OPC UA技術(shù)及應(yīng)用OPC UA技術(shù)及應(yīng)用OPC UA Technology and Application王華劉楓(西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院,重慶400715)OPC UA技術(shù)是工控軟件揍口的斷標(biāo)準(zhǔn),人們利用它可以促進(jìn)工廠底屢和企業(yè)系統(tǒng)間的集成。詳細(xì)地介紹了OPUA技術(shù),并分析了 OPC UA技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展的前景。詞: OPC UA,平臺(tái)獨(dú)立性,安全性,互操作性O(shè)PC UA technology is a new standard of software interface in industry control system, people can integrate devices offactory understratum and enterprise system This paper introduces the OPC UA technology and discusses its application inhe smart instrument development and in the control system. At last this paper views its development trendKeywords: OPC UA, platform independence, security, interoperabilityoPc( OLE for Process Control)技術(shù)在當(dāng)今過(guò)程控制領(lǐng)4)增強(qiáng)的命名空間:在目前的OPC規(guī)范中支持將數(shù)據(jù)組織域,是一種非常流行的數(shù)據(jù)交換技術(shù)。但是,用戶和開發(fā)人員對(duì)成層次結(jié)構(gòu), OPC UA更支持無(wú)限的節(jié)點(diǎn)命名和無(wú)限的關(guān)系設(shè)它的抱怨越來(lái)越多,首先是它的COM原始基礎(chǔ),使開發(fā)難度加定,同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以對(duì)其他節(jié)點(diǎn)有無(wú)限的關(guān)系設(shè)定大;其次是OPC規(guī)范的覆蓋范圍不夠廣泛,沒(méi)有提供必要的網(wǎng)5)大量的服務(wù)功能 OPC UA規(guī)范定義了大量的通用服務(wù)。絡(luò)安全性,統(tǒng)一的地址空間和定義對(duì)象映射;再次是現(xiàn)行O6)采用UA二進(jìn)制編碼,使數(shù)據(jù)快速編碼和解碼,提高了數(shù)平臺(tái)不獨(dú)立,它受限于 Microsoft公司的操作系統(tǒng),對(duì) Linux和據(jù)的傳輸速度。Os等系統(tǒng)缺乏支持?；谶@種情況,OPC基金會(huì)推出了新一代此外,它還能集成現(xiàn)有的基于 COM/DCOM技術(shù)開發(fā)的OPC UA(OPC Unified Architecture)規(guī)范。OPC服務(wù)器( DA, HAD、A&E),使它們很容易通過(guò) OPC UA映1 OPC UA簡(jiǎn)介射和使用。OPC UA是一個(gè)新的工業(yè)軟件接口規(guī)范,其目的在于提出12 OPC UA規(guī)范一個(gè)企業(yè)制造模型的統(tǒng)一對(duì)象和架構(gòu)定義,具有跨平臺(tái)、增強(qiáng)命目前, OPC UA規(guī)范包含核心規(guī)范部分與存取類型規(guī)范部名空間、支持復(fù)雜數(shù)據(jù)內(nèi)置、大量通用服務(wù)等新特點(diǎn)。為了區(qū)別分,其中核心規(guī)范部分包括 OPC UA Data Access, OPC UA于以往的經(jīng)典OPC技術(shù)OPC基金會(huì)重新定義OPC含義:開 Alarms and Conditions, OPC UA Programs以及 OPC UA放( Openness)生產(chǎn)力( Productivity)協(xié)作性( Collaboration)。 Historical Access規(guī)范;存取規(guī)范部分包括 OPC UA Security它將發(fā)展了12年的現(xiàn)行的OPC技術(shù)推進(jìn)和連結(jié)為一個(gè)整合 Model, OPC UA Address Space Model, OPC UA Ser的平臺(tái),該平臺(tái)將從DCOM構(gòu)架遷移到基于 Web service技 vices OPC UA Information Model、 OPC UA Service Map術(shù)的框架下。pings和 OPC UA Profiles等。1.1 OPC UA技術(shù)優(yōu)勢(shì)2 OPC UA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)管理軟件的不斷發(fā)展過(guò)程中,標(biāo)準(zhǔn)的采用也在不斷和現(xiàn)行OPC一樣, OPC UA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括 OPC UA服務(wù)更新,為適應(yīng)應(yīng)用需求的發(fā)展,OPC基金會(huì)適時(shí)推出了OPC器和客戶端兩個(gè)部分,每個(gè)系統(tǒng)允許多個(gè)服務(wù)器和客戶端相互UA規(guī)范,為企業(yè)軟件架構(gòu)的建立指明了新的方向。 