CN111756626B - 一种基于opc ua的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法 - Google Patents

一种基于opc ua的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法，基于设备供应商支持的专用协议，建立与设备之间的数据通信，获取运行数据，进行边缘计算，并存储原始数据与预处理结果；基于OPC UA对产线边缘设备进行信息建模，将模型节点与底层数据、接口进行关联映射，构建OPC UA服务器，统一设备数据接口；通过参数写入实现对边缘设备的反馈控制，有效地解决传统网关只能实现数据单向流动，上层应用结果无法及时正确地反馈至边缘设备的缺点；此外，网关对外开放MQTT、TCP/IP、UDP等多种协议接口，支持用户二次开发，保证了网关的可扩展性，对产线设备的纵向集成与产线的闭环控制具有重要的现实意义。

Description

一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法
技术领域
本发明属于智能工厂边缘设备组网通信技术领域，具体涉及一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法。
背景技术
在复杂零件加工过程中，产线设备时刻产生大量制造数据，这些数据蕴含了设备加工过程的诸多信息，可有效地反映产线精度的动态变化规律。然而由于产线设备类型众多、通信协议多样，导致物理系统与信息系统严重割裂，生产制造数据缺乏共享，数据驱动的加工产线精度控制难以实现。因此，如何统一产线边缘设备的数据接口，进而实现产线设备的纵向集成具有重要的现实意义。
从国内外研究现状来看，针对产线设备组网通信技术，尽管西门子、FANUC等公司实现了产线设备的纵向集成，完成了底层设备与云端之间的数据交互，但产线只包含各自生产的系统型号，设备组网基于各自特定的通信协议来实现。而在实际加工生产线中，边缘设备类型多样，呈现多源异构特征，设备纵向集成涉及多种设备通讯协议。基于特定协议进行组网通信，不仅导致系统的灵活性、可扩展性较差，而且对软件开发人员要求较高，需要了解并熟练应用各种通信协议。此外，目前市场现有网关装置，只能实现设备数据从边缘到云端单向流动，上层应用结果无法及时正确地反馈至底层边缘设备。因此，急需提出一种新型产线设备纵向集成网关及实现方法，以统一边缘设备数据接口，降低软件开发难度，提高整个系统的灵活性与可扩展性，解决产线“信息孤岛”现状，实现数据的双向流动和产线的闭环控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于OPCUA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法，统一边缘设备的数据通信协议，解决生产制造数据缺乏共享问题，实现数据的双向流动和产线的闭环控制，提高边缘设备数据交互的灵活性与可扩展性。
本发明采用以下技术方案：
一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，包括：
设备通信接口模块，基于设备供应商提供的设备专用协议，建立与产线边缘设备之间的通信连接，为数据采集模块和参数写入模块提供二次开发接口；
数据采集模块，基于设备二次开发接口实时获取边缘设备运行数据，对高频信号进行数据预处理和特征提取，并将原始运行数据与边缘计算结果存储于磁盘文件或本地数据库中；
参数写入模块，主要响应外部对上层OPC UA服务器模块中地址空间节点的写服务和调用服务，接收地址空间中变量节点和方法节点信息，调用设备通信接口模块中的参数写入接口，将服务器参数写入至边缘设备，实现上层应用信息自主反馈。
OPC UA服务器模块，提供OPC UA服务集函数接口，加载并实例化边缘设备信息模型，将数据采集模块、参数写入模块提供的数据和接口与实例化后的节点进行一一映射，构建服务器地址空间，实现OPC UA服务器模块与外部客户端之间的通信。
对外多协议接口模块，提供MQTT、TCP/IP、UDP多种协议接口，将底层模块中得到的数据进行标准化处理，实现边缘设备与云端或不支持OPC UA通信协议的产线网络的无缝连接。
