CN114385541A - 一种面向智能制造的opc ua聚合服务器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向智能制造的OPC UA聚合服务器及其设计方法，所述聚合服务器由OPC UA主服务器与内嵌OPC UA客户端两大部分构成，所述OPC UA主服务器，是将上层客户端请求进行识别后分发给内嵌OPC UA客户端处理，并进行异步通信响应；内嵌OPC UA客户端，是负责请求节点类型进行识别，并与下层设备服务器建立连接进行同步或者异步方式通信。本发明聚合服务器可以在任意平台上进行部署，通过采用同步与异步混合式通信方式，实现服务器对上层与下层的高效通信，减少硬件资源开销消耗。本发明通过加入设备对应的状态机转换处理环节，完成***间、设备间及设备与***间异构***间自动化控制信息交互，提高了智能制造***互联互通程度。
Description
技术领域
本发明涉及工业通信技术领域，具体涉及一种面向智能制造的OPC UA聚合服务器及其设计方法。
背景技术
工业自动化的核心关键就是有效的信息交互，尤其是对于工业生产中整个制造流程环节。
目前，应用在自动化生产线中的大多数装备已经能够通过各种工业通信规范与信息控制***建立起通信，如PROFIBUS、Modbus等。
随着工业化不断发展，制造装备得以更新换代以满足更高工业生产的需求，然而在制造***中不同装备厂家所采用的各式各样的通信协议加剧了设备间通信的困难。
OPC UA技术作为被确立为工业4.0标准通信，能够解决了设备的异构***之间数据交换的问题。智能制造标准体系当中互联互通实现，不仅仅是针对装备间的连接交互，更加扩展到装备与MES、ERP等***间、***之间的信息交互。
然而，推进智能制造过程中，必须要解决多源数据管理的问题，单个设备OPC UA服务器已经远远不能满足庞大生产线中繁多装备自动化通信控制与运行数据监视的管理。
对于自动化生产线装备在运行过程需要时间等待才能返回状态数据的情况，OPCUA服务器一旦存在同步等待该设备响应，导致***“假死”，最终造成极大降低了智能制造***对自动化生产线中所有装备的监控能力。
此外，当前OPC UA服务器设计侧重在以数据信息采集实现为主模式，忽略了制造生产线中装备实际运行中与***交互的自动化控制要素，缺少装备在对于自动化过程中具体状态的监控。
如何解决制造***过程多源异构数据高效交互管理及提高制造过程数据通信的性能是推动落实智能制造***互联互通的亟待解决关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种面向智能制造的OPC UA聚合服务器及其设计方法，以解决多源异构数据的高效交互管理，提高智能制造***对生产线中设备过程管理能力，同时提高制造过程中数据通信性能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种面向智能制造的OPC UA聚合服务器，包括：OPC UA主服务器组件与内嵌OPCUA客户端组件；
所述OPC UA主服务器组件包括：地址空间聚合映射模块、异步监听与响应模块、识别与请求分配模块；
所述内嵌OPC UA客户端组件包括：请求与响应模块、节点数据处理模块、状态转换处理模块；
所述地址空间聚合映射模块，用于将每个潜在OPC UA服务器的地址空间中的构建好的信息模型，进行聚合并统一放入到聚合服务器的地址空间中；
所述异步监听与响应模块，为聚合服务器实现对通用OPC UA客户端服务的功能；
所述识别与请求分配模块，用于对通用客户端提供的请求进行识别解析，通过对解析后节点ID信息与具体要访问OPC UA服务器匹配，将该请求分配给下层OPC UA服务器对应的客户端；
所述请求与响应模块，用于对分配好的下层设备OPC UA服务器建立连接，负责进行请求与响应的通信；
所述节点数据处理模块，用于对下层设备OPC UA服务器响应的数据进行处理，并对节点类型进行分流，对请求与响应模块中内嵌OPC UA客户端与下层设备OPC UA服务器的异步或者同步通信方式进行决策；
