CN106550052A - 一种基于opc ua的数据采集装置及方法 - Google Patents

一种基于opc ua的数据采集装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于OPC UA的数据采集装置及方法，该装置包括OPC UA Client和OPC UA Server，其中OPC UA Client由获取配置模块、数据采集模块和数据发送模块构成；OPC UA Server由标签点接收模块、标签点处理模块、采集配置模块、数据接收模块、数据处理模块以及数据发布模块构成。该数据采集装置基于ARM架构且运行Linux操作***，不仅精简了装置结构而且有效防止了病毒等恶意程序在工控网和管理网之间的传播，提高了DCS的安全性；提供的OPC UA Server和OPC UA Client涵盖了OPC DA、OPC AE以及OPC HDA等诸多功能，大大简化了数据采集程序的复杂性。

Description

一种基于OPC UA的数据采集装置及方法
技术领域
本发明涉及工业过程控制数据采集技术领域，具体为一种基于OPC UA的数据采集装置及方法，用于从集散控制***(DCS)采集大量数据至生产执行***(MES)。
背景技术
OPC(OLE for Process Control)是用于工业控制领域一个通讯接口标准，它为过程控制提供了一套标准的接口、属性和方法。OPC的出现使得不同厂商的设备和驱动程序可以灵活地进行连接和信息交互，但传统的OPC服务器访问仍很复杂，针对不同类型的数据访问，需要开发不同的访问程序，包括数据访问(DA)、报警和事件(AE)，以及历史数据访问(HDA)等等。比如，要获得一个温度传感器的当前值、一个高温度事件和温度的历史平均值，要分别开发三种不同的OPC服务器程序，这大大增加了数据采集装置的复杂性。
此外，OPC技术以Microsoft公司的OLE/COM技术为基础，应用基本上仍然局限在Windows操作***平台。因此，现有的数据采集装置一般只能采用与工控网或管理网相似的技术，如X86主板、Windows操作***等。而这样的软硬件平台与管理网络具有相同的架构，因而病毒可以轻易攻击工业控制网络，增加了控制***的安全风险。目前，市场上虽已出现具有异构架构的数据采集装置，但鉴于OPC服务端的高度复杂性，其内部实现方式上往往采用ARM及X86两块主板，分别运行Linux和Windows***，这增加了数据采集装置的复杂性，并牺牲了一定的可靠性。
OPC UA(Unified Architecture)是OPC的最新标准，为从DCS采集数据到MES提供了一种统一的接口方法，大幅降低了软件开发的复杂度。此外，OPC UA不依赖特定的操作***，支持跨平台运行，为简化数据采集装置的软硬件结构提供了可能。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于OPC UA的数据采集装置及方法。基于ARM架构且运行Linux操作***的数据采集装置，与DCS、MES层构成硬件异构且操作***异构，能有效防止病毒等恶意程序在工控网和管理网之间的传播，提高了工业控制***中实时数据采集的安全性，同时该装置向DCS、MES层仅提供统一的OPC UA接口，大大简化了数据采集装置设计与开发的复杂度。
通过以下技术方案实现，该装置包括运行数据采集客户端程序OPC UA Client和数据采集服务端程序OPC UA Server的主机，其中：OPC UA Client包括获取配置模块、数据采集模块和数据发送模块；OPC UA Server包括标签点接收模块、标签点处理模块、采集配置模块、数据接收模块、数据处理模块以及数据发布模块；
标签点接收模块：接收生产执行***MES请求的标签点；
标签点处理模块：自标签点接收模块获取待采集数据信息，并当MES请求的标签点改变时进行相应变更处理；
采集配置模块：生成请求标签；
获取配置模块：接收请求标签；
数据采集模块：受获取配置模块控制并通过OPC UA接口自集散控制***DCS中采集数据；
数据发送模块：将采集数据发送至数据接收模块；
数据处理模块：更新采集数据；
数据发布模块：通过OPC UA接口向生产执行***MES发送采集数据。
优选的，该装置采用的ARM主机与DCS或MES采用的X86主机异构。
优选的，所述ARM主机上同时运行数据采集服务端程序OPC UA Server，以及数据采集客户端程序OPC UA Client。
