(高清版)GB∕T 38869-2020 基于OPC UA的數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

ICS25.040國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T38869—2020 V 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語(yǔ)、定義和縮略語(yǔ) 13.1術(shù)語(yǔ)和定義 13.2縮略語(yǔ) 24數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu) 25數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息流 35.1互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接方式 35.2互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息流 46基于OPCUA的數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 5 5 5 66.4基于OPCUA的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 76.4.1MES與監(jiān)控設(shè)備之間 76.4.2MES與可編程控制設(shè)備之間 76.4.3MES與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間 86.4.4監(jiān)控設(shè)備與可編程控制設(shè)備之間 86.4.5監(jiān)控設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間 86.4.6聚合服務(wù)器 9 附錄A(資料性附錄)OPCUA協(xié)議規(guī)范與技術(shù)概述 A.1OPCUA協(xié)議規(guī)范框架 A.2OPCUA技術(shù)概述 A.2.1概述 A.2.2OPCUA基本架構(gòu)模式 A.2.3OPCUA數(shù)據(jù)編碼與傳輸協(xié)議 A.2.4OPCUA服務(wù) A.2.5OPCUA地址空間與信息模型 附錄B(資料性附錄)OPCUA開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn) B.1概述 B.2OPCUA應(yīng)用架構(gòu) B.3.1概述 B.3.2OPCUASDK功能 ⅡGB/T38869—2020B.3.3業(yè)務(wù)相關(guān)功能的開(kāi)發(fā) B.4OPCUA開(kāi)發(fā)和應(yīng)用考慮 B.4.1資源受限考慮 B.4.2實(shí)時(shí)性考慮 B.4.3安全性考慮 B.5面向機(jī)械加工行業(yè)的OPCUA架構(gòu)應(yīng)用導(dǎo)則 B.6OPCUA開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)示例 B.6.1概述 B.6.2數(shù)控機(jī)床內(nèi)嵌OPCUA服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)示例 附錄C(資料性附錄)OPCUA的兼容性 C.1概述 C.2OPC/OPCUA兼容性解決方案示例 C.2.1概述 C.2.2UAProxy C.2.3UAWrapper C.3兼容性聲明 圖1數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)示意圖 3圖2軟硬件組成及其之間可能連接與信息流示意圖 4圖3OPCUA的作用位置示意圖 6圖4OPCUA網(wǎng)絡(luò)分布概念 6 7 7圖7MES與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間基于OPCUA的集成 8圖8監(jiān)控設(shè)備與可編程控制設(shè)備之間基于OPC 8 9圖10基于聚合OPCUA服務(wù)器的集成 9圖11基于嵌入式OPCUA服務(wù)器網(wǎng)關(guān)的集成 圖A.1OPCUA規(guī)范框架 圖A.2OPCUA層模型 圖A.3OPCUA客戶(hù)端與服務(wù)器的交互關(guān)系 圖A.4組合的OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端概念 圖A.5UPCUA傳輸規(guī)范 圖B.1OPCUA應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)架構(gòu) 圖B.2OPCUA標(biāo)準(zhǔn)地址空間 圖B.3面向機(jī)械制造行業(yè)的典型架構(gòu) 圖B.4數(shù)控機(jī)床的信息模型 Ⅲ圖B.5地址空間管理 21圖B.6Modbus采集模塊 圖B.7構(gòu)建信息模型 圖C.1協(xié)議轉(zhuǎn)換示意 圖C.2UAProxy示意圖 圖C.3UAWrapper示意圖 25表B.1數(shù)控機(jī)床信息模型映射過(guò)程 21表B.2溫濕度傳感器信息模型映射過(guò)程 23表C.1OPCUA兼容性聲明(必備) 26表C.2OPCUA兼容性聲明(可選) 27V本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專(zhuān)利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別這些專(zhuān)利的責(zé)任。本標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。本標(biāo)準(zhǔn)由全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量控制和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC124)歸口。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司、上海自動(dòng)化儀表有限公司、北京東土科技股份有限公司、上海工業(yè)自動(dòng)化儀表1GB/T38869—2020基于OPCUA的數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文GB/T33863(所有部分)OPC統(tǒng)一架構(gòu)3.1.1[IEC61499-1:2012,定義3.23]3.1.2數(shù)字化車(chē)間digitalfactory;digitalworkshop注：智能制造系統(tǒng)層次的設(shè)備層、控制層和車(chē)間層屬于數(shù)字化車(chē)間范圍。[GB/T37393—2019,定義3.3]3.1.3通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行約定而被賦予數(shù)據(jù)的含義。[IEC61499-1:2012,定義3.53]3.1.4向符合IEC62541系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的OPCUA服務(wù)器發(fā)送消息的軟件應(yīng)用。注：均指OPCUA客戶(hù)端。3.1.5執(zhí)行IEC62541系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的服務(wù)的軟件應(yīng)用。[GB/T33863.1—2017,定義3.2.28]2一組生產(chǎn)設(shè)備，專(zhuān)用于生產(chǎn)特定數(shù)量的產(chǎn)品或產(chǎn)品系列。下列縮略語(yǔ)適用于本文件。