Octopuz虛擬軟件與S7-1200PLC進行OPC通信的實現(xiàn)

閆海蘭，尚坡利

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院 電子電氣工程學院，甘肅 蘭州 730060)

為了中國制造2025的穩(wěn)步運行，推動智能制造快速發(fā)展，各行各業(yè)開始研究和實施智能車間的建設(shè)，例如石油化工、冶金、航空航天、裝備制造等將會作為數(shù)字化車間、智能化工廠的首批試點領(lǐng)域。未來幾年內(nèi)，全國大多數(shù)工廠車間都會趨向智能化，各大制造型企業(yè)也都將開始進行信息化改革升級[1]。智能車間的建設(shè)使得車間內(nèi)設(shè)備的種類也更加繁多，如傳感器、PLC和伺服軸等。這些設(shè)備提高了生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，但也產(chǎn)生了一些不可忽視的問題，不同型號和不同生產(chǎn)廠家的底層設(shè)備導致車間內(nèi)的通信協(xié)議也各種各樣，這給車間監(jiān)管人員對車間內(nèi)部數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)的整合帶來困難。且由于各種各樣的通信協(xié)議，使得設(shè)備間數(shù)據(jù)信息交互困難，設(shè)備間存在信息孤島的問題。因此，車間生產(chǎn)控制系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計時，為了能夠使得不同型號、不同生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)設(shè)備兼容適配，開發(fā)人員智能在系統(tǒng)中集成大量的通信協(xié)議，這不僅使得開發(fā)人員的工作量顯著增加，而且使得生產(chǎn)系統(tǒng)龐大復雜。且不同的設(shè)備有不同的通信總線，布線時需要對其布置專有的通信總線，進而導致車間內(nèi)的布線數(shù)大量增加，產(chǎn)生車間生產(chǎn)安全隱患。

然而使用OPC技術(shù)剛好可以解決這個問題，它為不同品牌和信號的設(shè)備提供一種統(tǒng)一且簡單的接口，保證設(shè)備間能夠交互通信，對于設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控也可靠簡單[2]。OPC UA已經(jīng)成為國內(nèi)外在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺的一部分，國外對OPC UA技術(shù)的研究較為成熟。相比于國外的研究現(xiàn)狀，國內(nèi)對于OPC UA技術(shù)在工業(yè)中的研究與應(yīng)用還不夠完善。北京的艾克信控公司是國內(nèi)最早一批開始接觸OPC UA技術(shù)的公司，并開發(fā)了一些基于OPC UA的產(chǎn)品。華北電力大學最為國內(nèi)高校中較早研究OPC UA的院校之一，在2011年取得了一定的成果，孫建發(fā)、白洋、方輝等在畢業(yè)課題中分別對OPC UA服務(wù)器中數(shù)據(jù)管理與訂閱功能模塊、安全與配置功能模塊、地址空間與數(shù)據(jù)存儲模塊以及時間管理與訂閱功能模塊進行了研究和開發(fā)。內(nèi)蒙古工業(yè)大學的李赫研究設(shè)計了基于OPC UA的中間件服務(wù)器，首先將設(shè)備信息采集到OPC DA服務(wù)器中，在經(jīng)過中間件的封裝轉(zhuǎn)換，能夠成功被OPC UA客戶端訪問[3]。蘭州理工大學的謝春求研究了基于OPC UA的數(shù)控機床原創(chuàng)監(jiān)控系統(tǒng)，以O(shè)PC UA為主要核心技術(shù)，采用WinCC軟件作為遠程監(jiān)控客戶端，提供一系列解決方案[4]。杭州電子科技大學的黃志韜使用OPC UA研究并實現(xiàn)了個性化定制生產(chǎn)線信息系統(tǒng)，解決目前生產(chǎn)信息系統(tǒng)只適合大批量生產(chǎn)不適用小規(guī)模生產(chǎn)的問題。

本論文以上述智能車間生產(chǎn)通信中存在的問題為出發(fā)點進行研究，力求實現(xiàn)對車間內(nèi)各種硬件底層設(shè)備進行數(shù)據(jù)信息采集，并達到統(tǒng)一監(jiān)管的目的。要使該目標實現(xiàn)首先需要設(shè)備間數(shù)據(jù)能夠共享交互，設(shè)計出合理的而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將設(shè)備信息采集出來。其次，需要有數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)控界面供監(jiān)管人員對采集上來的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。