具体的，设备通信接口模块支持的通信协议包括RS232、RS422、RS485、USB、Modbus、TCP/IP、UDP、MTConnect和FOCAS。
具体的，数据采集模块包括数据采集单元、数据可视化单元、边缘计算单元和数据存储单元；
数据采集单元基于设备二次开发接口实时获取边缘设备运行数据；
数据可视化单元对设备运行数据进行实时动态刷新显示，监控边缘设备运行状态；
边缘计算单元对设备运行高频数据进行数据预处理，对数据的时域、频域典型特征进行提取；
数据存储单元将设备原始运行数据与边缘计算结果存储于本地PostgreSQL、MongoDB数据库或JSON、TXT文件中。
具体的，OPC UA服务器模块包括数据通信单元、信息模型单元和节点管理单元；
数据通信单元包含OPC UA协议栈和OPC UA SDK，提供OPC UA服务集函数接口，实现OPC UA服务器与外部客户端之间的通信；
信息模型单元加载基于OPC UA产线边缘设备信息模型文件，并对信息建模得到的设备模型进行实例化，完成服务器地址空间的构建；
节点管理单元管理服务器地址空间中的节点，设置节点的浏览名称、读写权限属性，并完成节点与底层模块数据信息、接口关联映射。
进一步的，信息模型单元中节点与底层数据信息关联映射的过程具体如下：
将设备信息模型实例化后的位于对象节点目录下的变量节点与数据采集模块中由数据采集单元采集得到的边缘设备低频信号和由边缘计算单元得到的高频信号的时频域特征与进行一一映射，并实时动态刷新底层数据；将设备信息模型实例化后位于对象节点目录下的方法节点与参数写入模块中的参数写入接口进行一一映射，即将方法节点输入参数与参数写入接口形参进行绑定，将方法节点输出参数与参数写入接口返回值进行绑定。
进一步的，基于OPC UA的产线边缘设备信息模型具体为：
将地址空间模型扩展为适用于复杂零件批量加工产线领域的信息模型，建立描述数控机床、机器人、PLC、三坐标测量机设备类型的信息模型，根据设备属性与功能，信息模型包括设备信息类型、轴类类型、控制系统类型、辅助装置类型以及方法集类型，设备信息类型描述设备的基本静态属性信息，轴类型描述设备驱动系统信息，控制系统类型描述设备控制系统的动态信息，辅助系统描述设备辅助系统组件运行状态信息，方法集类型主要用于数控装备，包括程序执行加载、各类参数写入和程序传输下载，建模时根据具体的边缘设备属性及功能对上述类型进行动态组合。
具体的，对外多协议接口模块包括MQTT通信单元和Socket通信单元；
MQTT通信单元负责将OPC UA服务器模块中地址空间节点信息进行标准化处理，得到JSON格式描述的message，通过MQTT Pub对外发布标准化的数据结构，实现边缘设备数据上云，通过MQTT Sub订阅外部代理指定topic的数据，将数据交由网关其他底层模块进行处理，实现数据的双向流动；
Socket通信单元将OPC UA服务器模块中地址空间节点数据进行打包，将OPC UA协议转化为TCP/IP或UDP协议，提供开放的接口，实现网关与不支持OPC UA协议的产线网络之间的无缝连接。
进一步的，JSON格式描述的message包括：发布者ID、时间戳、序列号和设备数据；发布者ID用于标识消息的来源；时间戳用于标识边缘设备数据的采集时刻；序列号用于标识消息的序列，对消息进行排序；设备数据由节点数据值和节点数据类型两个字段组成的列表，包含服务器模块地址空间所有节点数据和对应类型。
本发明的另一个技术方案是，一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关的实现方法，具体步骤如下：
S1、利用设备系统支持的二次开发接口或协议，通过设备通信接口模块，建立与边缘设备之间的数据通信，传输上层模块的数据，完成与边缘设备之间的数据交互；
S2、建立数据采集模块，获取边缘设备运行数据，进行实时动态可视化监控，对高频信号进行数据预处理与时频域关键特征提取，并将原始运行数据与边缘计算结果保存至数据库或文件中；
S3、参数写入模块响应外部对服务器节点的写服务和调用服务，调用设备通信接口模块中的参数写入接口，实现服务器参数写入至边缘设备；
