網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)OPCUA服務(wù)器設(shè)備集成關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)

陳春麗　葉順流

摘 要：以O(shè)PC UA規(guī)范為基礎(chǔ)，參考了IEC61804中的EDDL標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)出OPC UA服務(wù)器的設(shè)備集成信息模型、EDDL語法解釋模塊以及節(jié)點(diǎn)管理模塊?；诖朔桨傅姆?wù)器架構(gòu)可自主載入和配置現(xiàn)場總線設(shè)備信息，以及協(xié)議無關(guān)的設(shè)備集成，為OPC客戶端提供統(tǒng)一的設(shè)備狀態(tài)和工業(yè)過程數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：OPC服務(wù)器 OPC統(tǒng)一架構(gòu) 現(xiàn)場總線 EDDL技術(shù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-00-04

OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，其規(guī)范定義了現(xiàn)場數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)了不同的廠商的產(chǎn)品無縫集成。但隨著工業(yè)信息集成化的發(fā)展，傳統(tǒng)OPC簡單的數(shù)據(jù)組織方式和其他一些不足阻礙了目前海量數(shù)據(jù)的高度集成化發(fā)展。OPC基金會在此情況下推出了統(tǒng)一架構(gòu)（UA，Unified Architecture）規(guī)范[1]，不再依賴于復(fù)雜的COM技術(shù)，以面向服務(wù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時歷史數(shù)據(jù)以及報(bào)警等信息的統(tǒng)一

訪問。

傳統(tǒng)OPC技術(shù)各個模塊擁有獨(dú)立的地址空間，各模塊之間的數(shù)據(jù)交互占用了大量的資源。OPC UA規(guī)范采用了統(tǒng)一的地址空間，以服務(wù)為功能單元對外提供一致性的訪問接口。此規(guī)范定義了元模型和標(biāo)準(zhǔn)信息模型作為基本數(shù)據(jù)模型，在此基礎(chǔ)上，第三方可以派生出其他信息模型。在數(shù)據(jù)組織層面，OPC UA提供了更加靈活多樣的定義方式，圖1顯示了由OPC基金會或其他合作組織所定義的信息模型[2]。

EDDL是現(xiàn)場總線設(shè)備商用以描述設(shè)備信息的文本語言，其生成的EDD文件中包含了設(shè)備過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)備診斷及故障報(bào)警等信息。OPC UA與EDDL相結(jié)合的方案可以將設(shè)備信息集成到工業(yè)管理級系統(tǒng)層面，彌補(bǔ)傳統(tǒng)OPC技術(shù)僅關(guān)注實(shí)時數(shù)據(jù)交互而忽視設(shè)備狀態(tài)信息的監(jiān)控。

本文主要首先討論EDDL設(shè)備集成模型的開發(fā)，在此基礎(chǔ)上，通過EDDL解釋模塊與節(jié)點(diǎn)管理模塊的開發(fā)來實(shí)現(xiàn)協(xié)議透明的設(shè)備信息集成。

1 OPCUA地址空間模型

在OPCUA服務(wù)器中，地址空間以節(jié)點(diǎn)（Node）來描述實(shí)際對象及其組成部分，節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系通過引用（Reference）來指定，因此，整個地址空間是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加靈活，能夠描述更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型。

引用的本質(zhì)類似于指針，通過存儲其他節(jié)點(diǎn)的地址來快速訪問，OPC UA規(guī)范已定義基本的節(jié)點(diǎn)類和引用類[3]，從不同類中可派生出具有不同特性的節(jié)點(diǎn)和引用關(guān)系。同時，把節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系均以層次結(jié)構(gòu)表示，可以簡化節(jié)點(diǎn)的搜索與篩選過程，地址空間中的復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)關(guān)系也可以用多種樹狀結(jié)構(gòu)來展現(xiàn)給客戶端。圖2顯示了地址空間中節(jié)點(diǎn)的位置分布與相互關(guān)系。

OPCUA提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問與存儲功能?，F(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)、報(bào)警與條件等信息集成在同一地址空間中，客戶端可通過瀏覽功能查看地址空間中特定的信息，通過訂閱監(jiān)控項(xiàng)來對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視。這樣避免了對不同的功能模塊要單獨(dú)開發(fā)其地址空間的繁瑣[4]。

2 EDDL設(shè)備集成信息模型開發(fā)

OPCUA服務(wù)器支持多種信息模型的動態(tài)與靜態(tài)加載。本文主要依據(jù)IEC61804-3標(biāo)準(zhǔn)中EDDL的語義來提取設(shè)備屬性之間的層次關(guān)系，以此開發(fā)設(shè)備集成信息模型。在此基礎(chǔ)上，模型設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)現(xiàn)場工藝，組織有針對性的特定信息模型，比如兩種設(shè)備之間的物理聯(lián)系，可以抽象出它們之間的引用關(guān)系[5]。

2.1 EDDL與EDD技術(shù)概要

電子設(shè)備描述語言（EDDL）是一種平臺無關(guān)的，文本化解釋性語言，用以定義控制系統(tǒng)中設(shè)備參數(shù)、屬性、故障診斷等信息，同時，部分語義定義了圖形化界面信息，根據(jù)此信息，可以生成設(shè)備的監(jiān)視和配置界面[6]。