AGV:自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(AutomaticGuidedVehicle)ERP:企業(yè)資源計(jì)劃(EnterpriseResouIPC:工業(yè)計(jì)算機(jī)(IndustrialPersonalComputer)LAN:局域網(wǎng)(localareaneLIMS:實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)(LaboratoryInfMES:制造執(zhí)行系統(tǒng)(ManufacturingExecutionSystem)OPCUA:OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPCUnifiedArchitecture)PLM:產(chǎn)品生命周期管理(ProductLifecycleManagement)QMS:質(zhì)量管理系統(tǒng)(QualityManaRFID:無(wú)線射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentiRTU:遠(yuǎn)程終端設(shè)備(RemoteTerminalUnit)SCADA:數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SupervisoryControlAndDataAcquisition)WMS:倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)(WarehouseManagementSystem)4數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)及各層次系統(tǒng)、設(shè)備間連接如圖1所示。3GB/T38869—2020注：圖中僅示意說(shuō)明層次關(guān)系及可能的連接關(guān)系。圖1數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)示意圖各層次功能和各種系統(tǒng)、設(shè)備在不同層次上的分配如下所述：a)設(shè)備層：實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的傳感和執(zhí)行，定義參與感知和執(zhí)行生產(chǎn)制造過(guò)程的活動(dòng)。時(shí)間分辨粒數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、AGV、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備等智能制造裝備在此層運(yùn)行。這些設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。b)控制層：實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的監(jiān)視和控制，定義對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和控制的活動(dòng)。時(shí)間分1)監(jiān)視控制層：以操作監(jiān)視為主要任務(wù)，兼有高級(jí)控制策略、故障診斷等部分管理功能。各種監(jiān)視控制設(shè)備/系統(tǒng)，如可視化的SCADA、HMI、DCS操作員站等在此層運(yùn)行。2)現(xiàn)場(chǎng)控制層：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行測(cè)量和控制，采集過(guò)程數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、連續(xù)控制和批次控制功能。各種可編程控制設(shè)備，如PLC、DCSLIMS等在此層運(yùn)行。企業(yè)可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)制造需求和規(guī)?？蛇x地實(shí)現(xiàn)全部或部分層次。5數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息流5.1互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接方式數(shù)字化車(chē)間中典型的與生產(chǎn)相關(guān)的軟硬件組成及其之間可能連接與信息流(箭頭表示)如圖2所示。4GB/T38869—2020MESMES/WMS/EM4S/LIMS/QMS等現(xiàn)場(chǎng)控制層例如過(guò)程映像例如功能塊1/0數(shù)據(jù)設(shè)備參數(shù)報(bào)警診斷對(duì)等設(shè)備遠(yuǎn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可編程控制設(shè)備例如過(guò)程映像例如功能塊I/O數(shù)據(jù)設(shè)備參數(shù)報(bào)警診斷現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)視控制層工程工具現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備車(chē)間層設(shè)備層這些軟硬件分布在數(shù)字化車(chē)間的不同層次且通過(guò)通信系統(tǒng)互聯(lián)，共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)車(chē)間自動(dòng)化生產(chǎn)和a)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與可編程控制設(shè)備(PLC、DCS控制器或IPC)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)或工業(yè)無(wú)線b)可編程控制設(shè)備與HMI、SCADA或MES等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)連接，或者通過(guò)LANc)工程工具(包括各種編程工具、組態(tài)工具、調(diào)試工具等)可訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和可編程控制設(shè)備，一d)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的多個(gè)分組(有或沒(méi)有控制器)也可通過(guò)LAN相互連接，或者連接到更高層(HMIf)MES系統(tǒng)可直接訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，或通過(guò)可編程控制設(shè)備間接訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。數(shù)字化車(chē)間各組成部分之間的可能交互的信息流包括：a)MES等系統(tǒng)與可編程控制設(shè)備之間：1)MES等系統(tǒng)向可編程控制設(shè)備發(fā)送作業(yè)指令、參數(shù)配置、配方數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、程序代2)可編程控制設(shè)備向MES等系統(tǒng)發(fā)送與生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)的信息，如生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息、質(zhì)量信3)可編程控制設(shè)備向MES發(fā)送診斷信息和報(bào)警信息。b)MES等系統(tǒng)與監(jiān)控設(shè)備之間：1)監(jiān)控設(shè)備向MES等系統(tǒng)發(fā)送與生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)的信息，生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息、質(zhì)量信息、庫(kù)存信2)監(jiān)控設(shè)備向MES等系統(tǒng)發(fā)送診斷信息和報(bào)警信息。