CN107357272A - 一种基于opc‑ua的dcs移动远程监控***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OPC‑UA的DCS移动远程监控***及方法，***包括上位机、服务器和DCS控制***，所述的上位机为Android平台上基于OPC UA规范开发的移动组态软件，所述服务器为基于OPC UA规范开发的OPC服务器；上位机与服务器通过工厂的WIFI局域网无线连接，通过OPC UA协议通讯；服务器与DCS控制***通过有线连接，根据驱动程序通讯。本发明可以让监控人员随时随地查看现场数据，低成本、安全可靠的升级传统DCS监控***，完成高性能的移动远程监控，改变了传统的工业监控模式。

Description

一种基于OPC-UA的DCS移动远程监控***及方法

技术领域

本发明涉及工业监控技术领域，具体涉及一种基于OPC-UA的DCS移动远程监控***。

背景技术

集散控制***(Distributed Control System，DCS)，对工业现场装置进行集中控制、监测、记录和报警等操作，过去为了实现不同生产装置的DCS和数据采集之间的数据通信，需要花费很多时间开发专用的通信接口程序，而OPC标准的出现解决了这一难题。在监控过程中传统的监控软件主要存在以下问题：1、传统的DCS监控软件一般运行于PC机端，现场监控人员需要固定在监控室中进行查看操作，没有办法解放人力。此外，一般工业现场设备维护和调试一般需要用对讲机实现相关工作人员的通讯，这增加了维护和调试的不便。2、由于传统OPC通信接口基于微软的COM和DCOM技术，在远程访问时传统OPC存在以下几点问题，第一点为难以配置并且有很长的不可配置的超时时间；第二点是由于只有在Windows操作***中的OPC客户端才可以与OPC服务器进行信息通信，平***立性差。

OPC-UA的诞生是希望为所有现有的基于COM的规范，建立一个没有损失任何功能和性能的真正替代品，并且能够描述复杂***的建模能力以及平***立的***接口。目前移动设备的不断升级，硬件配置和网络传输速度的提高，移动监控软件的发展不断加快解决以上问题的难度大大降低，市场急需一种便捷、低成本、安全可靠的移动远程监控***。

发明内容

本发明目的是提供一种维护方便、灵活性强、监控性能优良、安全可靠的基于OPC-UA的DCS移动远程监控***及方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括上位机、服务器、DCS控制***三部分，所述上位机为Android平台上基于OPC-UA规范开发的移动组态软件，所述服务器为基于OPC-UA规范开发的OPC服务器；上位机与服务器通过OPC-UA协议通讯，所述DCS控制***为现场工业控制***，服务器与DCS控制***进行有线连接。

进一步的，所述的上位机包括查找服务器模块、连接服务器模块、浏览地址空间模块、订阅模块、数据显示模块、绘制实时动态曲线模块；所述服务器包括连接验证模块、地址空间模块、监视项模块、数据采集模块；上位机与服务器通过WIFI局域网无线连接，服务器与DCS控制***通过有线连接。

本发明所述的一种移动远程监控方法，包括以下步骤：

步骤1，查找连接服务器，查找服务器模块通过WIFI查找有效的服务器，连接服务器模块选择要连接的服务器，配置网络连接需要的信息，发送连接请求，在服务器验证；

步骤2，浏览地址空间，通过上位机中浏览地址空间模块向服务器传递一个入口节点，然后返回一个节点列表，如果没有所需节点则需要递归浏览；

步骤3，订阅监视项，服务器中监视项模块根据选定节点，设置监视项所需属性创建监视项，上位机中订阅模块设置订阅相关属性创建订阅，然后将监视项添加到订阅中当监视项数据改变时，通过订阅推送到上位机中；

步骤4，显示数据，绘制实时动态曲线，上位机中数据显示模块根据工业现场绘制工业流程图，提供相应的交互事件，把数据更新实时反应到显示界面，点击需要设备，弹出曲线显示窗口，展示数据变化趋势。