所述状态转换处理模块，用于对设备状态机的表达及转换操作，通过对具体请求/响应语义识别，对单个或多个设备自动化运行进行操作及状态机转换。
所述信息模型的类型包括对象、变量或者方法。
所述异步监听与响应模块，为聚合服务器实现对通用OPC UA客户端服务的功能，具体包括：
步骤A1：负责进行实时监视对***通用OPC UA客户端的请求；
步骤A2：生成等待线程进行实时接收需要进行响应数据；
步骤A3：并将该请求传递给识别与请求分配模块进行请求识别；
步骤A4：根据内嵌OPC UA客户端返回的对下层设备响应的处理信息，将请求按照队列先后顺序进行异步响应。
所述识别与请求分配模块，用于对通用客户端提供的请求进行识别解析，具体是指：
对于通用客户端请求识别节点ID信息是按照节点类型进行划分，主要包含：
步骤B1：对于对象、变量类型节点，包含识别节点命名空间地址和ID号；
步骤B2：对于方法类型节点，包含有识别请求中的命名空间地址、ID号、输入数据数量以及输入数据内容。
所述请求与响应模块，对分配好的下层设备OPC UA服务器建立连接，负责进行请求与响应的通信，具体包含：
步骤C1：对于请求操作，负责与下层设备OPC UA服务器建立连接，并发出请求访问的操作；
步骤C2：对于响应操作，接收来自下层设备OPC UA服务器返回的数据；
步骤C3：按照节点类型不同进行请求与响应操作，若节点类型为方法类型，则通信方式采用异步方法，若节点类型为变量类型，均采用同步通信方式；
步骤C4：只有在同步通信方式下，才将根据节点数据处理模块处理后数据变更到聚合服务器地址空间的节点当中，然后由异步监听与响应模块对上层***中通用OPC UA客户端的进行响应操作。
一种面向智能制造的OPC UA聚合服务器的设计方法，包括如下步骤：
地址空间聚合映射步骤；地址空间聚合映射模块，对下层设备OPC UA服务器所包含地址空间的节点信息进行聚合，所有聚合的节点按照OPC UA规范包含节点ID、浏览名，参与聚合的节点ID为唯一，采用XML格式对信息模型创建，聚合方法是利用OPC UA节点编译器，将多个包含信息模型的XML文件进行编译，并转换为API函数放到程序中，在编译服务器程序时进行初始化聚合服务器；
异步监听与响应步骤；异步监听与响应模块，为聚合服务器实现对通用OPC UA客户端服务的功能，具体流程如下：
步骤D1：首先启动服务器后，进行独立于服务器的实时监视对***通用OPC UA客户端的请求；
步骤D2：创建等待线程进行实时接收需要进行响应数据；
步骤D3：收到请求后，并将该请求传递给识别与请求分配模块进行请求识别；
步骤D4：接受内嵌OPC UA客户端中请求与响应模块与状态转换模块返回处理的信息，并将按照队列先后顺序进行异步响应；
识别与请求分配步骤；识别与请求分配模块，对异步监听与响应模块传递节点ID信息进行识别解析，并根据***中已编排好的节点与服务器配对表进行比对，完成该请求与具体要访问下层设备OPC UA服务器匹配，最后将上层请求任务分配给该服务器对应的客户端；
对于通用客户端请求识别节点ID信息是按照节点类型进行划分，主要包含：
(1)对于对象、变量类型节点，包含识别节点命名空间地址和ID号；
(2)对于方法类型节点，包含有识别请求中的命名空间地址、ID号、输入数据数量以及输入数据内容；
请求与响应步骤；请求与响应模块，首先接收到识别分配后的服务器地址，构建聚合服务器的内嵌OPC UA客户端，建立起与下层设备OPC UA服务器连接，将上层的请求传递给下层服务器，并等待接收后续响应信息；
若节点类型为方法类型，则建立连接的通信方式采用异步方式，若节点类型为变量类型，节点均采用同步通信方式；
在同步通信方式下，更新绑定的节点数据源过程中，聚合服务器采用Socket通信与下层服务器进行信息采集，完成将节点最新数据变更到聚合服务器地址空间的节点当中，然后由异步监听与响应模块对上层***中通用OPC UA客户端的进行响应操作；