c)MES等系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間：5GB/T38869—20202)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向MES等系統(tǒng)發(fā)送與生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)的信息，生產(chǎn)實(shí)績(jī)信息、質(zhì)量信息、庫(kù)存信3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向MES等系統(tǒng)發(fā)送診斷信息和報(bào)警信息。d)監(jiān)控設(shè)備與可編程控制設(shè)備之間：1)監(jiān)控設(shè)備向可編程控制設(shè)備發(fā)送控制和操作指令、參數(shù)設(shè)置等信息；2)監(jiān)控設(shè)備從可編程控制設(shè)備獲取可視化所需要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；3)可編程控制設(shè)備向監(jiān)控設(shè)備發(fā)送診斷信息和報(bào)警信息。e)監(jiān)控設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間：1)監(jiān)控設(shè)備向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送控制和操作指令、參數(shù)設(shè)置等信息；2)監(jiān)控設(shè)備從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取可視化所需要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向監(jiān)控設(shè)備發(fā)送診斷信息和報(bào)警信息。f)可編程控制設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間：1)可編程控制設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間交換輸入、輸出數(shù)據(jù)，例如可編程控制設(shè)備向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳送輸出數(shù)據(jù)(如參數(shù)設(shè)定值、作業(yè)指令等),以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向可編程控制設(shè)備傳送輸入數(shù)據(jù)2)可編程控制設(shè)備配置或獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)；3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向可編程控制設(shè)備發(fā)送診斷信息和報(bào)警信息。g)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間：1)編程工具、組態(tài)工具向可編程控制設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送程序代碼或組態(tài)信息；2)調(diào)試工具向可編程控制設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送讀寫(xiě)參數(shù)請(qǐng)求，可編程控制設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向調(diào)試工具返回讀寫(xiě)參數(shù)響應(yīng)。6基于OPCUA的數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端的實(shí)現(xiàn)應(yīng)符合GB/T33863,主要實(shí)現(xiàn)方式包括：a)OPCUA客戶(hù)端可是獨(dú)立的應(yīng)用程序或者應(yīng)用程序的一部分，如ERP、MES、SCADA都可是客戶(hù)端應(yīng)用程序；b)網(wǎng)絡(luò)上單獨(dú)存在的OPCUA協(xié)議網(wǎng)關(guān)，向上層網(wǎng)絡(luò)提供OPCUA服務(wù)器，向下層網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；c)同時(shí)作為OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端，如SCADA,既可作為客戶(hù)端獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，又可作為服務(wù)器向MES提供數(shù)據(jù)；d)嵌入式OPCUA服務(wù)器，可嵌入到PLC、DCS控制器等可編程控制設(shè)備，或者嵌入到數(shù)控機(jī)GB/T33863標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和OPCUA技術(shù)概要參見(jiàn)附錄A,OPCUA的主要開(kāi)發(fā)方法及OPCUA服務(wù)器地6.2OPCUA作用位置數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中可使用OPCUA實(shí)現(xiàn)不同層次系統(tǒng)、設(shè)備之間集成與信息交換的作用位置如圖3所示(用橢圓框表示)。6GB/T38869—2020MJSMJS/wMS/I:MS/LJMS/QMS等可視化的監(jiān)控設(shè)備(SCALA,IMI、操作員站等)可編程控制投備現(xiàn)場(chǎng)控制層例如過(guò)程映像例如功能塊/O數(shù)據(jù)設(shè)備參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可編程控制設(shè)備例如過(guò)程映像例如功能塊I/O數(shù)據(jù)設(shè)備參數(shù)對(duì)等設(shè)備通信監(jiān)視控制層工程工具現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備車(chē)問(wèn)層設(shè)備層圖3OPCUA的作用位置示意圖如圖3所示，OPCUA作用位置包括：a)MES等系統(tǒng)與監(jiān)控設(shè)備之間；b)MES等系統(tǒng)與可編程控制設(shè)備之間；c)MES等系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間；d)監(jiān)控設(shè)備與可編程控制設(shè)備之間；e)監(jiān)控設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與可編程控制設(shè)備之間、可編程控制設(shè)備與可編程控制設(shè)備之間、工程工具與ERP/MES之間、ERP與MES之間的集成與信息交換也可通過(guò)OPCUA實(shí)現(xiàn)。6.3OPCUA網(wǎng)絡(luò)分布在數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端的一般分布如圖4所示，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部信息的獲取。