基于國產(chǎn)軟硬件平臺的OPC UA服務器設計與實現(xiàn)*

閔曉霜，楊 鑫

(中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所，北京 102209)

0 引言

在工業(yè)4.0與智能制造時代，首先需要解決的就是互聯(lián)互通的問題，為了實現(xiàn)M2M(機器到機器)、B2M(商業(yè)系統(tǒng)與機器)以及B2B(商業(yè)系統(tǒng)之間)的協(xié)同，滿足來自各個維度的數(shù)據(jù)交互需求，OPC UA成為最佳的選擇[1]。OPC UA作為數(shù)據(jù)互聯(lián)的標準與規(guī)范，為工業(yè)4.0時代提供底層技術(shù)支撐及解決方案。在工業(yè)控制現(xiàn)場，OPC UA能夠有效實現(xiàn)嵌入式現(xiàn)場設備、DCS、PLC等設備與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、SCADA、HMI等管理監(jiān)視系統(tǒng)的互操作。

OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)是由OPC基金會繼傳統(tǒng)OPC技術(shù)獲得成功應用之后推出的新的OPC標準。傳統(tǒng)OPC基于COM/DCOM技術(shù)，而這項基礎技術(shù)不再發(fā)展并且只能支持Windows操作系統(tǒng)；同時，傳統(tǒng)OPC提供的服務數(shù)據(jù)模型不統(tǒng)一，導致用戶訪問不同數(shù)據(jù)的方法不統(tǒng)一，不支持復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，且在安全方面也存在不足[2]，為解決這些問題，滿足時代發(fā)展需求，OPC UA得以推出并大力發(fā)展。OPC UA基于Socket傳輸層，采用以信息為中心的分層架構(gòu)，與平臺無關(guān)，能夠兼容Windows、Linux等操作系統(tǒng)，OPC UA提供一系列通用信息模型，提供完全面向?qū)ο?，同時包含元數(shù)據(jù)和對象描述的地址空間，在一個地址空間中就可訪問所有對象，支持客戶服務器模型、發(fā)布訂閱模型，提供復雜數(shù)據(jù)規(guī)范，集成安全功能，并且OPC UA兼容傳統(tǒng)OPC。

自OPC UA規(guī)范發(fā)布以來，很多國外知名廠商如艾默生、西門子、倍福等已經(jīng)研發(fā)并推出支持OPC UA標準的產(chǎn)品，并得到了應用[3]。我國于2017年9月正式發(fā)布了GB/T 33863.1～.8-2017《OPC統(tǒng)一架構(gòu)》標準，并成立了OPC中國認證測試實驗室，標志著OPC UA技術(shù)正式成為我國智能制造發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]，文獻[5]實現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理功能，文獻[6]實現(xiàn)了具備一定安全機制的OPC UA服務器，但二者都是基于微軟平臺實現(xiàn)的，并不能滿足服務器的安全需求。

為了滿足工業(yè)控制系統(tǒng)中核心基礎設備的安全保密，本文基于國產(chǎn)軟硬件平臺設計并實現(xiàn)OPC UA服務器，提供數(shù)據(jù)訪問服務，能夠?qū)刂圃O備進行安全隔離，并在PLC系統(tǒng)中進行測試驗證，能夠支持第三方客戶端的數(shù)據(jù)訪問，滿足工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)交互需求。

1 基于國產(chǎn)軟硬件平臺的OPC UA服務器設計

1.1 OPC UA服務器總體設計

本文OPC UA服務器基于國產(chǎn)軟硬件平臺，采用國產(chǎn)控制器，搭載麒麟操作系統(tǒng)，采用Qt5開發(fā)OPC UA服務器。

1.1.1OPCUA服務器模式

OPC UA服務器可以同時支持客戶端-服務器模型和發(fā)布訂閱模型，這兩種通信機制獨立于實際通信協(xié)議，如TCP和HTTPS可用于客戶端-服務器模式，而UDP、AMQP和MQTT可用于發(fā)布訂閱模式。

(1)客戶端-服務器模式

OPC UA客戶端訪問OPC UA服務器的專用服務。這是一種對等的方式，提供了信息安全和確定的信息交換，對連接數(shù)量有一定限制。適合客戶端個數(shù)一定，交換信息需求確定的系統(tǒng)。

(2)發(fā)布者-訂閱者模式

OPC UA服務器通過配置信息可供任意數(shù)量的訂閱者使用。這是一種廣播機制，提供了一個無需信息確認的即發(fā)即棄的信息交換方式。適合多點連接且對實時性要求高的系統(tǒng)。

本文的OPC UA服務器使用客戶端-服務器模式，通過建立TCP連接，提供安全、確定的數(shù)據(jù)交換。

1.1.2軟件分層架構(gòu)

OPC UA應用程序開發(fā)基于軟件分層架構(gòu)。OPC UA堆棧位于分層架構(gòu)的底層，它采用OPC基金會定義的TCP / IP通信協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)所有的OPC UA服務呼叫，處理通信協(xié)議；在堆棧上層為OPC UA軟件工具開發(fā)包(Software Development Kit,SDK)，SDK的主要功能為運行OPC UA服務器的服務，包括數(shù)據(jù)訪問、報警功能、信息模型建立、節(jié)點管理、訂閱管理、會議管理以及身份認證管理；分層架構(gòu)的最上層為OPC UA服務器應用程序。