S4、对边缘设备进行信息建模，分析设备属性与具体功能，合理划分设备组件，得到基于OPC UA的产线边缘设备信息模型；
S5、对信息模型文件进行编译，将模型中的各个设备转化为对应的设备类，建立OPC UA服务器模块，用实例化之后的设备对象构建服务器地址空间，完成服务器的初步搭建；
S6、建立OPC UA服务器模块中地址空间节点与由数据采集模块、参数写入模块提供的数据和接口参数之间的一一映射关系，实现边缘设备协议向OPC UA协议的封装、转化。
S7、建立对外多协议接口模块，进一步将OPC UA协议转化成MQTT、TCP/IP、UDP多种协议，通过MQTT单元实现边缘设备与云端之间的双向数据流动，通过Socket单元实现网关与不支持OPC UA协议的产线网络的无缝连接。
具体的，步骤S5中，设备类型实例化的具体方式为：
在信息建模过程中直接对产线设备类型进行实例化，得到相应的设备对象；在创建服务器地址空间的同时，基于面向对象的思想对经编译之后产生的设备类进行实例化，得到具体的设备对象。根据服务器搭建的具体情况合理选取设备实例化的方式。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，实现了不同厂商专用协议向OPC UA协议的封装与转化，使产线设备可以通过OPC UA通信协议进行统一管控。不仅有效地解决了制造数据无法共享的现状，而且显著地提高了上层应用软件的灵活性，进而保证了产线系统的可扩展性。
进一步的，本发明网关建立的OPC UA服务器模块，通过对产线边缘设备进行信息建模，在此基础上，构建服务器地址空间，实现了设备系统厂商专用协议向OPC UA协议的转化，统一了数据接口，实现数据的双向流动，为不支持OPC UA协议的系统特别是国产数控系统，研究OPC UA协议实现提供了良好的解决思路。
进一步的，网关包含数据采集模块，可在边缘实现对产线设备原始高频采样数据直接采集、预处理、时频域特征提取和数据存储，有效地降低了边缘设备数据传输的压力，同时弥补了OPC UA通信协议实时性较低的问题。
进一步的，网关支持设备专用协议向MQTT、TCP/IP、UDP多种标准协议转化，为边缘设备与云端或不支持OPC UA协议的产线网络提供标准接口，支持用户二次开发。
本发明一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关的实现方法，对边缘设备进行标准化信息建模，基于本发明提出的设备纵向集成网关，短时间内可实现产线设备的纵向集成与闭环反馈控制。
综上所述，本发明提供的一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法，统一了边缘设备数据通信协议，实现了产线设备的互联互通。可有效地解决复杂零件批量加工生产线因设备通信协议多样造成“信息孤岛”问题，同时实现了设备的纵向集成，打通了边缘与云端之间的数据流，具有重要的现实意义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明整体架构示意图；
图2是本发明一种具体实施例对应的硬件连接示意图；
图3是本发明针对给出的一种具体实施例对应的实际测试结果图。
具体实施方式
本发明一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，包括设备通信接口模块、数据采集模块、参数写入模块、OPC UA服务器模块和对外多协议接口模块。
设备通信接口模块基于设备供应商提供的设备专用协议，建立与产线边缘设备之间的通信连接，为数据采集模块和参数写入模块提供二次开发接口；设备通信接口模块支持RS232、RS422、RS485、USB、Modbus、TCP/IP、UDP、MTConnect和FOCAS通信协议。
数据采集模块基于设备二次开发接口实时获取边缘设备运行数据，对高频信号进行数据预处理和特征提取，并将原始运行数据与边缘计算结果存储于磁盘文件或本地数据库中；
数据采集模块包括数据采集单元、数据可视化单元、边缘计算单元、数据存储单元。
