CN112764944A - 一种基于opc ua协议的mom***自动化设备数据交互集成平台及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台及方法，涉及到工业智能制造技术领域。其解决了现有MOM***中存在的现场设备通信协议标准不一致、以及数据实时通信时易出现的消息堵塞问题。本发明所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台，上层为Kafka与MySQL集群，中层采用使用OPC UA Client来搭建架构，底层采用KepServerEX建立OPC UA服务器。所述KepServerEX与应用程序之间通过OPC协议实现数据交互。所述的平台通过KepServerEX和PLC设备进行通讯，而应用程序通过OPC协议连接KepServerEX。所述的OPC UA Client采用OPC UA Client Driver实现通过VPN或Internet连接同一网络上的两个OPC服务器，并在所述两个OPC服务器之间创建隧道。本发明具有统一架构，是一种开放的平台，可扩展性强，适用于工业智能制造领域。

Description

一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平 台及方法
技术领域
本发明涉及到工业智能制造技术领域。
背景技术
IEC/ISO 62264标准对制造运行管理的定义是：通过协调管理企业的人员、设备、物料和能源等资源，把原材料或零件转化为产品的活动。它包含管理那些由物理设备、人和信息***来执行的行为，并涵盖了管理有关调度、产能、产品定义、历史信息、生产装置信息，以及与相关的资源状况信息的活动。
MOM(Manufacturing Operation Management)制造运营管理***，是针对更广义的制造运管理划定边界，作为该领域的通用研究对象和内容，并构建通用活动模型应用于生产、维护、质量和库存4类主要运行区域、以及各类运行***的功能及各功能模块之间的相互关系。
MOM***中存在多种数据信息交互，其中按照MOM建设经典指导标准ISA-95模型，设备层现场与MOM应用***之间的数据交互是个重要环节，但同时也是现有商用MOM***开发实施中较难处理的问题，综合分析起来有以下原因：
1、工厂由于设计和建设期缺乏信息化建设的意识或者出于成本考虑，现场设备的通信方式多种多样，这导致了设备现场与应用***之间数据交互时接口通信协议标准不统一，该种情况，就需要逐个设备实现协议的统一，该种方式会带来巨大的工作量，并且，这种方式的实用性和扩展性都不理想。
2、MOM***中的设备层数量点位多，少则几千、多则几万甚至几十万点，累积数据量庞大，通常单体的关系数据库即使采用了分表分库的方案，也很难满足存储的增长需求。所述设备层是通过PLC(可编程逻辑控制器)实现与应用软件的对接功能。在工厂中采用一个或若干个PLC实现对现场自动化设备的控制。
3、设备层与应用程序数据交互要在可接受的成本范围内尽可能实时性高，但在大数据量数据实时通信时，由于数据通信请求过多经常造成通信消息的堵塞，造成现场效果卡顿甚至根本无法使用的情况。
4、现有技术中，能较好解决以上三个问题的商用方案和***价格昂贵，如霍尼韦尔、阿斯本、浙大中控等公司的实时数据库***软件，其价格和实施费用都在百万以上，这对中小企业来说一次性投入过大，成本过高。
发明内容
本发明解决了现有MOM***中存在的现场设备通信协议标准不一致、以及数据实时通信时易出现的消息堵塞问题。
本发明所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台，上层为Kafka与MySQL集群，中层采用使用OPC UA Client来搭建架构，底层采用KepServerEX建立OPC UA服务器。
上层的Kafka与MySQL集群用于实现数据采集、存储，并与中层的OPC UA Client之间形成数据交互；中层的OPC UA Client通过底层的KepServerEX与若干个PLC设备实现数据交互。
所述的OPC UA Client内部嵌入有OPC UA Client Driver模块，该模块该用于实现通过VPN或Internet连接同一网络上的两个OPC服务器，并在所述两个OPC服务器之间创建隧道。
所述Kafka与MySQL集群中，Kafka用于接收数据库以及所有应用程序的消息到相应的topic中，然后导入至MySQL数据库中；所述MySQL数据库存储的数据供MOM***直接读取。
