基于OPC UA的分布式数据采集处理系统架构研究

随着物联网与互联网融合的不断深化,感知层与应用层之间的互联互通要求不断提高。针对现有数据采集系统存在的规范性、扩展性和适应性不足的问题,文章提出一套基于对象连接与嵌入过程控制统一架构(object linking and embedding for process control unified architecture,OPC UA)协议的分布式数据采集处理系统架构。对数据采集处理系统各个模块进行功能解耦和架构重组,分别介绍该系统硬件和软件架构;针对发布订阅模式下负载的特异性,提出一种改进的适用于OPC UA分布式订阅的负载均衡算法;最后在某车企实例验证该系统架构。结果表明,基于OPC UA的分布式数据采集处理系统数据采集处理效果良好,证明了该系统架构的可行性及有效性。

基于OPC UA协议的工业网关系统设计与实现

针对“信息孤岛”、采集软件开发难度大和设备维护成本高等问题,本文设计了基于OPC UA协议的工业网关系统。该系统基于.NET Core框架进行搭建,使用ZooKeeper分布式集群对配置文件进行高效管理,设计了公共驱动接口开发设备驱动,通过线程池对不同设备的读写线程进行动态分配,实现同时对不同设备进行数据采集等操作。首先将工业网关、数控(CNC)机床、可编程逻辑控制器(PLC)和机器人等工业设备通过工业以太网进行连接,远程配置界面动态生成工业网关配置文件,并使用ZooKeeper对配置文件进行分布式集群管理。然后工业网关初始化并启动数据采集线程。客户端和工业监控平台均可实现数据显示、设备预测性维护和现场设备异常报警等功能。最后通过实验验证了所设计的工业网关系统的可行性。

智能制造技术在行业中的应用系列 第二讲 基于PROFINET和OPC UA的多机器人通信

机器人能够代替人工上下料作业,通过自动供料料仓、输送带等方式,实现高效的自动上下料系统。本文主要介绍了通过S7-1500将现场的4台ABB机器人进行PROFINET组态与通信,并通过OPC UA协议,由远端的KEPSERVER进行客户端访问,实现机器人现场端与管理端信息的交互。

图形化在线建模的OPC UA网关设计

OPC统一架构(Unified Architecture,UA)已经成为工业4.0的核心通信接口规范,但由于工业领域设备更新缓慢,大量现场设备仍使用传统的通信协议,且设备生产厂家不同,使用的通信协议也可能不同.为了将不同类型的现场设备融入OPC UA架构,克服多种通信协议之间的数据交换壁垒,本文设计了一种支持图形化在线建模的OPC UA网关.网关内部实现了OPC UA服务器,能够将多种通信协议数据连接到OPC UA服务器地址空间的节点上,方便MES和ERP等管理软件进行高效数据访问.同时,为了便于使用者建立OPC UA信息模型以及配置网关数据采集逻辑,设计了一种图形化建模方法.最后,本文通过示例,验证了图形化在线建模网关的可用性.

基于OPC UA的云端远程控制系统

控制算法的研究多通过模拟仿真的方式实现,但真正的应用还需要实际工程的测试检验,成熟的算法控制往往也需要应用测试,因此针对算法控制和工程之间产生的时间和空间限制,提出基于OPC UA的云端远程控制系统。该系统通过KEPServer软件和OPC技术解决不同硬件设备控制时的数据远程传输问题,同时将算法放入云服务器有效打破了时空上的壁垒,实现了随时随地远程控制。在实际应用中,远程控制系统利用预测PI控制算法已成功对企业的色谱柱温度进行远程控制,达到了不错的效果。

基于Tshark的OPC UA协议深度解析应用框架

工业控制系统现场设备通信正逐步由封闭的现场总线向开放的工业以太网过渡,而OPC UA作为OPC基金会推出的新一代数据集成标准,在工业控制网络中将会发挥越来越重要的作用。本文开发了一种基于Tshark对目标节点之间通信的OPC UA应用层报文进行深度解析的应用框架,并基于此框架给出了OPC UA畸形报文识别、设备操作权限异常判断、写入值越限检测的典型应用。