数据采集单元基于设备二次开发接口实时获取边缘设备运行数据，为其他单元提供数据支持；数据可视化单元对数据采集单元得到设备运行数据进行实时动态刷新显示，监控边缘设备运行状态；边缘计算单元基于数据采集单元得到的高频采样数据进行数据预处理，对数据的时域、频域典型特征进行提取，并将计算处理结果交付数据存储单元和上层模块，减轻网关数据传输压力；数据存储单元将数据采集单元得到的设备原始运行数据与边缘计算单元数据预处理结果存储于本地PostgreSQL、MongoDB数据库或JSON、TXT文件中；
参数写入模块主要响应外部对上层OPC UA服务器模块中地址空间节点的写服务和调用服务，接收地址空间中变量节点和方法节点信息，调用设备通信接口模块中的参数写入接口，实现服务器参数写入至边缘设备。
OPC UA服务器模块移植OPC UA协议栈和OPC UA SDK，提供OPC UA服务集函数接口，加载并实例化边缘设备信息模型，将数据采集模块、参数写入模块提供的数据和接口与实例化后的节点进行一一映射，构建服务器地址空间，实现OPC UA服务器模块与外部客户端之间的通信。
OPC UA服务器模块包括数据通信单元、信息模型单元、节点管理单元。
数据通信单元包含OPC UA协议栈和OPC UA SDK，为信息模型单元、节点管理单元以及外部客户端应用提供OPC UA服务集函数接口，实现OPC UA服务器与外部客户端之间的通信；信息模型单元通过数据通信单元提供的OPC UA SDK，加载基于OPC UA产线边缘设备信息模型文件，并对信息建模得到的设备模型进行实例化，完成服务器地址空间的构建；节点管理单元通过数据通信单元提供的OPC UA SDK管理由信息模型单元建立服务器地址空间中的节点，设置节点的浏览名称、读写权限属性，并完成节点与底层模块数据信息关联映射。
信息模型单元中节点与底层数据信息关联映射的具体过程：
将设备信息模型实例化后的位于对象节点目录下的变量节点与数据采集模块中由数据采集单元采集得到的边缘设备低频信号和由边缘计算单元得到的高频信号的时频域特征与进行一一映射，并实时动态刷新底层数据；将设备信息模型实例化后位于对象节点目录下的方法节点与参数写入模块中的参数写入接口进行一一映射，即将方法节点输入参数与参数写入接口形参进行绑定，将方法节点输出参数与参数写入接口返回值进行绑定。
基于OPC UA的产线边缘设备信息模型具体为：
将地址空间模型扩展为适用于复杂零件批量加工产线领域的信息模型，即建立描述数控机床、机器人、PLC、三坐标测量机设备类型的信息模型，根据设备属性与功能，信息模型主要包括设备信息类型、轴类类型、控制系统类型、辅助装置类型以及方法集类型。
设备信息类型描述设备的基本静态属性信息，轴类型描述设备驱动系统信息，控制系统类型描述设备控制系统的动态信息，辅助系统描述设备辅助系统组件运行状态信息，方法集类型主要用于数控装备，包括程序执行加载、各类参数写入和程序传输下载方法。建模时可根据具体的边缘设备对上述类型进行动态组合。
对外多协议接口模块提供MQTT、TCP、UDP多种协议接口，将底层模块中得到的数据进行标准化处理，实现边缘设备与云端或不支持OPC UA通信协议的产线网络的无缝连接。
对外多协议接口模块包括MQTT通信单元和、Socket通信单元，二者分别对外提供MQTT协议的标准接口和用于用户二次开发的TCP/IP、UDP协议接口。
MQTT通信单元负责将OPC UA服务器模块中地址空间节点信息进行标准化处理，得到JSON格式的message，通过MQTT Pub对外发布标准化的数据结构，实现边缘设备数据上云，通过MQTT Sub订阅外部代理指定的topic数据，将数据交由网关其他底层模块处理；Socket通信单元将OPC UA服务器模块中地址空间节点数据进行打包，将OPC UA协议转化为TCP/IP或UDP协议，实现网关与不支持OPC UA协议的产线网络之间的无缝连接。
JSON格式的message包括：发布者ID、时间戳、序列号、设备数据。
发布者ID用于标识消息的来源；时间戳用于标识边缘设备数据的采集时刻；序列号用于标识消息的序列，对消息进行排序；设备数据是由节点数据值和节点数据类型两个字段组成的数组，包含服务器模块地址空间所有节点数据和对应类型。
本发明基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用设备系统支持的二次开发接口或协议，通过设备通信接口模块，建立与边缘设备之间的数据通信，传输上层模块的数据，完成与边缘设备之间的数据交互；