节点数据处理步骤；节点数据处理模块对接受到下层设备OPC UA服务器响应的数据进行按照节点类型分流处理，具体如下：
步骤E1：若识别节点类型属于方法类型，则立即将请求节点交给状态转换处理模块进行下一步处理，根据返回结果与下层设备OPC UA服务器进行同步通信；
步骤E2：若识别节点类型不属于方法类型，则立即将请求节点交回请求与响应模块进行处理，设定请求与响应模块中客户端与下层服务器进行同步通信方式；
状态转换处理步骤；状态转换处理模块对设备状态机的表达及转换，通过对具体请求/响应语义识别，对单个或多个设备自动化运行进行操作及状态机转换，具体如下：
步骤F1：通知请求与响应模块将方法类型节点所包含信息传递给自动化生产线中设备；
步骤F2：建立实时响应的等待线程，采用异步通信方式等待下层设备OPC UA服务器的响应；
步骤F3：根据设备OPC UA服务器的返回数据进行识别，对设备状态机进行切换，根据返回数据与原始请求进行匹配，判断自动化流程是否到位，若没有完成进行步骤1，若已经完成自动化流程，进行下一步骤；
步骤F4：根据设备OPC UA服务器的返回数据对设备状态机进行切换，将该状态信息表达绑定到聚合服务器地址空间节点中；
步骤F5：由异步监听与响应模块对原始请求方法类型的节点进行异步响应。
上述步骤F1中，所述方法类型节点所包含信息是指，运行指令代号或者程序。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明通过将自动化生产线底层设备地址空间聚合到统一聚合服务器中，通过对通用客户端对节点请求解析辨识，聚合服务器能够将请求任务自动化分配到下层单独设备服务器中，将生产线各个设备服务能力进行了集成，提高了智能制造***对整体设备管理水平。
(2)本发明对聚合服务器的对外通信方式设计采用同步与异步混合式，通过采用异步方式对外部的请求进行响应，通过采用异步与同步混合通信方式对接受的请求任务进行分配，能够应对频繁的上层***的请求访问与数量较多的下层设备响应的通信，提高了MES***中聚合服务器硬件资源的利用率，增强了MES***对外部通讯的效率。
(3)本发明对通过聚合服务器对智能制造***的***与设备层级间自动化控制方式进行了设计，通过加入设备对应的状态机转换处理环节，有利于***间、设备间及设备与***间异构***间自动化控制信息交互，提高了智能制造***互联互通程度。
附图说明
图1是聚合服务器与上层通用客户端与下层设备通信架构图。
图2是聚合服务器各子模块构成及其信息流示意图。
图3是状态转换模块内部流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
图1是聚合服务器与上层通用客户端与下层设备通信架构图；
聚合服务器主要作用是将下层多个OPC UA服务器的信息模型地址空间聚合，对于上层客户端发起请求访问时，为了减少资源消耗，聚合服务器进行异步通信响应；对于下层OPC UA服务器，聚合服务器经过将上层请求进行内部处理决策后，进行同步或异步方式进行发起请求与响应，起到一个任务分配作用，此时作为OPC UA客户端来进行实现对下层信息交互。
图2是聚合服务器各子模块构成及其信息流示意图。在OPC UA聚合服务器设计方法中包括：OPC UA主服务器与内嵌OPC UA客户端；
OPC UA主服务器包含地址空间聚合映射模块、异步监听与响应模块、识别与请求分配模块；
内嵌OPC UA客户端包含请求与响应模块、节点数据处理模块及状态转换处理模块。
地址空间聚合映射模块对下层设备OPC UA服务器所包含地址空间的节点信息进行聚合，所有聚合的节点按照OPC UA规范包含但不限于节点ID、浏览名等，参与聚合的节点ID必须为唯一，采用XML格式对信息模型创建，聚合方法是利用OPC UA节点编译器(如：open62541 XML节点集编译器)将多个包含信息模型的XML文件进行编译，并转换为API函数放到程序中，在编译服务器程序时进行初始化聚合服务器。
异步监听与响应模块为聚合服务器实现对通用OPC UA客户端服务的功能，实施流程如下：
(1)首先启动服务器后，进行独立于服务器的实时监视对***通用OPC UA客户端的请求；
(2)创建等待线程进行实时接收需要进行响应数据；
(3)收到请求后，并将该请求传递给识别与请求分配模块进行请求识别；
(4)接受内嵌OPC UA客户端中请求与响应模块与状态转换模块返回处理的信息，并将按照队列先后顺序进行异步响应。
识别与请求分配模块对异步监听与响应模块传递节点ID信息进行识别解析，并根据***中已经编排好的节点与服务器配对表进行比对，完成该请求与具体要访问下层设备OPC UA服务器匹配，最后将上层请求任务分配给该服务器对应的客户端；
对于通用客户端请求识别节点ID信息是按照节点类型进行划分，主要包含以下两点：
(1)对于对象、变量类型节点，包含但不限于识别节点命名空间地址和ID号；
(2)对于方法类型节点，包含有识别请求中的命名空间地址、ID号、输入数据数量以及输入数据内容。
请求与响应模块首先接收到识别分配后的服务器地址，构建聚合服务器的内嵌OPC UA客户端，建立起与下层设备OPC UA服务器连接，将上层的请求(如果是首次通信)传递给下层服务器，并等待接收后续响应信息；
如果节点类型为方法类型，则建立连接的通信方式采用异步方法，其他类型节点均采用同步通信方式；
在同步通信方式下，更新绑定的节点数据源过程中，聚合服务器采用Socket通信与下层服务器进行信息采集，完成将节点最新数据变更到聚合服务器地址空间的节点当中，然后由异步监听与响应模块对上层***中通用OPC UA客户端的进行响应操作；
节点数据处理模块对接受到下层设备OPC UA服务器响应的数据进行按照节点类型分流处理，如下：
(1)如果识别节点类型属于方法类型，则立即将请求节点交给状态转换处理模块进行下一步处理，根据返回结果与下层设备OPC UA服务器进行同步通信；
(2)如果识别节点类型不属于方法类型，则立即将请求节点交回请求与响应模块进行处理，设定请求与响应模块中客户端与下层服务器进行同步通信方式。
图3是状态转换模块内部流程图，状态转换处理模块负责对设备状态机的表达及转换，通过对具体请求/响应语义识别，对单个或多个设备自动化运行进行操作及状态机转换；
(1)通知请求与响应模块将方法类型节点所包含信息(基本运行指令代号、程序等形式)传递给自动化生产线中设备；
(2)建立实施响应等待线程，异步方式等待下层设备OPC UA服务器进行响应；
(3)根据设备OPC UA服务器的返回数据进行识别，对设备状态机进行切换，根据返回数据与原始请求进行匹配，判断自动化流程是否到位，如果没有完成进行步骤1，如果已经完成自动化流程，进行下一步骤；
(4)根据设备OPC UA服务器的返回数据对设备状态机进行切换，将该状态信息表达绑定到聚合服务器地址空间节点中；
(5)由异步监听与响应模块对原始请求方法类型的节点进行异步响应。
如上所，本发明聚合服务器可以在任意平台上进行部署，通过采用同步与异步混合式通信方式，实现服务器对上层与下层的高效通信，减少硬件资源开销消耗。
本发明通过加入设备对应的状态机转换处理环节，完成***间、设备间及设备与***间异构***间自动化控制信息交互，提高了智能制造***互联互通程度。如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种面向智能制造的OPC UA聚合服务器，其特征在于，包括：OPC UA主服务器组件与内嵌OPC UA客户端组件；
所述OPC UA主服务器组件包括：地址空间聚合映射模块、异步监听与响应模块、识别与请求分配模块；
所述内嵌OPC UA客户端组件包括：请求与响应模块、节点数据处理模块、状态转换处理模块；
所述地址空间聚合映射模块，用于将每个潜在OPC UA服务器的地址空间中的构建好的信息模型，进行聚合并统一放入到聚合服务器的地址空间中；
所述异步监听与响应模块，为聚合服务器实现对通用OPC UA客户端服务的功能；
