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1、背景说明

OPC UA技术(OPC UA国际标准号:IEC62541,中国国家标准号:GB/T 33863)在智能工厂/数字化车间互联互通中起着重要的作用,是智能制造/工业互联网的基础支撑技术。

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所是全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会(SAC/TC124)的秘书处单位,是OPC UA中国国家标准的牵头制定单位,拥有中国唯一的OPC UA认证实验室。

围绕OPC UA相关技术,仪综所完成了多项国家/省部级项目,服务了多家企业,开发了国内第一个通过OPC国际基金会认证的OPC UA SDK软件开发包/协议栈、基于OPC UA的嵌入式多协议智能网关、基于信息模型的OPC UA快速开发系统,并在此基础上形成了智能工厂互联互通、数字工厂等解决方案,覆盖了OPC UA标准解读、技术培训、研发咨询、解决方案、测试验证等全链条一体化服务。

鉴于OPC UA在智能制造、工业4.0、工业互联网互联互通中发挥的重要作用,很多国内外的工业制造商和集成商都在大量的使用OPC UA技术,其产品增加OPC UA接口功能可以提升极大的竞争力。国外方面,西门子S7-1500 PLC、西门子数控系统840D、三菱PLC、德国倍福的控制系统、美国罗克韦尔的控制系统、SAP的MES系统等传统自动化厂商和工业软件供应商最新产品都支持OPC UA接口;国内方面,浙大中控的控制器、中科院沈阳自动化的机器人控制器通过了OPC基金会的认证,很多中小型集成商的嵌入式网关等产品也都支持OPC UA接口,但是未见认证信息,一般来说,通过认证的产品其一致性、互操作能力、可靠性和可用性更高。


2、牵头主持的国家省部级项目

仪综所在互联互通方面以OPC UA技术为主攻方向,牵头主持了多项工信部“智能制造”、“工业互联网”、科技部重点研发计划、北京市科委智能制造等国家省部级项目。

◆工信部2015年智能制造专项《数字化车间集成与互联互通标准研究和验证平台建设》

◆北京市科委2018年重点智能制造与机器人培育项目《智能工厂互联互通关键技术和工业物联网设备研究》

◆工信部2019 年工业互联网创新发展工程-《工业互联网关键网络技术试验验证和服务推广平台项目--通信互通协议》

◆科技部重点研发计划《基于语义交互集成的仪器仪表新型体系架构及关键技术》


3、形成了一大批科研成果群

中国第一个通过OPC国际基金会认证的协议栈

OPC UA产品的开发和认证难度较大、周期较长、投入人力较多,因此主流开发方式是基于OPC UA SDK进行产品开发,但是目前OPC UA SDK基本被国外产品垄断,导致企业开发成本较高,技术服务不够及时,实际推广应用困难。

IMAC-OPCUA-SDK协议栈可以用来开发PLC、DCS、数控机床、注塑装备、工业仪器人、仪器仪表、传感器、SCADA、MES、网关、中间件等各类工业软硬件设备/系统的OPC UA服务器。该SDK是国内第一款通过OPC基金会国际认证的开发工具包。认证证书如图1所示。

图1 IMAC-OPCUA-SDK协议栈国际认证证书

(1)产品功能

IMAC-OPCUA-SDK提供标准OPC UA地址空间(Address Space)、信息模型、数据访问(DA)、安全、监视、订阅、方法等各类应用开发接口API和示例程序,可以帮助用户快速实现OPCUA服务器的开发。

(2)具有优势

— 目前,中国唯一通过OPC国际基金会认证的商用SDK,具有较好的标准一致性与互操作性、运行的稳定性及可靠性,可达国外同类产品水平。

— 完全使用C语言进行开发和提供对外接口,具有较强的跨平台性,可以被移植到多种操作系统上(如Linux、Windows、Vxworks、UCOS)或无操作系统上运行。