S2、建立数据采集模块，获取边缘设备运行数据，进行实时动态可视化监控，对高频信号进行数据预处理与时频域关键特征提取，并将原始运行数据与边缘计算结果保存至数据库或文件中；
S3、参数写入模块响应外部对服务器节点的写服务和调用服务，调用设备通信接口模块中的参数写入接口，实现服务器参数写入至边缘设备；
S4、对边缘设备进行信息建模，分析设备属性与具体功能，合理划分设备组件，得到基于OPC UA的产线边缘设备信息模型；
S5、对信息模型文件进行编译，将模型中的各个设备转化为对应的设备类，建立OPC UA服务器模块，用实例化之后的设备对象构建服务器地址空间，完成服务器的初步搭建；
设备类型实例化的具体方式为：
在信息建模过程中直接对产线设备类型进行实例化，得到相应的设备对象；在创建服务器地址空间的同时，基于面向对象的思想对经编译之后产生的设备类进行实例化，得到具体的设备对象。根据服务器搭建的具体情况合理选取设备实例化的方式。
S6、建立OPC UA服务器模块中地址空间节点与由数据采集模块、参数写入模块提供的数据和接口参数之间的一一映射关系，实现边缘设备协议向OPC UA协议的封装。
S7、建立对外多协议接口模块，进一步将OPC UA协议转化成MQTT、TCP/IP、UDP多种协议，通过MQTT单元实现设备与云端之间的信息交互，通过Socket单元实现网关与不支持OPC UA协议的产线网络的无缝连接。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，采用图1所示的网关整体架构示意图，将整个产线设备的通信协议统一为OPC UA协议。在此基础上，不仅可以实现边缘设备与云端进行双向数据交互，而且可实现边缘设备与不支持OPC UA协议的产线网络的无缝连接。相比目前存在的网关装置，本发明中提出的设备纵向集成网关不仅可以实现基于OPC UA数据采集传输，而且可以实现参数写入至边缘设备，解决了当前产线数据只能单向流动的缺点，实现产线的自主闭环反馈控制，为产线生产过程的智能管控和精度控制自愈奠定了良好的基础，具有重要的现实意义。
请参阅图2、图3，基于图1所示的网关整体架构，采用图2所示的硬件连接方法，图3所示的OPC UA客户端，建立了与本发明实施例中所选设备—宝鸡VMC850B设备(支持TCP/IP协议)之间的OPC UA通信，加载并浏览该设备的信息模型，实现对该类设备系统的统一管理与监控，充分证明了本发明网关及其实现方法具有良好的可行性。
请参阅图2，本发明一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法，在具体实施方式中，以配有GSK25i系统的宝鸡VMC850B机床为例，具体内容如下：
本发明一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，设备通信接口模块、数据采集模块、参数写入模块、OPC UA服务器模块和对外多协议接口模块。
设备通信接口模块基于设备供应商提供的设备专用协议(本发明实施例中设备协议为TCP/IP)，建立与产线边缘设备(本发明实施例中设备为VMC850B)之间的通信连接，为数据采集模块和参数写入模块提供二次开发接口；
数据采集模块包括数据采集单元、数据可视化单元、边缘计算单元、数据存储单元。数据采集单元基于设备二次开发接口实时获取边缘设备(本发明实施例中设备为VMC850B)运行数据；数据可视化单元对设备运行数据进行实时动态刷新显示，监控边缘设备运行状态；边缘计算单元对设备运行高频数据进行数据预处理，对数据的时域、频域典型特征进行提取，减轻网关数据传输压力；数据存储单元将设备原始运行数据与边缘计算结果存储于本地MongoDB数据库和JSON文件中；
参数写入模块主要响应外部对上层OPC UA服务器模块中地址空间节点的写服务和调用服务，接收地址空间中变量节点和方法节点信息，调用设备通信接口模块中的参数写入接口，实现服务器参数写入至边缘设备(本发明实施例中设备为VMC850B)。
OPC UA服务器模块移植OPC UA协议栈和OPC UA SDK，提供OPC UA服务集函数接口，加载并实例化边缘设备(本发明实施例中设备为VMC850B)信息模型，将数据采集模块、参数写入模块提供的数据和接口与实例化后的节点进行一一映射，构建服务器地址空间，实现OPC UA服务器模块与外部客户端之间的通信。
