CN115480518A - 基于opcua的上下位机一体化plc实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于OPCUA的上下位机一体化PLC实现方法，包括：步骤1，编写流程图程序SCC1：步骤2，将流程图程序SCC1编译成为PLC的二进制可执行程序；步骤3，PLC启动时，PLC中的OPCUA服务端OPCUA_server识别文件，并添加OPCUA文件类型节点；步骤4，OPCUA文件类型节点的Open方法被调用时，将文件夹打包压缩；步骤5，添加一个WEB服务器网关；步骤6，进行指令转换与数据返回；步骤7，步骤1～步骤6完成后，便能够从OPCUA客户端，通过OPCUA协议读取PLC中的文件，WEB应用对外提供webservice接口。本发明能够做到所呈现内容的上下位机一体化。

Description

基于OPCUA的上下位机一体化PLC实现方法

技术领域

本发明属于PLC(可编程逻辑控制器)领域，尤其涉及基于OPCUA的上下位机一体化PLC实现方法。

背景技术

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

OPC UA(OPC Unified Architecture)是为了在工业自动化等行业安全可靠地进行数据交换而制定的开放式国际标准规格。由OPC Foundation于2008年发布，之后制定了国际标准IEC62541，提供安全，可靠和独立于厂商的，实现原始数据和预处理的信息从制造层级到生产计划或ERP层级的传输。通过OPC UA，所有需要的信息在任何时间，任何地点对每个授权的应用，每个授权的人员都可用。这种功能独立于制造厂商的原始应用，编程语言和操作系统。OPC UA是目前已经使用的OPC工业标准的补充，提供重要的一些特性，包括如平台独立性，扩展性，高可靠性和连接互联网的能力。

WEB服务器也称为WWW(WORLD WIDE WEB)服务器，主要功能是提供网上信息浏览服务。WWW是Internet的多媒体信息查询工具，是Internet上近年才发展起来的服务，也是发展最快和目前用的最广泛的服务。Web服务器是可以向发出请求的浏览器提供文档的程序。应用层使用HTTP协议，文档格式使用HTML(超文本标记语言，是一种标记语言，它包括一系列标签，通过这些标签可以将网络上的文档格式统一，使分散的Internet资源连接为一个逻辑整体)。

常见的前端展示方式为HTML+CSS+JS：

(1)HTML(HyperText Markup Language)：超文本标记语言：决定网页的结构及内容，即“展示哪些内容”。

(2)CSS(Cascading Style Sheet)：层叠样式表单，设计网页的表现样式，即“如何展示有关内容”。

(3)JS(JavaScript)：一种动态脚本语言，控制网页的行为(效果)，即“所展示内容应该如何对事件做出反应”。

当前PLC系统实现上位机人机界面(HMI)主要有两种方式：

(1)基于组态软件进行人机界面涉及，设计的人机界面只能在上位机专用软件上执行并显示

(2)基于触摸屏相关组态软件进行人机界面设计，设计的人机界面只能下载到触摸屏上执行并显示

以上两种人机界面的实现方式，均为PLC使用者脱离于PLC厂家的内容展示，未能做到上下位机一体化呈现。并且这两种方式无法跨平台使用。

因此，需要一种跨平台的上位机实现方式，可以在任何时间、任何地点方便的访问PLC系统，将PLC系统内部信息以PLC厂家对数据的组织、展示方式进行呈现，从而高效进行PLC系统运维、集成等工作。

基于以上目的，目前一些PLC厂家已经基于现有WEB SERVER技术，提供了PLC系统的WEB服务，使用者可以在各种平台上访问PLC系统获取实时数据，以西门子S7系列PLC为例，如图1、图2、图3所示，采用以上网络传输(HTTP协议)加浏览器的方式，设备端需要做以下事情：

(1)需要集成一个嵌入式HTTP服务器(如boa、goahead、lighttpd、mongoose等)；

(2)在HTTP服务器上部署一个web应用；

(3)对外提供webservice接口。

由此可见，采用此种方式对外提供上位机人机界面(HMI)，虽然解决了用户跨平台使用的问题，但是需要在PLC内部额外集成和PLC本身工业控制无关的程序(HTTP服务器)，开发、部署、升级较为复杂，还引入了潜在风险，如负荷增大、程序崩溃、安全隐患，有可能引起PLC系统整体异常。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供基于OPCUA的上下位机一体化PLC实现方法，包括以下步骤：

步骤1，编写流程图程序SCC1：

步骤2，将流程图程序SCC1编译成为PLC的二进制可执行程序，同时生成和所述二进制可执行程序对应的SCC1.html文件，并下载至PLC中对应存储路径/na/hmi/html/SCC1.html；