进一步的，步骤1中，所述的查找服务器为上位机中查找服务器输入一个已注册的服务器路径，查找当前路径下包含的服务器列表，将部分信息显示到界面供用户选择；

所述的连接验证服务器包括以下步骤：

步骤1-1，上位机选择要连接的服务器，配置访问方式，发送连接请求给服务器的连接验证模块；

步骤1-2，服务器的连接验证模块根据上位机的访问方式进行验证，如果验证通过则连接成功；否则连接失败，从新建立连接。

进一步的，步骤2中，所述的节点是组成地址空间的重要概念，由基节点派生而来，用来描述现场的物理设备，节点和节点之间的引用构成OPC-UA的地址空间；

所述地址空间是一个抽象的概念，在OPC-UA中将底层控制设备抽象成地址空间中的节点，集成地址空间就是将工业现场中的底层设备映射到节点集合中；

所述的浏览地址空间包括以下步骤：

步骤2-1，浏览地址空间模块浏览当前连接的服务器的地址空间模块；

步骤2-2，浏览地址空间模块选择入口节点在服务器地址空间模块中浏览，为当前节点返回一个连接的节点的列表，构建一个树形层次结构；

步骤2-3，浏览地址空间模块从构建的树形层次的根节点进入，依次递归浏览，获取服务器中的各节点信息，根据实际需求进行操作。

进一步的，步骤3中，所述订阅监视项是在服务器和客户端之间交换信息的一种方式，通过这种方式实现周期性地更新数据；

所述订阅监视项包括以下步骤：

步骤3-1，订阅模块按照所述浏览地址空间获取的节点信息创建监视项，并设置监视项的属性，包括监视模式，采样间隔等；

步骤3-2，订阅模块创建一个订阅，并定义订阅的初始设置，包括订阅的发布间隔、使用期限、每个通知消息的最大通知数等；

步骤3-3，订阅模块将上面创建的监视项添加到订阅，当监视项监测到数据改变的时候由订阅部分推送到上位机；

步骤3-4，订阅模块可编辑或删除某个或多个监视项。

进一步的，步骤4中，所述的显示数据，绘制实时动态曲线包括以下步骤：

步骤4-1，上位机中数据显示模块绘制DCS控制对象的工业流程图，提供工业流程图中某些地方必要的交互点击事件；

步骤4-2，数据显示模块接收到订阅模块推送的数据，转化成上位机所需要的数据格式，按照界面要求显示到上位机上；

步骤4-3，监控人员与上位机进行交互，需要点击数据显示模块提供的某个设备的点击事件，调出实时动态曲线显示模块；

步骤4-4，实时动态曲线显示模块首先绘制出以数据变化时间为横坐标，数据的数值为纵坐标的平面直角坐标系，将数据显示模块中转换后的数值画到平面直角坐标系中，形成一条显示数据变化趋势的曲线。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：利用OPC-UA技术、上位机开发出便捷，无性能损失的监控软件；兼容传统的工业现场，无缝升级移动远程监控，最大限度的降低成本；将平台放在移动终端领域，符合计算移动化的趋势，该***也非常适用其他工业领域，具有非常好的开发和应用前景。

附图说明

图1为本发明的***结构图。

图2为本发明的***流程图。

图3为本发明中浏览地址空间的流程图。

图4为本发明中订阅监视项的流程图。

附图标号：1-上位机、2-服务器、11-查找服务器模块、12-连接服务器模块、13-浏览地址空间模块、14-订阅模块、15-数据显示模块、16-实时动态曲线模块、21-连接验证模块、22-地址空间模块、23-监视项模块、24-数据采集模块、3-DCS控制***。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明***包括：上位机1、服务器2，上位机1为Android平台的移动终端，如手机，平板等。服务器2是提供现场数据、集成地址空间以及订阅监视项的服务器。

上位机1包括查找服务器模块11、连接服务器模块12、浏览地址空间模块13、订阅模块14、数据显示模块15、实时动态曲线模块16；查找服务器模块11为在工厂局域网下，通过WIFI查找服务器模块；连接服务器模块12根据服务器端配置信息进行连接验证；浏览地址空间模块13用于浏览服务器2中的地址空间，寻找关键节点；订阅模块14监视添加的监视项，启用推送；数据显示模块15将订阅模块14推送过来的数据转换成上位机接受的格式进行展示，并且根据推送数据的变化实时更新；实时动态曲线模块用于查看特定监视项的数据变化趋势。

服务器2包括连接验证模块21、地址空间模块22、监视项模块23、数据采集模块24，连接验证模块21和连接服务器模块12配合，查看配置信息是否吻合，验证是否可以建立安全连接；地址空间模块22将底层设备抽象成节点，将工业现场中的真实设备映射到地址空间；监视项模块23和订阅模块14配合，根据关键节点和一些监视属性生成的监视项并添加到订阅，当被监测数据发生变化时，向上位机推送；数据采集模块24获取工业现场中DCS控制***采集的数据。

如图2所示，一种移动远程监控***，包括以下步骤：

第一步查找服务器，上位机1和服务器2都处在工厂的局域网下，上位机1通过WIFI与服务器2进行通信，获得上位机和服务器创建安全通道和会话所需要的信息，包括安全设置等，OPC-UA规范中定义了查找规范，上位机1的查找服务器模块12需要输入一个已注册的服务器路径。通过此路径遍历当前网络中存在的服务器并返回一个服务器列表供上位机用户选择。

第二步与连接验证服务器，根据服务器端设置的不同安全策略，上位机1连接服务器模块12配置相关信息请求连接，具体步骤如下：

(1)上位机1的连接服务器模块12先确定与服务器2建立连接的不同配置选项。

(2)上位机1的连接服务器模块12向服务器2的连接验证模块21发送一个打开安全通道的请求，该请求可以选择是否通过安全模式加密，如图1中显示是否进行安全连接；双方验证通过后就会建立用于客户端与服务器即上位机1和服务器2交换特殊私密信息的安全通道。安全通道会有一个生命周期，失效后需重新建立。

(3)上位机1与服务器2在安全通道上创建会话。

(4)第(3)步骤的会话使用前需要通过上位机1发送激活会话请求到服务器2来激活会话。当所有的验证都成功后，上位机1和服务器2的连接就建立了，服务器2中的过程数据就可以被上位机1访问到了。

第三步浏览地址空间，服务器2中地址空间的组织结构类似于微软***中的文件***一样，节点以这种层次的结构组织在一起，每一个节点代表一个数据实体，大量的节点相互联系组成一个网状的结构。传统OPC规范中，地址空间是相互独立的，例如有存储数据的OPC-DA地址空间，处理报警事件的OPC-A&E地址空间，客户端浏览比较繁琐，服务器2中的地址空间模块22将独立的地址空间集成到唯一的地址空间中。上位机1浏览地址空间模块13向服务器2的地址空间模块22传递一个入口节点，然后地址空间模块22返回一个连接的节点的列表，如图3所示，其具体步骤如下：

(1)集成地址空间，服务器2中的地址空间模块22把工业现场中的真实设备映射到节点的集合。地址空间模块22将工业现场的底层设备抽象成一个节点，在地址空间模块22中，节点之间通过引用的方式联系在一起，相互联系，组成一个网状的结构。

(2)开始浏览，上位机1中的浏览地址模块13使用浏览服务浏览服务器2中的地址空间模块22，浏览服务需要接受一个初始节点，然后向浏览地址空间模块13返回一个节点的列表，构建树形层次，如果没有需要的节点，则继续重复此步骤。

(3)选定需要节点，上位机1中的浏览地址空间模块13根据上一步的浏览操作获得服务器2中地址空间模块中的各节点信息，然后根据实际需求，选择用户所需的节点进行后续操作。

第四步，订阅监视项，上位机1与服务器2进行实时信息交换需要使用订阅服务，订阅和监视项一起完成推送功能，监视项在服务器2中的监视项模块23中创建，订阅由订阅模块14在服务器2创建，创建监视项需要使用第三步浏览地址空间中浏览的需要的节点作为地址空间中被监视的节点，监视项模块23创建监视项后添加到订阅中。订阅模块14可以同时添加多个监视项、修改或者删除某个监视项，当监视项监测的数据发生变化时，会通过订阅服务传送到上位机1中，如图4所示，具体步骤如下：

