CN113031507A - 基于opc ua的现场总线中心服务器高效传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，基于OPC UA的现场总线由OPC UA服务器、控制网络、PLC控制器、新型逆变器、新型远程IO设备、数据转换器、老式逆变器、老式远程IO设备以及局域网构成，通过以下步骤来实现：a).轮询获取数据；b).数据解包；c).判断数值是否变化；d).数据打包；e).触发数据变更事件。本发明的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，对比传统的现场总线系统，我们提出的结构在多PLC协作控制的大型自动化系统中优势明显，特别是对于需要大量访问其他PLC总线设备的情况下，大大提高数据读写效率和速度，节约网络资源，为自动化系统扩张提供更便利的方式。

Description

基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法

技术领域

本发明涉及一种现场总线中心服务器高效传输方法，更具体的说，尤其涉及一种基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法。

背景技术

像PLC一样的自动化设备已经广泛应用在自动化生产系统中，小型的自动化生产系统一般采用基于本地IO的小型控制设备或者是单一控制器就可以满足要求；而大型生产系统往往需要多台控制设备的合作控制，通常这种大型生产系统都包括巨量的传感器和执行结构，这些大量的设备不能全部直接连接在PLC的本地IO上面，需要用现场总线设备连接。所以现场总线系统也是自动化控制系统中很重要的一个子系统。传统的现场总线系统中一条总线通常使用和PLC厂商相同制造商的产品，来保证设备的兼容性，但是使用主流厂商设备意味着更高的系统建设费用。

众所周知，PLC工作是以采用循环扫描进行的，一个循环中的得工作时间可以分为两个大的工作时间段：第一是逻辑扫描时间，在这个时间段内，PLC将已经读取到的各种输入条件的值代入逻辑进行计算，得出各种输出线圈的值；第二个时间段是设备扫描时间，在这个时间段中PLC要做三个工作，扫描输入设备的条件值，执行通信任务和输出计算出的线圈值到输出设备，如图1所示，给出了PLC的工作循环时间结构图。在大部分的自动化项目中，逻辑扫描时间和设备扫描时间的比例都是采用的默认时间比例10%，但是主流的PLC设备都是支持时间比例调节的，这样可以让工程师根据需要调节时间比例。通常大型自动化控制系统中的PLC循环时间都是100ms，如果是采用默认设置意味着用于设备扫描、输出和通信的时间只有仅仅10ms，在一般的项目中这个时间长度可以满足需求，但是随着工程扩大，会出现大量通信需求，设备扫描时间太短的话会造成同步性不足的问题。

特别是对于现场总线设备，其工作特性决定着这些设备需要大量的时间用于通信，所以现场总线设备的通信工作和PLC扫描异步进行的，由现场总线模块持续通信和各个远程模块进行交换数据，并将数据存储在自己的内存中，在PLC设备扫描时间再利用内存中的数据和PLC进行数据交换。

OPC是目前广泛应用在工业自动化系统中的一种通信结构，最早由微软公司在1987年提出的动态数据交换（DDE）协议发展而来，经过项目链接和嵌入协议（OLE）在1995年随着Windows 95的发布发展出支持实时数据交换（DA）的OPC（OLE for Process Control），然后在此基础上又发展处支持历史数据交换的（OPC HA）和提供警报和事件服务的（OPCAE）等其他的通信规则。这些通信规则通称为传统OPC协议。

但是随着科技的进步，嵌入式系统的性能也在逐步发展，同时应对管理方式进步的需求越来越多的设备接入需要给传统OPC协议带来一些新的挑战。为此由微软牵头大多数主流自动化设备厂商组成的OPC基金会在2006年提出了一个新的统一OPC协议结构-OPCUA，如图2所示。对比传统OPC，OPC UA的灵活性更高，不再只能运行在Windows平台上，对于嵌入式系统更加友好；同时打破了传统OPC基于DCOM开发带来的最大255个节点的限制，大大提升了数据节点接入量；还支持加密和远程访问，提高了自动化系统布置的灵活程度。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法。在发明提出了一种与传统现场总线结构不同的新的构架，该构架使用OPC服务器作为中心节点，利用服务器的高速处理能力提供高速数据传递，同时通过软件层面的优化打通多种格式、多种协议之间的数据障碍提供良好的兼容性。

