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1、面向服务的物联汇聚平台的研究与开发 石春竹 韩庆敏 李末军 华北计算机系统工程研究所 摘 要： 针对离散制造业现场设备层与上层应用系统 (如 ERP, MES, PLM 系统) 之间信息流不顺畅、数据结构异构、信息中转次数多、系统集成复杂度高的问题, 提出了一种面向服务的物联汇聚平台, 采用 OPC UA 技术使工业异构系统互联, 为智能制造体系提供工业物联网平台系统解决方案。设计了灵活多样的驱动模块解决现场设备及系统异构问题, 基于 OPC UA 地址空间的数据组态模块解决数据结构不统一的问题, 最终实现数据及文件的跨层传输, 简化系统集成复杂度。通过 OPC UA 客户端程序与 Modbu
2、s 模拟器程序测试, 系统运行良好。关键词： SOA; OPC UA; 地址空间; 通信接口; 文件传输; Modbus TCP 协议; 作者简介：石春竹 (1991-) , 女, 硕士, 工程师, 主要研究方向:智能制造、工业软件、通信技术等。作者简介：韩庆敏 (1979-) , 女, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向:工业软件、自动化控制系统、智能制造、现场总线等。作者简介：李末军 (1981-) , 女, 硕士, 工程师, 主要研究方向:智能制造、工程管理、自动控制等。收稿日期：2017-04-27Design and development of a data converging
3、platform of IoT with service oriented architectureShi Chunzhu Han Qingmin Li Mojun National Computer System Engineering Research Institute of China; Abstract： In view of the problems that devices in the discrete manufacturing industry production line fail to communicate with ERP, MES and PLM conveni
4、ently, data structures are heterogeneous, information transits too many times and its too difficult to integrate, a service oriented Io T platform for the intelligent manufacturing system is proposed, which uses OPC UA technology to interconnect the industrial heterogeneous system. This paper design
5、s a flexible drive module to solve the problem of the heterogeneity between devices and systems, and a data configuration module based on OPC UA address space to solve the problem that data structure is not uniform, ultimately realizes transferring data and file crossing layers and simplifying the c
6、omplexity of system integration. Through the OPC UA client and Modbus simulator program test, the system runs well.Keyword： SOA; OPC UA; address space; communications interface; file transfer; Modbus TCP protocol; Received： 2017-04-270 引言智能制造已成为当今世界制造业发展的新趋势, 融合信息化与自动化, 利用新一代信息技术, 构建一个基于数据自动流动的状态感知、
7、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系1, 用来解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题, 提高资源配置效率, 实现资源优化才是智能制造的基础。智能制造的基础是信息的互联互通, 而感知和自动控制是数据闭环流程的起点和终点。现今制造企业产线现场设备的通信协议、通信接口及采用的数据结构皆为异构结构, 生产管理层信息化系统及其以上层次的系统若要采集现场设备上的数据, 就必须对每个设备开发特定的接口, 工作量大, 管理复杂。另一方面, 制造企业现有的信息系统层次化分明, 信息必须层层传递, 如采集信息要到达应用层 ERP 系统, 就必须要经过 SCA-DA、MES 系统, 这使信息中转次
8、数多, 系统集成复杂度增高。为减少信息中转次数、降低系统集成复杂度, 未来的信息系统架构趋于扁平化、网状化, 系统间交换的不会再是简单的数据项, 而是根据各行业信息模型结构化的数据。这也是实现系统间点对点自主通信的基础。OPC UA 技术是实现上述问题的有力工具, 其面向对象式的建模功能、面向服务的架构, 都能极好地适应未来工业物联的要求2。本文设计了一个面向服务的物联汇聚平台, 通过 OPC UA 标准接口实现现场设备到上层应用之间的互联互通, 平台可以支持 Modbus RTU、Modbus TCP、IEC60870-5-104 等标准通信协议, 实现制造现场的互联互通。本文主要通过 Mo
