基于OPC UA的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張愛絨，謝斌紅，張英俊

（1.太原理工大學(xué) 期刊中心，太原030024；2.太原科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，太原030024）

隨著自動(dòng)化和信息化的快速發(fā)展，煤礦企業(yè)系統(tǒng)日益復(fù)雜，規(guī)模日益擴(kuò)大，用戶希望把從井下底層的設(shè)備信息到高層的企業(yè)決策信息都能夠有效地集成、整合和共享，有效利用各自所需信息的價(jià)值。充分的信息和共享是工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)，信息孤島的打破是提高工廠綜合生產(chǎn)效率的前提，因此用戶對(duì)數(shù)據(jù)的交互和共享的要求越來越高，數(shù)據(jù)和交換的核心地位越來越凸顯。而目前，由于不同的監(jiān)控系統(tǒng)相互獨(dú)立，兼容性差，且網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)采用了不同的通信技術(shù)和信息交換標(biāo)準(zhǔn)，難以做到信息共享和統(tǒng)一管理，容易形成“信息孤島”［1］。此外，現(xiàn)用井下分站大多采用不同的開發(fā)平臺(tái)、由不同的廠家開發(fā)，彼此之間形成了由不同通信協(xié)議和通信接口組成的異構(gòu)系統(tǒng)。因此，各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有效集成和共享就成為煤礦企業(yè)亟需解決的首要問題。在對(duì)OPC UA技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，研發(fā)了OPC UA的客戶端和服務(wù)器端程序，通過各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)個(gè)性化定制功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的充分集成與共享，有效解決了現(xiàn)場(chǎng)異構(gòu)設(shè)備不同通信協(xié)議帶來的數(shù)據(jù)集成和傳輸問題。在寺河礦二號(hào)井工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，OPC UA在平臺(tái)無關(guān)性、可互操作性、安全性、可靠性等方面優(yōu)勢(shì)顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)集成邏輯架構(gòu)

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)集成邏輯架構(gòu)

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)集成方案的邏輯架構(gòu)如圖1所示，采用分層技術(shù)，系統(tǒng)從下到上分為設(shè)備層、設(shè)備 接入層、主干數(shù)據(jù)傳輸鏈路層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和業(yè)務(wù)層。各層之間緊密協(xié)作又各自獨(dú)立，每個(gè)邏輯層在為其上層提供數(shù)據(jù)和服務(wù)的同時(shí)，又為其下層提供了合適的服務(wù)接口。該邏輯架構(gòu)降低了層之間的依賴關(guān)系，且能夠保持各層邏輯上相對(duì)獨(dú)立性，從而使整個(gè)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)更為清晰，提高了系統(tǒng)和軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

1.2 系統(tǒng)集成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2所示，在設(shè)備接入?yún)^(qū)域，系統(tǒng)采用協(xié)議網(wǎng)關(guān)和嵌入式OPC UA服務(wù)器兩種設(shè)備接入技術(shù)，其中自主設(shè)計(jì)的多協(xié)議網(wǎng)關(guān)，可以方便、靈活連接CAN、RS485、Profile-Bus等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線到綜合接入平臺(tái)的傳輸網(wǎng)絡(luò)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫提供的OPC UA客戶端和組態(tài)軟件可通過嵌入式的OPC UA服務(wù)器直接從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提取設(shè)備數(shù)據(jù)。這兩種設(shè)備安裝在現(xiàn)場(chǎng)總線的最前端，極大的縮短現(xiàn)場(chǎng)總線的電纜長度，實(shí)時(shí)地將現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，通過GEPON（無緣光纖以太網(wǎng)）數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)快速的進(jìn)入數(shù)據(jù)采集層，為數(shù)據(jù)的進(jìn)一步快速處理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)集成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 基于OPC UA的數(shù)據(jù)集成與共享