步骤3，PLC启动时，PLC中的opcua server添加OPCUA文件类型节点hmi.tar.gz，所述节点具备打开文件Open、关闭文件Close、读取文件内容Read、向文件中写内容Write方法，供客户端调用，从而实现客户端对服务端的文件操作；

步骤4，OPCUA文件类型节点hmi.tar.gz的Open方法被调用时，将/na/hmi/文件夹打包、压缩，存储为/na/hmi/hmi.tar.gz文件；

步骤5，添加一个WEB服务器网关，所述网关具有OPCUA客户端功能、HTTP服务器功能和指令转换功能；

步骤6，进行指令转换与数据返回；

步骤7，步骤1～步骤6完成后，便能够从OPCUA客户端，通过OPCUA协议读取PLC中的/na/hmi/hmi.tar.gz文件，其中包含SCC1.html文件，以及相对应的scc.js文件和scc.css文件，WEB应用对外提供webservice接口。

步骤2中，在PLC中出厂内置流程图程序SCC1相关的JS文件/na/hmi/scripts/scc.js和CSS文件/na/hmi/css/scc.css。

步骤4中，PLC中通过OPCUA的server服务，对外提供文件节点hmi.tar.gz，当客户端调用文件节点hmi.tar.gz的Open方法时，PLC中回调函数将/na/hmi文件夹打包成为hmi.tar.gz压缩文件，并返回文件操作描述符handle；当客户端调用文件节点hmi.tar.gz的read方法并传入文件操作描述符handle时，PLC中回调函数将返回hmi.tar.gz文件的二进制码流，客户端将所述二进制码流保存为本地文件系统中的文件，并解压缩后，获取到PLC中能够展示的文件。

步骤5中，所述OPCUA客户端功能包括：从OPCUA服务端获取上位机展示所需文件；

所述HTTP服务器功能包括：将从OPCUA服务端获取的html文件以WEB服务方式发布，具体包括：集成一个嵌入式HTTP服务器boa；部署一个web应用；对外提供webservice接口；

所述指令转换功能包括：将WEB服务中对浏览器提供的数据获取指令，转换成获取OPCUA服务端数据的指令。

步骤6中，下位机PLC在收到上位机发送并通过OPCUA客户端转换的数据请求指令之后，通过OPCUA协议，将应答报文发送给OPCUA客户端，OPCUA客户端将应答报文转发给WEB应用程序后，WEB应用程序将OPCUA应答转换成http应答，发送给上位机中客户端浏览器。

步骤7中，上位机在获取到PLC中能够展示的文件后，如果要获取相关实时数据，则上位机首先发送一个http请求给OPCUA客户端中的WEB应用，WEB应用将http请求转发给OPCUA客户端后，OPCUA客户端将http请求转换成OPCUA请求，发送给下位机PLC中的OPCUA服务端。

本发明具备以下有益效果：

(1)用户可以在跨平台终端(浏览器)显示PLC系统中的内容；

(2)用户打开的内容为PLC厂家内置格式(HTML+JS+CSS)，这样可以做到所呈现内容的上下位机一体化；

(3)使用PLC现有功能实现文件、数据的传输(OPCUA)，不使用如WEB服务软件的方式向PLC添加和工控无关功能，避免故障隐患。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是展示其它厂家(西门子)实现上下位机一体化访问的方式示意图。

图2、图3是展示其它厂家(西门子)实现上下位机一体化访问后，在其它终端(手机)上看到的呈现效果示意图。

图4是编程人员编程软件界面示意图。

图5是上位机获取HTML/CSS/JS文件的示意图。

图6是获取相关实时数据示意图。

图7是下位机PLC和上位机中客户端浏览器传输流程示意图。

图8是在最终客户端展现出来的效果示意图。

图9是对图4～图8的整体说明示意图。

具体实施方式

实施例

本方案使用NAPro动态生成需要展示的内容(HTML)并下发至PLC，使用HTML+CSS+JS的方式进行前端展现，使用OPCUA方式进行文件及数据传输。

本实施例以用户使用傲拓科技的NAPro编程软件编写了流程图程序SCC1，在上位机浏览器打开SCC1所对应HTML文件，跟踪该流程图的执行过程为例，对本方案如何实现了上下位机一体化呈现进行详细描述：

(1)用户在NAPro编程软件编写流程图程序SCC1：

(2)点击NAPro编程软件的下载按钮，将SCC1编译成为PLC的二进制可执行程序的同时，生成和程序对应的SCC1.html文件，并下载至PLC中对应存储路径(/na/hmi/html/SCC1.html)。

(3)PLC中出厂内置此类SCC流程控制图相关的JS(如何动作)、CSS(如何展示)文件：/na/hmi/scripts/scc.js、/na/hmi/css/scc.css。

