基于OPCUA的多機(jī)器人通信研究

巫廣達(dá)

[摘? ? 要]OPC技術(shù)可提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，用于Windows管理軟件與現(xiàn)場設(shè)備的集成。但OPC技術(shù)在平臺應(yīng)用中存在諸多難點，例如底層車間數(shù)據(jù)向高層傳輸?shù)碾y度較大、安全性欠佳等。為此，在技術(shù)研究逐步深入之下，衍生出OPCUA技術(shù)，其可以突破既有技術(shù)的局限性，在平臺兼容性、安全性等方面均有突出的優(yōu)勢，對于系統(tǒng)的發(fā)展而言有重要的推動作用，可以實現(xiàn)無縫集成的高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)，于工業(yè)環(huán)境中，則給工業(yè)4.0的基礎(chǔ)-設(shè)備互聯(lián)互通創(chuàng)設(shè)了良好的條件。

[關(guān)鍵詞]OPC技術(shù);OPCUA技術(shù);工業(yè)機(jī)器人;通信機(jī)制

[中圖分類號]TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–0–03

Multi-robot Communication Based on OPCUA

Wu Guang-da

[Abstract]OPC technology can provide industry standard interface specifications for the integration of Windows management software and field devices. However， there are many difficulties in the application of OPC technology in the platform， such as the difficulty of transmitting the data from the bottom workshop to the high level， and the poor security. For this reason， under the gradual deepening of technical research， OPCUA technology is derived， which can break through the limitations of existing technologies and has outstanding advantages in platform compatibility， security， etc.， which is important for the development of the system. The promotion role can achieve the high-quality development goal of seamless integration. In the industrial environment， it creates good conditions for the interconnection of equipment， the basis of Industry 4.0.

[Keywords]OPC technology; OPCUA technology; industrial robot; communication mechanism

工業(yè)逐步朝著自動化的方向發(fā)展，在此期間采用到多類型網(wǎng)絡(luò)，各層次的各系統(tǒng)分別對應(yīng)有特定的網(wǎng)絡(luò)，盡管選用的是相同的平臺，也依然有可能存在多類形式的網(wǎng)絡(luò)，而各類網(wǎng)絡(luò)均有其獨特性，因此如何高效交換數(shù)據(jù)成為重難點內(nèi)容。OPC技術(shù)作為前沿的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，其在工業(yè)控制領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，已然成為主流的工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)，是多數(shù)工控廠商青睞的技術(shù)形式。

1 OPCUA概述

在OPC技術(shù)逐步發(fā)展之下，OPCUA應(yīng)運而生，其對于促進(jìn)工業(yè)化通訊發(fā)展而言有重要的作用，有利于提高標(biāo)準(zhǔn)化水平。OPCUA以服務(wù)器和客戶為核心，由兩者共同構(gòu)成，其中服務(wù)器可用于保存數(shù)據(jù)，并基于此進(jìn)行建模，構(gòu)成涵蓋“節(jié)點”和“參考”兩大關(guān)鍵元素的元模型。客戶以標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議為依托，可及時準(zhǔn)確地識別到地址空間里可被修改的部分，同時也能夠根據(jù)需求完成相應(yīng)的修改操作。具體涉及到的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有兩種形式，若客戶與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)吞吐規(guī)模較為可觀，此時最為合適的是二進(jìn)制協(xié)議;而針對網(wǎng)絡(luò)防火墻存在的問題，更具可行性的是SOAP的Webservice協(xié)議。此外，出于安全層面的考慮，OPCUA標(biāo)準(zhǔn)提供加密和身份驗證，嚴(yán)把安全關(guān)卡，得益于此方式，在傳輸層無需額外加密。