2.1 OPC UA技術(shù)

OPC技術(shù)提供了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制系統(tǒng)和企業(yè)范圍應(yīng)用間的即插即用和互操作，但由于其本身存在移植性、安全性等問題使其在有些場(chǎng)合并不適用。隨著OPC UA技術(shù)的推出，解決了以往的OPC規(guī)范存在的固有問題，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。OPC UA為了解決OPC的缺陷提出了以下幾點(diǎn)方案：

1）OPC UA基于消息傳遞，消息采用了WSDL格式的定義，而非二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)無關(guān)性。

2）OPC UA采用了集成的地址空間，增加了語義識(shí)別功能。客戶軟件在連接到OPC UA服務(wù)器的時(shí)既可知道數(shù)據(jù)的類型，還可識(shí)別服務(wù)器定義實(shí)體間的數(shù)據(jù)語義。

3）OPC UA定義了全新的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的服務(wù)集，使其在同一個(gè)OPC UA服務(wù)器下方便訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等，避免了通過不同OPC服務(wù)器各自的API訪問不同的數(shù)據(jù)，也簡化了服務(wù)器開發(fā)時(shí)API重疊的問題。

4）OPC UA可以方便地從OPC DA服務(wù)器和客戶端升級(jí)到OPC UA服務(wù)器和客戶端，實(shí)現(xiàn)了與原有OPC服務(wù)器完全兼容。

5）集成的OPC UA數(shù)據(jù)加密功能符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)，為Internet及各企業(yè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的遠(yuǎn)程訪問和數(shù)據(jù)共享、客戶端和服務(wù)器之間的安全通訊提供了保障。

可以看到，OPC UA集成了現(xiàn)有的OPC規(guī)范，并且是跨平臺(tái)的，提供更高的可靠性、安全性和數(shù)據(jù)集成，可顯著改進(jìn)企業(yè)信息的連通性。

2.2 OPC UA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OPC UA采用客戶端／服務(wù)器結(jié)構(gòu)，客戶端包括OPC UA客戶端應(yīng)用程序、OPC UA通信棧、OPC UA客戶端API。它使用OPC UA客戶端API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)。OPC UA服務(wù)器包括OPC UA服務(wù)器應(yīng)用程序、真實(shí)對(duì)象、OPC UA 地址空間、發(fā)布／訂閱實(shí)體、OPC UA服務(wù)器接口API、OPC UA通信棧。它使用OPC UA服務(wù)器API從OPC UA客戶端來傳送和接收消息。OPC UA客戶端與服務(wù)器的交互也是通過問答模式，客戶端與服務(wù)器之間的交互是通過UA的通信棧進(jìn)行的。OPC UA服務(wù)器與客戶端的主要交互過程［2］如下：

1）客戶發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求，經(jīng)底層通信實(shí)體發(fā)送給OPC UA通信棧，并通過OPC UA服務(wù)器接口調(diào)用請(qǐng)求／響應(yīng)服務(wù)，在地址空間的一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行指定任務(wù)之后，返回一個(gè)響應(yīng)。

2）客戶發(fā)送發(fā)布請(qǐng)求，經(jīng)底層通信實(shí)體發(fā)送給OPC UA通信棧，并通過OPC UA服務(wù)器接口發(fā)送給預(yù)定，當(dāng)預(yù)定指定的監(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)視項(xiàng)生成一個(gè)通知發(fā)送給預(yù)定，并由預(yù)定發(fā)送給客戶。

2.3 OPC UA接口實(shí)現(xiàn)

OPC UA的實(shí)現(xiàn)主要分為兩個(gè)方面：OPC UA客戶端和OPC UA服務(wù)器?？蛻舳送瓿蓪?duì)數(shù)據(jù)的讀取和功能的實(shí)現(xiàn)；服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)源的封裝，使得客戶端可以統(tǒng)一的方式去訪問服務(wù)器獲得數(shù)據(jù)。OPC UA規(guī)范對(duì)各類接口和方法進(jìn)行了抽象，功能實(shí)現(xiàn)則留給了用戶。為了加快用戶開發(fā)，OPC基金會(huì)及其成員提供了適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合的不同語言版本的軟件開發(fā)包，如嵌入式系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)等。比較典型的有Softing AG、Kepware、Unified Automation 等公司的產(chǎn)品［3］。這里采用由Unified Automation提供的OPC UA C＋＋SDK來完成客戶端和服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)。OPC UA客戶端的實(shí)現(xiàn)主要完成連接和瀏覽UA服務(wù)器的地址空間等功能，其基本流程如下：