优选的，该装置运行的Linux操作***与DCS或MES层运行的Windows操作***异构。
该方法的具体工作流程如下：
(1)运行OPC UA Server上的标签点接收模块；
(2)标签点处理模块获取待采集数据信息；
(3)OPC UA Server中的采集配置模块生成请求标签；
(4)OPC UA Client中的获取配置模块获取请求的标签点；
(5)数据采集模块通过OPC UA接口从DCS中采集数据；
(6)采集到的数据通过数据发送模块传递到OPC UA Server上的数据接收模块；
(7)数据处理模块更新数据；
(8)数据发布模块通过OPC UA接口向MES层发布数据；
(9)判断是否继续请求标签点，如果是，则转到步骤(3)；否则程序结束。
优选的，步骤(2)中标签点处理模块获取待采集数据信息的流程为：
(2-1)接收报文；
(2-2)判断缓存中标签点个数是否小于允许单次采集的最大点数：是则进行步骤(2-3)，否则结束；
(2-3)判断报文中的标签点在当前缓存中是否存在：否则进行步骤(2-4)，是则技术；
(2-4)初始化请求的标签点；
(2-5)结束。
优选的，步骤(3)中采集配置模块生成请求标签的流程为：
(3-1)开始；
(3-2)判断opcuasvrcfg.ini是否存在：是则进行步骤(3-3)，否则结束；
(3-3)读取OPC UA Server配置信息；
(3-4)判断是否读取成功：是则进行步骤(3-5)，否则结束；
(3-5)初始化OPC UA Server；
(3-6)判断是否初始化成功：是则进行步骤(3-7)，否则结束；
(3-7)启动报文传输线程；
(3-8)结束。
优选的，步骤(7)中数据处理模块更新数据的流程为：
(7-1)接收到OPC UA报文；
(7-2)解析报文；
(7-3)判断数据是否已发生改变：是则更新数据，否则结束。
更优的，该装置通过OPC UA接口与DCS或MES完成数据访问DA、报警和事件访问AE，以及历史数据访问HDA。
有益效果：
本发明提供了一种基于OPC UA的数据采集装置及方法，基于ARM架构且运行Linux操作***的数据采集装置，不仅精简了装置结构而且有效防止了病毒等恶意程序在工控网和管理网之间的传播，提高了DCS的安全性；提供的OPC UA Server和OPC UA Client涵盖了OPC DA、OPC AE以及OPC HDA等诸多功能，大大简化了数据采集程序的复杂性。
附图说明
图1是本发明数据采集装置功能结构框图；
图2是本发明标签点处理模块流程图；
图3是本发明采集配置模块流程图；
图4是本发明数据处理模块流程图；
图5是本发明数据采集装置工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例采用目前广泛应用的AT91SAM9X25型号的ARM主板，同时运行Linux操作***。该装置用于某石化企业DCS到MES层的数据采集，允许单次采集的最大点数为8000点。
在OPC UA中，当客户端连接服务器时，首先要得到服务器中的终端(EndPoints)信息，之后建立通信通道(Channel)，最后建立客户端与服务器进程间的会话(Session)。会话建立后，客户端的读写等操作都是通过会话完成的。
终端信息可以在服务器的服务上查找，或依据固定服务器信息设定。在本实施例中，选择依据固定服务器信息设置。在设置好EndPoints信息后，OPC UA建立通信通道，并以保证客户端读写请求的安全性、可扩展性及可靠性。由于大多数的安全处理是由OPC UA提供的UA栈完成的，所以在建立通信通道时只需要设置数字证书即可。
建立完通信通道后，将依据通信通道建立应用程序会话(Session)。依据设置好的EndPoints信息，利用数字证书连接一个安全的通信管道，从而建立应用程序会话。在应用程序会话成功打开后，应用程序就可以通过会话读写服务器中的数值。
OPC UA数据访问的方式有三种，分别是读操作、写操作以及订阅数据方式。读、写操作就是以同步的方式对服务器发出指令，读写服务器地址空间中的元数据，再由服务器维护地址空间与DCS上的数据同步。
在读取数据时首先配置要读取的节点(Node)信息，将节点信息以NodeId的形式***到NodeIdCollection中，NodeID有两个参数，分别是OPC连接字符串和命名空间序号。每一个要读取的数据点都有一个固定的OPC连接字符串，这个字符串代表数据在DCS中的物理位置，也包括数据的类型、大小等信息。
