CN114466039A - 一种基于5g专网的opcua通信系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于5G专网的OPCUA通信系统及方法，包括设备层、网络层、应用层；所述的设备层指工业现场的设备，所述的应用层是指面向工业应用的工业系统；所述的网络层指面向工业应用的网络，包括5G专网、OPCUA服务器和OPCUA客户端；所述5G专网用于作为本系统的网络通道；所述OPCUA服务器用于汇聚数据网关以及车间其它以太网设备的数据，供OPCUA客户端对数据进行读写；所述OPCUA客户端用于接收并显示数据供应用层子系统进行读写。本发明采用面向服务的架构、信息通信安全等强大能力，可以广泛应用于工业设备间的通信。
Description
技术领域
本发明属于工业互联网通信系统技术领域，特别是涉及一种基于5G专网的OPCUA通信系统及方法。
背景技术
在新一代科技革命和产业变革的浪潮下，全球领先国家无不将工业互联网作为强化本国未来产业竞争力的战略方向。工业互联网的基础在于建设一张能够满足工业生产运营的高可靠、高性能、高灵活性的网络。5G网络在无线新空口能力基础上利用网络切片、边缘计算等新技术，具备了大带宽、低时延、广连接和可定制等特性，与工业互联网的需求相吻合。“5G+工业互联网”就是利用第五代移动通信技术(5G)满足工业智能化发展对网络的需求。在此过程中，应充分发挥5G网络优势，以5G网络能力场景化赋能工业互联网。
工业互联网中设备及很多信息化系统、设备控制系统、车间信息系统和企业信息系统等多个层次、多种智能化设备的集成，如何全面对这些加工设备、信息化系统进行综合信息集成，实现基础数据的统一管理与集成是装备数字化车间的一大难题。同时传统网络难以满足低时延的应用场景，目前的车间网络主要为工控网与公司办公网，网络为有线形式接入。智能制造的数字化需要实现云平台和生产设施的实时通信、海量传感器和人工智能平台的信息交互，以及人机界面的高效交互。因此，智能制造的通信网络需支持多样化业务的需求，并在数据带宽、传输时延以及接入设备数量等方面有极高的要求。显然，已存在的4G/WiFi无线网络与光纤等有线网络并不能有效支撑未来智能制造的需求。
发明内容
本发明目的在于解决车间设备总线类型复杂，联网率低、数据传输实时性低等问题，提出了基于5G专网的车间实时统一通信架构，涉及5G专网和OPCUA协议，实现车间设备多源异构数据的实时采集以及灵活的组网方案，满足数字化车间的应用需求。
为了实现本发明目的，本发明提供了一种基于5G专网的OPCUA通信系统，包括设备层、网络层、应用层；的设备层指工业现场的设备，的应用层是指面向工业应用的工业系统；的网络层指面向工业应用的网络，包括5G专网、OPCUA服务器和OPCUA客户端；5G专网用于作为本系统的网络通道；OPCUA服务器用于汇聚数据网关以及车间其它以太网设备的数据，供OPCUA客户端对数据进行读写；OPCUA客户端用于接收并显示数据供应用层子系统进行读写。设备层的工业设备直接接入5G专网，或通过以太网现场总线、数据网关接入OPCUA服务器，OPCUA服务器能够对多源异构数据进行采集并传入5G专网；数据通过5G专网传输至各OPCUA客户端，操作者能够通过应用层的工业系统对OPCUA客户端中的数据进行读取或改写。
进一步地，5G专网包括5G终端、5G基站、5G核心网；其中，5G终端是指提供5G终端功能的设备，支持WiFi/有线数据的接入与转发以及多种通信模组；5G基站基于X86平台，支持频点和带宽的可配置；5G核心网基于面向服务的架构SOA，通过客户端服务端模型实现车间数据的交换，实现设备的互联互通。5G专网为工业设备提供独立的联网通道，工业设备通过WiFi或者有线的方式通过连接至5G终端，数据经5G基站传输至5G核心网，5G核心网通过有线的方式将数据传输至OPCUA客户端，实现应用场景的数据回传。
进一步地，5G专网采用DetNet网络，TSN时间敏感网络和6TiSCH协议结合的MPLSVPN虚拟专网，采用IEEE802.1 AS协议制定工业确知型网络架构中的时间同步机制，能够将时间精度提升到纳秒(ns)级。
进一步地，设备层工业设备的数据通过网口IP连接到设备的OPCUA服务器端，OPCUA客户端对节点数据进行读取，同时OPCUA客户端能够作为聚合节点为上层应用提供数据。
进一步地，设备层包括传感器设备、机器人控制设备、物流控制设备、PLC设备；的传感器设备和机器人控制设备通过以太网连接至OPCUA服务器，的物流控制设备和PLC设备通过双绞线与数据网关相连接，的数据网关连接OPCUA服务器。
进一步地，应用层包括MES系统、生产系统、产线控制系统、车间管理系统。
进一步地，系统采用包括Windows、安卓、国产化操作系统如JariWorks或其他基于Linux的分布式操作系统作为软件平台。