具体的，OPC UA服务器模块包括数据通信单元、信息模型单元、节点管理单元。数据通信单元包含OPC UA协议栈和OPC UA SDK，提供OPC UA服务集函数接口，实现OPC UA服务器与外部客户端之间的通信；信息模型单元加载基于OPC UA产线边缘设备信息模型文件，并对信息建模得到的设备模型进行实例化，完成服务器地址空间的构建；节点管理单元管理服务器地址空间中的节点，设置节点的浏览名称、读写权限属性，并完成节点与底层模块数据信息关联映射。
进一步的，信息模型单元中节点与底层数据信息关联映射的过程为：
将设备信息模型实例化后的位于对象节点目录下的变量节点与数据采集模块中由数据采集单元采集得到的边缘设备低频信号和由边缘计算单元得到的高频信号的时频域特征与进行一一映射，并实时动态刷新底层数据；将设备信息模型实例化后位于对象节点目录下的方法节点与参数写入模块中的参数写入接口进行一一映射，即将方法节点输入参数与参数写入接口形参进行绑定，将方法节点输出参数与参数写入接口返回值进行绑定。
其中，基于OPC UA的产线边缘设备(本发明实施例中设备为VMC850B)信息模型具体为：
请参阅图3，将地址空间模型扩展为适用于复杂零件批量加工产线领域的信息模型，即建立描述数控机床(本发明实施例中设备为VMC850B)设备类型的信息模型，根据设备属性与功能，信息模型主要包括设备信息类型、轴类类型、控制系统类型、辅助装置类型以及方法集类型。
具体的，设备信息类型描述设备的基本静态属性信息，轴类型描述设备驱动系统信息，控制系统类型描述设备控制系统的动态信息，辅助系统描述设备辅助系统组件运行状态信息，方法集类型主要用于数控装备，包括程序执行加载、各类参数写入和程序传输下载方法。
对外多协议接口模块提供MQTT、TCP/IP、UDP多种协议接口，将底层模块中得到的数据进行标准化处理，实现边缘设备与云端或不支持OPC UA通信协议的产线网络之间的无缝连接。
具体的，对外多协议接口模块包括MQTT通信单元、Socket通信单元。MQTT通信单元负责将OPC UA服务器模块中地址空间节点信息进行标准化处理，得到JSON格式的message，通过MQTT Pub对外发布标准化的数据结构，实现边缘设备数据上云，通过MQTT Sub订阅外部代理指定topic的数据，将数据交由网关其他底层模块处理，实现数据的双向流动；Socket通信单元将OPC UA服务器模块中地址空间节点数据进行打包，将OPC UA协议转化为TCP/IP或UDP协议，实现网关与不支持OPC UA协议的产线网络之间的无缝连接。
进一步的，JSON格式的message包括：发布者ID、时间戳、序列号、设备数据。发布者ID用于标识消息的来源；时间戳用于标识边缘设备(本发明实施例中设备为VMC850B)数据的采集时刻；序列号用于标识消息的序列，对消息进行排序；设备数据是由节点数据值和节点数据类型两个字段组成的数组，包含服务器模块地址空间所有节点数据和对应类型。
本发明基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关实现方法的步骤如下：
S1、利用设备系统(本发明实施例中设备系统为GSK25i)支持的二次开发接口，通过设备通信接口模块，建立与边缘设备(本发明实施例中设备为VMC850B)之间的数据通信，传输上层模块的数据，完成与边缘设备之间的数据交互；
S2、建立数据采集模块，获取边缘设备运行数据，进行实时动态可视化监控，对高频信号进行数据预处理与时频域关键特征提取，并将原始运行数据与边缘计算结果保存至MongoDB数据库和JSON文件中；
S3、参数写入模块响应外部对服务器节点的写服务和调用服务，调用设备通信接口模块中的参数写入接口，实现服务器参数写入至边缘设备(本发明实施例中设备为VMC850B)；
S4、请参阅图3，对边缘设备进行信息建模，分析设备属性与具体功能，合理划分设备组件，得到基于OPC UA的产线边缘设备信息模型；
S5、对信息模型文件进行编译，将模型中的各个设备转化为对应的设备类，建立OPC UA服务器模块，用实例化之后的设备对象构建服务器地址空间，完成服务器的初步搭建；