命名空间序号是OPC服务器的序号，在连接服务器的时候确定。之后调用ReadValues函数读取数据，在ReadValues函数中对传入的参数进行封装，并通过连接服务器时建立的应用程序会话的read方法读取数据，并将结果以DataValueCollection格式传回。
如图1所示，数据采集装置软件部分采用C/S架构，由OPC UA数据采集客户端程序和OPC UA数据采集服务端程序构成，其中OPC UA Client包括获取配置模块、数据采集模块和数据发送模块；OPC UA Server包括标签点接收模块、标签点处理模块、采集配置模块、数据接收模块、数据处理模块以及数据发布模块。该装置向DCS、MES层提供统一的OPC UA接口。
OPC UA Server启动运行，在工作目录下加载服务端配置信息文件opcuasvrcfg.ini完成初始化，并启动报文处理、数据处理线程。
标签点处理线程启动时，会在工作目录下加载opcuacollcfg.ini文件，该文件包含待采集标签的详细信息。当接收到MES请求的标签点改变时，会结合opcuacollcfg.ini文件信息在工作目录下生成opcuaconfig.txt文件。
OPC UA Client上的获取配置模块定期获取到OPC UA Server生成的opcuaconfig.txt文件，采集来自DCS OPC UA接口提供的控制***实时数据，并通过数据发送模块发送给OPC UA Server。
OPC UA Server数据接收模块接收到数据发送模块发送来的报文，数据处理模块解析报文内容并根据配置文件判断数据是否已发生改变，如果是，则更新标签点；如果否，则结束程序。更进一步的，数据发布模块将更新完的标签点通过OPC UA接口向外发布。
如图2所示，标签点处理模块接收OPC UA报文，判读缓存中已保存的标签点是否大于opcuasvrcfg.ini设定的最大值8000点：如果超出8000点，则不添加到当前的采集缓存中；如果未超出8000点，则继续判断报文中的标签点是否位于缓存中。
OPC UA Server提供了完整的类型信息定义，包括对象类型ObjectTypes、变量类型VariableTypes、引用类型ReferenceTypes、事件类型EventTypes等等，涵盖了传统OPC的数据访问、报警和事件以及历史数据访问等诸多功能。例如，传统的OPC要获得一个温度传感器的当前值、一个高温度事件和温度的历史平均值，要分别开发三种不同的OPC服务器程序，而使用OPC UA Server可以直接完成上述三种功能，这大大简化了数据采集应用程序的复杂性。
如图3所示，程序启动时首先判断opcuasvrcfg.ini文件是否存在，下一步读取OPCUA Server配置信息，配置文件存放在工作目录中，文件名即为opcuasvrcfg.ini。如果文件不存在则程序退出；如果配置文件存在，则进行读取。
下一步对OPC UA Server进行初始化，根据读取到的配置信息设置采集的数据点数上限、采集频率等，如果OPC UA Server初始化不成功，则程序结束；初始化成功后，建立起Server和Client之间的联系，启动报文传输线程。
如图4所示，数据处理模块接收到OPC UA Client上的数据发送模块传递的报文，记录接收时间为Treceive。通过OPC UA报文解析程序解析接收到的报文并判断数据是否已发生改变：如果是，则进一步刷新标签点；否则程序结束。
如图5所示，本实施例中数据采集装置的具体工作流程如下：
(1)开始；
(2)运行OPC UA Server上的标签点接收模块；
(3)标签点处理模块获取待采集数据信息；
(4)OPC UA Server中的采集配置模块生成请求标签；
(5)OPC UA Client中的获取配置模块获取请求的标签点；
(6)数据采集模块通过OPC UA接口从DCS中采集数据；
(7)采集到的数据通过数据发送模块传递到OPC UA Server上的数据接收模块；
(8)数据处理模块更新数据；
(9)数据发布模块通过OPC UA接口向MES层发布数据；
(10)判断是否继续请求标签点，如果是，则转到步骤(3)；如果否，则结束程序。
综上所述，本发明提供了一种基于OPC UA的数据采集装置及方法，基于ARM架构且运行Linux操作***的数据采集装置，不仅精简了装置结构而且大幅提高了***稳定性和可靠性，同时提高了DCS的安全性；提供的OPC UA客户端、服务端程序，大大简化了数据采集程序的复杂性。