9、dbus TCP 实现设备与物联汇聚平台的互联互通, 介绍平台的设计及实现过程。此平台能够利用 Modbus TCP 协议从设备上采集数据, 并依据 OPC UA 技术将采集到的数据组态为地址空间, 统一数据结构, 提供访问服务给提供 OPC UA 客户端的上层系统, 实现跨层传输信息, 且支持文件的采集与下发。1 智能制造对物联汇聚的需求物联汇聚即将传感器、专用设备、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施紧密地联系在一起, 形成一个智能网络。随着新一代信息技术与先进制造技术的高速发展, 我国智能制造装备的发展深度和广度日益提升, 智能制造对物联汇聚的需求越来越多, 物联汇聚成为实现智能制造的
10、重要支撑3-6。2 SOA 技术面向服务的架构是一种用于创建应用程序的软件架构, 这种架构将一些松耦合的、黑盒式的组件进行组合, 发布为明确定义的服务, 继而实现业务流程或服务。采用面向服务架构的软件具有以下优势:可重用, 且不局限于重用底层组件, 还可重用高层的业务服务, 可保证企业业务服务的一致性, 还能消除冗余, 使程序具有可拓展性、一致性和可维护性。SOA 使用特定的、行业认可的标准开发一些接口, 使 SOA 中各种组件可以实现相互通信7。本文用到的 OPC UA 采用了 SOA, 为应用程序之间提供了互操作的、平台独立的、高性能的、可拓展的、安全和可靠的通信。3 物联汇聚平台的设计3
11、.1 总体结构设计此平台先利用通信驱动从设备上采集数据, 通过解析协议得到生数据, 然后将采集得到的数据赋值给可组态的 OPC UA 地址空间中对应节点。整个物联汇聚平台作为 OPC UA Server 为其他 OPC UA 客户端提供数据访问服务。系统结构图如图 1 所示。图 1 系统结构图 下载原图采集程序主模块负责管理通信通道, 可实现通道的建立、维持、终止等, 驱动层主要负责各种驱动报文的收发、解析, 采集系统参数库主要负责存储设备参数、所用通信协议具体参数、具体的采集模拟量、数字量等组态信息。地址空间定义了多种支持不同驱动的设备类型, 各个设备类型下配置了不同的配置变量和五种典型的采
12、集数据类型。地址空间可用设备类型建立设备对象, 并使用几种采集数据类型配置具体采集点。3.2 数据采集模块数据采集模块能从多种不同设备上采集数据与文件, 并将数据与文件下发到现场设备, 实现应用程序与现场设备之间的双向通信。程序可采集AI、AO、DI、DO、STRING 类型的数据, 并能够对与设备通信的链路进行管理, 包括建立及断开链路、配置链接参数、诊断链路故障等。一个链路可以管理多个采集数据设备和一个采集文件设备。采集数据部分监控对象层次关系如图 2所示。图 2 监控对象层次关系图 下载原图3.2.1 Modbus TCP 通信驱动(1) Modbus TCP 协议简介Modbus TC
13、P 是基于以太网 TCP/IP 的 Modbus 通用通信协议, 已经广泛应用于当今工业控制领域, 物理层接口是以太网口, 采用 Master/Slave (主/从) 方式通信, 提供不同的功能码区分不同的功能8。功能码是该协议的协议数据单元中的元素。本文主要使用了 1、5、3、16 等功能码来完成采集数据的功能。Modbus 请求和响应带有 6 个字的前缀, 如图 3 所示。图 3 Modbus 协议帧格式 下载原图示例“以 4 的偏移从 UI9 读 1 寄存器”返回 5 的值如下:请求:00 00 00 00 00 06 09 03 00 04 00 01响应:00 00 00 00 00
14、 05 09 03 02 00 05(2) Modbus TCP 协议在此系统中的应用Modbus 协议报文格式类设计:在 OPC UA 服务器的地址空间中创建 OPC UA 节点后, 将与 Modbus 寄存器信息 (寄存器类型、地址、长度) 建立关联, 之后会等待节点请求。若为读写请求, 则依据节点对应的 Modbus 寄存器信息, 生成 Modbus 命令, 即通过将参数传递给读、写操作构造函数创建对应的 ModbusMessage 类的对象。再通过 Send AndReceive () 方法将报文发送给设备。随后, 通过 Send AndReceive () 方法接收设备返回的报文。解
15、析后得到寄存器的当前值, 赋值给用户请求的指定OPC UA 节点。3.2.2 文件传输通信驱动(1) 文件传输驱动简介文件传输通信驱动包括两部分:文件接收及发送模块和文件传输代理程序。文件传输代理程序运行在要传输文件的设备上。搭载了文件传输代理程序的设备, 可与本物联汇聚平台进行文件上传与下发。本文中用一台 PC 模拟一台可上传文件的设备, 实际运用时可结合设备开放的接口与本文的物联汇聚平台的文件传输接口进行二次开发, 以实现文件传输功能。文件传输通信驱动可实现采集设备上指定格式的文件, 包括文件名称、大小、最后修改日期。上述属性可实现订阅。有传输正确性校验与传输失败报警。采集文件部分还可刷新
16、到能传输文件的设备, 且可下发文件到该设备, 通过控制设备的是否可接收文件属性实现。(2) 文件传输驱动具体设计文件类设计:文件传输机制:此物联汇聚平台将文件下发到设备时, 先从系统参数库中获取该设备是否支持文件下发的属性, 若该属性为真, 则获取其 IP 地址, 然后发送文件, 运行在设备上的文件传输代理程序启动接收线程接收文件。从设备上采集文件时, 代理程序收到本平台发送的采集文件请求后, 解析出要采集的文件名称和服务器 IP 地址, 开启发送文件线程, 将指定文件发送到本平台上。请求文件传输消息帧格式如图 4 所示。图 4 文件传输消息帧格式 下载原图消息帧结构说明如表 1 所示。表 1 文件传输消息帧格式说明 下载原表 其中, Type 可以为 1、2、3, 分别代表传输全部可采集文件信息消息、请求采集具体某文件消息、文件传输异常消息。Text 处可填写传输异常信息或序列化后的文件类, 包括文件名称、大小最后修改日期。本文所用 Format
