面向IIOT 的数字化车间数据通信研究及应用

张 蕾

( 中国电子科技集团公司第二研究所， 太原030024)

1 工业物联网（IIOT）关键技术

典型的物联网是通过信息传感设备，按照约定协议将任意物品接入互联网，组成无时空限制的物联网络拓扑，IIOT 自底向上可分为三层：感知层、网络层和应用层[1]。

工业应用环境中，物联网架构在感知层对数据采集的实时性有着更加严格的要求，传统的物联网中数据采集后需要通过网络层，传输层，应用层，经过处理加工以后，数据按照原路反馈至感知层才可进行下一步操作。由于网络层中以太网和电信网缺乏实时性的保障，在高速率、海量数据的传输中造成数据传输滞后。加上不同企业为了在其管理范围内进行数据采集与监视，都具有自己专有的一套SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即监制与数据采集系统。如何将其与互联网进行有机融合，为区分层级传输与缓存至SCADA 数据库的数据集合，本文在传统物联网架构中增加了现场管理层。工业物联网(IIOT)的典型架构如图1 所示。

图1 IIOT 四层体系架构图

感知层通过传感器、扫描仪、射频等设备进行数据采集。

现场管理层主要指工厂的本地调度管理中心，融合在企业的工业监控系统中。调度中心统筹整个工业系统的数据传输、甄别数据类别、来源，及时处理底层采集的数据，其可编程的特点为整个网络提供快了速数据响应、过程指令控制等功能。此外，通过该层的web 服务器、数据库服务器，调度中心可对外提供数据接口，并将传感器采集的数据实时传输至应用层，对后续数据处理分析与应用起到了重要的作用。

网络层是连接感知层与应用层的桥梁，负责体系中的网络组建，异构网络相连，并依托大数据、云计算等技术进行海量信息智能处理。

应用层位于体系的最上层，通过处理不同的业务需求，整合分析底层传输的数据信息，并对外提供相应的解决方案。

2 面向IIOT 现场管理层的SCADA 系统

SCADA 系统在IIOT 体系结构中面向现场管理层，它可以通过与工业机器人、传感器、PLC 等通讯实现数据采集和设备生产过程监控。同时，也为车间的运营管理提供统一的数据基础，是连接车间MES系统和生产线自动化设备之间的纽带，如图2 所示。

在SCADA 系统中通过多种驱动和协议与设备层进行数据交互，其中过程控制统一架构（OPC UA）提供了统一的标准技术框架，是工业4.0 中解决跨层级数据交互一种数据通信标准。OPC UA作为一种面向服务的协议，其目的是为了使工业化通讯更加标准化[2]。它具有以下优点：

图2 SCADA 系统架构

(1) 传输性能高。OPC UA 数据帧采用二进制或XML 格式进行编码，通信过程中可以根据实际情况需要自动选择传输效率更高的编码类型。此外，OPC UA 还支持HTTP 和TCP/IP 等多种网络协议。在面向上层服务器数据交互时，通常采用XML 格式通过HTTP 进行传递，便于应用层获取结构化数据；而面向设备层时，往往采用二进制格式编码通过TCP/IP 协议通信，以提高底层控制器的访问效率。

(2)通信机制可靠。OPC UA 通过数据加密、标记等技术保证了数据可靠性，拒绝非授权访问导致的信息泄露，同时，OPC UA 的访问规范要求应用程序必须执行安全协议，因此其通信机制可靠性和安全性较高。

(3)平台无关性。OPC UA 协议采用面向服务的架构，独立于操作系统实现，支持多种底层设备的数据通讯接口，使其能更灵活的进行数据交换，可以连接不同厂商的设备，实现自底向上或由上而下的数据集成，极大地增强了其扩展性。

(4)实现统一访问。OPC UA 将地址空间集成到服务端，可以构建复杂的数据结构，用统一抽象的模型描述各类设备，从而实现节点的统一访问。

3 OPC UA 通信模式及应用研究

3.1 OPC UA 通信模式

OPC UA 基于面向对象的信息建模方法，其最小单元称之为节点。通过节点间的引用关系形成层次化结构，将一系列节点统一到地址空间中。节点由节点属性和引用构成,属性是节点特征化数据的抽象描述，引用定义了节点间的关系，如图3 所示。