基于OPC UA技术的数据采集与信息系统设计

随着焊接车间自动化的不断发展,焊机种类更加丰富,对焊机的工作参数采集、工作状态监控越来越重要。不同品牌和型号的焊机导致车间内的通信协议繁多。为实现对焊机工作状态的数据采集与监控,以对象链接与嵌入的过程控制统一架构(OPC UA)为核心技术,利用其数据传输安全性强、可集成地址空间等优势,设计并实现了焊接车间的数据采集与监控系统。同时,创新性地将采集到的数据应用到制造执行系统(MES),实现了在MES监视焊机运行情况的功能。首先,采用C++语言搭建OPC UA服务器,实现采集设备的工作数据。其次,在JAVA平台开发了OPC UA客户端,实现访问服务器将采集的数据进行可视化读取、修改、监控和存储等功能。最后,该系统在焊接车间实时采集电压和电流数据进行测试与验证,证明其满足目标需求。因此,基于OPC UA的数据采集系统能满足焊接车间的数据采集和监控需求,对推动车间智能化管理有借鉴意义。

一种支持ModbusTCP协议的OPC UA服务器中间件

OPC UA技术凭借本身设计架构的优势,已成为工业4. 0在通信实施方面首推的技术。研发了一种基于OPC UA技术的工业现场通信中间件。此中间件内部实现了OPC UA服务器,通过ModbusTCP协议,读取待采集数据并以统一格式存储在OPC UA服务器地址空间中,向其他OPC UA客户端提供数据访问服务。同时,采集的数据也会存入关系数据库中,以数据库表的形式对外提供数据访问服务。使用此中间件,可减少数据采集的工作量,且凭借OPC UA技术跨层传输数据的优点,简化工业系统间数据访问难度。

IEC 60870-5-104规约向OPC UA规约转换方法的研究

OPC UA是工业4.0实现数据互联互通的重要技术,是实现电力行业与其他行业深度融合的重要技术研究方向,面向电力行业的IEC 60870-5-104规约向OPC UA规约转换方法的研究是重要内容,在深入研究IEC 60870-5-104和OPC UA规约的基础上,设计一种遵循OPC UA建模规则的协议转换方法,采用XML技术实现规则转换,并基于共享数据库技术,实现电力行业的IEC 60870-5-104规约与OPC UA规约的数据映射,实现电力行业的数据互联互通。

面向边缘计算的数字化车间制造数据实时融合方法

针对当前数字化车间制造数据冗余性高、传输协议不一致的问题,提出一种面向边缘计算的车间数据实时融合方法。首先,围绕边缘计算思想,建立基于物联网的车间数据实时采集体系架构;其次,借鉴证据理论,以一致性检测和归一化后的数据为基础,提出互支持度进行证据转换,并引入改进的证据组合规则获得融合数据,减少设备端上传的数据量,减轻传输网络的传输压力;然后,以OPC UA信息模型为基础,构建协议转换所需配置的信息层次结构模型,以可视化配置的形式完成协议转换,为车间数据提供统一的传输接口;最后,以某航天制造车间总线控制台为验证对象,验证了所提方法的有效性。

一种网络化的新型工控系统架构研究

针对流程工业自动化控制手段的发展趋势及APL技术在流程工业的应用潜力,分析了当前系统存在的问题和瓶颈,提出了一种基于网络化架构的新型工控仪表系统。本文对仪表侧设备、网络侧设备、资产管理软件需要具备的特性进行分析,并通过仪表终端、交换机、仪表资产管理系统和通信协议栈的研制进行系统级验证,通过实验证明符合该新型架构的系统具备开放解耦、持续演进的特征。该实验系统的研制和运行成功,说明网络化的工业控制系统架构具备在流程行业广泛应用和推广的潜力。

一种基于单对线以太IP协议栈的智能仪表的设计与实现

针对流程工业发展的趋势及IP技术在智能制造领域的应用潜力,提出了流程工业现场仪器仪表IP化的需求。通过搭建MCU和单对线以太网硬件以及轻量化操作系统平台,实现基于物联IP的OPC UA及Modbus协议栈在资源受限平台的移植与运行,构建了IP化仪表的实现方案。通过实验验证,展示了IP化仪表与工业控制系统的联合运行效果。该IP化仪表实现方案可以在流程工业自动化控制领域广泛使用和推广。