进一步地，系统所有的数据节点采用统一接口，通过配置文件可以自定义数据节点，实现多源异构数据的采集和传输。
进一步地，数据网关支持PLC、RS232、RS485多种协议，能够实现现场不同设备的数据采集。
为了实现本发明的目的，本发明还提供了一种基于5G专网的OPCUA通信方法，本方法中5G专网包括5G终端、5G基站、5G核心网，具体包括以下步骤：
步骤1、设备层工业设备接入5G终端，或通过以太网现场总线、数据网关接入OPCUA服务器，OPCUA服务器对数据进行采集并传入5G终端；
步骤2、5G终端将数据通过5G基站传输至5G核心网；
步骤3、5G核心网通过有线的方式将数据传输至OPCUA客户端，实现应用场景的数据回传；
步骤4、操作者通过应用层的工业系统对OPCUA客户端中的数据进行读取或改写。
与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)本发明依托5G专网结合OPCUA协议，可以车间多源异构数据的采集，同时可以满足车间大量高频数据的采集和传输，5G终端的无线覆盖信号可以简化车间网线的部署，网络架构统一，车间设备和各种系统通过5G专网实现了互联互通，为其它信息系统提供可靠的数据源，对数字化车间的建设具有较高的应用价值；2)本发明同时适用于终端设备UE有特定的工作区域的特殊的应用场景，比如高温、高盐、强电磁干扰等。3)在工业4.0的进程中，越来越多的现场设备开始提供OPC UA支持功能，本发明采用的OPCUA为快速实现数据采集和语义互操作提供可能。4)本发明采用面向服务的架构、信息通信安全等强大能力，可以广泛应用于工业设备间的通信。
为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的系统总体通信方案图；
图2是本发明的5G专网设备示意图；
图3是本发明的OPCUA统一通信架构；
图4是本发明的OPCUA通信方法流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1所示，在本实施例中，工业设备通过以太网现场总线或数据网关接入OPCUA服务器后连接至下层5G终端，下层5G终端通过5G基站产生的无线网将数据传输至下层5G核心网，下层5G核心网通过交换机将数据传输至上层5G核心网，上层5G核心网通过5G基站产生的无线网将数据传输至上层5G终端，上层5G终端将数据传输给OPCUA客户端。
如图2所示，在本实施例中，5G专网采用专有无线设备和核心网设备，为工业用户构建一张增强带宽、低时延、物理封闭的基础连接网络，5G专网设备包括5G终端、5G基站、5G核心网；其中，5G终端是指提供5G终端功能的设备，支持WiFi/有线数据的接入与转发以及多种通信模组；5G基站基于X86平台，支持频点和带宽的可配置；5G核心网基于面向服务的架构SOA，通过客户端服务端模型实现车间数据的交换，实现设备的互联互通；其中设备的功能基于软件可编程的方式实现，可以实现不同应用场景的灵活适配。可以采取不同的网络架构，比如，当计算要求极高时，可以采用集中式计算，而当通信要求高，时延小时，采用MEC+的分布式计算。同时针对不同业务类型选择不同的数据卸载与资源分配方案，来优化数据处理过程，进一步降低时延和功耗。最终保证终端、MEC、云端服务器之间的确定性时延。
如图3所示，在本实施例中，工业设备通过OPCUA协议将数据传输至聚合节点，聚合节点可将下层所有服务器的模型包含进来，为上层应用提供数据。用于分离工业现场数据与后期的数据分析系统。工业应用中的生产管理系统、控制系统、MES系统等系统可以通过OPCUA聚合节点的方式获取工业设备的数据，实现数据的统一收发。
如图4所示，在本实施例中，5G专网包括5G终端、5G基站、5G核心网，具体包括以下步骤：
步骤1、设备层工业设备接入5G终端，或通过以太网现场总线、数据网关接入OPCUA服务器，OPCUA服务器对数据进行采集并传入5G终端；
步骤2、5G终端将数据通过5G基站传输至5G核心网；
步骤3、5G核心网通过有线的方式将数据传输至OPCUA客户端，实现应用场景的数据回传；
步骤4、操作者通过应用层的工业系统对OPCUA客户端中的数据进行读取或改写。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，包括设备层、网络层、应用层；所述的设备层指工业现场的设备，所述的应用层是指面向工业应用的工业系统；所述的网络层指面向工业应用的网络，包括5G专网、OPCUA服务器和OPCUA客户端；所述5G专网用于作为本系统的网络通道；所述OPCUA服务器用于汇聚数据网关以及车间其它以太网设备的数据，供OPCUA客户端对数据进行读写；所述OPCUA客户端用于接收并显示数据供应用层子系统进行读写；
设备层的工业设备直接接入5G专网，或通过以太网现场总线、数据网关接入OPCUA服务器，OPCUA服务器能够对多源异构数据进行采集并传入5G专网；数据通过5G专网传输至各OPCUA客户端，操作者能够通过应用层的工业系统对OPCUA客户端中的数据进行读取或改写。