OPCUA客戶(hù)端車(chē)間層客戶(hù)端服務(wù)器客戶(hù)端服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)層OPC'LA服務(wù)器OPCUA服務(wù)器客戶(hù)端服務(wù)器制造過(guò)程語(yǔ)義生產(chǎn)單元語(yǔ)義現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備語(yǔ)義7GB/T38869—2020OPCUA具有信息建模能力，可提供不同層次的數(shù)據(jù)語(yǔ)義，包括：a)制造過(guò)程語(yǔ)義：UA服務(wù)器定義與生產(chǎn)運(yùn)作管理或生產(chǎn)工藝相關(guān)的信息模型；b)生產(chǎn)單元語(yǔ)義：UA服務(wù)器定義生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線的信息模型；c)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備語(yǔ)義：UA服務(wù)器定義現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息模型。6.4基于OPCUA的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)6.4.1MES與監(jiān)控設(shè)備之間MES與監(jiān)控設(shè)備(SCADA、HMI等)之間基于OPCUA的集成如圖5所示。此種情況下，MES應(yīng)作為OPCUA客戶(hù)端，SCADA或HMI應(yīng)作為OPCUA服務(wù)器。MESMESOPCIA車(chē)間層客戶(hù)端OPCUJATCP或以太網(wǎng)SOAP/IITTPOPCUA監(jiān)視控制層服務(wù)器SCADAOPCUJA服務(wù)器注：圖中僅是示意，并不意味著SCADA和HMI位于同一網(wǎng)絡(luò)。圖5MES與監(jiān)控設(shè)備之間基于OPCUA的集成6.4.2MES與可編程控制設(shè)備之間MES與可編程控制設(shè)備(PLC、DCS控制器、IPC等)之間基于OPCUA的集成如圖6所示。在此情況下，MES應(yīng)作為OPCUA客戶(hù)端，PLC、DCS控制器或IPC應(yīng)作為OPCUA服務(wù)器。MESMESOPCUA客戶(hù)端OPCUATCP或SOAP/IITTPOPCUA服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)無(wú)線傳感器倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備工業(yè)機(jī)器人OPCUA服務(wù)器OPCUA服務(wù)器數(shù)控控制器設(shè)備層以太網(wǎng)車(chē)間層RTID)AGV4圖6MES與可編程控制設(shè)備之間基于OPCUA的集成8GB/T38869—20206.4.3MES與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間MES與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的基于OPCUA集成如圖7所示。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可包括各種傳感器、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、AGV、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、RFID讀寫(xiě)器等制造裝備。在此情況下，MES應(yīng)作為OPCUA客戶(hù)端，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)作為OPCUA服務(wù)器。MHSMHS車(chē)間層OPCUAICP或SOAP/HTTPOPCUA服務(wù)器RFIDOPCUA服務(wù)器OPCUA服務(wù)器工業(yè)服務(wù)器自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備服務(wù)器傳感器OPCUA服務(wù)器AGV客戶(hù)端設(shè)備層以太網(wǎng)圖7MES與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間基于OPCUA的集成6.4.4監(jiān)控設(shè)備與可編程控制設(shè)備之間監(jiān)控設(shè)備(SCADA、HMI)與可編程控制設(shè)備(PLC、DCS控制器、IPC等)之間基于OPCUA的集成如圖8所示。在此情況下，SCADA或HMI應(yīng)作為OPCUA客戶(hù)端，PLC、DCS控制器或IPC應(yīng)作為OPCUA服務(wù)器。SCADAOPCUASCADAOPCUA客戶(hù)端監(jiān)視控制層客戶(hù)端監(jiān)視控制層以太網(wǎng)或以太網(wǎng)S0AP/HTTPOPCUA現(xiàn)場(chǎng)控制層服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)控制層PLCOPCUA服務(wù)器DSC控制器服務(wù)器IPC工業(yè)以太網(wǎng)/工業(yè)無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)/工業(yè)無(wú)線數(shù)控機(jī)床工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備AGVRFID傳感器AGVRFID圖8監(jiān)控設(shè)備與可編程控制設(shè)備之間基于OPCUA的集成6.4.5監(jiān)控設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間監(jiān)控設(shè)備(SCADA、HMI)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間基于OPCUA的集成如圖9所示?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可包括9GB/T38869—2020或HMI應(yīng)作為OPCUA客戶(hù)端，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)作為OPCUA服務(wù)器。IIMlIIMl客戶(hù)端OPCUA設(shè)備層服務(wù)器傳感器服務(wù)器服務(wù)器工業(yè)服務(wù)器數(shù)控機(jī)床服務(wù)器AGVSCADAOPCUA客戶(hù)端服務(wù)器監(jiān)視控制層圖9監(jiān)控設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間基于OPCUA的集成聚合服務(wù)器是一種特殊情況，即一個(gè)應(yīng)用程序既作為OPCUA客戶(hù)端獲取數(shù)據(jù)，又作為OPCUA服務(wù)器提供數(shù)據(jù)。圖10所示示例中，SCADA和HMI同時(shí)是OPCUA服務(wù)器和OPCUA客戶(hù)端，MES通過(guò)OPCUA從SCADA或HMI(作為OPCUA服務(wù)器)獲取數(shù)據(jù)，而SCADA或HMI(作為OPCUA客戶(hù)端)又通過(guò)OPCUA從控制設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。MES車(chē)間層客戶(hù)端以太網(wǎng)QPCUA服務(wù)器HMIOPCUAQPCUA服務(wù)器HMIOPCUA客戶(hù)端服務(wù)器或或OPCUA客戶(hù)端以太網(wǎng)或設(shè)備層服務(wù)器PLCDCS控制器服務(wù)器機(jī)床服務(wù)器自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備服務(wù)器RF[D注：圖中僅是示意，并不意味著所有可編程控制設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備位于同一網(wǎng)絡(luò)。