OPCUA在信息交換領(lǐng)域具有優(yōu)勢，可在客戶和服務(wù)端環(huán)境中訪問數(shù)據(jù)，與此同時也能夠完成縱向和橫向的信息交換操作。數(shù)據(jù)交換的便捷性較好，原因在于其不受供應(yīng)商通信協(xié)議的限制，公司內(nèi)部各級別可高效完成數(shù)據(jù)的傳輸操作。由此，可以明確OPCUA的優(yōu)勢，例如：將數(shù)據(jù)傳至企業(yè)級，高度集成底層車間設(shè)備、制造管理系統(tǒng)和決策軟件。根據(jù)OPCUA（數(shù)據(jù)存?。┮?guī)范可以得知，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀寫和監(jiān)控作業(yè)，同時也可以借助PLC等相關(guān)設(shè)備完成對設(shè)備的監(jiān)控，以便更為及時準(zhǔn)確地獲取到數(shù)據(jù)，掌握其在特定階段內(nèi)的變化規(guī)律。

2 OPCUA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行模式

2.1 OPCUA客戶端和服務(wù)器結(jié)構(gòu)

OPCUA采用到C/S（客戶端/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，并基于消息傳遞機(jī)制完成通信作業(yè)，以非二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸。從組成來看，客戶端結(jié)構(gòu)為重要部分，涉及到客戶端應(yīng)用程序、通信棧等，具體如圖1所示。

OPCUA服務(wù)器涵蓋的內(nèi)容豐富，包含服務(wù)器應(yīng)用程序、OPCUA地址空間、OPCUA服務(wù)器接口API等，可從客戶端傳送消息，亦可實現(xiàn)對消息的接收。

2.2 OPCUA運行模式

基于API實現(xiàn)客戶端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，從底層通訊收到信息后，向客戶端和服務(wù)器分發(fā)。從宏觀角度來看，針對某應(yīng)用具有OPCUA規(guī)范的情況，在客戶端API的加持下，能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端與通信站的高效交互，在此過程中的信息傳遞則由客戶端通信棧和服務(wù)器通信棧兩者協(xié)同完成，期間由服務(wù)器API完成信息處理作業(yè)，同時以客戶端API產(chǎn)生交互，獲取具體的參數(shù)，并向客戶端傳輸。在OPCUA結(jié)構(gòu)中，各客戶端均能夠與服務(wù)器實現(xiàn)交互，并且交互具有多樣化的特征，即“一對一”“一對多”，對于服務(wù)器而言也依然可以選擇與某個或多個客戶端產(chǎn)生交互。數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a形式含兩類，即XML和二進(jìn)制。

3 OPCUA對象模型

OPCAPI定義的對象具有相互分離的特征，在構(gòu)建起對象模型后，可高效集成各對象服務(wù)，即集成化水平較高。以UA的對象模型為例，其能夠?qū)崿F(xiàn)對象的變量、方法、事件及相關(guān)服務(wù)的高效集成，具體如圖2所示。

OPCUA允許單獨的OPCUA服務(wù)器集成數(shù)據(jù)至其他地址空間，通過集成服務(wù)集的應(yīng)用，來完成對其的存取操作。具體而言，若OPCUA服務(wù)器將溫度傳感器視為一個對象，則包含溫度值、警報接線和警報參數(shù)三部分，由三者共同組成。若借助某現(xiàn)存OPC規(guī)范實現(xiàn)，完成整個流程需要涉及到的是OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范、OPC報警事件規(guī)范，相比之下，OPCUA服務(wù)器則有更為明顯的便捷性優(yōu)勢，其能夠?qū)?shù)據(jù)、警報、事件集成至特定的地址空間內(nèi)，在此方式下，客戶端的效率提高，僅需一次調(diào)用便能夠獲得該部分集成的內(nèi)容，全程無需使用特定的API來完成調(diào)用動作。