(1)创建监视项，服务器2中的监视项模块23首先判断该监视项是否已经存在，如果存在则直接进入下一步，添加到订阅；如果不存在，则根据上位机1中的浏览地址空间模块13找到需要的节点，并且设置监视项的必要配置信息，包括监视模式、采样间隔等创建所需要的监视项。

(2)创建订阅，上位机1中的订阅模块14创建一个订阅，并定义订阅的初始设置，包括订阅的发布间隔、使用期限、每个通知消息的最大通知数等，订阅模块14同样可以删除订阅列表。

(3)添加到订阅，订阅模块14创建订阅以及监视项模块23创建监视项之后将监视项添加到订阅，来监视地址空间模块22中的节点；订阅模块14可以添加多个监视项，修改某个或者多个监视项的配置参数，包括采样时间间隔等，还可以删除某个或者多个监视项。

(4)发送消息，当监视项模块23中监测的数据发生改变或者发生报警事件的时候，会产生一条通知，传送到上位机1中，采样的时间间隔根据创建监视项时的设置的时间操作，推送的时间间隔也会根据订阅中的发布订阅时间发布。

第五步，显示数据、绘制实时动态曲线，上位机1中的数据显示模块15根据DCS控制***的控制对象在上位机1中绘制所需要的工业流程图，并且负责将订阅模块14接收到的数据转换成上位机1需要的格式，把数据更新反应到工业流程图中对应的具体设备上，方便现场监控人员调试与维护。数据显示模块15提供与用户交互的点击事件，现场监控人员可以在数据显示模块15选择所关心的设备点击弹出动态曲线显示窗口，动态曲线窗口由实时动态曲线模块16绘制。实时动态曲线模块16在上位机1中画出平面直角坐标系窗口，根据订阅模块14的发布时间为横坐标，纵坐标为接受的数值，在平面直角坐标系中画出数据的实时变化趋势。具体步骤如下：

(1)上位机1中数据显示模块15绘制DCS控制对象的工业流程图，还需要提供工业流程图中某些地方必要的点击事件，方便用户交互，例如要查看某个设备的动态曲线、查看设备介绍等；工业流程图要把工业现场的设备流程按照相关要求，包括设备种类，物料走向等显示到上位机1中，绘制过程中要区分静态的设备、管线部分和动态的数值变化更新部分。

(2)数据显示模块15将接收到的监视项数据经过相应处理，包括类型转换等操作变换成上位机需要的数据，然后显示到(1)步骤中的数据显示模块15绘制的界面上，如果持续变化的数据则重复步骤(2)的数据变换，进行数据更新进而更新界面。

(3)监控人员与上位机进行交互，需要点击第(1)步骤中的数据显示模块15提供的某个设备的点击事件，调出实时动态曲线显示模块16。

实时动态曲线显示模块16首先绘制出以数据变化时间为横坐标，数据的数值为纵坐标的平面直角坐标系，将数据显示模块15中转换后的数值画到平面直角坐标系中，形成一条显示数据变化趋势的曲线。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于OPC-UA的DCS移动远程监控***，主要包括上位机、服务器、DCS控制***三部分，其特征在于：所述上位机为Android平台上基于OPC-UA规范开发的移动组态软件，所述服务器为基于OPC-UA规范开发的OPC服务器；上位机与服务器通过OPC-UA协议通讯，所述DCS控制***为现场工业控制***，服务器与DCS控制***进行有线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于OPC-UA的DCS移动远程监控***，其特征在于：所述的上位机包括查找服务器模块、连接服务器模块、浏览地址空间模块、订阅模块、数据显示模块、绘制实时动态曲线模块；所述服务器包括连接验证模块、地址空间模块、监视项模块、数据采集模块；上位机与服务器通过WIFI局域网无线连接，服务器与DCS控制***通过有线连接。

