一种基于OPC UA的多机械设备互联互通实现系统

技术领域

本发明涉及工业物联网领域，尤其涉及一种基于OPC UA的多机械设备互联互通的实现系统。

背景技术

工业物联网是物联网技术在制造业中的应用，是推动智能制造的基石，它将制造过程中的各种重要设备接入物联网，实现物与物、人与物的互联。互联互通是工业物联网中的中间层次，是对制造现场的各种通信技术的融合，实现对各种设备与系统中产生的数据的传输与解析，达成语义的统一，解决“信息孤岛”问题；互联互通是实现智能制造的重要前提。

在制造车间，经常需要接入来自不同厂商、通讯协议不一的设备，各设备的语义不一，且大量的标准协议与私有协议使得设备与系统的可移植性、跨平台性和可扩展性较差，形成了“信息孤岛”。为了实现互联互通，需要对不同的协议进行转换，使得对外呈现一种标准的、语义统一的通讯协议，从而实现隐藏差别地自由通讯、信息交互，然后解决信息的多源异构问题，打通数据链，实现信息的集成与融合。OPC UA正是用于实现工业物联网互联互通的一种标准化的、具有较好通用性和兼容性的通讯协议，不仅可解决信息建模问题，还可作为统一的通信协议以完成数据的交互，为多源异构数据的传输与解析提供了解决方案。但目前多数OPC UA的开发工具包仅能实现局域网内的多设备互联互通，尚未解决跨局域网的通信问题，无法实现跨局域网通信。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明针对跨局域网无法通讯的问题，采用了Web Service服务，该技术基于HTTP协议，可以实现跨越防火墙的自由通信。同时，该服务可以在不同开发平台，使用不同的开发语言进行开发，具有较低的开发难度、较强的可靠性、用户友好性、实时性、可扩展性、安全性等，是将OPC UA技术应用于实现多机械设备互联互通的探索与实践。

为了实现本发明目的，本发明提供的一种基于OPC UA的多机械设备互联互通实现系统，互联互通实现系统应包含多个不同层次的软件系统，由下至上可以分为设备层、设备操作层、数据服务层、数据交互层、网络支撑层、数据存储层、应用服务层、用户界面层几个层次，各层次分别实现特定的功能。

多机械设备互联互通实现系统需要实现多机械设备的互联互通，具体需实现各设备与系统水平方向与垂直方向的集成，并可以实现跨网络的任意联通。其中，垂直方向的互联互通通过OPC UA客户端，访问存有设备数据的OPC UA服务器，并将获取到的信息进行汇总，绑定到同一个服务器中，形成聚合服务器。而上层的应用只需访问该聚合服务器，即可获取所有的设备信息，实现垂直方向的互联互通。对应于制造车间，分别模拟位于同一层级的设备与系统之间的交互、位于相邻层级的上位机系统对下位机设备或系统的控制与监测、位于不同局域网的设备与系统的互联。互联互通平台的整体架构需要实现完全的互联互通。

选择多个的机械设备作为软件层次中的设备层，各机械设备的种类、开发语言、所处物理位置与局域网位置可以不尽相同。

各个机械设备均需要有单独的上位机控制软件，对应于平台软件层次中的设备操作层，其是对机械设备的原始数据进行采集与管理、并对机械设备进行运动控制的关键部分。

在各个机械设备的上位机控制软件中嵌入OPC UA服务器是实现多个机械设备互联互通的基础环节，其对应于互联互通平台软件层次中的数据服务层，是对已有的数据及控制方法的整合，是实现语义统一的关键。在OPC UA服务器中，实现各个机械设备的OPC UA信息模型实例化后，需要分别实现机械设备的数据、控制方法与OPC UA地址空间中变量节点与方法节点的绑定，并实现物理事件发生与OPC UA事件触发相关联；另外，可以实现其他OPC UA技术包含的功能，如自定义数据类型、访问控制、历史、警报的触发功能。

设置水平方向的互联互通模块，即在各机械设备的上位机控制软件中再嵌入OPCUA客户端，使形成双向服务器，实现各机械设备之间的双向通信，对应于平台软件层次中的数据交互层，其是实现设备、系统之间的简单快速地交互与协同的重要应用，也是实现互联互通的重要意义之一。水平方向的互联互通模块包括局域网内的水平方向的互联互通与跨局域网的水平方向的互联互通两部分。局域网内互联互通由双向服务器通过ip地址，访问同局域网内的其他设备服务器内数据。而跨局域网的互联互通需要在访问处于不同局域网的服务器时，而公网中只暴露局域网的路由器ip，无法直接通过ip地址访问到指定的OPCUA双向服务器。因此，路由器先将访问请求发送到公网服务器，公网服务器再将该请求转发到对应的局域网的路由器中，结合内网穿透技术，最终发送到对应设备的双向服务器中，从而实现跨局域网中的互联互通。