图3 OPC UA 节点建模

OPC UA 采用Client/Server 模式，如图4 所示，OPC UA 客户端通过通信栈发送请求信息到OPC UA 服务端，服务端对请求数据进行解析，将相应节点数据通过消息栈发送响应信息回传给客户端。

图4 基于C/S 架构的OPC UA 通信模式

OPC UA 的数据通信的一般流程为：

(1) 对底层设备信息建模，并在数据中心数据库中进行描述，结合设备层级关系，加入节点引用标记；

(2) 调用OPC UA 服务器定义的API 接口，并针对底层设备模型（真实对象）构建相应的OPC UA 服务器；

(3) 将设备层需要采集或控制的数据在服务器节点中进行装载封装，提供客户端调用；

(4) 在应用层构建OPC UA 客户端，解析服务端响应请求中的数据；

(5) 读取数据库中相应信息完成数据采集工作，或向数据库写入数据实现设备驱动。

3.2 构建数字化车间通信架构

针对数字化车间无统一通信协议导致信息流不畅、数据实时性较差的弊端，采用OPC UA 对数字化车间的通xun 架构进行了构建，如图5 所示。

图5 数字化车间通信架构

数字化车间通信架构主要包括四个层级，分别为：

设备层：由PLC 设备、数控设备、传感器、工业机器人等构成。在设备层中，将各类设备统一抽象映射到OPC UA 地址空间中，把设备数据和访问控制方法封装为定义为服务器节点，通过订阅/发布模式对外发布应用程序。而设备间也可以通过在设备上分别构建OPC UA 客户端来的进行数据交互。

数据通信层：核心是SCADA 系统，由SCADA 服务端为MES 等管理信息系统提供数据，向下通过设备层客户端读取或写入节点数据，实现对设备数据的采集和设备控制。

制造执行层：通过在MES 系统中构建OPC UA 客户端，向SCADA 系统采集设备状态、质量等过程数据，派发工单指令，驱动设备生产。向上传递生产过程信息，实现与ERP 等系统的集成。

企业数据决策层：面向ERP 等企业管理信息平台，主要作用为向MES 下达生产计划，通过丰富的UI 界面展现车间运行状态，辅助决策。

3.3 OPC UA 数据通信应用

以数字化车间中常见的PLC 设备为例，从数据采集和设备监控两方面对OPC UA 数据通信进行分析，如图6 所示。

图6 典型OPC UA 数据通信应用

（1）数据采集时，PLC 设备将数据采集程序封装成API 接口，装载到OPC UA 服务端，等待OPC UA 客户端的调用，客户端调用成功后将设备数据存储到数据库中，最后传递给MES 系统。

（2）设备控制时，在MES 端构建客户端，下达设备控制指令，通过OPC UA 协议，调API 接口，OPC UA 服务端解析客户端请求数据帧，通过具体的PLC 控制程序实现设备驱动。对应工序结束后，依次反馈完成信号，逐级发送响应数据。

3.4 应用效果分析

面向数字化车间存在不同种类设备的特点，基于OPC UA 重构数字化车间数据通信方式，OPC UA 协议通过在地址空间中的映射，实现语义统一条件下的建模，构建标准化的接口规范，打通了各层数据的壁垒。并且适配各类设备驱动，无需针对性定制化开发，降低成本投入，也提高了系统的可重用性和扩展性。通过对节点进行数据封装，大大提高了资源模型的重用性。同时，OPC UA 将设备数据存放于数据中心，为制造执行和企业决策以及大数据应用提供了数据支撑。

4 结束语

OPC UA 的通讯架构基于工业以太网，虽然能够保证传输速率和数据实时性，但缺乏与无线设备通讯，在很大程度上增加了它的局限性。随着5G技术的飞速发展，其未来应用场景会更加丰富。