4 OPCUA集成地址空間

在現(xiàn)有的技術(shù)認(rèn)知中，部分用戶僅將其視為通信協(xié)議，未充分關(guān)注到其含有復(fù)雜元模型的特點，而事實上，此類元模型有其存在的價值，突出優(yōu)勢則在于對信息的處理能力較強(qiáng)，明顯優(yōu)于典型的OPC。通過該模型的應(yīng)用，可提供簡潔的數(shù)據(jù)。但需意識到的是，在該復(fù)雜元模型的應(yīng)用過程中，可能會引發(fā)服務(wù)器端的異常，較為常見的有復(fù)雜信息管理問題，除了準(zhǔn)確區(qū)分兩種應(yīng)用外，還需判斷應(yīng)用對數(shù)據(jù)的管理能力。此時，IEC62541標(biāo)準(zhǔn)提供了重要的解決思路，用NodeStore接管數(shù)據(jù)和啟用堆棧，以此來取得訪問權(quán)限。在實際應(yīng)用中，普遍采用標(biāo)準(zhǔn)化的元模型，在此基礎(chǔ)上聯(lián)合應(yīng)用到標(biāo)準(zhǔn)化branch-specific信息模型，依托于此配置方式，增強(qiáng)互操作性，在現(xiàn)階段的信息模型類型中，IEC61131-3模型則頗具代表性。

對節(jié)點的分析具有必要性，其屬于地址空間的基本元素，具體包含屬性和應(yīng)用兩部分，各自均有特定的內(nèi)涵。其中，屬性用于描述點，應(yīng)用則確定各節(jié)點的關(guān)系。應(yīng)用的語義表達(dá)包含兩種，①具有等級的應(yīng)用，構(gòu)成地址空間;②不具有等級的應(yīng)用，指示現(xiàn)場設(shè)備的屬性是其重要的功能。在地址空間中，對象為極為關(guān)鍵的功能單元，對象節(jié)點借助某引用類型組織變量、方法，并產(chǎn)生事件?？蛻舳丝勺x取和寫入值，方法表示客戶端調(diào)用的方法，事件指的是各類不經(jīng)常發(fā)生的情況，其中較為常見的是系統(tǒng)報警。為實現(xiàn)對客戶端地址訪問空間的簡化處理，技術(shù)內(nèi)涵加以深化，即OPCUA定義了視圖的概念，在此基礎(chǔ)上，各視圖均定義地址空間節(jié)點的某子集。在各類型節(jié)點中，視圖節(jié)點屬于基礎(chǔ)組成部分，可將其視為視圖顯示的入口。

根據(jù)現(xiàn)行的OPC規(guī)范可以得知，各規(guī)范分別對應(yīng)特定的地址空間以及相應(yīng)的服務(wù)，在問題的處理尤其是遇到復(fù)雜度較高的問題時，往往需使用到各式各樣的地址空間，此時必然會影響程序運行效率。為此，提出集成地址空間的概念，以便緩解復(fù)雜問題處理過程中地址空間類型過多、繁瑣的局面。

客戶端和服務(wù)器作為兩大重要主體，彼此間應(yīng)具有良好的互操作性，考慮到此方面的需求，OPCUA地址空間的節(jié)點構(gòu)建有其特定的方式，即以層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行組成，將地址空間緊密聯(lián)系，使其構(gòu)成聯(lián)動性較強(qiáng)、互通性較好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

5 工業(yè)機(jī)器人信息模型

機(jī)器人具有通用性，給工業(yè)生產(chǎn)提供了重要的支持，在生產(chǎn)任務(wù)的實現(xiàn)路徑中，合理配套機(jī)器人以及外圍設(shè)備均較為關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)說，在現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展中，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用成果已經(jīng)顯現(xiàn)，并且將取得更為長遠(yuǎn)的發(fā)展。但是，以何種方式靈活地將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于生產(chǎn)中屬于重難點內(nèi)容，仍值得加強(qiáng)探討。工業(yè)機(jī)器人宛如標(biāo)準(zhǔn)件，其具有規(guī)范化的特征，而工業(yè)生產(chǎn)需求多樣化，以靈活的方式將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于其中極具必要性，具體需要聯(lián)動周邊設(shè)備和工業(yè)軟件，協(xié)同推動發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的運行并非獨立，除了保證自身的性能外，還需要獲得外圍設(shè)備的支持，例如焊接變位機(jī)、工裝夾具等均較為關(guān)鍵，各類裝置需要保持協(xié)調(diào)的狀態(tài)，而為了實現(xiàn)此目標(biāo)，則需用PLC加以協(xié)調(diào)。從生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)的角度來看，其往往需得到多個工業(yè)機(jī)器人工作站的支持，不僅于此，生產(chǎn)線還涵蓋諸如自動化立體倉庫、噴涂設(shè)備等在內(nèi)的各類自動化設(shè)備，此時需以更高一層的PLC來高效協(xié)調(diào)工作站，提高協(xié)同運行水平。