本发明的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，基于OPC UA的现场总线由OPC UA服务器、控制网络、PLC控制器、新型逆变器、新型远程IO设备、数据转换器、老式逆变器、老式远程IO设备以及局域网构成，PLC控制器、新型逆变器和新型远程IO设备上均设置有Ethernet网络接口，OPC UA服务器经局域网与服务器相连接；所述数据转换器的一端经控制网络与OPC UA服务器通信连接，另一端经现场总线与老式逆变器和老式远程IO设备通信连接；其特征在于：现场总线中心服务器高效传输方法通过以下步骤来实现：

a).轮询获取数据，经现场总线与老式逆变器和老式远程IO设备相连接的数据转换器，通过轮询式的通信机制获取老式逆变器和老式远程IO设备的数据；

b).数据解包，数据转换器将获取的老式逆变器和老式远程IO设备的数据进行解包；

c).判断数值是否变化，数据转换器将数据解包后，判断所采集的老式逆变器和老式远程IO设备的数据相对于前一次所采集的数据是否发生变化，如果发生变化，则执行步骤d)；如果没发生变化，则执行步骤a)；

d).数据打包，数据转换器将变化的数据按OPC UA格式进行打包，并将打包后的数据经控制网络发送至OPC UA服务器；

e).触发数据变更事件，OPC UA服务器接收到数据转换器上传的数据后，采用发布者-订阅者之间的事件触发通信机制，触发相应的PLC控制器、逆变器或远程IO设备做出事件相应。

本发明的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，所述PLC控制器、新型逆变器和新型远程IO设备与OPC UA服务器经控制网络直接进行数据读写。

本发明的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，所述OPC UA服务器经局域网连接有企业资源计划服务器ERP、生产过程执行管理服务器MES和IP多媒体子系统服务器IMS。

本发明的有益效果是：本发明的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，通过将PLC控制器以及新型的逆变器和远程IO设备与OPC UA服务器经控制网络直接通信连接，将老式的逆变器和老式的远程IO设备经数据转换器与OPC UA服务器相连接，利用数据转换器将现场总线（如RS485、RS232、CAN总线等）的数据通信协议与OPC UA服务器的OPC UA，利用OPC UA高效高速的通信性能和机制优势来代替传统的工业现场总线体系，也充分利用OPC UA灵活，兼容性好的特点，让用户可以放心选择相对便宜的第三方总线设备，这不仅能够降低自动化系统建设成本，还因为将大量硬件安装工作转换成了软件设置工作，能够为用户节省很多系统建设时间。本结构在应对新型总线设备的同时，还提供数据转化器对老旧设备提供支持，为用户减少设备浪费。对比传统的现场总线系统，我们提出的结构在多PLC协作控制的大型自动化系统中优势明显，特别是对于需要大量访问其他PLC总线设备的情况下，大大提高数据读写效率和速度，节约网络资源，为自动化系统扩张提供更便利的方式。

附图说明

图1为PLC的工作循环时间结构图；

图2为OPC协议结构-OPC UA示意图；

图3为两种常见的PLC组织结构示意图；

图4为基于OPC UA的传统的现场总线结构示意图；

图5为本发明所提出的基于OPC UA的现场总线结构；

图6为本发明中数据转换器的数据读取及与OPC UA服务器通信的流程图。

图中：1 OPC UA服务器，2控制网络，3 PLC控制器，4新型逆变器，5新型远程IO设备，6数据转换器，7现场总线，8老式逆变器，9老式远程IO设备，10局域网，11企业资源计划服务器ERP，12生产过程执行管理服务器MES，13 IP多媒体子系统服务器IMS。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