本发明所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互方法为：MOM***通过Kafka与MySQL集群，与OPC UA Client实现数据交互；所述OPC UA Client通过KepServerEX与若干个PLC设备实现数据交互。
上述方法中，所述的OPC UA Client通过OPC UA Client Driver实现通过VPN或Internet连接同一网络上的两个OPC服务器，并在所述两个OPC服务器之间创建隧道。
Kafka用于接收数据库以及所有应用程序的消息到相应的topic中，然后导入至MySQL数据库中；所述MySQL数据库存储的数据供MOM***直接读取。
所述KepServerEX与应用程序之间通过OPC协议实现数据交互。
自动化设备数据交互集成平台实现了MOM***与自动化设备之间的数据交互，通过多年的生产制造执行***开发经验以及自动化设备制造及实施调试经验按照行业标准自行研究并开发，实现了针对不同车间规模的硬件设备进行集成管理，并使MOM***与自动化设备及时互联。
本发明所述的集成平台采用消息中间件Kafka、MySQL数据库、OPCUA客户端以及KepServerEX实现了MOM***与自动化设备之间的快速数据传输。
本发明的优点有：
1、统一架构：采用一套优化的、基于TCP的统一架构二进制协议进行数据交换；同时支持网络服务(WEB SERVICES)和HTTP。在防火墙中只需打开一个端口即可。集成化的安全机制可确保在互联网上的安全通信。
2、平台开放：OPC UA软件的开发不再依靠和局限于任何特定的操作平台。过去只局限于Windows平台的OPC技术拓展到了Linux、Unix、Mac等各种其它平台。
3、安全通讯：OPC UA支持会话加密、信息签名等安全技术，每个UA的客户端和服务器都要通过OpenSSL证书标识，具有用户身份验证，审计跟踪等安全功能。
4、可扩展性：OPC UA的多层架构提供了一个“面向未来”的框架。诸如新的传输协议、安全算法、编码标准或应用服务等创新技术和方法可以并入OPC UA，同时保持现有产品的兼容性。
5、成本低：采用本发明实现MOM***的通信问题，除KepServerEX需要付费外(约几千元)外，其他均为免费开源软件，与现有同类解决方案的百万以上的成本相比较，大大降低了实施成本，获得了预料不到的经济效益。
现有工业4.0的通信规范OPC UA协议的特点有：
OPC-UA统一架构(OPC Unified Architecture)是OPC基金会(OPC Foundation)创建的新技术，更加安全、可靠、中性(与供应商无关)，为制造现场到生产计划或企业资源计划(ERP)***传输原始数据和预处理信息。使用OPC UA技术，所有需要的信息可随时随地到达每个授权应用和每个授权人员。
附图说明
图1是本发明所述的集成平台的框架结构示意图。
图2是OPC UA Server与OPC UA Client的数据交互示意图。
图3是OPC UA Client与Kafka、MySQL的数据交互示意图。
实施方式
实施方式中体及很多技术名词，现集中解释如下：
OPC：(OLE for Process Control)，是指为了给工业控制***应用程序之间的通信建立一个接口标准，在工业控制设备与控制软件之间建立统一的数据存取规范。
OPC-UA：OPC统一构架。
DCOM(分布式组件对象模型,分布式组件对象模式)是一系列微软的概念和程序接口。
OPC UA Client Driver，是一种现有的OPC UA Client的驱动程序，实现从OPCServer端数据读取的功能。OPC UA Client，表示OPC UA客户端。
Kafka是最初由Linkedin公司开发，是一个分布式、分区的、多副本的、多订阅者，基于zookeeper协调的分布式日志***，也可以当做消息队列(MQ)使用。
MySQL，关系型数据库管理***。
OpenSSL，计算机网络领域中，一个开放源代码的软件库包，应用程序可以使用这个包来进行安全通信，避免窃听，同时确认另一端连接者的身份。
HMI，是人机交互界面。
KepServerEX，是一款OPC服务器软件，实现了OPC标准接口。
实施方式一、参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台，其上层为Kafka与MySQL集群，中层采用使用OPC UAClient来搭建架构，底层采用KepServerEX建立OPC UA服务器。