本文的OPC UA服務器采用軟件分層架構(gòu)，基于C++ OPC UA服務器SDK進行開發(fā)，利用Qt的跨平臺特性以及對標準C++的支持，首先將SDK移植到國產(chǎn)系統(tǒng)中，然后基于SDK進行應用功能開發(fā)。

1.2 OPC UA服務器軟件設計

1.2.1功能說明

OPC UA服務器的主要功能是將控制器的數(shù)據(jù)映射到服務器地址空間中進行管理，并與控制器進行數(shù)據(jù)交互，同時，對外與支持OPC UA協(xié)議的設備(如SCADA、HMI和第三方客戶端等)基于地址空間進行數(shù)據(jù)讀寫操作，支持啟動/停止服務、配置可訪問數(shù)據(jù)及訪問權(quán)限、運行守護以及冗余防護等功能。

該OPC UA服務器實現(xiàn)的主要功能如圖1所示，配置功能負責人機交互的配置及配置數(shù)據(jù)生成，服務器啟動服務時根據(jù)配置數(shù)據(jù)的參數(shù)啟動并執(zhí)行數(shù)據(jù)訪問功能，安全認證和冗余功能用于保證服務器運行過程中的通信與運行安全。

圖1 OPC UA服務器功能圖

(1)基于協(xié)議棧的數(shù)據(jù)訪問功能

包括數(shù)據(jù)的讀寫、讀寫權(quán)限的修改、登錄服務和退出登錄服務?？蛻舳送ㄟ^服務器對控制器中的數(shù)據(jù)進行實時獲取，并將數(shù)據(jù)映射到服務器的地址空間，客戶端通過對地址空間的訪問進行對數(shù)據(jù)的讀寫操作。在與下位機進行通信時采用一問多答、循環(huán)收包的方式。

(2)配置功能

通過配置界面對服務器地址空間的數(shù)據(jù)進行配置，以便服務器能夠管理服務器中的數(shù)據(jù)。

(3)啟停服務功能

服務器開啟服務后，客戶端能夠進行相應的訪問操作；停止服務后，客戶端則無法繼續(xù)對服務器進行訪問。

(4)安全認證功能

包括身份鑒別機制、基于角色的用戶授權(quán)機制以及數(shù)據(jù)傳輸過程的安全機制。身份鑒別機制指客戶端與服務器建立連接進行數(shù)據(jù)訪問時，系統(tǒng)對用戶進行輸入用戶名和密碼的登錄身份驗證?；诮巧挠脩羰跈?quán)機制指的是對工程師、管理員以及操作員等不同身份的角色，設置不同的訪問權(quán)限。數(shù)據(jù)傳輸安全機制指的是對通信數(shù)據(jù)加密以及OPC變量表的CRC校驗功能。

(5)冗余功能

在服務器啟動之后，自動開啟冗余守護進程機制，實時備份服務器中的數(shù)據(jù)，檢測主機的運行狀態(tài)，因此能夠在主機無響應時啟用備機功能。

1.2.2工作過程

當OPC UA服務器應用在工控系統(tǒng)中時，系統(tǒng)的工作過程如下：

(1)用戶在編程組態(tài)軟件中，將控制程序與OPC數(shù)據(jù)配置信息下裝到控制器中，同時生成OPC數(shù)據(jù)配置文件。

(2)在服務器中可創(chuàng)建站，通過加載解析上述OPC數(shù)據(jù)配置文件，能夠?qū)υ撜镜淖兞窟M行配置，將其添加到服務器的數(shù)據(jù)列表中，即加入地址空間管理，每個變量對應一個節(jié)點，可對節(jié)點的訪問權(quán)限及屬性進行配置。配置完成后，可啟動OPC UA服務器，則服務器開始與PLC通信交互OPC數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，同時，管理地址空間中的節(jié)點，處理來自客戶端的連接以及服務請求。

(3)客戶端想要訪問PLC中的變量信息時，首先對服務器發(fā)送服務請求，要求建立與服務器的連接，服務器收到請求后，在其地址空間內(nèi)查找對應的節(jié)點信息，服務器根據(jù)變量與節(jié)點的映射，與控制器通過私有協(xié)議進行變量讀寫等操作，最后在服務器接口調(diào)用請求/響應服務，給客戶端返回有效信息。

上述過程的數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖

2 可跨平臺的OPC UA服務器實現(xiàn)

2.1 SDK的移植

OPC UA SDK產(chǎn)品供應商常見的有MatrikonOPC、ProSys、Unified Automation等，在選擇采購SDK時主要注意的包括SDK提供的是庫還是源碼、提供的功能、支持的平臺以及技術(shù)支持等因素[7]。本文使用的SDK以C++源碼的形式提供，提供數(shù)據(jù)訪問等功能。本文首先將SDK移植到國內(nèi)操作系統(tǒng)中，使用Qt開發(fā)環(huán)境進行編譯，然后基于SDK提供的API進行應用功能開發(fā)。