OPC UA具作用。備以下新的特點(diǎn):21 OPC UA客戶端1)基于TcP/P通信同時(shí)利用了 Web service技術(shù)、XMLOPC UA客戶端的體系結(jié)構(gòu)包括客戶終端的客戶端/服務(wù)技術(shù)以及NET架構(gòu),解決了跨越微軟系統(tǒng)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了多平臺(tái)器交互。它包括 OPC UA客戶端應(yīng)用程序 OPC UA通信棧的互操作性O(shè)PC UA客戶端AP,如圖1所示。它使用 OPC UA客戶端AP2)集成的 OPC UA數(shù)據(jù)加密功能符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn),為nter-與 OPC UA服務(wù)器端發(fā)送和接收 OPC UA服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)。net及各企業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和數(shù)據(jù)共享、客戶端和服務(wù)器之22 OPC UA服務(wù)器間的安全通訊提供了保障。OPC UA服務(wù)器代表客戶端/服務(wù)器相互作用的服務(wù)器端3)復(fù)雜數(shù)據(jù)內(nèi)置:在新的數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn) OPC DA中增加了點(diǎn)。它主要包括 OPC UA服務(wù)器應(yīng)用程序、真實(shí)對(duì)象 OPC UA復(fù)雜數(shù)據(jù)規(guī)范例如當(dāng)前的DA服務(wù)器不僅可以支持簡(jiǎn)單數(shù)據(jù),地址空間、發(fā)布/訂閱實(shí)體 OPC UA服務(wù)器接口APH、 OPC UA還可以支持變化型變量 Variant,在 OPC UA中,這種復(fù)雜數(shù)據(jù)通信中國(guó)煤化工服務(wù)器AP從 OPC UA類型的支持變成基本的功能客戶CNMHG申工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表系就集成工具開發(fā);重慶市科委重大科技重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC,2007AB2031)《工業(yè)控制計(jì)算機(jī))2008年21卷第12期OPC UA提供一致的,集成的地址空間以及服務(wù)模型。它PcUA客戶酯允許一個(gè)單獨(dú)的 OPC UA服務(wù)器來(lái)集成數(shù)據(jù)、警報(bào)和事件以及PcUA客戶端應(yīng)用程序請(qǐng)求發(fā)歷史數(shù)據(jù)到它的地址空間,用一個(gè)集成的服務(wù)集提供對(duì)它們的諸索發(fā)透收到通知存取。3.1 OPC UA安全模型OPC UA安全模型完成客戶端和服務(wù)器端的認(rèn)證、用戶認(rèn)CUA客戶AT證數(shù)據(jù)保密性等操作。在沒(méi)有指明的任何情況下,安全機(jī)制是OPCUA垂慣桃A門必須的。由于以太網(wǎng)已經(jīng)延伸到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層,所以企業(yè)管理人員可以通過(guò) Interne掌握工廠的實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。因此, OPC UA服OPCUA務(wù)器OPUA服務(wù)器OPCUA雁務(wù)墨 OPCUA最務(wù)器務(wù)器或客戶端必須要采用一定的安全策略保證系統(tǒng)的安全圖1。PCUA客戶端架構(gòu)OPC UA采用了會(huì)話建立、審核、傳輸安全等措施保證控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全。OPeA備器3.2集成地址空間模型OPC UA的地址空間是由一系列節(jié)點(diǎn)組織構(gòu)成的,客戶端通過(guò)OPC服務(wù)來(lái)訪問(wèn)它。地址空間里的節(jié)點(diǎn)是用于表現(xiàn)真實(shí)對(duì)象、對(duì)象的定義以及對(duì)象間的引用。在現(xiàn)有OPC規(guī)范中,各個(gè)規(guī)范單獨(dú)定義自己的地址空間和服務(wù),而 OPC UA把這種模型統(tǒng)為一個(gè)集成的地址空間。為了提升客戶機(jī)和服務(wù)器的互操作性, OPC UA地址空間用高層規(guī)范來(lái)結(jié)構(gòu)分層。盡管地址空間里的節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層通常容易進(jìn)入,但他們可能都互相引用,允許地址空間代表一個(gè)相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。