设备类型实例化的具体方式为：在创建服务器地址空间的同时，基于面向对象的思想对经编译之后产生的设备类进行实例化，得到具体的设备对象。
S6、建立OPC UA服务器模块中地址空间节点与由数据采集模块、参数写入模块提供的数据和接口参数之间的一一映射关系，实现边缘设备协议向OPC UA协议的封装。
S7、建立对外多协议接口模块，将OPC UA协议转化成MQTT、TCP/IP、UDP多种协议，通过MQTT单元实现数据上云，通过Socket单元实现网关与不支持OPC UA协议的产线网络的无缝连接。
综上所述，针对目前产线设备类型众多、协议标准多样的问题，本发明提出一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法，通过对产线设备信息建模，将整个产线的通信协议统一为OPC UA协议。在此基础上，实现了对产线所有类型设备的统一管理与监控。有效地解决了传统网关装置只能实现设备数据单向流动，上层应用结果无法反馈至边缘设备的缺点。此外，本发明不仅有效地解决了制造数据无法共享的现状，而且对外支持多种协议接口，保证了网关的可扩展性，显著地提高了交互的灵活性，对产线边缘设备的纵向集成具有重要的现实意义。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，其特征在于，包括：
设备通信接口模块，基于设备供应商提供的设备专用协议，建立与产线边缘设备之间的通信连接，为数据采集模块和参数写入模块提供二次开发接口；
数据采集模块，基于设备二次开发接口实时获取边缘设备运行数据，对高频信号进行数据预处理和特征提取，并将原始运行数据与边缘计算结果存储于磁盘文件或本地数据库中；
数据采集模块包括数据采集单元、数据可视化单元、边缘计算单元和数据存储单元；
数据采集单元基于设备二次开发接口实时获取边缘设备运行数据；
数据可视化单元对设备运行数据进行实时动态刷新显示，监控边缘设备运行状态；
边缘计算单元对设备运行高频数据进行数据预处理，对数据的时域、频域典型特征进行提取；
数据存储单元将设备原始运行数据与边缘计算结果存储于本地PostgreSQL、MongoDB数据库或JSON、TXT文件中；
参数写入模块，主要响应外部对上层OPC UA服务器模块中地址空间节点的写服务和调用服务，接收地址空间中变量节点和方法节点信息，调用设备通信接口模块中的参数写入接口，将服务器参数写入至边缘设备，实现上层应用信息自主反馈；
OPC UA服务器模块，提供OPC UA服务集函数接口，加载并实例化边缘设备信息模型，将数据采集模块、参数写入模块提供的数据和接口与实例化后的节点进行一一映射，构建服务器地址空间，实现OPC UA服务器模块与外部客户端之间的通信；
OPC UA服务器模块包括数据通信单元、信息模型单元和节点管理单元；
数据通信单元包含OPC UA协议栈和OPC UASDK，提供OPC UA服务集函数接口，实现OPCUA服务器与外部客户端之间的通信；
信息模型单元加载基于OPC UA产线边缘设备信息模型文件，并对信息建模得到的设备模型进行实例化，完成服务器地址空间的构建；
节点管理单元管理服务器地址空间中的节点，设置节点的浏览名称、读写权限属性，并完成节点与底层模块数据信息、接口关联映射；
信息模型单元中节点与底层数据信息关联映射的过程具体如下：
将设备信息模型实例化后的位于对象节点目录下的变量节点与数据采集模块中由数据采集单元采集得到的边缘设备低频信号和由边缘计算单元得到的高频信号的时频域特征与进行一一映射，并实时动态刷新底层数据；将设备信息模型实例化后位于对象节点目录下的方法节点与参数写入模块中的参数写入接口进行一一映射，即将方法节点输入参数与参数写入接口形参进行绑定，将方法节点输出参数与参数写入接口返回值进行绑定；
基于OPC UA的产线边缘设备信息模型具体为：
将地址空间模型扩展为适用于复杂零件批量加工产线领域的信息模型，建立描述数控机床、机器人、PLC、三坐标测量机设备类型的信息模型，根据设备属性与功能，信息模型包括设备信息类型、轴类类型、控制系统类型、辅助装置类型以及方法集类型，设备信息类型描述设备的基本静态属性信息，轴类型描述设备驱动系统信息，控制系统类型描述设备控制系统的动态信息，辅助系统描述设备辅助系统组件运行状态信息，方法集类型主要用于数控装备，包括程序执行加载、各类参数写入和程序传输下载，建模时根据具体的边缘设备属性及功能对上述类型进行动态组合；