工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備模型信息、傳感器數(shù)據(jù)、產(chǎn)品模型信息、人工輸入數(shù)據(jù)等均具有重要性，需將其匯聚于一起，達(dá)到集成的效果，而實現(xiàn)此目標(biāo)的關(guān)鍵則是建立抽象真實世界的模型，給工業(yè)機(jī)器人任務(wù)的規(guī)劃創(chuàng)設(shè)良好的條件。通過數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用，匯總成機(jī)器可讀的信息，同時與物理信息建立起交流的關(guān)系。各類格式僅提供框架結(jié)構(gòu)，若要高效地應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，僅采用該框架結(jié)構(gòu)顯然不足，需針對該結(jié)構(gòu)做拓展和細(xì)化處理。具體而言，需以抽象的格式描述工作流程，闡明涉及到的細(xì)分流程以及過渡條件，同時也可以根據(jù)生產(chǎn)狀況定義人和機(jī)器人的工作，并明確彼此間的相關(guān)性，形成協(xié)調(diào)的關(guān)系。為此，需構(gòu)建等級模型，在此方式下，反復(fù)將任務(wù)細(xì)化，衍生出多類次任務(wù)，在逐層分解之下，達(dá)到單個硬件組件即可有效執(zhí)行任務(wù)的效果。對于各層次的任務(wù)描述，較為常見的是由特定的生產(chǎn)商提供，具體體現(xiàn)在系統(tǒng)集成商、零件供應(yīng)商等。

從工業(yè)機(jī)器人信息模型的組成來看，較為常見的屬靜態(tài)信息模型，其可以反映機(jī)器人的本體信息和通用信息，涉及到的細(xì)分類型較多，包含機(jī)器人工作空間信息模型、機(jī)器人本體過程信息模型等。除了靜態(tài)信息模型外，還存在組件信息模型和過程信息模型。

6 OPCUA的安全性

對于傳統(tǒng)的OPC規(guī)范，其在安全方面的優(yōu)勢有所欠缺，過度依賴于COM/DCOM的安全性。與之有所不同的是，OPCUA規(guī)范加以升級，定義一套全面的安全機(jī)制，安全性顯著提升。從客戶端和服務(wù)器兩者來看，均有專用的安全通道，應(yīng)用到PKI和X509v3標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)據(jù)交換前，存在特殊的安全通信;OPCUA標(biāo)準(zhǔn)含有安全模式，其特點在于能夠與PLC達(dá)到高效數(shù)據(jù)交互的效果。各項操作均建立在安全通道的基礎(chǔ)上，對于保證安全性而言有重要的作用。對于PLC，其僅需在自身執(zhí)行安全功能即可，而除此之外的其他各方面的安全目標(biāo)均由OPCUA安全模式而實現(xiàn)。

7 結(jié)束語

OPCUA規(guī)范兼具數(shù)據(jù)傳輸安全、高效等多重特征，可在DCS、MES等領(lǐng)域取得有效的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的OPC技術(shù)，OPCUA技術(shù)的出現(xiàn)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方式的空缺，對于推動工業(yè)信息通道的發(fā)展、提高工業(yè)4.0技術(shù)水平而言均有重要的意義。

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