aK通技[3.3集成對(duì)象模型害產(chǎn)和cUA害戶地 DCUA害戶現(xiàn)有 OPC AP定義的對(duì)象是相互分離獨(dú)立的 OPC UA通圖2PCUA服務(wù)器架構(gòu)過(guò) OPC UA對(duì)象模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)對(duì)象服務(wù)的集成。對(duì)象模型OPC UA客戶端與服務(wù)器主要的交互形式是:通過(guò)客戶端是通過(guò)對(duì)象的變量方法事件及其相關(guān)的服務(wù)來(lái)表現(xiàn)對(duì)象。務(wù)請(qǐng)求,經(jīng)底層通信實(shí)體發(fā)送給 OPC UA通信棧,并通34PCUA集成服務(wù)過(guò)服務(wù)器接口調(diào)用請(qǐng)求/響應(yīng)服務(wù),在地址空間的節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行指 OPC UA把客戶機(jī)和服務(wù)器之間的接口定義為一組服務(wù)。定任務(wù)之后,返回一個(gè)響應(yīng);客戶端發(fā)送發(fā)布請(qǐng)求,經(jīng)底層通信這些服務(wù)被組織到稱為服務(wù)集的邏輯組中。 OPC UA服務(wù)器對(duì)客實(shí)體發(fā)送給 OPC UA通信棧,并通過(guò)服務(wù)器接口發(fā)送給訂閱,戶機(jī)提供兩個(gè)功能。它們?cè)试S客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求并從服務(wù)當(dāng)訂閱指定的監(jiān)視項(xiàng)探測(cè)到數(shù)據(jù)變化或者事件/警報(bào)發(fā)生時(shí),監(jiān)器接收響應(yīng),也允許客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送通知。服務(wù)器使用通知視項(xiàng)生成一個(gè)通知發(fā)送給訂閱,并由訂閱發(fā)送給客戶端。來(lái)報(bào)告事件,比如警報(bào)數(shù)據(jù)值變化、事件和程序的執(zhí)行結(jié)果23 OPC UA服務(wù)器間的互訪問(wèn)服務(wù)集的采用解決了現(xiàn)有OPC規(guī)范在應(yīng)用時(shí)服務(wù)重疊問(wèn)新的 OPC UA技術(shù)支持服務(wù)器間的相互訪問(wèn),也就是一臺(tái)題。它包括安全信息服務(wù)集、會(huì)話服務(wù)集,節(jié)點(diǎn)管理服務(wù)集視圖服務(wù)器作為另一個(gè)服務(wù)器的客戶端如圖3所示。通過(guò)服務(wù)器間服務(wù)集、屬性服務(wù)集、方法服務(wù)集、監(jiān)視服務(wù)集、訂閱服務(wù)集、查的交互可以實(shí)現(xiàn):基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的服務(wù)器信息交換;鏈接服務(wù)器實(shí)詢服務(wù)集等?，F(xiàn)分層體系,提供以下功能4 OPC UA在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用1)對(duì)低層服務(wù)器的數(shù)據(jù)聚集;OPC技術(shù)可以避免使用傳統(tǒng)上在企業(yè)內(nèi)部傳遞信息所需2)構(gòu)造吏高層次的數(shù)據(jù)給客戶端;要的昂貴定制接口和驅(qū)動(dòng)器,它提供了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制系統(tǒng)和企3)向用戶提供一個(gè)集成的接口以訪問(wèn)多個(gè)底層服務(wù)器業(yè)范圍內(nèi)的應(yīng)用程序間的即插即用和互操作性,但是它并不是3 OPC UA的模型和服務(wù)在任何地方都適用,如市場(chǎng)要求日益明顯的一致性和互操作性等問(wèn)題,產(chǎn)品的移植和兼容性問(wèn)題。 OPC UA技術(shù)的出現(xiàn)解決oPc客戶端了以往的OPC規(guī)范存在的固有問(wèn)題,如它在互操作性上的改進(jìn)削減了成本,加快了開發(fā)速度并促進(jìn)了運(yùn)行效率。今后,除了傳統(tǒng)的 OPC UA客戶端對(duì)服務(wù)器的訪問(wèn)方式以外,也可以把OPC UA服務(wù)器集成到現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備中。與目前的OPC標(biāo)準(zhǔn)相比, OPC UA技術(shù)具有安全性、網(wǎng)絡(luò)陬務(wù)器側(cè)兼容性、可升級(jí)性、獨(dú)立平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)。它可以應(yīng)用在所有的自動(dòng)相作用驟務(wù)器接口化層面上,從人機(jī)界面和PLC,到MES( Manufacturing Execu中國(guó)煤化工 e Planning)以及其他高層CNMHG性O(shè)PC UA技術(shù)是未來(lái)工業(yè)控制接口的發(fā)展方向,由于其具圖3服務(wù)器間的交互作用(下第42頁(yè))小車倒立擺起擺的控制算法的研究與仿真實(shí)現(xiàn)m角度為正。