本实施方式中，上层的Kafka与MySQL集群用于实现数据采集、存储，并与中层的OPC UA Client之间形成数据交互；
本实施方式中，中层的OPC UA Client通过底层的KepServerEX与若干个PLC设备实现数据交互。
所述KepServerEX与应用程序之间通过OPC协议实现数据交互。
本实施方式所述的平台通过KepServerEX和PLC设备进行通讯，而应用程序通过OPC协议连接KepServerEX，其使用TCP/IP通讯协议与PLC设备进行通信，它本身集成了很多协议。
在自动化行业，现有的DCOM限制了传统OPC通信，DCOM需要多个端口，如鉴权、传输数据和一系列服务建立一个连接。所以，在防火墙中不得不打开很多端口，才能让DCOM通信穿过他。在防火墙上每打开一个端口都是一个安全隐患，为黑客攻击提供一种潜在可能。
本实施方式中，所述的OPC UA Client内部嵌入有OPC UA Client Driver模块，该模块该用于实现通过VPN或Internet连接同一网络上的两个OPC服务器，并在所述两个OPC服务器之间创建隧道。
本实施方式所述的平台使用OPC UA客户端来搭建架构中层，对于大多数用户应用程序，UA标准最相关的组件如下：通过客户端和服务器端点的可信证书进行安全连接；健壮的项目订阅模型，提供客户端和服务器之间的高效数据更新。
本实施方式中，采用OPC UA Client Driver作为服务器之间的隧道解决方案，该方案解决了传统OPC产品中DCOM限制的问题。
OPC UA Client Driver作为服务器之间的隧道解决方案，通过VPN或Internet连接同一网络上的两个OPC服务器。它支持OPC统一架构(UA)规范，一种基于OPC数据访问扩展而来的技术。OPC UA提供了无需DCOM配置的即插即用功能，并提供了OPC服务器之间的安全可靠的连接。
采用OPC UA Client Driver实现在两个OPC服务器间创建隧道的具体原理参见图2所示，假设要在OPC服务器A和OPC服务器B之间创建隧道，用户可在OPC服务器B上创建OPCUA Client Driver信道，并配置该信道为连接到运行在OPC服务器A的OPC UA服务器接口上。一旦“数据客户端”连接到OPC服务器B，则两个OPC服务器之间即存在隧道。尽管数据客户端可能无法独立从OPC服务器A接收数据，但它可在驱动程序帮助下接收数据。
所述Kafka与MySQL集群中，Kafka用于接收数据库以及所有应用程序的消息到相应的topic中，然后导入至MySQL数据库中；所述MySQL数据库存储的数据供MOM***直接读取。
本实施方式所述的集成平台，在上层使用Kafka与MySQL集群。Kafka具有高吞吐量、低延迟的特点：kafka每秒可以处理几十万条消息，它的延迟最低只有几毫秒，kafka是一种高吞吐量的分布式发布订阅消息***，简而言之它是一个可靠的消息中间件，解决了原有方式存在的大量数据交互过程中的数据堵塞问题。它可以接收整个数据库或收集来自所有的应用程序的消息到kafka的topic(会话主题)中，通过将从OPC UA客户端获取到的数据由Kafka进行处理，再传入MySQL数据库中，参见图3所示，实现了OPC UA Client与Kafka、MySQL集群之间的数据交互。
所述的Kafka与MySQL集群最后再对接到MOM***中，总体过程是双向的,也就是说数据既能从MOM***经过MySQL集群、Kafka处理之后到OPC UA客户端再到KepServerEX，最后传输至各个PLC设备中，该过程能够不出现MOM***将设备的工艺文件从MOM***下发到相应的PLC设备之中，从而减少人为的误操作。反之，PLC设备上的数据能够及时的通过KepServerEX、OPC UA Client和MySQL集群长传给MOM***，从而达到设备管理功能的数据的准确性以及有效性，能够大幅减少人工成本以及避免人为造成的失误，有效降低了成本、并提高了集成平台的智能化，是实现智能工厂的重要一环。
基于本实施方式所述的集成平台，至少能够实现了如下几点功能。
1.集成平台实时获取自动化设备上的静态、动态变量以及日志信息。
2.集成平台也可以通过自动化设备上的hmi软件进行互联获取自动化设备上的静态、动态变量以及日志信息。
3.集成平台可以下发指令控制自动化设备执行工作任务，如下发工艺配方至自动化设备中。
4.操作员可直接操作自动化设备，集成平台可以收集到操作员进行操作时触发的动作指令及产生的数据信息。