3.一种基于根据权利要求1的移动远程监控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，查找连接服务器，查找服务器模块通过WIFI查找有效的服务器，连接服务器模块选择要连接的服务器，配置网络连接需要的信息，发送连接请求，在服务器验证；

步骤2，浏览地址空间，通过上位机中浏览地址空间模块向服务器传递一个入口节点，然后返回一个节点列表，如果没有所需节点则需要递归浏览；

步骤3，订阅监视项，服务器中监视项模块根据选定节点，设置监视项所需属性创建监视项，上位机中订阅模块设置订阅相关属性创建订阅，然后将监视项添加到订阅中当监视项数据改变时，通过订阅推送到上位机中；

步骤4，显示数据，绘制实时动态曲线，上位机中数据显示模块根据工业现场绘制工业流程图，提供相应的交互事件，把数据更新实时反应到显示界面，点击需要设备，弹出曲线显示窗口，展示数据变化趋势。

4.根据权利要求3所述的一种移动远程监控方法，其特征在于：步骤1中，所述的查找服务器为上位机中查找服务器输入一个已注册的服务器路径，查找当前路径下包含的服务器列表，将部分信息显示到界面供用户选择；

所述的连接验证服务器包括以下步骤：

步骤1-1，上位机选择要连接的服务器，配置访问方式，发送连接请求给服务器的连接验证模块；

步骤1-2，服务器的连接验证模块根据上位机的访问方式进行验证，如果验证通过则连接成功；否则连接失败，从新建立连接。

5.根据权利要求3所述的一种移动远程监控方法，其特征在于：步骤2中，所述的节点是组成地址空间的重要概念，由基节点派生而来，用来描述现场的物理设备，节点和节点之间的引用构成OPC-UA的地址空间；

所述地址空间是一个抽象的概念，在OPC-UA中将底层控制设备抽象成地址空间中的节点，集成地址空间就是将工业现场中的底层设备映射到节点集合中；

所述的浏览地址空间包括以下步骤：

步骤2-1，浏览地址空间模块浏览当前连接的服务器的地址空间模块；

步骤2-2，浏览地址空间模块选择入口节点在服务器地址空间模块中浏览，为当前节点返回一个连接的节点的列表，构建一个树形层次结构；

步骤2-3，浏览地址空间模块从构建的树形层次的根节点进入，依次递归浏览，获取服务器中的各节点信息，根据实际需求进行操作。

6.根据权利要求3所述的一种移动远程监控方法，其特征在于：步骤3中，所述订阅监视项是在服务器和客户端之间交换信息的一种方式，通过这种方式实现周期性地更新数据；

所述订阅监视项包括以下步骤：

步骤3-1，订阅模块按照所述浏览地址空间获取的节点信息创建监视项，并设置监视项的属性，包括监视模式，采样间隔等；

步骤3-2，订阅模块创建一个订阅，并定义订阅的初始设置，包括订阅的发布间隔、使用期限、每个通知消息的最大通知数等；

步骤3-3，订阅模块将上面创建的监视项添加到订阅，当监视项监测到数据改变的时候由订阅部分推送到上位机；

步骤3-4，订阅模块可编辑或删除某个或多个监视项。

7.根据权利要求3所述的一种移动远程监控方法，其特征在于：步骤4中，所述的显示数据，绘制实时动态曲线包括以下步骤：

步骤4-1，上位机中数据显示模块绘制DCS控制对象的工业流程图，提供工业流程图中某些地方必要的交互点击事件；

步骤4-2，数据显示模块接收到订阅模块推送的数据，转化成上位机所需要的数据格式，按照界面要求显示到上位机上；

步骤4-3，监控人员与上位机进行交互，需要点击数据显示模块提供的某个设备的点击事件，调出实时动态曲线显示模块；

步骤4-4，实时动态曲线显示模块首先绘制出以数据变化时间为横坐标，数据的数值为纵坐标的平面直角坐标系，将数据显示模块中转换后的数值画到平面直角坐标系中，形成一条显示数据变化趋势的曲线。