角速度逆時(shí)針為正。(3)模糊控制自動(dòng)擺起的規(guī)則庫(kù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)得到模糊控制的規(guī)則庫(kù)如表1所示。在進(jìn)行模糊推理運(yùn)算時(shí),采用 Mandan最大最小合成運(yùn)算,而輸出的模糊運(yùn)算則采用重心法。圖9桿角度與角速度的關(guān)系{n=025下面將軸的加速度設(shè)置為au=9/2,在 Simulink環(huán)境下實(shí)現(xiàn)模糊控制器進(jìn)行仿真。結(jié)果如圖11。UcX×…x×X為模糊控制系統(tǒng)的輸人,X∈VcR為模糊系統(tǒng)的輸出,那么,模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成了由子空間U到子空間V上a的Xp的一個(gè)映射。糊戈則庫(kù)i的推現(xiàn)XAxB圖10模糊控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖圖11搖桿角度與角速度的關(guān)系(1)輸入輸出空間的模糊分割5結(jié)束語(yǔ)通過(guò)線性變換將擺的角度的測(cè)量值映射到論域[-1,1,角以上倒立擺擺起的三種控制算法進(jìn)行仿真研究,通過(guò)其仿速度的的測(cè)量值同樣映射到論域{-119和采用7級(jí)分割分真結(jié)果分析,它們各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)從圖39.1)來(lái)看,能量制別為 NB, NM, NS, Z、PS、PMPB。對(duì)軸的加速度也映射到-1,算法具有明顯的優(yōu)勢(shì)擺起時(shí)間短控制效果好但需要明確對(duì)1].分割成9級(jí),分別為 NB. NMB. NMS NS、ZPS、PMs、象參數(shù)且不易實(shí)現(xiàn);Bang-Bang控制算法反應(yīng)速度快,實(shí)現(xiàn)容PMB、PB易,但是控制粗糙,控制效果不好。模糊控制算法具有不需要了(2)輸入輸出量的模糊化解對(duì)象模型的參數(shù)的優(yōu)點(diǎn),只需要合適的控制規(guī)則,就會(huì)具有很這里對(duì)小車的控制力大小轉(zhuǎn)化成對(duì)軸的加速度的大小,那好的控制效果且力矩受限的情況同樣滿足要求但是模糊控制么這里的輸出量就是對(duì)小車的加速度a。軸加速度角度和角速算法計(jì)算量大同時(shí)獲得控制規(guī)則需要做大量的實(shí)驗(yàn)。度均使用三角形隸屬度函數(shù)這里以垂直向下角度為0逆時(shí)針參考文獻(xiàn)表1自動(dòng)擺起橫糊規(guī)則庫(kù)[1]趙莉單級(jí)倒立擺的模糊控制及仿真[J]山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2004(3):102-103[2]關(guān)紅洲倒立擺自動(dòng)擺起和穩(wěn)定控制系統(tǒng)及策略研究[D]杭州:浙江大學(xué),2005[3]Yoshida, Kazunobu Swing-up control of an inverted pendulumy energy -based methods. Proceedings of the AmericanControl Conference, 1999., 4045-4047[收稿日期:2008722](上接第39頁(yè))術(shù),各生產(chǎn)廠商將實(shí)現(xiàn)企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的無(wú)縫集成執(zhí)行系統(tǒng)并推動(dòng)OPC規(guī)范向企業(yè)級(jí)領(lǐng)域擴(kuò)展。 OPC UA的出現(xiàn)必將引發(fā)工業(yè)控制系統(tǒng)尤其是軟件理念的又一輪技術(shù)革新。[1JIEC 62541-1: OPC Unified Architecture Specification-Part 1Overview and Concepts(S].[S 1. ] IEC, 2008Lm平臺(tái)下ndw:平臺(tái)下PcUA照務(wù)香PCWA脹務(wù)器[2JIEC 62541-2: OPC Unified Architecture Specification- Part 2:Security Model[S].[.1.]: IEC, 2008Prbu總晚IEC 62541-3: OPC Unified Architecture Specification-Part 3:Address Space Model[S].[S 1. ] IEC, 2008cRc以務(wù)[認(rèn)務(wù)[4]IEC 62541-4: OPC Unified Architecture Specification -Part 4智能儀表其他設(shè)備凵中國(guó)煤化工。m5CNMHG圖4。PcUA技術(shù)在系統(tǒng)集成中的應(yīng)用Unitied Architecture Specification-Part 6有的巨大優(yōu)勢(shì),吸引了眾多系統(tǒng)廠商的關(guān)注。運(yùn)用 OPC UA技Mappings[S][S 1. IEC, 2008[收稿日期:2008.7.24]