数字孪生技术下虚拟工程训练车间建模仿真

为了提升车间设备使用的合理性,提高生产力,提出了基于数字孪生的虚拟工程训练车间建模方法与仿真研究。建立设备几何模型,按照实际运动模式、约束条件和经验总结,获得机器设备的数字孪生模型构建原则。利用MES系统将文件下发至接口,将有关资料传输到设备端,使构件姿态能达到最优的目标位置。加入构件的建模语言,完成实体车间和虚拟训练车间的双向实时数据交互,在角色库层面上构建基于OPC UA通信协议的数据连接客户端,完成不同来源数据的整合。根据产品、工艺和资源数字孪生,建立车间的生产过程模型,通过数据层将信息传送到相应的数据库,调整物理层与模型层,实现车间的智能化管理。通过实验证明所建模型应用后能够提高车间产品生产效率,使内部设备利用更加合理。

基于OPC-UA架构的装配系统的KPI可视化

传统的液压阀装配模式存在装配效率低、装配过程易出错等问题,其重要的原因在于装配过程人机交互程度低、装配过程数据利用不足。针对该问题,利用跨设备数据通信协议(OLE for progress control-unified architecture,OPC-UA)对订单、阀门类型、每步骤装配时间等过程数据进行实时采集和存储,计算反映装配系统性能的重要指标(key performance index,KPI),并将数据推送至网页端实现数据可视化。最后,以液压阀智能装配系统为应用对象,验证了该方案的可行性。结果表明:生产环节涉及的每个角色都可以实时在线获取重要的生产信息,改进后的液压阀装配系统具备更高的信息沟通效率。

面向服务的物联汇聚平台的研究与开发

针对离散制造业现场设备层与上层应用系统(如ERP,MES,PLM系统)之间信息流不顺畅、数据结构异构、信息中转次数多、系统集成复杂度高的问题,提出了一种面向服务的物联汇聚平台,采用OPC UA技术使工业异构系统互联,为智能制造体系提供工业物联网平台系统解决方案。设计了灵活多样的驱动模块解决现场设备及系统异构问题,基于OPC UA地址空间的数据组态模块解决数据结构不统一的问题,最终实现数据及文件的跨层传输,简化系统集成复杂度。通过OPC UA客户端程序与Modbus模拟器程序测试,系统运行良好。

船载网络数据订阅式通信协议设计

在总结多种现有实船传输协议的基础上,借鉴OPC UA和DDS两种成熟的协议标准,制定出一种自描述的船载订阅式通信协议。适用于设备、传感器、其他系统获取数据及船上各个系统间以安全和高效的方式进行数据的分享和交互,交互的信息内容不限于结构化的数据,也支持非结构化的数据。

DMZ双向CS模式安全数据交互设计开发与应用

通常,数据采集与监视控制(SCADA)系统不允许外部网络直接访问。但出于生产管理需要,无法避免双方数据通信。为有效隔离SCADA与外部网络、实现双方数据快速自动交互、保证数据交互安全性和稳定性,在双方之间设置隔离区(DMZ)系统进行中转。采用可进行数据加密和证书认证通信的OPCUA协议与外部网络通信,并采用时序性较好的IEC104协议和SCADA通信。对协议转换进行了创新,采用双向客户端服务器(CS)模式,自主开发可视化数据中转应用,搭建双方数据交互桥梁。结果表明,DMZ有效保障了SCADA的安全运行,数据通信安全性极高,DMZ双向CS模式使数据中转更加快速、稳定、可靠。该研究为自动化控制系统对外数据交互设计实施提供了丰富的参考价值,对工业生产信息化平台如何安全访问生产过程数据具有一定的指导意义。

重离子治癌加速器束诊探测器运动控制系统设计

重离子医疗装置(HIMM)中需要束流诊断探测器来测量加速器束流参数,其中大部分探测器属于拦截式探测器,拦截式探测器在测量束流参数时需要将探测器探头插入束流管道中心,测试完成后将探测器拉出。另外,部分探测器需要联动控制,针对上述需求,设计了基于EtherCAT协议的拦截式探测器的运动控制系统架构,并且开发了基于OPC UA(OLE for Process Control Unified Architecture)协议的客户端/服务器软件系统,所有拦截式探测器已通过CFDA(China Food and Drug Administration)验证,自2017年起在束运行至今。使用结果表明,该系统具有较高的稳定性以及可移植性,控制精度以及控制模式均可完全满足现场应用要求。