CN111600923A - 一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统，包括底层设备、OPC UA服务器和应用层，底层设备包括各种型号的PLC设备，通过建立物理连接，将需要进行采集的PLC设备与嵌入式工控机之间，通过工业以太网或其它总线模式进行连接，并将其所有设备保持在同一网段。OPC UA服务器包括系统配置模块、数据处理模块；事件处理模块、数据采集模块、数据存储模块和PC通讯模块。应用层包括实时数据、历史数据、设备在线情况和设备在线诊断。可以解决工厂PLC设备多样化、采集难度大等问题。
Description
技术领域
本发明属于工业自动化领域，尤其涉及一种对各种PLC设备进行远程数据 采集的系统。
背景技术
随着制造业技术水平的不断发展，制造业在全球范围内出现了产能过剩的 问题，德国首先于2011年提出了“工业4.0”的概念。随后美国提出了“工业 互联网”。虽然在称呼上有所差别，但在本质上都是为了提升制造业的智能化水 平。
在智能制造业，基于工业互联网的数据采集技术已经起到了非常重要的作 用，不过在数据采集与传输过程中，还存在着许多问题，有三个主要的因素导致 了这一现状：(1)各个设备的数据采集协议各不相同，(2)每一层的数据由于 数据的语意无法达到统一，(3)现场维护成本较高。在工控领域中，微型专用 控制系统是一个研究的热点，嵌入式服务器的研究和应用具有一定的实际应用价 值。嵌入式服务器通过Internet，只要连入互联网，所在的嵌入式系统多能够被 很好地控制，为我们检测、控制和管理各种工控设备提供了一个重要的方法。针 对这种现状，2006年OPC基金会正式提出了OPC UA规范，解除了平台的依耐 性支持跨平台，在安全和通讯方面也有了很大的改善。它为不同自动化设备、总 线、协议之间交换数据提出了统一的标准，并且能够运行在不同的平台上，从而 解决了行业内产品无缝的融入到工业4.0的各个体系过程中遇到的问题。
从目前的研究成果来看，所设计的数据采集系统大多基于现场总线搭建一 个局域网，使用PC机或嵌入式工控机对PLC设备进行数据采集，许多数据并没 有存储到云端数据库，导致远程无法监控工厂设备的实时数据，并且由于工厂的 PLC设备品牌多样化导致采集难度很大，而采用OPC UA协议开发系统就可以 解决这一问题。孙云云提出的一种工业实时数据库OPC UA数据接口实现(孙 云云，一种工业实时数据库OPC UA数据接口实现，上海电气集团有限公司， CN109145000A，2019.01.04)解决已有实时数据库与设备之间数据无法传输的 问题，但是没有解决远程数据采集和远程查看数据的问题。郭顺生提出的一种基 于OPC UA协议的现场数据采集与监控系统模块及方法(郭顺生，一种基于OPC UA协议的现场数据采集与监控系统模块及方法，武汉理工大学， CN108469790A，2018.08.31)在一定程序上能够满足车间数据采集与监控的需 求，但是由于需要将设备和电脑相连接，无法摆脱地点的限制，现场布线麻烦。
发明内容
本发明要克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统。
首先该系统能够克服工业控制系统与现场设备通讯安全，难以同时采集多种 设备的问题，其次也解决了通过嵌入式工控机对设备进行数据采集，可以不受地 点的拘束，且现场布线方便，再者通过Zookeeper服务进行配置文件更新，可以 很好的提升了系统的可靠性，最后通过将OPC UA服务器运行在嵌入式工控机中， 对设备进行数据采集、数据存储等任务，验证了大型制造系统基于OPC UA协议 方案的可行性。
本发明为解决现有技术问题所采用的技术方案是：
一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统，其特征在于：包括底层设 备；OPCUA服务器；应用层；
所述底层设备包括多个PLC设备，通过建立物理连接，将各PLC设备与嵌 入式工控机之间进行连接，并将其所有PLC设备保持在同一网段。所述的PLC 设备与OPC UA服务器中的PC通讯模块进行双向通讯，PLC设备向PC通讯模 块传输设备控制信号，PC通讯模块向PLC设备传输配置信息；
所述的OPC UA服务器，包括系统配置模块；数据处理模块；事件处理模 块；数据采集模块；数据存储模块；PC通讯模块；
系统配置模块，通过配置界面初始化PLC设备的输入输出信号、信号端口、 信号名称并生成XML配置文件，通过Zookeeper服务上传到对应主题中，当接 收OPC UA服务器更新信息的请求时，将最新的配置文件传输给数据处理模块；
数据处理模块，通过OPC UA服务器启动，向Zookeeper服务发出请求更新 信息，获取最新的配置文件，对XML配置文件进行分析，接收来自系统配置模 块的配置文件，将数据采集相关信息传输给数据采集模块，将事件信息传输给事 件处理模块；
数据采集模块，接收来自数据处理模块传输的采集信息，将这些信息传递给 PC通讯模块进行数据采集；
事件处理模块，接收来自数据处理模块传输事件信息，取出数据报警项的报 警值上传，将对应数据最终传输给数据存储模块；
数据存储模块，接收来自事件处理模块的信息和接收来自PC通讯模块传输 的信息，进行异构数据存储；