在大型工业自动化系统中，往往需要多台PLC协同控制，特别是有些时候还需要多种不同品牌的PLC联合起来组合成一个自动控制体系。这些PLC都会带有自己的现场总线结构来连接一些远程IO或者其他需要数据交换的设备，同时上下游PLC之间也会有数据交换的需求，所以就会需要一些合理的结构来组成整个控制系统。

如图3所示，给出了两种常见的PLC组织结构示意图，层级结构和顺序结构。在层级结构中，有一台主PLC，往往此PLC并不直接控制各种设备，仅仅是负责与各个子PLC做数据交换，发送命令或者是检测数据，同时也会作为子PLC之间数据交换的通道，此结构的有点是便于模块化设计，能够将子PLC的工作性能更好地专注于设备控制，监控系统开发比较简单，人机交互方便。而顺序结构更多的应用在流水线的控制系统中，在此结构中并没有专门负责管理的PLC，各个PLC只和自己的上下游PLC通信，造成的问题就是如果要开发监控系统的话将需要与所有的PLC进行连接，加大网络负担，同时也会提高系统开发难度，但是其在流水线应用中的效率要相对较高。

鉴于以上两种常见的PLC组织结构的优缺点都很明显，所以现实中会根据被控制工程的特性进行选择，有时也会混合使用两种PLC组织结构。

如图4所示，给出了基于OPC UA的传统的现场总线结构示意图，传统的工业网络像图4一样分成三级构成，最下层称为现场层（设备层）一般都是由现场总线来承担的；其上两层往往都是利用局域网进行通信。

现场层一般由PLC作为主机，并通过安装在PLC上的现场总线模块与诸如机器人，变频器，CNC等设备进行连接。随着技术的发展，这些设备也提供了多种多样的通信接口支持，越来越多的设备出厂就带有网络接口。而一些传感器等比较简单的远程设备还是需要支持现场总线的远程IO来和PLC连接，不过这些远程IO模块也越来越多的支持网络接口。

通信层其实相当于一个中间件，充当底层设备和上层应用之间的通信桥梁，一般来说OPC服务器都会安装在这一层。而企业层主要是给企业管理操作人员和工程师们提供各种应用接口，让其可以通过这些应用来操作整个自动化控制系统。

目前来说传统的通信结构可以很好的应对目前自动化生产的各种需求，但是面对工业4.0和智能制造所带来的大型柔性自动化系统中的各种要求，传统结构显得心有余而力不足。比如传统OPC服务器基于DCOM开发而来，最大255个节点的通信容量限制就无法面对越来越多的PLC，HMI和众多其他设备网络通信的需求。其实这些改变也对现场总线系统提出了新的要求，比如西门子为代表的大型PLC制造商现在也尝试整合ProfiBus和ProfiNet两级通信网络来减少网络层级。但是更大的挑战来自于随着技术的发展，用户可以选择更多来自相对廉价的第三方设备，如何将这些设备更好更快的接入整个控制系统变成了一个最大的问题。

如图5所示，给出了本发明所提出的基于OPC UA的现场总线结构，其由OPC UA服务器1、控制网络2、PLC控制器3、新型逆变器4、新型远程IO设备5、数据转换器6、现场总线7、老式逆变器8、老式远程IO设备9以及局域网10构成，所示的PLC控制器3、新型逆变器4和新型远程IO设备5上均设置有Ethernet网络接口，PLC控制器3、新型逆变器4和新型远程IO设备5经Ethernet网络接口直接接于控制网络2上，以实现与OPC UA服务器1的直接通信。所示的OPC UA服务器1将局域网10连接有企业资源计划服务器ERP（11）、生产过程执行管理服务器MES（12）和IP多媒体子系统服务器IMS（13）；所示的控制网络2和局域网10为以太网。

由于老式逆变器8和老式远程IO设备9不带Ethernet网络接口，因此无法直接接于控制网络2上，而是经数据转换器6的转换，老式逆变器8和老式远程IO设备9经现场总线7（如RS485总线、RS232总线或CAN总线）接于数据转换器6的一端，数据转换器6的另一端接于控制网络2上，通过数据转换器6对现场总线7通信数据格式与OPC UA通信数据格式的转换，来实现不具有Ethernet网络接口的老式设备与OPC UA服务器1的通信。