2.根据权利要求1所述的一种基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，所述5G专网包括5G终端、5G基站、5G核心网；其中，5G终端是指提供5G终端功能的设备，支持WiFi/有线数据的接入与转发以及多种通信模组；5G基站基于X86平台，支持频点和带宽的可配置；5G核心网基于面向服务的架构SOA，通过客户端服务端模型实现车间数据的交换，实现设备的互联互通；
5G专网为工业设备提供独立的联网通道，工业设备通过WiFi或者有线的方式通过连接至5G终端，数据经5G基站传输至5G核心网，5G核心网将数据传输至OPCUA客户端，实现应用场景的数据回传。
3.根据权利要求1所述的一种基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，所述5G专网采用DetNet网络，TSN时间敏感网络和6TiSCH协议结合的MPLS VPN虚拟专网，采用IEEE802.1 AS协议制定工业确知型网络架构中的时间同步机制。
4.根据权利要求1所述的一种基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，所述设备层工业设备的数据通过网口IP连接到设备的OPCUA服务器端，OPCUA客户端对节点数据进行读取，同时OPCUA客户端能够作为聚合节点为上层应用提供数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，所述设备层包括传感器设备、机器人控制设备、物流控制设备、PLC设备；所述的传感器设备和机器人控制设备通过以太网连接至OPCUA服务器，所述的物流控制设备和PLC设备通过双绞线与数据网关相连接，所述的数据网关连接OPCUA服务器。
6.根据权利要求1所述的一种基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，所述应用层包括MES系统、生产系统、产线控制系统、车间管理系统。
7.根据权利要求1所述的一种基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，系统采用包括Windows、安卓、JariWorks或其他基于Linux的分布式操作系统作为软件平台。
8.根据权利要求1所述的一种基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，系统所有的数据节点采用统一接口，通过配置文件可以自定义数据节点，实现多源异构数据的采集和传输。
9.根据权利要求1所述的一种基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，所述数据网关支持PLC、RS232、RS485多种协议，能够实现现场不同设备的数据采集。
10.一种基于5G专网的OPCUA通信方法，本方法基于权利要求1-9任意一项所述的基于5G专网的OPCUA通信系统，其特征在于，5G专网包括5G终端、5G基站、5G核心网，具体包括以下步骤：
步骤1、设备层工业设备接入5G终端，或通过以太网现场总线、数据网关接入OPCUA服务器，OPCUA服务器对数据进行采集并传入5G终端；
步骤2、5G终端将数据通过5G基站传输至5G核心网；
步骤3、5G核心网将数据传输至OPCUA客户端，实现应用场景的数据回传；
步骤4、操作者通过应用层的工业系统对OPCUA客户端中的数据进行读取或改写。
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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 | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 222001 No.18 Shenghu Road, Lianyungang City, Jiangsu Province Applicant after: The 716th Research Institute of China Shipbuilding Corp. Address before: 222001 No.18 Shenghu Road, Lianyungang City, Jiangsu Province Applicant before: 716TH RESEARCH INSTITUTE OF CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY Corp. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |