工业无线网络OPC-UA发布/订阅机制优化研究

梁超 贾宇波

摘 要：OPC统一架构（OPC UA）作为一种工业通信的数据交换规范，可以有效解决数据通信的访问一致性和标准化问题。但其应用在工业无线网络环境下缺乏实时性，无法满足工业通信高可靠、高实时需求的应用场景。为了解决以上问题，提出了一种适用于工业无线网络OPC-UA的优化方法，采用分布式协商的调度方式，建立时间同步机制，改进非实时的OPC-UA发布/订阅模式。结果表明，工业无线网络OPC-UA发布/订阅机制优化方法可以保证数据能够可靠地从源节点传送到汇聚节点，提高OPC-UA在工业无线网络中数据交换的抖动性，从0.05ms提高到0.01ms，实现工业现场设备数据与互联网管理平台互联互通，以及在传输机制和语义信息层面上的统一。

关键词：OPC-UA;工业无线网络;时间同步;数据通信

DOI：10. 11907/rjdk. 192285 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）007-0015-04

Research on Optimization of OPC-UA Publish/Subscribe Mechanism

in Industrial Wireless Network

LIANG Chao，JIA Yu-bo

（School of Information Science and Technology，Zhejiang SCI-TECH University，Hangzhou 310018，China）

Abstract：As a data exchange specification of industrial communication， OPC unified architecture （OPC UA） can effectively solve the problem of access consistency and standardization of data communication. However， the application in the industrial wireless network environment is lack of real-timeness， which can not meet the industrial communication high reliable， high real-time needs of the application scene. In order to solve the above problems， an optimization method suitable for industrial wireless network OPC-UA is proposed， which adopts the distributed negotiation scheduling method， establishes the time synchronization mechanism， and improves the non-real-time OPC-UA publish/subscribe mode. The results show that the optimization method of the OPC-UA publish and subscribe mechanism of the industrial wireless network can ensure that data can be reliably transmitted from the source node to the sink node， and improve the jitter of the data exchange of OPC-UA in the industrial wireless network from 0.05ms to 0.01ms. The data of industrial field equipment is interconnected with the management platform of the Internet， and unified in terms of transmission mechanism and semantic information.

Key Words： OPC-UA;industrial wireless network;time synchronization;data communication

0 引言

隨着工业智能制造及自动化技术的不断发展，智能化、标准化、模块化成为工业4.0时代的关键词。不同设备厂间多协议设备语义信息互通和管理困境是工业现场常遇到的问题。数据通信约定不一致，加上生产监控使用不同的通讯标准，导致信息共享和统一管理极为困难。2018年，我国国家标准规范《OPC统一架构》（OPC Unified Architecture，OPC UA）正式实施，规范了工业通信的数据交换架构，基于发布/订阅（简称Pub/Sub）通信标准的OPC-UA将适用于更多场景[1]。

文献[2]使用OPC-UA服务端作为网关共享有线网络数据方案，利用CAN网络传输实时数据访问的OPC-UA地址空间，基于有线网络实现互联互通;文献[3]指出工业以太网环境OPC-UA 发布/订阅与TSN时间敏感网络相结合是目前有效的高实时通信方法，可以保证网络数据时间同步，而工业无线网络中硬件设备有限、通信环境嘈杂，传统无线调度模式与OPC-UA应用需更加关注信息与数据交换实时性和可靠性提升;文献[4]提出OPC-UA工业互联网解决方案，但并未对其实时性进行研究;文献[5]针对OPC-UA客户端和服务端在设备睡眠模式下影响实时性的问题，提出基于无线现场设备的OPC-UA睡眠机制，增强睡眠时传输的可靠性，在睡眠情况下，该方法具有普适性;文献[6]基于OPC-UA的C/S架构及其地址空间技术，研究网络通信架构在应用层上的实时性改善，实现信息和数据转发，对数据链路层未作优化;文献[7]分析TDMA调度模式下工业无线传感器网络与多种工业总线融合设计实现思路，具有研究借鉴意义。

这样，任何数据类型（包括字符串）都可以用于发布/订阅服务，其配置信息也存储在信息模型中，在整个发布服务周期中都可以访问，不会破坏实时性。除了向“中断”提供可重入信息模型访问，“替换即复制”策略在普通OPC-UA服务器上也实现了无锁的多线程操作。

4 实验结果

使用Cooja测试工具测试节点通信抖动性[20]，OPC-UA PubSub流量配置为100μs周期时间（10kHz）。传输的OPC UA PubSub NetworkMessage基于具有单个整数值的PublishedDataSet。每个周期都会读取PublishedDataSet配置，并根据从信息模型中读取的最新值生成消息。配置的5μs偏移量为应用程序提供了足够时间以准备下一个数据包并将其传输到底层，以便数据包及时排入其传输窗口。延迟抖动性测试如图7、图8所示，由图7可以看出，无调度下非实时的OPC-UA Pub/Sub抖动性延迟集中在0.04ms～0.05ms，无调度下实时性的OPC-UA Pub/Sub抖动性集中在0.03ms-0.0375ms;图8时隙和信道跳频调度非实时OPC-UA Pub/Sub抖动性集中在0.012 5ms～0.02ms。相比之下，使用了时隙和信道跳频调度的实时OPC-UA抖动性集中在0.01ms左右，实时性更高。

5 结语

本文通过研究工业无线网络与OPC-UA发布/订阅机制优化方法，探究无线网络中数据传输的可靠性和实时性。通过数据链路层无线网络时隙和信道跳频调度的分布式邻居节点调度，结合OPC-UA发布/订阅节点要求，选取合适的无线网络性能参数，实现端到端通信同步，动态调度降低了数据链路层的延迟抖动。在应用层，通过研究非实时的传统OPC-UA服务器与实时的OPC-UA发布/订阅混用机制，提出了“替换时复制”策略。对工业无线网络OPC-UA发布订阅/机制进行低延迟和低抖动优化，以减少信息丢失，增强工业无线网络OPC-UA数据传输的可靠性与实时性。

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（责任编辑：孙 娟）