所述识别与请求分配模块，用于对通用客户端提供的请求进行识别解析，通过对解析后节点ID信息与具体要访问OPC UA服务器匹配，将该请求分配给下层OPC UA服务器对应的客户端；
所述请求与响应模块，用于对分配好的下层设备OPC UA服务器建立连接，负责进行请求与响应的通信；
所述节点数据处理模块，用于对下层设备OPC UA服务器响应的数据进行处理，并对节点类型进行分流，对请求与响应模块中内嵌OPC UA客户端与下层设备OPC UA服务器的异步或者同步通信方式进行决策；
所述状态转换处理模块，用于对设备状态机的表达及转换操作，通过对具体请求/响应语义识别，对单个或多个设备自动化运行进行操作及状态机转换。
2.根据权利要求1所述面向智能制造的OPC UA聚合服务器，其特征在于，所述信息模型的类型包括对象、变量或者方法。
3.根据权利要求1或2所述面向智能制造的OPC UA聚合服务器，其特征在于，所述异步监听与响应模块，为聚合服务器实现对通用OPC UA客户端服务的功能，具体包括：
步骤A1：负责进行实时监视对***通用OPC UA客户端的请求；
步骤A2：生成等待线程进行实时接收需要进行响应数据；
步骤A3：并将该请求传递给识别与请求分配模块进行请求识别；
步骤A4：根据内嵌OPC UA客户端返回的对下层设备响应的处理信息，将请求按照队列先后顺序进行异步响应。
4.根据权利要求3所述面向智能制造的OPC UA聚合服务器，其特征在于，所述识别与请求分配模块，用于对通用客户端提供的请求进行识别解析，具体是指：
对于通用客户端请求识别节点ID信息是按照节点类型进行划分，主要包含：
步骤B1：对于对象、变量类型节点，包含识别节点命名空间地址和ID号；
步骤B2：对于方法类型节点，包含有识别请求中的命名空间地址、ID号、输入数据数量以及输入数据内容。
5.根据权利要求4所述面向智能制造的OPC UA聚合服务器，其特征在于，所述请求与响应模块，对分配好的下层设备OPC UA服务器建立连接，负责进行请求与响应的通信，具体包含：
步骤C1：对于请求操作，负责与下层设备OPC UA服务器建立连接，并发出请求访问的操作；
步骤C2：对于响应操作，接收来自下层设备OPC UA服务器返回的数据；
步骤C3：按照节点类型不同进行请求与响应操作，若节点类型为方法类型，则通信方式采用异步方法，若节点类型为变量类型，均采用同步通信方式；
步骤C4：只有在同步通信方式下，才将根据节点数据处理模块处理后数据变更到聚合服务器地址空间的节点当中，然后由异步监听与响应模块对上层***中通用OPC UA客户端的进行响应操作。
6.权利要求1-5中任一项所述面向智能制造的OPC UA聚合服务器的设计方法，其特征在于包括如下步骤：
地址空间聚合映射步骤；地址空间聚合映射模块，对下层设备OPC UA服务器所包含地址空间的节点信息进行聚合，所有聚合的节点按照OPC UA规范包含节点ID、浏览名，参与聚合的节点ID为唯一，采用XML格式对信息模型创建，聚合方法是利用OPC UA节点编译器，将多个包含信息模型的XML文件进行编译，并转换为API函数放到程序中，在编译服务器程序时进行初始化聚合服务器；
异步监听与响应步骤；异步监听与响应模块，为聚合服务器实现对通用OPC UA客户端服务的功能，具体流程如下：
步骤D1：首先启动服务器后，进行独立于服务器的实时监视对***通用OPC UA客户端的请求；
步骤D2：创建等待线程进行实时接收需要进行响应数据；
步骤D3：收到请求后，并将该请求传递给识别与请求分配模块进行请求识别；
步骤D4：接受内嵌OPC UA客户端中请求与响应模块与状态转换模块返回处理的信息，并将按照队列先后顺序进行异步响应；
识别与请求分配步骤；识别与请求分配模块，对异步监听与响应模块传递节点ID信息进行识别解析，并根据***中已编排好的节点与服务器配对表进行比对，完成该请求与具体要访问下层设备OPC UA服务器匹配，最后将上层请求任务分配给该服务器对应的客户端；
对于通用客户端请求识别节点ID信息是按照节点类型进行划分，主要包含：