圖10基于聚合OPCUA服務(wù)器的集成6.4.7嵌入式OPCUA服務(wù)器網(wǎng)關(guān)當(dāng)可編程控制設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備未實(shí)現(xiàn)OPCUA服務(wù)器時(shí)，可采用嵌入式OPCUA服務(wù)器網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)特定工業(yè)通信協(xié)議與OPCUA協(xié)議的轉(zhuǎn)換，如圖11所示。OPCUA客戶(hù)端或服務(wù)器制層/MESOPCUA客戶(hù)端客戶(hù)端工業(yè)無(wú)線車(chē)間層/特定工業(yè)服務(wù)器DCS服務(wù)器工業(yè)RFl)+數(shù)控機(jī)床PI.C注：圖中僅是示意，并不意味著所有可編程控制設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備位于同一網(wǎng)絡(luò)。圖11基干嵌入式OPCUA服務(wù)器網(wǎng)關(guān)的集成GB/T38869—2020(資料性附錄)OPCUA協(xié)議規(guī)范與技術(shù)概述A.1OPCUA協(xié)議規(guī)范框架GB/T33863(所有部分)等同采用IEC62541(所有部分),規(guī)定了OPCUA協(xié)議規(guī)范，各部分名稱(chēng)如圖A.1所示。OPCUA規(guī)范第4部分：服務(wù)第11部分：歷史訪問(wèn)應(yīng)用規(guī)范第12部分：發(fā)現(xiàn)第12部分：發(fā)現(xiàn)第13部分；聚合GB/T33863的核心規(guī)范及預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)如下：a)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第1部分：概念和概述》:給出OPCUA的概念和概述；b)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第2部分：安全模型》:描述OPCUA客戶(hù)端和OPCUA服務(wù)器之間的安全c)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第3部分：地址空間模型》:描述服務(wù)器地址空間的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)；d)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第4部分：服務(wù)》:規(guī)定OPCUA服務(wù)器提供的服務(wù)；e)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第5部分：信息模型》:規(guī)定OPCUA服務(wù)器的類(lèi)型及其關(guān)系；f)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第6部分：映射》:規(guī)定OPCUA支持的傳輸映射和數(shù)據(jù)編碼；g)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第7部分：行規(guī)》:規(guī)定OPC客戶(hù)端和服務(wù)器可用的行規(guī)，這些行規(guī)提供可用GB/T38869—2020GB/T33863訪問(wèn)類(lèi)型規(guī)范如下：a)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第8部分：數(shù)據(jù)訪問(wèn)》:規(guī)定使用OPCUA如何進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)；b)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第9部分：報(bào)警和條件》:規(guī)定使用OPCUA如何進(jìn)行報(bào)警和條件訪問(wèn)；c)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第10部分：程序》:規(guī)定使用OPCUA如何進(jìn)行程序訪問(wèn)；d)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第11部分：歷史訪問(wèn)》:規(guī)定使用OPCUA如何進(jìn)行歷史訪問(wèn)，包括歷史數(shù)據(jù)GB/T33863應(yīng)用規(guī)范如下：a)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第12部分：發(fā)現(xiàn)》:規(guī)定發(fā)現(xiàn)服務(wù)器在不同情況下如何工作，以及描述了UA客戶(hù)端和服務(wù)器應(yīng)如何進(jìn)行交互，還定義如何使用通用目錄服務(wù)協(xié)議(如UDDI和LDAP)來(lái)訪問(wèn)UA相關(guān)信息；b)《OPC統(tǒng)一架構(gòu)第13部分：聚合》:規(guī)定如何計(jì)算和返回聚合，如最小值、最大值和可與基本(實(shí)時(shí))數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)(HDA)一同使用。A.2OPCUA技術(shù)概述A.2.1概述OPCUA定義了以下基本功能：b)元模型：提供OPCUA信息模型的建模規(guī)則和基礎(chǔ)構(gòu)件；c)服務(wù)：建立一個(gè)在OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端之間的接口，使用傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端和服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交換。OPCUA基礎(chǔ)規(guī)范定義了通用模型(如報(bào)警或自動(dòng)化數(shù)據(jù)),在基礎(chǔ)規(guī)范之上定義以下更高級(jí)功能b)報(bào)警和狀態(tài)(AC):定義處理報(bào)警管理和狀態(tài)監(jiān)視的高級(jí)模型。狀態(tài)的改變可以觸發(fā)一個(gè)事c)歷史訪問(wèn)(HA):定義訪問(wèn)歷史數(shù)據(jù)和歷史事件的機(jī)制。數(shù)據(jù)可以位于數(shù)據(jù)庫(kù)、文檔或另一存此外，OPCUA支持其他組織或供應(yīng)商為特定領(lǐng)域和用例定義的增強(qiáng)功能的專(zhuān)用信息模型。其他組織可在OPCUA基礎(chǔ)或OPC信息模型基礎(chǔ)上構(gòu)造其專(zhuān)用信息模型，供應(yīng)商可通過(guò)直接使用OPC圖A.2給出OPCUA的層模型。GB/T38869—2020傳輸元模型A.2.2OPCUA基本架構(gòu)模式A.2.2.1客戶(hù)端—服務(wù)器UPCUA使用類(lèi)似經(jīng)典OPC的客戶(hù)端/服務(wù)器概念。為其他應(yīng)用提供自己信息的應(yīng)用程序被稱(chēng)為OPCUA服務(wù)器，使用其他應(yīng)用程序的信息的應(yīng)用程序被稱(chēng)為OPAUA客戶(hù)端。OPCUA客戶(hù)端和OPCUA服務(wù)器為交互伙伴。通過(guò)分布于網(wǎng)絡(luò)上的客戶(hù)端和服務(wù)器之間的消息發(fā)送，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型系統(tǒng)和設(shè)備之間的通信。