网口)。
UnderlyingSystem类：
UnderlyingSystem类，用于对底层设备驱动采集的数据进行整理，根据数据模型开辟内存空间，并按照数据模型的接口将数据存放在内存块中，建立数据字典，与UA模型实现对应关系。
在系统中，设计了ComCfg.xml文件，用于配置与数据模型相对应的各个设备以及设备通信端口，以及各个设备驱动类与底层设备通信所需要用到的命令文件。首先载入该文件，并根据设备类型实例化不同的底层驱动类。
底层驱动类：
实现IController接口，连接设备，通过读取命令配置文件，与底层设备进行通信读取数据。
系统中，为每一个设备设计了一个对应的命令配置文件，该文件中所有的命令配置信息与模型文件相对应，也就是说，返回数据的个数、数据类型，都要与模型文件严格对应。
如下图3所示
图3 OPC UA服务器底层驱动构架
(二)OPC UA的界面设计
1.OPC UA客户端设计
在程序中，找到其必需的设计器变量，并将系统组成成分赋空值，并清理正在使用的资源，并且同步判断是否为托管资源，若是托管资源，窗口设计器则生成相应代码，并确认服务器名称及节点地址，由此生成界面控件及标签，到此，完成客户端设计过程；若不是托管资源，则返回，继续清理正在使用的资源。
2.设备配置界面
当我们工作时，运行到指定的模型文件。并且进入到配置界面，再进行对应的串口配置，或网口配置。
服务端采用WinForm窗口程序，方便维护人员对服务端进行配置，如图4所示。
图4 OPCUSS设备配置界面
下图为根据UA数据模型，为不同变量配置命令。
图5 命令配置界面
下图为OPC UA客户端主界面，用于根据IP地址和端口号查找OPC UA服务器，并显示服务器上的模型信息。
图6 OPC UA客户端主页面
在客户端，可以显示不同节点可调用的方法，如下图所示。
图7 节点调用界面
三、OPC UA在控制系统中的应用
在企业进行工作时，当我们运用OPC UA技术时，它极大的方便了我们工作。OPC UA 很好的解决了之前的OPC规范存在的问题，在互操作性上,做了很多改进，加快了研发速度和运行效率，削并且减了工作成本。在以后的生产生活中，除了传统的OPC 客户端访问方式,还有在现场智能设备中投放使用的OPC UA服务器。OPC UA技术其在网络上具有兼容性，安全系数更高，版本更新更快，平台更多且相互独立等优点。它可以在所有的自动化层面上发挥作用，从人机界面，和 PLC，到MES、ERP等其他高层系统，加深了公司和控制系统的交流沟通，信息交互。