(4)PLC启动时，PLC中的opcua server(OPCUA服务端)添加OPCUA文件类型(FILETYPE)节点hmi.tar.gz，该节点具备Open(打开文件)、Close(关闭文件)、Read(读取文件内容)、Write(向文件中写内容)等方法，可供客户端调用，从而实现客户端对服务端的文件操作。

(5)OPCUA文件类型(FILETYPE)节点hmi.tar.gz的Open方法被调用时，将/na/hmi/文件夹打包、压缩，存储为/na/hmi/hmi.tar.gz文件。

(6)添加一个WEB服务器网关，此网关中安装一个定制开发软件，有三个作用：

1、OPCUA客户端功能：从OPCUA服务端(PLC)获取上位机展示所需文件；

2、HTTP服务器功能：将从OPCUA服务端(PLC)获取的html文件，以WEB服务方式发布：

集成一个嵌入式HTTP服务器boa；

部署一个web应用；

对外提供webservice接口。

3、指令转换功能：将WEB服务中对浏览器提供的数据获取指令，转换成获取OPCUA服务端数据的指令。

(7)上一步的指令转换与数据返回步骤：

1、指令转换

2、数据返回

3、Json串格式示例：{"steps":[{"step":"step0","state":"2","start":"17:25:08.145","end":"17:26:08.145"},{"step":"step1","state":"2","start":"17:36:08.145","end":"17:36:08.145"},{"step":"step2","state":"2","start":"17:45:08.145","end":"17:46:08.145"},{"step":"step3","state":"1","start":"17:55:08.145","end":"17:56:08.145"},{"step":"step4","state":"0","start":"17:58:08.145","end":"17:59:08.145"}]}

(8)以上步骤完成后，便可以从OPCUA客户端(WEB服务器网关)，通过OPCUA协议读取PLC中的/na/hmi/hmi.tar.gz文件，其中包含SCC1.html文件，以及相对应的scc.js、scc.css文件(这两个文件为SCC类型的HTML文件共用，在HTML文件中指定)，对外提供webservice接口。这样，各终端便可以通过浏览器访问PLC中信息。

图1是为了展示其它厂家(西门子)实现上下位机一体化访问的方式，图中可以看出，其它厂家的实现方式是在PLC中集成一个HTTP服务器，并部署一个WEB应用，从而可以在其它终端(如PC电脑)访问PLC。此种方式需要在PLC内部额外集成和PLC本身工业控制无关的程序(HTTP服务器)，开发、部署、升级较为复杂，还引入了潜在风险，如负荷增大、程序崩溃、安全隐患，有可能引起PLC系统整体异常。

图2是为了展示其它厂家(西门子)实现上下位机一体化访问后，在其它终端(PC电脑)上看到的呈现效果。

图3是为了展示其它厂家(西门子)实现上下位机一体化访问后，在其它终端(手机)上看到的呈现效果。

为了说明本发明的技术方案，开始逐步说明：下位机展示文件(HTML)和实时数据从何而来，如何将要展示的文件和数据传输到上位机，从而进行上下位机一体化实时、同步显示。

图4是编程人员编程软件界面，在此界面中，模拟工业现场需求编写了SCC1这个流程图程序，这个程序用来控制工业现场的生产设备。编程人员可以通过编程软件将流程图SCC1下载到下位机PLC中，让PLC按照SCC1流程图执行相关指令逻辑。在后续描述中，针对以下三点做具体说明：

(1)如何将SCC1流程图转换成跨平台上位机可以展示的文件(HTML)；

(2)如何将SCC1流程图转换成的HTML文件以及其它CSS/JS文件，传输给上位机进行存储；

(2)如何在用户的上位机，获取PLC中实时数据，使用传输过来的HTML/CSS/JS文件，展示PLC中SCC1流程图执行的实时状态。

图5是针对上位机如何获取HTML/CSS/JS文件进行了说明：PLC中通过OPCUA的server服务，对外提供hmi.tar.gz这个文件节点，其它OPCUA的client客户端可以通过访问这个文件节点。当客户端调用此节点的Open方法时，PLC中回调函数将/na/hmi文件夹打包成为hmi.tar.gz压缩文件，并返回文件操作描述符handle；当客户端调用此节点的read方法并传入文件操作描述符handle时，PLC中回调函数将返回hmi.tar.gz文件的二进制码流。客户端将此二进制码流保存为本地文件系统中的文件，并解压缩后，获取到PLC中可以展示的文件(如流程图、系统图等)。