OPCUA服務(wù)器向OPCUA客戶(hù)端提供對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，以及通知客戶(hù)端有重要變化的報(bào)警和事件。OPCUA客戶(hù)端向OPCUA服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)提供給其他應(yīng)用程序。一個(gè)系統(tǒng)可包含多個(gè)客戶(hù)端和服務(wù)器。每個(gè)客戶(hù)端可同時(shí)與一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器交互，每個(gè)服務(wù)器可與一個(gè)或多個(gè)客戶(hù)端交互，如圖A.3所示?？蛻?hù)機(jī)服務(wù)器客戶(hù)機(jī)OPCUA服務(wù)器客戶(hù)機(jī)服務(wù)器圖A.3OPCUA客戶(hù)端與服務(wù)器的交互關(guān)系A(chǔ).2.2.2聚合服務(wù)器一個(gè)應(yīng)用程序中可同時(shí)包含客戶(hù)端和服務(wù)器，以允許與其他服務(wù)器和客戶(hù)端進(jìn)行交互，如圖A.4所示。服務(wù)器響應(yīng)服務(wù)器響應(yīng)組合的服務(wù)器OPCUA服務(wù)器OPCUA服務(wù)器響應(yīng)和客戶(hù)機(jī)圖A.4組合的OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端概念A(yù).2.3OPCUA數(shù)據(jù)編碼與傳輸協(xié)議——基于HTTP/HTTPSWeb服務(wù)：采用二進(jìn)制或XML編碼的應(yīng)用，適用于防火墻友好的互聯(lián)圖A.5示出了OPCUA的傳輸規(guī)范。二進(jìn)制二進(jìn)制混合模式Web服務(wù)HTTPSIITTP端口號(hào)484044344380圖A.5UPCUA傳輸規(guī)范A.2.4OPCUA服務(wù)OPCUA以地址空間來(lái)限定服務(wù)需求，以讀寫(xiě)變量或訂閱方式來(lái)更新數(shù)據(jù)。OPCUA通過(guò)邏輯組合來(lái)組織服務(wù)(即服務(wù)集),通過(guò)客戶(hù)端和服務(wù)器間的服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)來(lái)完成信息交換。OPCUA提供9個(gè)基本服務(wù)集：b)通信(SESSION)服務(wù)集：定義與特定用戶(hù)在應(yīng)用層建立連接(會(huì)話)的服務(wù)。d)視圖(VIEW)服務(wù)集：定義允許客戶(hù)端能夠通過(guò)瀏覽方式發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)，瀏覽方式使得客戶(hù)端能夠向上或向下定位各節(jié)點(diǎn)，或者定位兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的對(duì)象；這樣，客戶(hù)端就能夠定位結(jié)構(gòu)體的地址空間。e)屬性(ATTRIBUTE)服務(wù)集：定義對(duì)象屬性讀寫(xiě)的服務(wù)，屬性則是有OPCUA定義的原始GB/T38869—2020i)查詢(xún)(QUERY)服務(wù)集：客戶(hù)端能夠使用這些服務(wù)并采用特定過(guò)濾方式從標(biāo)準(zhǔn)地址空間中獲取指定節(jié)點(diǎn)。A.2.5OPCUA地址空間與信息模型A.2.5.1概述OPCUA的對(duì)象模型允許將數(shù)據(jù)、報(bào)警、事件和歷史數(shù)據(jù)都集成到一個(gè)OPCUA服務(wù)器的地址空間。這樣，例如能夠?qū)⒁粋€(gè)溫度測(cè)量設(shè)備視為一個(gè)具有溫度值、報(bào)警參數(shù)和想要報(bào)警極限值的對(duì)象。OPCUA信息模型和地址空間采用分層設(shè)計(jì)，以促進(jìn)客戶(hù)端和服務(wù)器的互操作性。每個(gè)高階類(lèi)型都基于特定的基本規(guī)則，這樣，僅知道和實(shí)施這一基本規(guī)則的客戶(hù)端也可處理復(fù)雜的信息模型，即使客戶(hù)端不了解更深層次關(guān)系，但可通過(guò)地址空間導(dǎo)航來(lái)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)變量。OPCUA服務(wù)器通過(guò)OPCUA服務(wù)(接口和方法)提供給客戶(hù)端使用的對(duì)象集和相關(guān)信息被稱(chēng)為地址空間。地址空間中的節(jié)點(diǎn)表示實(shí)際對(duì)象、對(duì)象定義和對(duì)象間的引用。服務(wù)器可在所選擇的地址空間內(nèi)自由地組織其節(jié)點(diǎn)。地址空間中的所有節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)層次結(jié)構(gòu)到達(dá)。節(jié)點(diǎn)間的引用允許服務(wù)器按層次結(jié)構(gòu)、全網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或任何可能的混合結(jié)構(gòu)來(lái)組織地址空間，從而地址空間形成一個(gè)緊密連接的節(jié)OPCUA允許服務(wù)器向客戶(hù)端提供從地址空間訪問(wèn)的對(duì)象類(lèi)型定義，也允許使用信息模型來(lái)描述地址空間內(nèi)容。從地址空間的角度看，信息模型描述了服務(wù)器地址空間的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)化類(lèi)型，并且用于診斷的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)例或作為服務(wù)器特定節(jié)點(diǎn)的入口點(diǎn)。因此，信息模型定義了空的OPCUA服務(wù)器的地址空間。OPCUA地址空間支持信息模型。該支持通過(guò)以下提供：a)允許地址空間中對(duì)象建立彼此聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)引用；b)為實(shí)際對(duì)象(類(lèi)型定義)提供語(yǔ)義信息的對(duì)象類(lèi)型節(jié)點(diǎn)；c)支持類(lèi)型定義的子類(lèi)的對(duì)象類(lèi)型節(jié)點(diǎn)；d)允許使用工業(yè)特定數(shù)據(jù)類(lèi)型的地址空間中可見(jiàn)的數(shù)據(jù)類(lèi)型定義；e)允許工業(yè)團(tuán)體定義如何在OPCUA地址空間中表示其特定信息模型的OPCUA兼容標(biāo)準(zhǔn)?；镜腛PCUA規(guī)范僅提供信息模型的基礎(chǔ)設(shè)施，由供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)信息模型的建模。