还有，为了保证跨网络的任意的联通，设置一系列的Web Service接口，WebService接口可以参考OPC UA标准服务开发。Web Service服务器即为软件层次中的网络支撑层。基于提供的Web Service接口，可以基于B/S(Browser/Server)架构开发Web网页端应用，或者基于C/S(Client/Server)架构开发远程客户端应用。

当基于B/S(Browser/Server)架构开发Web网页端应用，将Web网页端应用作为互联互通平台顶层的顶层应用时，其数据库、后端、前端分别对应于平台软件层次中的数据存储层、应用服务层和用户界面层。Web网页端应用是对多机械设备进行远程运行状态监视、运行过程控制、运行数据存储与管理的综合应用。数据存储层负责存储数据；应用服务层负责管理用户的信息，管理设备的历史数据存放策略，对设备进行监控等；用户界面层用于提供与用户交互的图形化界面，该界面可以通过浏览器方便地进行访问。

C/S和B/S框架类似，区别在于采用了浏览器Browse代替了Client，即通过Client与用户进行交互。因此，数据存储层、应用服务层和用户界面层与B/S框架是相对应的，但其用户界面层是独立的界面，该方式Client访问Server用独立的Client软件而不是依赖浏览器。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

(1)本发明结合了Web Service技术，实现了跨局域网的信息的交互、集成与远程控制。

(2)本发明可在任意平台的任意设备，实时跨局域网访问设备数据。

(3)本发明Web Service服务接口与OPC UA标准服务接口一致，极大降低了二次开发成本。

(4)本发明可实现车间多设备的协同，有利于加快资源调度，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例建立的基于OPC UA的互联互通平台的软件层次示意图。

图2是本发明实施例建立的基于OPC UA的互联互通平台的整体架构示意图。

图3-图5是本发明实施例中各个机械设备的上位机控制软件示意图。

图6-图7为本发明实施例中OPC UA服务器的地址空间中的节点示意图。

图8为本发明实施例中Web Service接口示意图。

图9本发明实施例中水平方向的互联互通模块示意图。

图10为本发明实施例中Web网页端应用对机械设备进行远程监视与控制时的逻辑流程示意图。

图11为本发明实施例中Web网页端应用的实时界面图示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。

请参阅图1-图11，本发明提供的一种基于OPC UA的多机械设备互联互通实现系统，包括多个不同层次的软件系统，所述软件系统从下至上包括设备层、设备操作层、数据服务层、数据交互层、网络支撑层、数据存储层、应用服务层、用户界面层。

设备层包括多个机械设备，多个所述机械设备位于相同或不同的局域网内，在本发明的其中一些实施例中，选用了四台机械设备作为平台基础，其中包括使用C#开发的、位于同一局域网的平面3PRR并联定位平台与SCARA机器人1，以及拥有C++二次开发接口、位于另一局域网的SCARA机器人2和SCARA机器人3。通过已有的、处于不同局域网内的、开发语言不同的多个机械设备，可以模拟制造过程位于不同制造车间的不同制造设备。

由已有的基础机械设备，建立的基于OPC UA的互联互通实现系统的整体架构如图1所示，软件层次如图2所示。在平面3PRR并联定位平台与各个SCARA机器人之中通过信息模型、节点映射、数据采集策略、数据缓存绑定底层数据源，建立OPC UA服务器与OPC UA客户端，使形成双向服务器，并具备控制界面。在每个局域网内设立一个OPC UA客户端，与该局域网内的机械设备进行OPC UA通讯，应具备远程数据监控、控制方法管理、数据结构管理、事件报警处理、历史数据查看功能；在本发明的其中一些实施例中采用第三方软件UaExpert作为局域网内的上位机OPC UA客户端，UaExpert具备比较完整的OPC UA客户端的功能，能够实现上述预定的功能。然后，在两个局域网内分别搭建Web Service服务器；将开发的Web Service应用通过IIS发布后，再使用内网穿透软件进行反向代理实现内网穿透，使外部网络可以通过固定网址调用Web Service接口。最后，基于B/S架构，开发Web网页端应用，用户通过手机或者电脑中的浏览器访问网页，Web服务器的后端程序通过调用WebService接口访问OPC UA服务器实现交互，从而实现对机械设备的远程监视与控制。