图6是说明上位机在获取到PLC中可以展示的文件(如流程图、系统图等)后，如何获取相关实时数据(如流程图执行到哪一步)。如图中所示，上位机首先发送一个http请求给OPCUA客户端中的WEB应用，WEB应用将其转发给OPCUA客户端后，OPCUA客户端将该http请求转换成OPCUA请求，发送给下位机PLC中的OPCUA服务端。

图7是说明下位机PLC在收到上位机发送并通过OPCUA客户端转换的数据请求指令之后，通过OPCUA协议，将应答报文发送给OPCUA客户端，OPCUA客户端将其转发给WEB应用程序后，WEB应用程序将该OPCUA应答转换成http应答，发送给上位机中客户端浏览器。

图8是说明用户编程软件中的SCC1流程图，通过文件和数据传输后，在最终客户端展现出来的效果，包括SCC1流程图本身，以及通过实时数据中内容改变的流程图中元素颜色(不同颜色代表不同执行状态，没有实时数据则元素填充为灰色，程序步骤已执行则元素填充为蓝色，程序步骤正在执行中则元素填充为蓝色)。

图9是对以上图4～图8的整体说明，非真实截图，目的是展示文件和数据的传输过程。

本发明系统使用傲拓科技股份有限公司(以下简称傲拓科技)完全自主研发的上位机编程软件NAPro、以及创新提出的SCC(Sequence Control Chart)流程控制图，进行原理说明。本发明专注于技术方案呈现及解释，其它展示内容，如系统组态图、系统状态、模块信息、拓扑等，原理皆类似，均可采用此方案所描述技术手段进行实现，不做赘述。

具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的基于OPCUA的上下位机一体化PLC实现方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机。MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本发明提供了基于OPCUA的上下位机一体化PLC实现方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.基于OPCUA的上下位机一体化PLC实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，编写流程图程序SCC1：

步骤2，将流程图程序SCC1编译成为PLC的二进制可执行程序，同时生成和所述二进制可执行程序对应的SCC1.html文件，并下载至PLC中对应存储路径/na/hmi/html/SCC1.html；

步骤3，PLC启动时添加OPCUA文件类型节点hmi.tar.gz，所述节点具备打开文件Open、关闭文件Close、读取文件内容Read、向文件中写内容Write方法，供客户端调用，从而实现客户端对服务端的文件操作；

步骤4，OPCUA文件类型节点hmi.tar.gz的Open方法被调用时，将/na/hmi/文件夹打包、压缩，存储为/na/hmi/hmi.tar.gz文件；

步骤5，添加一个WEB服务器网关，所述网关具有OPCUA客户端功能、HTTP服务器功能和指令转换功能；

步骤6，进行指令转换与数据返回；

步骤7，步骤1～步骤6完成后，便能够从OPCUA客户端，通过OPCUA协议读取PLC中的/na/hmi/hmi.tar.gz文件，其中包含SCC1.html文件，以及相对应的scc.js文件和scc.css文件，WEB应用对外提供webservice接口。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，在PLC中出厂内置流程图程序SCC1相关的JS文件/na/hmi/scripts/scc.js和CSS文件/na/hmi/css/scc.css。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4中，PLC中通过OPCUA的server服务，对外提供文件节点hmi.tar.gz，当客户端调用文件节点hmi.tar.gz的Open方法时，PLC中回调函数将/na/hmi文件夹打包成为hmi.tar.gz压缩文件，并返回文件操作描述符handle；当客户端调用文件节点hmi.tar.gz的read方法并传入文件操作描述符handle时，PLC中回调函数将返回hmi.tar.gz文件的二进制码流，客户端将所述二进制码流保存为本地文件系统中的文件，并解压缩后，获取到PLC中能够展示的文件。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤5中，所述OPCUA客户端功能包括：从OPCUA服务端获取上位机展示所需文件；

所述HTTP服务器功能包括：将从OPCUA服务端获取的html文件以WEB服务方式发布，具体包括：集成一个嵌入式HTTP服务器boa；部署一个web应用；对外提供webservice接口；

所述指令转换功能包括：将WEB服务中对浏览器提供的数据获取指令，转换成获取OPCUA服务端数据的指令。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6中，下位机PLC在收到上位机发送并通过OPCUA客户端转换的数据请求指令之后，通过OPCUA协议，将应答报文发送给OPCUA客户端，OPCUA客户端将应答报文转发给WEB应用程序后，WEB应用程序将OPCUA应答转换成http应答，发送给上位机中客户端浏览器。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤7中，上位机在获取到PLC中能够展示的文件后，如果要获取相关实时数据，则上位机首先发送一个http请求给OPCUA客户端中的WEB应用，WEB应用将http请求转发给OPCUA客户端后，OPCUA客户端将http请求转换成OPCUA请求，发送给下位机PLC中的OPCUA服务端。

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