GB/T38869—2020(資料性附錄)B.1概述OPCUA具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性，可以在任何操作系統(tǒng)上運(yùn)行甚至無(wú)需操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)可以使用任何編B.2OPCUA應(yīng)用架構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)組件或構(gòu)件重用，OPCUA應(yīng)用的開(kāi)發(fā)可按照功能層次進(jìn)行劃分，圖B.1給出OPCUA客戶(hù)端與服務(wù)器之間相交互的軟件功能層次模型，包括相應(yīng)的OPCUA應(yīng)用程序、OPCUAAPI以及服務(wù)器應(yīng)用OPCUA視圖節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)訂閱通信棧服務(wù)請(qǐng)求服務(wù)響應(yīng)發(fā)布請(qǐng)求事件通知服務(wù)請(qǐng)求服務(wù)響應(yīng)訂閱請(qǐng)求節(jié)OPCUA服務(wù)器AP[OPCUA通信棧接收通知RWRirMsOPCUA[圖B.1OPCUA應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)架構(gòu)其中：a)OPCUA客戶(hù)端/服務(wù)器應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)作為UA客戶(hù)端/服務(wù)器的設(shè)備或業(yè)務(wù)功能的程序或代碼；客戶(hù)端應(yīng)用使用OPCUA客戶(hù)端API向OPCUA服務(wù)器發(fā)送和接收OPCUA服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)；服務(wù)器應(yīng)用使用OPCUA服務(wù)器API發(fā)送和接收來(lái)自O(shè)PCUA客戶(hù)端的OPCUAb)OPCUA客戶(hù)端/服務(wù)器API:用于分離OPCUA客戶(hù)端/服務(wù)器應(yīng)用代碼與OPCUA通信棧的內(nèi)部接口，實(shí)現(xiàn)如管理連接(會(huì)話)和處理服務(wù)報(bào)文等功能。c)OPCUA通信棧：實(shí)現(xiàn)OPCUA通信通道，包括消息編碼、安全機(jī)制和報(bào)文傳輸。d)實(shí)際對(duì)象：OPCUA服務(wù)器應(yīng)用可訪問(wèn)的，或OPCUA服務(wù)器內(nèi)部維護(hù)的物理或軟件對(duì)象，例如物理設(shè)備和診斷計(jì)數(shù)器。e)OPCUA地址空間：客戶(hù)端使用OPCUA服務(wù)(接口和方法)可訪問(wèn)的服務(wù)器內(nèi)節(jié)點(diǎn)集；節(jié)點(diǎn)GB/T38869—2020用于表示實(shí)際對(duì)象、對(duì)象定義和對(duì)象間的引用。B.3基于SDK的OPCUA開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)B.3.1概述OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端的開(kāi)發(fā)推薦采用基于軟件開(kāi)發(fā)包SDK的開(kāi)發(fā)方式。SDK實(shí)現(xiàn)了OPC常見(jiàn)的OPCUASDK供應(yīng)商包括MatrikonOPC、Softing、Prosys、UnifiedAutomation等公司。這些公司的SDK一般以庫(kù)的形式提供，但可能限定編譯機(jī)器和運(yùn)行機(jī)器的個(gè)數(shù)。有些SDK還可以源碼形式提供，但使用要求受限。例如，OPCUA基金會(huì)會(huì)員，可以免費(fèi)獲取有限的OPCUA開(kāi)源代碼，但客戶(hù)可在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。B.3.2OPCUASDK功能OPCUA服務(wù)器SDK提供的功能主要包括以下內(nèi)容：a)提供包括基于UATCP和SOAP/HTTP的OPCUA通信，如作為服務(wù)器進(jìn)行客戶(hù)端報(bào)文的接收；d)提供創(chuàng)建地址空間相關(guān)的各類(lèi)接口，如創(chuàng)建結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、創(chuàng)建數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)(一般數(shù)據(jù)點(diǎn)、模擬量、離e)提供這些節(jié)點(diǎn)相關(guān)的支持以形成節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。OPCUA客戶(hù)端SDK提供的功能主要包括以下內(nèi)容：a)提供包括基于UATCP和SOAP/HTTP的OPCUA通信，如作為客戶(hù)端進(jìn)行連接操作；B.3.3業(yè)務(wù)相關(guān)功能的開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)相關(guān)功能的開(kāi)發(fā)是指開(kāi)發(fā)OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端特定功能。對(duì)于基于SDK的服務(wù)器開(kāi)發(fā)，業(yè)務(wù)功能開(kāi)發(fā)主要包括：a)構(gòu)建用戶(hù)的地址空間模型；b)對(duì)用戶(hù)地址空間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)，如地址空間一個(gè)模擬量數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的值如何更新；c)通信相關(guān)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)(主要針對(duì)嵌入到設(shè)備的OPCUA服務(wù)器);d)其他必要的工作。對(duì)于基于SDK的客戶(hù)端開(kāi)發(fā)，業(yè)務(wù)功能開(kāi)發(fā)主要包括：a)一般的用戶(hù)接口，用戶(hù)可進(jìn)行輸入和輸出；b)配置管理，用戶(hù)可選擇訪問(wèn)服務(wù)器的哪些數(shù)據(jù)以及訪問(wèn)方式，如輪詢(xún)、訂閱等不同方式；c)其他必要的功能。對(duì)于基于SDK的OPCUA服務(wù)器開(kāi)發(fā)，大部分工作量在于地址空間的建立、管理與維護(hù)。OPCUA提供了標(biāo)準(zhǔn)地址空間結(jié)構(gòu)，如圖B.2所示，但是服務(wù)器開(kāi)發(fā)者可根據(jù)不同系統(tǒng)或設(shè)備功能需求，構(gòu)建自己的地址空間或信息模型，例如數(shù)控機(jī)床信息模型與PLC模型不同。對(duì)于基于SDK的OPCUA客戶(hù)端開(kāi)發(fā)，大部分工作量在于實(shí)現(xiàn)可配置的訪問(wèn)地址空間功能。GB/T38869—2020十ReferenceTypesDataTypes圖B.2OPCUA標(biāo)準(zhǔn)地址空間B.4OPCUA開(kāi)發(fā)和應(yīng)用考慮B.4.1資源受限考慮對(duì)于嵌入式OPCUA服務(wù)器，設(shè)備開(kāi)發(fā)商可考慮由于使用OPCUA技術(shù)或通信棧帶來(lái)的諸如內(nèi)存、CPU等的資源受限問(wèn)題，例如在單片機(jī)等低資源硬件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)最好先進(jìn)行資源評(píng)估。B.4.2實(shí)時(shí)性考慮當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與SCADA、MES等系統(tǒng)通過(guò)OPCUA直接集成時(shí)，可考慮這些系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作的合理性，如不宜過(guò)度頻繁操作以影響現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)性。