可见，对于现在新出的支持网络通信的现场总线设备可以直接连接到第二层网络，由OPC UA服务器里所带的驱动程序代替传统的现场总线模块来进行数据读写，对于传统的不支持网络接口的现场总线设备，由新开发的OPC UA数据转换器来代替传统的总线模块来进行数据读写，数据转换器一端为网络接口负责连接到第二层网络，与OPC UA服务器进行通信，另一端提供多种现场总线接口负责与传统的总线设备进行通信，来达到用户即使使用传统设备也能够使用新总线结构的目的。

因为传统的现场总线通讯采用轮询式的通信机制，而OPC UA采用发布者-订阅者之间的事件触发通信机制，所以在数据转换器中，除了一般的通信转换中数据解包和打包的任务以外，还需要进行数据机制的转换，如图6所示，给出了本发明中数据转换器的数据读取及与OPC UA服务器通信的流程图，其通过以下步骤来实现：

a).轮询获取数据，经现场总线与老式逆变器和老式远程IO设备相连接的数据转换器，通过轮询式的通信机制获取老式逆变器和老式远程IO设备的数据；

b).数据解包，数据转换器将获取的老式逆变器和老式远程IO设备的数据进行解包；

c).判断数值是否变化，数据转换器将数据解包后，判断所采集的老式逆变器和老式远程IO设备的数据相对于前一次所采集的数据是否发生变化，如果发生变化，则执行步骤d)；如果没发生变化，则执行步骤a)；

d).数据打包，数据转换器将变化的数据按OPC UA格式进行打包，并将打包后的数据经控制网络发送至OPC UA服务器；

e).触发数据变更事件，OPC UA服务器接收到数据转换器上传的数据后，采用发布者-订阅者之间的事件触发通信机制，触发相应的PLC控制器、逆变器或远程IO设备做出事件相应。

在下端的总线接口中，提供如以往现场总线相同的数据读写类型，完全满足用户不需要更换设备的要求。在上端OPC UA接口中提供满足OPC UA服务器的通信方式，更好地面对新的通信需求。

目前来说传统的通信结构可以很好的应对目前自动化生产的各种需求，但是面对工业4.0和智能制造所带来的大型柔性自动化系统中的各种要求，传统结构显得心有余而力不足。比如传统OPC服务器基于DCOM开发而来，最大255个节点的通信容量限制就无法面对越来越多的PLC，HMI和众多其他设备网络通信的需求。其实这些改变也对现场总线系统提出了新的要求，比如西门子为代表的大型PLC制造商现在也尝试整合ProfiBus和ProfiNet两级通信网络来减少网络层级。但是更大的挑战来自于随着技术的发展，用户可以选择更多来自相对廉价的第三方设备，如何将这些设备更好更快的接入整个控制系统变成了一个最大的问题。

在本研究中提出了一种利用OPC UA服务器连接来代替原来安装在PLC上现场总线模块连接的一种新的结构。利用OPC UA高速大容量通信的性能优势来取代传统慢速的现场总线通信。表1和表2显示了现场总线、RTE（Real Time Ethernet）实时网络和无线网络的通信数据对比：

表1

参数	Fieldbus	RTE	Wireless
				速率	1Mbit/s	100Mbit/s	54Mbit/s
帧开销	64bits	160bits	270bits
				总IO个数	20	20	20
循环时间	5ms	5ms	5ms
				通信处理时间	100μs	100μs	100μs

表2

参数	Fieldbus	RTE	Wireless
				最小处理时间	4.48ms	0.11ms	2.20ms
延迟时间	424μs	205.1μs	310bits
				通信效率	44.6kB/s	1785.7kB/s	90.1kB/s
空闲带宽	N/A	97.7%	56%