EDDL 合作組織（ECT）致力于此標(biāo)準(zhǔn)的制定與推廣，減少不同廠商的設(shè)備描述信息之間的差異，提高互操作性和集成度[7]。

2.2 EDDL設(shè)備集成模型設(shè)計(jì)

OPCUA服務(wù)器通過對EDD文件的解析來獲取設(shè)備信息，并將此信息轉(zhuǎn)化為地址空間中的設(shè)備對象節(jié)點(diǎn)。在此之前，需要在UA服務(wù)器中預(yù)先載入特定的模型，該模型必須能夠準(zhǔn)確合理的反映設(shè)備信息的內(nèi)容與組織。

2.2.1 設(shè)備集成（DI）模型

OPCUA基金會近期發(fā)布了用于設(shè)備集成的規(guī)范[8]，此規(guī)范定義了通用的設(shè)備參數(shù)類型，在對象類型部分，設(shè)備對象類型繼承于元模型中的基對象類型，同時，在采用不同總線協(xié)議的設(shè)備信息中抽象出協(xié)議對象類型，構(gòu)成了協(xié)議透明的信息模型。圖3表示了其中部分對象類型的定義以及它們之間的關(guān)系。

在設(shè)計(jì)設(shè)備集成信息模型的過程中，應(yīng)當(dāng)以此規(guī)范中定義的模型作為中間層模型，在實(shí)現(xiàn)此模型的基礎(chǔ)上來進(jìn)行擴(kuò)展。

2.2.2 EDDL設(shè)備集成（EDI）模型開發(fā)

可見，通過此種方式構(gòu)建的設(shè)備變量類型可以包含了EDDL對變量的基本描述信息。其中設(shè)備變量節(jié)點(diǎn)繼承于基對象類型節(jié)點(diǎn)，它擁有對象類型節(jié)點(diǎn)的基本屬性，同時，通過組合關(guān)系其包含了一個變量值節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)擁有當(dāng)前值、值類型、訪問級別以及最小采樣間隔等屬性。

3 EDDL解釋器與節(jié)點(diǎn)管理功能

完成EDDL設(shè)備集成模型的設(shè)計(jì)后，需要UA服務(wù)器節(jié)點(diǎn)管理功能對此模型進(jìn)行加載，當(dāng)有EDD文件導(dǎo)入時，EDDL解釋器對此文件進(jìn)行解析，并把獲取到的設(shè)備參數(shù)信息傳遞至節(jié)點(diǎn)管理功能模塊，同時，節(jié)點(diǎn)管理模塊在地址空間中調(diào)用模型中相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)類開始創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，并且進(jìn)行初始化與數(shù)據(jù)綁定操作。服務(wù)器架構(gòu)如圖5所示。

解釋器主要用以分析設(shè)備EDD文件，獲取其中的設(shè)備描述信息，并以節(jié)點(diǎn)管理模塊能夠識別的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳遞此信息。首先依據(jù)EDDL標(biāo)準(zhǔn)中對語法和詞法的定義，開發(fā)出相應(yīng)的分析器，然后對分析結(jié)果按照EDDL設(shè)備集成信息模型中的節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行重新組織，以便節(jié)點(diǎn)管理模塊能夠快速獲取到相應(yīng)的信息。

節(jié)點(diǎn)管理功能主要負(fù)責(zé)信息模型的加載以及相關(guān)節(jié)點(diǎn)的實(shí)例化和初始化操作。節(jié)點(diǎn)管理功能模塊中包含了不同的節(jié)點(diǎn)管理類，分別負(fù)責(zé)相應(yīng)的信息模型的加載，而所有的節(jié)點(diǎn)管理類由主節(jié)點(diǎn)管理類負(fù)責(zé)調(diào)度。OPC UA服務(wù)器啟動后，對于UA規(guī)范中要求滿足的基本信息模型以及服務(wù)器狀態(tài)信息模型，由核心節(jié)點(diǎn)管理類加載，除此之外，每個節(jié)點(diǎn)管理類負(fù)責(zé)單個或多個特定信息模型的加載。

采用分級的節(jié)點(diǎn)管理結(jié)構(gòu)能夠清晰劃分出每個節(jié)點(diǎn)管理類的職責(zé)，也提高了設(shè)備節(jié)點(diǎn)信息的訪問效率，同時能夠靈活的加載特定的信息模型，減少了多個模型之間的耦合性。圖6顯示了節(jié)點(diǎn)管理的分級結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

本文主要研究了基于EDDL技術(shù)的OPCUA信息模型設(shè)計(jì)以及服務(wù)器中EDD解釋器與節(jié)點(diǎn)管理功能的開發(fā)。

采用此方案架構(gòu)的服務(wù)器不用關(guān)注設(shè)備類型的差異，可以統(tǒng)一的獲取現(xiàn)場實(shí)時過程數(shù)據(jù)以及設(shè)備的配置信息、診斷信息、管理信息等非過程控制數(shù)據(jù)，提高了全廠信息集成度。

目前OPC基金會仍在不斷完善UA規(guī)范，并與多家現(xiàn)場總線基金會合作，共同推進(jìn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的、高兼容性和集成度的解決方案。

參考文獻(xiàn)

[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] 陸會明，閻志峰.OPCUA服務(wù)器地址空間關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)[J].電力自動化設(shè)備，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.