在本发明的其中一些实施例中，内网穿透软件采用花生壳软件。

在各个机械设备的上位机控制软件中，由光栅尺、光电传感器、运动控制卡获取机械设备的信息，并对机械设备进行运动控制。四台机械设备的上位机控制软件界面如图3-图5所示，可以实现分别对一台3-PRR机器人及两台不同型号的SCARA机器人进行运动控制。具体为：能够实现伺服上电、伺服断电、复位、停止、各轴坐标的实时监控、末端位置的实时监控；运动部分能够实现位置归零、单轴正逆旋转、点动、直线运动规划、圆弧运动规划；数据传输部分能够实现OPC UA服务器的运行与停止，对其他设备服务器的连接与断开。

使用OPC UA SDK进行二次开发，将OPC UA服务器分别嵌入到各上位机控制软件中。其中，可以使用XML文件实现信息模型的实例化，使用各种消息触发机制实现数据源与数据的绑定、物理事件与OPC UA事件的绑定，使用函数指针实现控制方法与方法节点的绑定。在UaExpert的地址空间窗口、数据访问视图、历史趋势视图、事件视图中可以验证OPCUA服务器功能，如图6-图7为浏览地址空间中的节点。图6与图7以树状结构分别展示了3PRR机械人与SCARA机器人的节点信息模型。图6中在3PRR根节点下，包括了该机器人的多个参数，如各轴的位置；以及多种控制方式，如各轴的正反转。

结合OPC UA的标准服务，使用ASP.NET开发的Web Service接口，包括创建OPC UA客户端、连接OPC UA服务器、调用方法、读写变量节点、创建订阅、响应事件Web Service接口，如图8所示，各功能以字典顺序排列，分别为对事件的应答、浏览节点、调用方法节点、连接服务器、创建OPC UA客户端、删除OPC UA客户端、断开服务器连接、获取诊断信息、HelloWorld问询、读取文件节点、读取单个节点、读取节点历史、节点批量读取、移除订阅、订阅事件、订阅参数改变、事件及数值改变、写入文件节点、写入单个节点、批量节点写入。在每个局域网内均架设Web Service服务器，并实现内网映射。

水平方向的互联互通模块如图9所示，第一行为选择连接不同设备的服务器。第二、三行为登录方式。下方左侧为连接服务器内的信息节点数，节点数下方为选定节点的各个属性，右侧为对服务器内节点的控制与订阅节点的内容。其中，局域网内的互联互通使用C/S架构直接相连，跨局域网的互联互通采用访问固定网址以调用Web Service的方式，获取JSON数据并解析，实现对远程机械设备的实时监控。

在本发明的其中一些实施例中，开发的Web网页端应用是使用ASP.NET开发，前端使用CSS、JavaScript、HTML，后端使用C#语言开发，数据库使用SQL Server。在Web网页端中实现注册、登录、客户端管理、系统管理功能，其中最重要的即为对机械设备的远程监视与控制功能，其逻辑流程如图10所示，用户首先需要在网站注册账号；注册信息将被插入到用户表中；登录网站获取管理员身份后，可以进入机械设备监控功能模块；选择对应的设备，即可调用Web Service服务接口创建OPC UA客户端，并选择连接方式与参数对OPC UA服务器进行连接。服务器连接成功后，即可通过浏览设备信息节点数对客户端绑定的设备进行监控和控制；进入对应设备的控制界面，对设备数值变量节点进行订阅，并对设备事件进行监控；跨局域网设备通过JSON格式进行数据传输；当需要断开连接时，先断开与OPC UA服务器的连接，最后再在OPC UA客户端池中删除OPC UA客户端并对出系统。

在本发明的其中一些实施例中，Web网页端进行远程监视与控制时如图11所示，其中左侧展示了多个局域网下不同的机械设备，右侧为当前选中设备的运行状态信息，以及可选的控制方法。在Web网页端应用开发过程中，使用加密机制保证安全性、使用错误处理机制保证可靠性、使用AJAX技术保证Web网页端应用的用户友好性与实时性。

本发明实施例选择工业现场中的多种典型机械设备为基础平台，并基于OPC UA技术，提出了一种基于OPC UA的机械设备互联互通实现系统，为OPC UA技术在机械设备中的应用进行了探索与实践，对推动互联互通及智能制造的发展具有一定的意义。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。