从表1和表2中可以看出网络接口的速度和稳定性明显优于现场总线，即使是使用无线连接的网络设备，其通信性能也优于传统总线通信。

在大型自动化系统中，PLC除了需要读取自己的本地数据和现场总线设备数据以外，还需要读取其他相关PLC的相关数据，这就造成了通信网络中存在大量的基础通信，而PLC自身对通信的相应时间都放在设备扫描时间中进行，本身就是异步通信的现场总线设备在本地就需要解决数据同步问题，那么需要读取其他PLC的总线设备时将会带来更大的困扰，这其中最大的问题就是现场总线通信时间太长的原因，所以尽量减少现场总线读写次数，多利用网络通信成为解决数据同步问题的一个很好的办法。如表3所示，给出了新旧结构在读取不同位置数据时所发生的通信次数（阴影部分为新结构下发生的网络通信次数，而这个次数仅仅发生在数据变化时，并不是每一个循环都会发生）。

表3

情形	Fieldbus times	Ethernet times	Total Times
				传统结构本地IO	0	0	0
传统结构远程IO	1	0	1
				传统结构互连的本地IO	0	1	1
传统结构互连的远程IO	1	1	2
				本发明所提出结构中本地IO	0	0	0
本发明所提出结构中老式远程IO	1	1	2
				本发明所提出结构中新型远程IO	0	1	1
本发明所提出结构中互连的本地IO	0	1	1
				本发明所提出结构中互连的老式远程IO	1	1	2
本发明所提出结构中互连的新型远程IO	0	2	2

可见本文提出的新结构中随着数据量的增长，数据通信次数增长的量远小于传统结构，特别是在使用新设备时，由于用高速网络通信完全代替传统的总线通信，所以把通信效率提高了许多。

本发明的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，充分利用OPC UA灵活，兼容性好的特点，让用户可以放心选择相对便宜的第三方总线设备，这不仅能够降低自动化系统建设成本，还因为将大量硬件安装工作转换成了软件设置工作，能够为用户节省很多系统建设时间。本结构在应对新型总线设备的同时，还提供数据转化器对老旧设备提供支持，为用户减少设备浪费。

Claims (3)

1.一种基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，基于OPC UA的现场总线由OPC UA服务器（1）、控制网络（2）、PLC控制器（3）、新型逆变器（4）、新型远程IO设备（5）、数据转换器（6）、老式逆变器（8）、老式远程IO设备（9）以及局域网（10）构成，PLC控制器、新型逆变器和新型远程IO设备上均设置有Ethernet网络接口，OPC UA服务器经局域网与服务器相连接；所述数据转换器的一端经控制网络与OPC UA服务器通信连接，另一端经现场总线（7）与老式逆变器和老式远程IO设备通信连接；其特征在于：现场总线中心服务器高效传输方法通过以下步骤来实现：

a).轮询获取数据，经现场总线与老式逆变器和老式远程IO设备相连接的数据转换器，通过轮询式的通信机制获取老式逆变器和老式远程IO设备的数据；

b).数据解包，数据转换器将获取的老式逆变器和老式远程IO设备的数据进行解包；

c).判断数值是否变化，数据转换器将数据解包后，判断所采集的老式逆变器和老式远程IO设备的数据相对于前一次所采集的数据是否发生变化，如果发生变化，则执行步骤d)；如果没发生变化，则执行步骤a)；

d).数据打包，数据转换器将变化的数据按OPC UA格式进行打包，并将打包后的数据经控制网络发送至OPC UA服务器；

e).触发数据变更事件，OPC UA服务器接收到数据转换器上传的数据后，采用发布者-订阅者之间的事件触发通信机制，触发相应的PLC控制器、逆变器或远程IO设备做出事件相应。

2.根据权利要求1所述的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，其特征在于：所述PLC控制器（3）、新型逆变器（4）和新型远程IO设备（5）与OPC UA服务器（1）经控制网络直接进行数据读写。

3.根据权利要求1或2所述的基于OPC UA的现场总线中心服务器高效传输方法，其特征在于：所述OPC UA服务器（1）经局域网（10）连接有企业资源计划服务器ERP（11）、生产过程执行管理服务器MES（12）和IP多媒体子系统服务器IMS（13）。

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