— 易用的API接口和完善的使用文档,包括使用流程、API及相关的示例程序、标准的驱动接口,在熟悉接口的情况下可快速开发出用户需要的OPC UA服务器。

— 占用更小的内存及存储空间量,适合工业设备嵌入式的开发与运行环境,可以满足小型的传感器到大型装备/系统的应用需求。

(3)研发咨询等扩展服务

产品定位

根据用户产品特点和业务需求,指导用户确定自己OPC UA产品的功能和性能。

开发咨询

①基于IMAC-OPCUA-SDK开发培训,帮助用户从开发的角度了解OPC UA技术,指导建立OPC UA信息模型,实现数据访问,完成OPC UA服务器开发;

②提供IMAC-OPCUA-SDK技术讲解,包括安全机制、信息模型、数据访问DA等;

③提供IMAC-OPCUA-SDK测试DEMO,通过实践操作帮助用户学习、验证OPC UA功能。

预测试服务

预测试服务是测试认证的重要环节,旨在帮助用户了解OPC UA产品认证流程,在开发过程中尽早发现问题、解决问题,降低通过正式认证测试的难度,具体包括:

①确定厂商产品支持的Profile及测试等级;

②按照测试认证要求,测试产品功能,出具预测试报告,包含测试未通过项的原因说明,并解释相关的OPCUA标准;

③回归验证,客户针对预测试发现的问题完成修改后,针对修改问题进行二次预测试。

极易扩展的嵌入式OPC UA多协议网关平台

仪综所2018年承担了北京市科委《智能工厂互联互通关键技术和工业互联网设备研究》项目,研制了基于OPC UA的嵌入式多协议智能网关一套,包括嵌入式数据采集模块(硬件、嵌入式软件)以及相配套的配置软件,可以实现工业设备现场数据的实时采集,并通过OPCUA实现底层设备与上层信息系统的集成与互联互通,运行机制如下图所示:

图2 嵌入式OPC UA多协议智能网关平台

数据采集模块提供RS232、RS485、RJ45等常用物理接口,可挂载不同通信协议的PLC设备,如西门子PLC、欧姆龙PLC,三菱FX系列PLC,支持Modbus RTU等通用总线设备,同时可以快速完成工业协议的配置、驱动开发,最终将各种工业协议传输的数据映射到OPC UA地址空间,并对外提供OPCUA统一服务接口。配置软件用于配置所连接现场设备与OPC UA的映射关系。

数据采集模块如下图所示。

图3 数据采集模块

(1)硬件主要功能

— 主频500MHZ,内存256M字节,flash大小256M,支持外扩存储。

— 4路485接口,2路网络接口,运行指示灯,看门狗。

— 通过EMC测试。

(2)支持的接入协议

— 支持西门子S7-400/300/200、S7-1500/1200 PLC,欧姆龙PLC,三菱FX3U等7种PLC通信;

— 支持Modbus RTU、Modbus TCP、IEC101、IEC104、PROFIBUS、HART等 6种工业总线;

— 支持MS SQL、My SQL 2种典型数据库访问。

(3)支持的输出协议

— 对外提供OPC UA标准接口;

— 对外提供MQTT标准接口。

(4)其它关键功能

— 支持5G的通信;

— 支持IPv6的数据通信;

— 支持通信优先级及PUB/SUB通信机制;

— 支持边缘处理;

— 支持云端协同。

基于信息模型的OPC UA快速开发工具

仪综所在执行2015年工信部智能制造专项《数字化车间集成与互联互通标准研究和验证平台建设》过程中,面向制造装备的集成互联互通,制定了《制造装备集成信息模型通用建模规则》标准(预计2020年发布),并且基于该标准,开发了信息模型编辑器和信息模型加载器软件工具,极大地降低了OPC UA服务器开发的难度,用户甚至不需要了解太多OPC UA的知识即可快速开发出面向自身产品的OPC UA服务器应用,整体机制如图4所示。

图4 OPC UA快速开发整体机制

用户使用信息模型编辑器对自己的设备/产线/车间进行信息建模,该软件工具会自动生成一个信息模型XML描述文件。该XML描述文件作为信息模型的标准信息交换载体,可方便导入到其他软件系统。信息模型加载器以信息模型XML描述文件为输入,通过数据源驱动关联技术,实现OPC UA地址空间节点与驱动数据源自动关联映射,从而自动生成OPC UA服务器。