1 OPC UA的技術(shù)優(yōu)勢

由于OPC是在微軟的OLE技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，因此它為基于Windows的應(yīng)用程序與工業(yè)控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互建立了橋梁，并且它有效地將硬件與軟件分離開來[5]?；贠PC技術(shù)的過程控制通信系統(tǒng)如下圖1所示，采用C/S結(jié)構(gòu)來進行數(shù)據(jù)交換，底層硬件設(shè)備中需內(nèi)置OPC服務(wù)器并創(chuàng)建OPC服務(wù)器的統(tǒng)一接口，OPC客戶端就可以通過OPC通信對OPC服務(wù)器的統(tǒng)一接口進行信息訪問，雙方的數(shù)據(jù)就可以進行交互，軟件開發(fā)者只需要對應(yīng)接口進行編程而沒必要了解硬件設(shè)備具體信息。但傳統(tǒng)的OPC是基于微軟的COM/DCOM技術(shù)的，因此該技術(shù)只能在Windows系統(tǒng)上應(yīng)用，不能在Linux等其他平臺上進行OPC客戶端與OPC服務(wù)器之間的通信。但是由于該技術(shù)只能在Windows系統(tǒng)上應(yīng)用，導致OPC接口不能再例如Linux等其他平臺上工作，客戶端與服務(wù)器無法實現(xiàn)跨平臺交互，這個主要缺陷隨著控制要求的逐漸提升將無法滿足工業(yè)現(xiàn)場的需求。

圖1 基于OPC的過程控制通信系統(tǒng)

OPC UA技術(shù)能彌補傳統(tǒng)OPC的不足，它仍然以C/S結(jié)構(gòu)進行設(shè)備間數(shù)據(jù)通訊以及信息采集，但服務(wù)器與客戶端是通過OPC UA通信棧進行通信的，即首先客戶端通過API與自己的通信棧進行交互，接著客戶端的通信棧再與服務(wù)器的通信棧進行信息交互，服務(wù)器接收到響應(yīng)信號并將響應(yīng)的應(yīng)答信號反饋給客戶端。OPC UA棄用了傳統(tǒng)的COM/DCOM技術(shù)，建立了以Web Service為基礎(chǔ)的技術(shù)架構(gòu)，使得不同的設(shè)備或者不同的系統(tǒng)可以在不一樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上進行交互，這賦予OPC UA具有跨平臺特點，為當前工業(yè)通信系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)傳輸無法跨越防火墻的問題提供技術(shù)支持，并且OPC UA支持更多類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，增加許多安全規(guī)范，使得設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中更加安全且受保護，以及增強了命名空間等優(yōu)點。OPC UA所具有的優(yōu)勢如下[6-9]：(1)與平臺無關(guān)性；OPC UA的相關(guān)研究不再受限于Windows系統(tǒng)，所以可在實際需求的操作系統(tǒng)上進行，且基于Web Service的技術(shù)架構(gòu)使得信息交互更加開發(fā)、更加靈活。(2)訪問統(tǒng)一性；OPC UA增加了統(tǒng)一的、完整的和一致的地址空間模型和服務(wù)模型，因而客戶端向OPC UA服務(wù)器發(fā)送請求即可獲取數(shù)據(jù)，解決了資源浪費的問題。(3)安全性和通信性能增強；OPC UA技術(shù)定義了一系列完整的安全策略，OPC UA服務(wù)器與客戶端通過一條特定的連接通道進行安全通信，在該通道應(yīng)用了加密技術(shù)，例如OpenSSL加密、公共密鑰體系和X509證書等，若想要進行會話則需要進行身份驗證，這使得通信更加安全可靠，保證了信息的完整性。(4)支持更多更復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；OPC UA支持一種元數(shù)據(jù)建模規(guī)則，而且該模型具有可擴展性，根據(jù)實際開發(fā)的各種需求，開發(fā)人員可自定義進行增刪改數(shù)據(jù)模型之間的相關(guān)性。(5)可靠性和冗余性；該機制的設(shè)計可使客戶端連接冗余服務(wù)器，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、連續(xù)性，且OPC UA數(shù)據(jù)信息傳輸是加密的，服務(wù)器和客戶端需要用戶驗證才能通訊，這也保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

2 OPC UA服務(wù)器的搭建

2.1 OPC UA服務(wù)器的搭建方式

在工廠車間數(shù)據(jù)通訊中，采用的OPC UA技術(shù)是基于分布式的服務(wù)器/客戶端(C/S)模型，該客戶端負責消費這些數(shù)據(jù)和服務(wù)，實現(xiàn)對車間內(nèi)底層設(shè)備數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)等信息的監(jiān)控和展示，而該服務(wù)器負責準備服務(wù)和數(shù)據(jù)。如下圖2所示，主要有3種常見的方式實現(xiàn)OPC UA的搭建。第一種方式為通過網(wǎng)關(guān)適配器來實現(xiàn)OPC UA服務(wù)器的搭建，以硬件的形式將某種型號的設(shè)備或控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換為OPC UA標準協(xié)議；第二種方式為OPC UA服務(wù)器內(nèi)嵌的形式，即服務(wù)器直接嵌入在機器、控制器或者設(shè)備內(nèi)部，設(shè)備生產(chǎn)過程中就加入了OPC UA的功能；第三種方式為以外部軟件的形式搭建OPC UA服務(wù)器，這種情況可能某些設(shè)備公司為特定型號的產(chǎn)品研發(fā)特有的OPC UA服務(wù)器軟件，例如西門子PLC等，還有可能是通用的OPC UA服務(wù)器軟件。本論文采用第二種方式，即OPC UA服務(wù)器內(nèi)嵌的形式。