SDK開發(fā)包目錄結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括：

…/OPC_UA_SDK/lib：用于存放SDK編譯以后生成的庫。

…/OPC_UA_SDK/Examples:包含示例程序，可基于例程進行應用開發(fā)。

圖3 OPC UA軟件開發(fā)包

使用Qt編譯生成的庫在lib目錄下，應用軟件直接引用生成的動態(tài)庫，examples中包含示例程序，基于示例程序、調(diào)用SDK提供的API進行應用開發(fā)。

2.2 服務器應用開發(fā)

OPC UA服務器應用程序開發(fā)分為4個模塊，分別為：通用功能模塊Global、基礎應用功能模塊CommonOPCUA、配置管理模塊ConfigUI、OPC UA服務器模塊OPCUASvr。

(1)Global模塊提供基礎功能支持，與OPC UA業(yè)務無關(guān)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、字符串轉(zhuǎn)換、CRC校驗算法等功能。

(2)CommonOPCUA模塊實現(xiàn)OPC UA業(yè)務相關(guān)的通用功能，包括OPC UA服務器所需的地址空間、序列化、反序列化、變量表文件解析、對象節(jié)點的管理等。通過調(diào)用該功能接口能夠?qū)崿F(xiàn)與文件數(shù)據(jù)進行交互，加載控制器生成的服務器配置文件并進行解析，生成包含地址空間信息的二進制文件。

(3)ConfigUI模塊實現(xiàn)服務器配置的人機交互功能，包括主界面、數(shù)據(jù)訪問配置界面、添加站對話框、編輯節(jié)點屬性對話框。

(4)OPCUASvr模塊實現(xiàn)OCPUA協(xié)議棧功能，提供OPC UA服務，包括啟動、停止服務、數(shù)據(jù)訪問服務等，使用SDK提供的API接口，引用了SDK的動態(tài)庫。

2.3 地址空間開發(fā)

地址空間的開發(fā)為OPC UA服務器應用程序開發(fā)中關(guān)鍵的部分，當服務器對底層PLC設備中的數(shù)據(jù)進行采集處理時，把每個PLC設備抽象為一個對象，把所要訪問的數(shù)據(jù)信息，即對象中的地址空間，作為其中的一個節(jié)點，從而創(chuàng)建一個從節(jié)點到對象自下而上的類似文件夾結(jié)構(gòu)的地址空間結(jié)構(gòu)，增強了數(shù)據(jù)處理效率。

本文服務器地址空間中的數(shù)據(jù)為測量模擬數(shù)據(jù)，即通過數(shù)據(jù)訪問獲取的實時IO模擬量。地址空間的編碼實現(xiàn)，首先需要在程序中定義節(jié)點管理類，用于管理整個地址空間的所有節(jié)點，并在服務器啟動時申請內(nèi)存空間。NodeManagerDemo的主要功能是實現(xiàn)服務器和PLC控制器等下位機設備的通信，完成數(shù)據(jù)的讀寫。NodeManagerDemoBase主要是在地址空間內(nèi)部建立點表，包括定義節(jié)點的ID、節(jié)點的名稱、節(jié)點類型等，方便OPC UA客戶端對服務器地址空間的數(shù)據(jù)進行處理。地址空間編碼實現(xiàn)的具體空間結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

圖4 地址空間主要類圖

圖5 服務器主要類圖

服務器軟件的主要流程圖如圖6和圖7所示，包括服務器啟動以及地址空間節(jié)點管理。

圖6 服務器啟動流程圖

圖7 節(jié)點管理流程圖

3 驗證

本文OPC UA服務器在PLC系統(tǒng)中進行驗證，并采用第三方提供的標準OPC UA客戶端驗證OPC UA服務器功能。驗證功能包括數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)讀寫權(quán)限設置、安全認證。在測試過程中，用一個及多個客戶端對服務器設備進行連接，最終，定義監(jiān)視的變量在OPC UA客戶端能夠看到變量節(jié)點，并能夠?qū)ψ兞窟M行讀寫操作。驗證結(jié)果表明該OPC UA服務器滿足功能和設計需求，具備在實際工業(yè)現(xiàn)場使用的條件。

4 結(jié)論

隨著工業(yè)信息化及智能制造的發(fā)展，我國工控行業(yè)也在加強對關(guān)鍵基礎技術(shù)的研究與應用。OPC UA作為數(shù)據(jù)互聯(lián)的基礎標準與規(guī)范，在工業(yè)控制系統(tǒng)中是一個必須掌握與深入研究的技術(shù)。本文所開發(fā)的OPC UA服務器實現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)訪問、地址空間與節(jié)點管理等功能。后續(xù)將再此基礎上，將OPC UA服務器移植到嵌入式操作系統(tǒng)中，并實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)訪問、報警與事件，增強安全功能設計，提供功能更加豐富、更加安全、更加通用的OPC UA產(chǎn)品。此外，OPC UA與其他新興技術(shù)的結(jié)合，也是今后重要的研究方向。