本发明已通过上述实施例及其附图说明清楚，以上仅为本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，所属领域的技术人员可根据本发明做出相应变化和修正，这些变化和修正都属于本发明权利要求的保护范围。
本发明未涉及方法均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种基于OPC UA的数据采集装置，其特征在于该装置包括运行数据采集客户端程序OPC UA Client和数据采集服务端程序OPC UA Server的主机，其中：OPC UA Client包括获取配置模块、数据采集模块和数据发送模块；OPC UA Server包括标签点接收模块、标签点处理模块、采集配置模块、数据接收模块、数据处理模块以及数据发布模块；
标签点接收模块：接收生产执行***MES请求的标签点；
标签点处理模块：自标签点接收模块获取待采集数据信息，并当MES请求的标签点改变时进行相应变更处理；
采集配置模块：生成请求标签；
获取配置模块：接收请求标签；
数据采集模块：受获取配置模块控制并通过OPC UA接口自集散控制***DCS中采集数据；
数据发送模块：将采集数据发送至数据接收模块；
数据处理模块：更新采集数据；
数据发布模块：通过OPC UA接口向生产执行***MES发送采集数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于OPC UA的数据采集装置，其特征在于该装置采用的ARM主机与DCS或MES采用的X86主机异构。
3.根据权利要求2所述的一种基于OPC UA的数据采集装置，其特征在于所述ARM主机上同时运行数据采集服务端程序OPC UA Server，以及数据采集客户端程序OPC UA Client。
4.根据权利要求1所述的一种基于OPC UA的数据采集装置，其特征在于该装置运行的Linux操作***与DCS或MES层运行的Windows操作***异构。
5.基于权利要求1所述的一种基于OPC UA的数据采集装置的数据采集方法，其特征在于，该方法的具体工作流程如下：
(1)运行OPC UA Server上的标签点接收模块；
(2)标签点处理模块获取待采集数据信息；
(3)OPC UA Server中的采集配置模块生成请求标签；
(4)OPC UA Client中的获取配置模块获取请求的标签点；
(5)数据采集模块通过OPC UA接口从DCS中采集数据；
(6)采集到的数据通过数据发送模块传递到OPC UA Server上的数据接收模块；
(7)数据处理模块更新数据；
(8)数据发布模块通过OPC UA接口向MES层发布数据；
(9)判断是否继续请求标签点，如果是，则转到步骤(3)；否则程序结束。
6.根据权利要求5所述的一种基于OPC UA的数据采集方法，其特征在于，步骤(2)中标签点处理模块获取待采集数据信息的流程为：
(2-1)接收报文；
(2-2)判断缓存中标签点个数是否小于允许单次采集的最大点数：是则进行步骤(2-3)，否则结束；
(2-3)判断报文中的标签点在当前缓存中是否存在：否则进行步骤(2-4)，是则技术；
(2-4)初始化请求的标签点；
(2-5)结束。
7.根据权利要求5所述的一种基于OPC UA的数据采集方法，其特征在于，步骤(3)中采集配置模块生成请求标签的流程为：
(3-1)开始；
(3-2)判断opcuasvrcfg.ini是否存在：是则进行步骤(3-3)，否则结束；
(3-3)读取OPC UA Server配置信息；
(3-4)判断是否读取成功：是则进行步骤(3-5)，否则结束；
(3-5)初始化OPC UA Server；
(3-6)判断是否初始化成功：是则进行步骤(3-7)，否则结束；
(3-7)启动报文传输线程；
(3-8)结束。
8.根据权利要求5所述的一种基于OPC UA的数据采集方法，其特征在于，步骤(7)中数据处理模块更新数据的流程为：
(7-1)接收到OPC UA报文；
(7-2)解析报文；
(7-3)判断数据是否已发生改变：是则更新数据，否则结束。
9.根据权利要求5所述的一种基于OPC UA的数据采集方法，其特征在于该装置通过OPCUA接口与DCS或MES完成数据访问DA、报警和事件访问AE，以及历史数据访问HDA。
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