5.心跳功能，当网络断连时，集成平台与自动化设备的连接会断开，当网络恢复时，集成平台自动与自动化设备建立连接。
6.根据自动化设备的不同，协议标准随时更改，方便灵活。
7.集成平台可以取消调自动化设备上的任何操作。
8.自动化设备也可以拒绝集成平台下发的指令。
实施方式二、本实施方式是与实施方式一所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台对应的数据交互方法，所述方法为：MOM***通过Kafka与MySQL集群，与OPC UA Client实现数据交互；所述OPC UA Client通过KepServerEX与若干个PLC设备实现数据交互。
所述方法中，所述的OPC UA Client通过OPC UA Client Driver实现通过VPN或Internet连接同一网络上的两个OPC服务器，并在所述两个OPC服务器之间创建隧道。
所述Kafka用于接收数据库以及所有应用程序的消息到相应的topic中，然后导入至MySQL数据库中；所述MySQL数据库存储的数据供MOM***直接读取。
所述KepServerEX与应用程序之间通过OPC协议实现数据交互。

Claims (9)

1.一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台，其特征在于，所述平台中，上层为Kafka与MySQL集群，中层采用使用OPC UA Client来搭建架构，底层采用KepServerEX建立OPC UA服务器。
2.根据权利要求1所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台，其特征在于，上层的Kafka与MySQL集群用于实现数据采集、存储，并与中层的OPC UAClient之间形成数据交互；
中层的OPC UA Client通过底层的KepServerEX与若干个PLC设备实现数据交互。
3.根据权利要求1所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台，其特征在于，所述的OPC UA Client内部嵌入有OPC UA Client Driver模块，该模块该用于实现通过VPN或Internet连接同一网络上的两个OPC服务器，并在所述两个OPC服务器之间创建隧道。
4.根据权利要求1所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台，其特征在于，所述Kafka与MySQL集群中，Kafka用于接收数据库以及所有应用程序的消息到相应的topic中，然后导入至MySQL数据库中；所述MySQL数据库存储的数据供MOM***直接读取。
5.根据权利要求1所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互集成平台，其特征在于，所述KepServerEX与应用程序之间通过OPC协议实现数据交互。
6.一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互方法，其特征在于，所述方法为：
MOM***通过Kafka与MySQL集群，与OPC UA Client实现数据交互；
所述OPC UA Client通过KepServerEX与若干个PLC设备实现数据交互。
7.根据权利要求书6所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互方法，其特征在于，所述方法中，所述的OPC UA Client通过OPC UA Client Driver实现通过VPN或Internet连接同一网络上的两个OPC服务器，并在所述两个OPC服务器之间创建隧道。
8.根据权利要求书6所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互方法，其特征在于，Kafka用于接收数据库以及所有应用程序的消息到相应的topic中，然后导入至MySQL数据库中；所述MySQL数据库存储的数据供MOM***直接读取。
9.根据权利要求书6所述的一种基于OPC UA协议的MOM***自动化设备数据交互方法，其特征在于，所述KepServerEX与应用程序之间通过OPC协议实现数据交互。
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