(1)信息模型编辑器

信息模型编辑器提供了属性、属性集、方法、组件、组件集、设备等信息模型模板库,用户使用这些模板库可快速完成制造装备复杂信息模型的创建与修改,并自动生成描述制造装备信息模型的XML描述文件。信息模型编辑器软件界面如图5所示。

图5 信息模型编辑器生成信息模型XML文件

(2)信息模型加载器

如图6所示,信息模型加载器以XML文件为输入,对其进行自动解析并实现OPC UA地址空间的自动生成、地址空间节点与驱动数据的自动映射关联,最终自动生成制造装备OPC UA信息模型服务器,可以被任何标准的OPC UA客户端访问。

图6 信息模型加载器自动生成OPC UA服务器

(3)实施效果

基于信息模型的OPC UA服务器快速开发解决方案先后为清华大学、浙江理工大学、东北大学等单位进行了服务,创建了数控机床、纺织机械、铝冶金智能工厂等离散和流程领域设备/系统信息模型,在此基础上形成其行业的OPC UA服务器信息模型解决方案,得到了用户很高的评价。

另外,信息模型编辑器和信息模型加载器是一套系统平台解决方案,用户基于这套系统可以进行二次开发,为自身行业、企业量身定制信息模型实现增值服务。用户不需要掌握OPC UA的知识,只需了解自己制造装备/产线/车间的信息,即可实现OPCUA服务器快速开发,极大地降低了企业开发难度和成本,缩短开发和集成周期。

面向设备效率及健康管理的互联互通整体解决方案

基于OPC UA管理壳、边缘计算、人工智能以及工业互联网平台等技术,面向设备效率(OEE)、设备健康管理、设备预测性维护等应用提供整体方案,相对于动辄昂贵的工业互联网解决方案,该方案具有较高的性价比,特别适合中小企业的信息化改造与实施。DEMO系统如图7和图8所示,可以登录http://39.98.137.146,用户名和密码:demo,可以进行登录进行查看。

图7 面向设备效率及健康管理的整体解决方案
图7 性价比较高的专用工业互联网平台

4、为多个企事业单位提供了多种服务

这些科研成果在多个行业进行了使用,为多个企事业单位提供了较好的服务。

OPC UA协议栈已经被多个企业使用且运行良好

OPC UA协议栈已经在国内数控机床、工业机器人、仪器仪表、MES系统等软硬件上得到了应用,性能稳定,运行良好。

嵌入式网关平台为钢铁、航空航天等多个领域进行了使用

嵌入式网关平台(工业物联网设备)在江阴兴澄特种钢铁有限公司的炼铁工艺现场PLC互联互通、某航空航天领域的数控机床互联互通中得到了良好的应用,同时被某些企业OEM,在多个行业得到了应用。

基于信息模型的OPC UA快速开发工具为清华等多个大学进行了服务

基于信息模型的OPC UA服务器快速开发解决方案先后为清华大学、浙江理工大学、东北大学等单位进行了服务,创建了数控机床、纺织机械、铝冶金智能工厂等离散和流程领域设备/系统信息模型,在此基础上形成其行业的OPC UA服务器信息模型解决方案,得到了用户很高的评价。


5、面向OPC UA研发的培训

目标定位

OPC UA标准复杂产品的开发和认证难度较大、周期较长、投入人力较多,很多用户对标准理解不够准确,对自己的开发产品定位不清,缺乏必要的测试认证手段,因此大大增加了OPC UA开发的难度。

该培训致力于OPC UA标准、技术、开发、测试认证等全链条的内容,更加注重实操,包含主流的嵌入式和Windows平台开发,学员培训之后可以很快的开发出自己的OPC UA服务器。

培训对象

对OPC UA技术有一定了解的企事业单位的系统设计师、研发工程师等,或职业院校学生技能培训。

培训课程

联系人:王振

电话:15210363890

E-mail:zhaoyanling@tc124.com