圖2 OPC UA服務(wù)器的搭建方式

2.2 OPC Server服務(wù)器的搭建步驟

因為選用第二種方式，OPC UA服務(wù)器內(nèi)嵌的形式實現(xiàn)對設(shè)備數(shù)據(jù)信息的訪問通訊，并且還能實現(xiàn)不同設(shè)備間數(shù)據(jù)交互的功能，解決了設(shè)備間信息孤島的問題，通過上位機客戶端可以對底層設(shè)備數(shù)據(jù)進行讀寫和監(jiān)控。OPC Server服務(wù)器的搭建流程如下圖3所示，首先啟動博圖軟件，然后查看固件版本，博圖軟件只有V4.4固件版本以上才支持OPC通信，若固件版本較低，則進行固件升級。其次創(chuàng)建PLC項目并添加與硬件相對應(yīng)的PLC設(shè)備，接著在工程界面開啟OPC服務(wù)器，并創(chuàng)建PLC變量及其調(diào)用，此外創(chuàng)建服務(wù)器的借口，最后OPC服務(wù)器接口調(diào)用變量，至此完成搭建工作。

圖3 OPC UA服務(wù)器的搭建方式流程

OPC UA服務(wù)器搭建過程中包括的關(guān)鍵步驟為：首先點擊設(shè)備組態(tài)并選擇PLC，找到OPC UA，點擊激活OPC UA服務(wù)器，并記錄下方的服務(wù)器地址，即OPC通信地址，客戶端以此作為識別號，如圖4所示。

圖4 開啟OPC服務(wù)器

其次，創(chuàng)建服務(wù)器的通信變量，之后建立西門子的函數(shù)模塊并編寫程序，如下圖5所示，并在MAIN中調(diào)用函數(shù)塊實，緊接著進行變量引用賦值，實現(xiàn)功能：輸出數(shù)據(jù)以0.5s變化。

圖5 程序代碼

最后，創(chuàng)建服務(wù)器接口，并用OPC UA服務(wù)器接口調(diào)用變量，變量引用完成后將工程項目編譯下載。至此，OPC UA服務(wù)器搭建完成。

3 Octopuz虛擬仿真軟件與服務(wù)器的連接

Octopuz虛擬仿真軟件與OPC UA服務(wù)器相連接是基于安全通道和會話的，連接流程如下圖6所示，首先開啟Octopuz虛擬仿真軟件并開啟OPC服務(wù)。

圖6 Octopuz與OPC UA服務(wù)器連接流程

其次在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建單獨的組件，以承載特征、腳本、屬性參數(shù)，并添加與PLC對應(yīng)類型的變量，否則后期印射變量會發(fā)生錯誤。緊接著在連通性中添加服務(wù)器并添加對應(yīng)的服務(wù)器地址，測試連接，如彈出對話框提示連接成功，表示Octopuz與服務(wù)器已經(jīng)連接成功。之后創(chuàng)建Python腳本并寫入代碼，以添加組件行為，如下圖7(a)所示。最后映射服務(wù)器至模擬、模擬至服務(wù)器的OPC通信變量，如下圖7(b)所示。

(a)

(b)

4 OPC UA的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)驗證

整體方案設(shè)計、實現(xiàn)完成后，將對OPC UA的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)進行驗證工作，測試搭建的OPC UA服務(wù)器是否能正常工作，以及整個系統(tǒng)是否能正常運轉(zhuǎn)。首先對Octopuz中的節(jié)點屬性信息讀寫功能進行測試驗證，通過點擊樹形結(jié)構(gòu)可在服務(wù)器地址空間欄中隨意瀏覽各級節(jié)點層次結(jié)構(gòu)，點擊單個節(jié)點或一類節(jié)點可在屬性信息欄中看到節(jié)點的具體信息，實現(xiàn)對服務(wù)器地址空間中數(shù)據(jù)展示和讀取操作。且可以在博圖、Octopuz中分別監(jiān)控OPC輸入輸出變量數(shù)據(jù)以0.5s的速度變化，如下圖8所示。

圖8 OPC輸入輸出變量數(shù)據(jù)的變化

5 結(jié)束語

針對智能車間底層設(shè)備繁多、通信協(xié)議各異，導致無法進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控等問題，以O(shè)PCUA為核心技術(shù)，搭建了可適配不同底層設(shè)備的通用OPC UA服務(wù)器，并實現(xiàn)了Octopuz虛擬仿真軟件與OPC UA服務(wù)器的成功連接，因而實現(xiàn)了車間內(nèi)各種硬件底層設(shè)備進行數(shù)據(jù)信息采集，并達到統(tǒng)一監(jiān)管的目的。