PC通讯模块，和底层设备建立通讯，接收来自数据采集模块传输的数据采 集信息，对底层设备(PLC设备)进行数据采集，接收底层设备数据值，通过配 置信息可以取出多种通讯协议中的数据值，将数据值传递给数据存储模块；
所述应用层，调用OPC UA服务器中的接口，构成远程查看设备数据和状 态的功能。
OPC UA服务器运行在运行Linux-Arm操作系统的嵌入式工控机中，使用 C#语言编写服务器代码，OPC UA服务器采用.NET Core3.1框架，使得OPC UA 服务器可以在Windows、Linux、CentOS多平台运行。
所述的配置文件模块采用Zookeeper，通过ZooKeeper完成了系统中所有配 置文件的高效管理，同时通过ZooKeeper对系统中的重要配置进行备份提升了系 统的可靠性。
所述的数据存储模块使用关系型数据库，存储所有的采集配置的设备名、连 接URL、测量点及测量点NodeID值。
所述的应用层中留有数据分析模块接口，使用实时数据分析模块，对设备进 行故障诊断。
本发明只需要经过简单的配置和现场布线，就可以对市场上主流的所有PLC 设备进行实时数据采集、数据存储、远程实时监控和预测性维护等功能。
本发明的优点是：
本发明比较其他类型的PLC数据采集系统，首先由于采用了.NET Core3.1 框架，使系统可以在多个平台上运行，本发明中OPC UA服务器运行在Linux-Arm 操作系统的嵌入式工控机中，可以摆脱地点的限制，然后可以保证工业控制系统 与现场设备通讯的安全，也支持连接多种品牌的PLC设备，并且采用OPC UA协 议对设备进行采集，可以解决设备多样化问题，插件式开发能保证系统的可拓展 性，最后提供远程监控，可以远程查看设备的实时数据信息、历史数据信息和设 备在线情况，云端将同时实时分析设备的实时数据，对设备进行预测性维护。可 以解决工厂PLC设备多样化、采集难度大的问题。
附图说明
图1为本发明的系统框架。
图2为本发明的系统硬件框图。
具体实施方式
以下为结合附图对本发明的实施做进一步详述。
参照图1，一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统包括OPC UA服 务器、底层设备和应用层三部分组成。OPC UA服务器包括系统配置模块、数据 处理模块、事件处理模块、数据采集模块、数据存储模块和PC通讯模块。底层 设备通过工业以太网或者RS232/485总线等方式和嵌入式工控机相连接。应用层 通过对数据库的查询分别进行设备在线情况、实时数据、历史数据和设备在线诊 断等任务。
如图2所示，一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统主要包括PLC1 为一台西门子S7-1200 PLC，PLC2为一台欧姆龙Fine Tcp PLC，PLC3为一台三 菱A-3C PLC，4.OPCUA服务器运行在一台飞凌嵌入式OK5718-C开发板 (Linux-Arm系统)，5.配置界面运行在Windows操作系统的PC机中，6.OPC UA 服务器将采集的数据通过4G或无线的形式存储到云端服务器，供Web端进行实 时监控和预测性维护。
结合图1和图2，本发明专利的具体实施方式如下：
一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统，其特征在于：包括底层设 备；OPCUA服务器和应用层。
其中，所述底层设备包括各种型号的PLC设备，通过建立物理连接，将需 要进行采集的PLC设备与嵌入式工控机之间通过工业以太网或其它总线模式进 行连接，并将其所有设备保持在同一网段。底层设备与PC通讯模块进行双向通 讯，PLC设备向PC通讯模块传输设备控制信号，PC通讯模块向PLC设备传输 配置信息；
PLC：通过博途软件对PLC设备进行IP地址、端口号的设置，使其所有PLC 设备和嵌入式工控机位于同一网段中，打开PLC程序，在组态中修改PLC通讯 端口、寄存器读写起始地址、通讯端口和位置偏移量，编译下载PLC程序。
所述的OPC UA服务器，包括系统配置模块；数据处理模块；事件处理模 块；数据采集模块；数据存储模块；PC通讯模块，
系统配置模块，通过配置界面配置PLC设备的输入输出信号、信号端口、 信号名称并生成XML配置文件，通过Zookeeper服务上传到对应主题中，供OPC UA服务器启动时，自动热更新最新的配置文件，当接收OPC UA服务器的请求 更新信息时，将最新的配置文件传输给数据处理模块；
数据处理模块，通过OPC UA服务器启动，访问Zookeeper服务取到的最新 的配置文件，对XML配置文件进行分析，接收来自系统配置模块的配置文件， 将数据采集相关信息传输给数据采集模块，将事件信息传输给事件处理模块；
数据采集模块，接收来自数据处理模块传输的采集信息，将这些信息传递给 PC通讯模块进行数据采集；
事件处理模块，接收来自数据处理模块传输事件信息，取出数据报警项的报 警值上传，将对应数据最终传输给数据存储模块；
数据存储模块，接收来自事件处理模块的信息和接收来自PC通讯模块传输 的信息，进行异构数据存储；
PC通讯模块，和底层设备建立通讯，接收来自数据采集模块传输的数据采 集信息，对PLC设备进行数据采集，取出用户需要的底层设备数据值，通过配 置信息可以取出多种通讯协议中的数据值，将数据值传递给数据存储模块；