对外多协议接口模块，提供MQTT、TCP/IP、UDP多种协议接口，将底层模块中得到的数据进行标准化处理，实现边缘设备与云端或不支持OPC UA通信协议的产线网络之间的无缝连接。
2.根据权利要求1所述的基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，其特征在于，设备通信接口模块支持的通信协议包括RS232、RS422、RS485、USB、Modbus、TCP/IP、UDP、MTConnect和FOCAS。
3.根据权利要求1所述的基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，其特征在于，对外多协议接口模块包括MQTT通信单元和Socket通信单元；
MQTT通信单元负责将OPC UA服务器模块中地址空间节点信息进行标准化处理，得到JSON格式描述的message，通过MQTT Pub对外发布标准化的数据结构，实现边缘设备数据上云，通过MQTT Sub订阅外部代理指定topic的数据，将数据交由网关其他底层模块进行处理，实现数据的双向流动；
Socket通信单元将OPC UA服务器模块中地址空间节点数据进行打包，将OPC UA协议转化为TCP/IP或UDP协议，提供开放的接口，实现网关与不支持OPC UA协议的产线网络之间的无缝连接。
4.根据权利要求3所述的基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，其特征在于，JSON格式描述的message包括：发布者ID、时间戳、序列号和设备数据；发布者ID用于标识消息的来源；时间戳用于标识边缘设备数据的采集时刻；序列号用于标识消息的序列，对消息进行排序；设备数据由节点数据值和节点数据类型两个字段组成的列表，包含服务器模块地址空间所有节点数据和对应类型。
5.根据权利要求1所述基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关的实现方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、利用设备系统支持的二次开发接口或协议，通过设备通信接口模块，建立与边缘设备之间的数据通信，传输上层模块的数据，完成与边缘设备之间的数据交互；
S2、建立数据采集模块，获取边缘设备运行数据，进行实时动态可视化监控，对高频信号进行数据预处理与时频域关键特征提取，并将原始运行数据与边缘计算结果保存至数据库或文件中；
S3、参数写入模块响应外部对服务器节点的写服务和调用服务，调用设备通信接口模块中的参数写入接口，实现服务器参数写入至边缘设备；
S4、对边缘设备进行信息建模，分析设备属性与具体功能，合理划分设备组件，得到基于OPC UA的产线边缘设备信息模型；
S5、对信息模型文件进行编译，将模型中的各个设备转化为对应的设备类，建立OPC UA服务器模块，用实例化之后的设备对象构建服务器地址空间，完成服务器的初步搭建；
S6、建立OPC UA服务器模块中地址空间节点与由数据采集模块、参数写入模块提供的数据和接口参数之间的一一映射关系，实现边缘设备协议向OPC UA协议的封装、转化；
S7、建立对外多协议接口模块，进一步将OPC UA协议转化成MQTT、TCP/IP、UDP多种协议，通过MQTT单元实现边缘设备与云端之间的双向数据流动，通过Socket单元实现网关与不支持OPC UA协议的产线网络的无缝连接。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S5中，设备类型实例化的具体方式为：
在信息建模过程中直接对产线设备类型进行实例化，得到相应的设备对象；在创建服务器地址空间的同时，基于面向对象的思想对经编译之后产生的设备类进行实例化，得到具体的设备对象，根据服务器搭建的具体情况合理选取设备实例化的方式。
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