1）初始化UA通信棧，這是客戶端與服務(wù)器的通信基礎(chǔ)；

2）連接到UA服務(wù)器；

3）瀏覽UA服務(wù)器地址空間，讀寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)，調(diào)用服務(wù)器提供的方法，處理事件報(bào)警；

4）接收處理數(shù)據(jù)變化通知，完成監(jiān)控項(xiàng)讀取；5）關(guān)閉與服務(wù)器的連接。

OPC UA服務(wù)器的開發(fā)需要著重注意的是

OPC UA地址空間的建立和對(duì)外部實(shí)體（即子系統(tǒng)或設(shè)備）通信協(xié)議的封裝［4］。其基本流程如下：

1）初始化UA通信棧，讀取XML或INI格式的配置文件；

2）對(duì)外部數(shù)據(jù)源進(jìn)行抽象，建立對(duì)象類型（Object Type）、對(duì)象（Object），添加變量（Variable）和屬性（Property），完成地址空間的擴(kuò)展；

3）封裝與外部實(shí)體（數(shù)據(jù)源）的通信，獲取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的變量監(jiān)控，封裝對(duì)設(shè)備的控制；

4）根據(jù)設(shè)定時(shí)間對(duì)變量值進(jìn)行檢測(cè)，如有變化則發(fā)出數(shù)據(jù)變化或者事件報(bào)警通知給客戶端；

5）服務(wù)器關(guān)閉，斷開與客戶端的連接。

2.4 數(shù)據(jù)集成與共享

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了嵌入式OPC UA和通用OPC UA，前者應(yīng)用在井下設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下分站數(shù)據(jù)的采集和緩存；地面數(shù)據(jù)中心的全功能OPC UA節(jié)點(diǎn)既可通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路直接采集井下子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，也可與其它OPC節(jié)點(diǎn)相連間接的獲取數(shù)據(jù)，整個(gè)采集模塊可以組成網(wǎng)狀的邏輯連接。由于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，服務(wù)接口統(tǒng)一，通過以上兩種方式為煤礦瓦斯災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、通訊聯(lián)絡(luò)等系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)間數(shù)據(jù)有效集成。

另外，利用OPC UA技術(shù)研發(fā)了如圖3所示的數(shù)據(jù)定制組件，通過該組件，可方便靈活為各子系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和個(gè)性化的數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了系 統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享。

圖3 數(shù)據(jù)定制界面

3 結(jié)束語

作為新一代數(shù)據(jù)交換技術(shù)，OPC UA能實(shí)現(xiàn)從底層設(shè)備到企業(yè)決策層的全方位集成，具有安全性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。采用OPC UA接口進(jìn)行系統(tǒng)集成將極大地縮小開發(fā)周期，提高系統(tǒng)之間的互操作性，解決了許多自動(dòng)化企業(yè)的“信息孤島”問題。目前在國內(nèi)OPC UA的應(yīng)用還不成熟，但其在平臺(tái)無關(guān)性、可互操作性、安全性、可靠性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，必將成為今后的研究熱點(diǎn)。

［1］ 張英俊，郭勇義.基于 CORBA的煤礦瓦斯綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)集成技術(shù)研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40（1）：24-27.

［2］ 張力展，靳其兵，趙大力.基于 OPC UA的管控一體化研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21（9）：26-27.

［3］ 蘇延召，李艾華.基于 OPC UA的自動(dòng)化系統(tǒng)集成技術(shù)研究 ［J］.測(cè)控技術(shù)，2011，30（3）：68-71.

［4］ 任雯，梁嵐珍.基于 OPC技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)的異構(gòu)系統(tǒng)集成研究［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2008，21（3）：92-96.