所述应用层，调用OPC UA服务器中的接口，构成远程查看设备数据和状 态的功能。
实时数据：通过向Redis数据库查询，实时将数据显示在Web网页上，方便 用户远程实时查看工厂设备数据。
历史数据：负责历史数据在磁盘文件中的存储，压缩、读取、访问。从MySQL 中根据日期区间以及设备节点名称查询该设备在日期区间内的数据。为了方便使 用者配置查询信息，历史数据查询模块提供了向导功能。
设备在线诊断：本系统提供一个设备在线诊断的接口，和一个简单的数据分 析的训练模型，将设备工作参数传输到模型中，通过模型分析设备运行情况，如 果分析结果设备出现故障，则通过云端服务器发生一条短信给用户，通知设备出 现故障。
设备在线情况：在服务器中，定义一个TypeName函数，TypeName函数获 取的标识码是唯一的标识码，该标识码通过MD5算法生成，各个设备不会重复， 在异型客户端访问设备数据时可直接通过该标识码定位到该设备的数据。
以上是整个系统的具体操作介绍，通过OPC UA协议对PLC设备进行数据 采集可以让系统支持连接和读取更多市场上主流设备的信息，让系统各个模块之 间高内聚低耦合，提高系统开发速度；并且通过Web端对实时数据进行预测性 维护，预测设备是否出现故障，这也给设备长时间稳定工作提供便利；由于本系 统采用分布式异构数据存储的方式进行存储数据，来保证系统可以低延时，降低 系统的能耗；服务器运行在基于ARM架构且运行Linux操作系统的嵌入式工控 机中，不近精简了装置结构而且大幅度提高了系统的稳定性和可靠性；提供OPC UA服务器不仅可以跨平台运行，并且大大简化了数据采集的复杂性。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的 保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及 于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统，其特征在于：包括底层设备、OPC UA服务器、应用层；
所述底层设备包括多个PLC设备，通过建立物理连接，将各PLC设备与嵌入式工控机之间进行连接，并将其所有PLC设备保持在同一网段。所述的PLC设备与OPC UA服务器中的PC通讯模块进行双向通讯，PLC设备向PC通讯模块传输设备控制信号，PC通讯模块向PLC设备传输配置信息；
所述的OPC UA服务器，包括系统配置模块、数据处理模块、事件处理模块、数据采集模块、数据存储模块、PC通讯模块；
系统配置模块，通过配置界面初始化PLC设备的输入输出信号、信号端口、信号名称并生成XML配置文件，通过Zookeeper服务上传到对应主题中，当接收OPC UA服务器更新信息的请求时，将最新的配置文件传输给数据处理模块；
数据处理模块，通过OPC UA服务器启动，向Zookeeper服务发出请求更新信息，获取最新的配置文件，对XML配置文件进行分析，接收来自系统配置模块的配置文件，将数据采集相关信息传输给数据采集模块，将事件信息传输给事件处理模块；
数据采集模块，接收来自数据处理模块传输的采集信息，将这些信息传递给PC通讯模块进行数据采集；
事件处理模块，接收来自数据处理模块传输事件信息，取出数据报警项的报警值上传，将对应数据最终传输给数据存储模块；
数据存储模块，接收来自事件处理模块的信息和接收来自PC通讯模块传输的信息，进行异构数据存储；
PC通讯模块，和底层设备建立通讯，接收来自数据采集模块传输的数据采集信息，对底层设备(PLC设备)进行数据采集，接收底层设备数据值，通过配置信息可以取出多种通讯协议中的数据值，将数据值传递给数据存储模块；
所述应用层，调用OPC UA服务器中的接口，构成远程查看设备数据和状态的功能。
2.根据权利要求书1所述的一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统，其特征在于：OPC UA服务器运行在运行Linux-Arm操作系统的嵌入式工控机中，使用C#语言编写服务器代码，OPC UA服务器采用.NET Core3.1框架，使得OPC UA服务器可以在Windows、Linux、CentOS多平台运行。
3.根据权利要求书1所述的一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统，其特征在于：所述的配置文件模块采用Zookeeper，通过ZooKeeper完成了系统中所有配置文件的高效管理，同时通过ZooKeeper对系统中的重要配置进行备份提升了系统的可靠性。
4.根据权利要求书1所述的一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统，其特征在于：所述的数据存储模块使用关系型数据库，存储所有的采集配置的设备名、连接URL、测量点及测量点NodeID值。
5.根据权利要求书1所述的一种基于.NET Core的OPC UA协议服务器系统，其特征在于：所述的应用层中留有数据分析模块接口，使用实时数据分析模块，对设备进行故障诊断。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200828 |