(1)对于对象、变量类型节点，包含识别节点命名空间地址和ID号；
(2)对于方法类型节点，包含有识别请求中的命名空间地址、ID号、输入数据数量以及输入数据内容；
请求与响应步骤；请求与响应模块，首先接收到识别分配后的服务器地址，构建聚合服务器的内嵌OPC UA客户端，建立起与下层设备OPC UA服务器连接，将上层的请求传递给下层服务器，并等待接收后续响应信息；
若节点类型为方法类型，则建立连接的通信方式采用异步方式，若节点类型为变量类型，均采用同步通信方式；
在同步通信方式下，更新绑定的节点数据源过程中，聚合服务器采用Socket通信与下层服务器进行信息采集，完成将节点最新数据变更到聚合服务器地址空间的节点当中，然后由异步监听与响应模块对上层***中通用OPC UA客户端的进行响应操作；
节点数据处理步骤；节点数据处理模块对接受到下层设备OPC UA服务器响应的数据进行按照节点类型分流处理，具体如下：
步骤E1：若识别节点类型属于方法类型，则立即将请求节点交给状态转换处理模块进行下一步处理，根据返回结果与下层设备OPC UA服务器进行同步通信；
步骤E2：若识别节点类型不属于方法类型，则立即将请求节点交回请求与响应模块进行处理，设定请求与响应模块中客户端与下层服务器进行同步通信方式；
状态转换处理步骤；状态转换处理模块对设备状态机的表达及转换，通过对具体请求/响应语义识别，对单个或多个设备自动化运行进行操作及状态机转换，具体如下：
步骤F1：通知请求与响应模块将方法类型节点所包含信息传递给自动化生产线中设备；
步骤F2：建立实时响应的等待线程，采用异步通信方式等待下层设备OPC UA服务器的响应；
步骤F3：根据设备OPC UA服务器的返回数据进行识别，对设备状态机进行切换，根据返回数据与原始请求进行匹配，判断自动化流程是否到位，若没有完成进行步骤1，若已经完成自动化流程，进行下一步骤；
步骤F4：根据设备OPC UA服务器的返回数据对设备状态机进行切换，将该状态信息表达绑定到聚合服务器地址空间节点中；
步骤F5：由异步监听与响应模块对原始请求方法类型的节点进行异步响应。
7.根据权利要求6所述面向智能制造的OPC UA聚合服务器的设计方法，其特征在于，步骤F1中，所述方法类型节点所包含信息是指，运行指令代号或者程序。
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| CN202111507819.3A Pending CN114385541A (zh) | 2021-12-10 | 2021-12-10 | 一种面向智能制造的opc ua聚合服务器及其设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114385541A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115562869A (zh) * | 2022-10-19 | 2023-01-03 | 慧之安信息技术股份有限公司 | 一种基于键值对结构opcua client管理的方法和*** |
-
2021
- 2021-12-10 CN CN202111507819.3A patent/CN114385541A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115562869A (zh) * | 2022-10-19 | 2023-01-03 | 慧之安信息技术股份有限公司 | 一种基于键值对结构opcua client管理的方法和*** |
| CN115562869B (zh) * | 2022-10-19 | 2024-02-06 | 慧之安信息技术股份有限公司 | 一种基于键值对结构opcua client管理的方法和*** |
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