B.4.3安全性考慮OPCUA提供安全模型，支持用戶(hù)認(rèn)證鑒別、報(bào)文加密、安全會(huì)話等功能，但安全性對(duì)系統(tǒng)資源有一定要求，也會(huì)影響實(shí)時(shí)性，因此，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用例如500ms量級(jí)，從管理層如MES系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行OPCUA操作可考慮使用安全機(jī)制。B.5面向機(jī)械加工行業(yè)的OPCUA架構(gòu)應(yīng)用導(dǎo)則機(jī)械加工行業(yè)典型的智能制造裝備包括數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)、PLC和其他測(cè)量控制設(shè)備等。圖B.3給出面向機(jī)械加工行業(yè)的基于OPCUA的數(shù)字化車(chē)間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)典型架構(gòu)。GB/T38869—2020MTSMTS以太網(wǎng)中問(wèn)件△通信驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)如PLC立倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)中間件中間件Server通信驅(qū)動(dòng)通信驅(qū)動(dòng)通信驅(qū)動(dòng)機(jī)器人文現(xiàn)場(chǎng)總線/工業(yè)以太網(wǎng) 通過(guò)OPCUA協(xié)議的通信-?通過(guò)其他工業(yè)通信協(xié)議對(duì)通信圖B.3面向機(jī)械制造行業(yè)的典型架構(gòu)詳細(xì)說(shuō)明如下：a)數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等大型智能裝備，本身包括控制系統(tǒng)/器(如CNC數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)器人控制器等),這類(lèi)裝備本身可支持OPCUA接口。例如，西門(mén)子840D數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)嵌OPCUA服務(wù)器，則采用了840D的數(shù)控機(jī)床就可提供OPCUA接口，由數(shù)控機(jī)床制造商負(fù)責(zé)提供設(shè)備的信息模型(即建立數(shù)控機(jī)床OPCUA服務(wù)器的地址空間)。MES系統(tǒng)只需支持OPCUA客戶(hù)端功能即可。對(duì)于不支持OPCUA接口的大型智能裝備，系統(tǒng)集成商可開(kāi)發(fā)OPCUA中間件來(lái)構(gòu)造設(shè)備的信息模型，前提是這些設(shè)備具有開(kāi)放的通信接口和參數(shù)/屬性說(shuō)明。b)其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳感器等),可能支持特定的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議(如Modbus、PROFIBUS、PROFINET等),因此，可根據(jù)設(shè)備支持的通信協(xié)議和設(shè)備參數(shù)/屬性，開(kāi)發(fā)OPCc)倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)一般通過(guò)單獨(dú)的WMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，因此，可在WMS內(nèi)嵌入OPCUAd)PLC作為控制設(shè)備可以接受MES、SCADA下發(fā)的指令，MES、SCADA也可獲取PLC的數(shù)據(jù)，這可通過(guò)OPCUA實(shí)現(xiàn)。PLC可直接內(nèi)嵌一個(gè)OPCUA服務(wù)器，或開(kāi)發(fā)OPCUA中間件實(shí)現(xiàn)集成。e)MES系統(tǒng)與PLM、ERP系統(tǒng)的集成可以選擇OPCUA、Webservice等多種接口。B.6OPCUA開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)示例B.6.1概述為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工、檢測(cè)、物流等設(shè)備與MES、SCADA等系統(tǒng)的互聯(lián)互通，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一架構(gòu)的相GB/T38869—2020a)設(shè)備內(nèi)嵌OPCUA的實(shí)現(xiàn)；b)基于中間件(軟件或硬件)的實(shí)現(xiàn)。B.6.2數(shù)控機(jī)床內(nèi)嵌OPCUA服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)示例B.6.2.1實(shí)現(xiàn)內(nèi)容以數(shù)控機(jī)床為例，說(shuō)明設(shè)備內(nèi)嵌OPCUA服務(wù)器的開(kāi)發(fā)過(guò)程。開(kāi)發(fā)過(guò)程包括如下部分：a)構(gòu)建數(shù)控機(jī)床信息模型；b)生成地址空間；c)地址空間的管理。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)是數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)(CNC控制器)內(nèi)嵌OPCUA服務(wù)器，提供包括狀態(tài)、軸轉(zhuǎn)速等信息。數(shù)控機(jī)床的信息模型如圖B.4所示。靜態(tài)信息制造商出“日期過(guò)程信息組件軸轉(zhuǎn)速映射View+圖B.4數(shù)控機(jī)床的信息模型數(shù)控機(jī)床的信息模型包含如下元素(僅示意，數(shù)控機(jī)床的信息模型信息不限于此):a)靜態(tài)信息：包含了制造商和出廠日期；b)過(guò)程信息：包含了機(jī)床狀態(tài)信息；d)包含的組件：機(jī)床的組件包含了主軸，主軸包含轉(zhuǎn)速元素。由設(shè)備信息模型和相關(guān)元素確定向OPCUA地址空間映射的規(guī)則，主要工作是利用OPCUA的元模型來(lái)構(gòu)造數(shù)控機(jī)床的信息模型，如表B.1所示。GB/T38869—2020表B.1數(shù)控機(jī)床信息模型映射過(guò)程序號(hào)信息模型元素點(diǎn)OPCUA元模型類(lèi)型引用關(guān)系備注1數(shù)控機(jī)床Folder對(duì)象類(lèi)型在根節(jié)點(diǎn)下組織引用2靜態(tài)屬性Folder對(duì)象類(lèi)型在數(shù)控機(jī)床節(jié)點(diǎn)下組織引用3制造商DataItemType類(lèi)型在靜態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)下有屬性引用4出廠日期DataItemType類(lèi)型在靜態(tài)屬性節(jié)點(diǎn)下有屬性引用5過(guò)程屬性Folder對(duì)象類(lèi)型在數(shù)控機(jī)床節(jié)點(diǎn)下組織引用6機(jī)床狀態(tài)MultiStateDiscreteType類(lèi)型在過(guò)程屬性節(jié)點(diǎn)下有屬性引用這個(gè)可以使用多個(gè)狀態(tài)類(lèi)型來(lái)表示，如0正常、1報(bào)警、2故障等7配置屬性Folder對(duì)象類(lèi)型在數(shù)控機(jī)床節(jié)點(diǎn)下組織引用8進(jìn)給速度AnalogItemType類(lèi)型在配置屬性節(jié)點(diǎn)下有屬性引用由于這個(gè)值是可寫(xiě)的，因此可按照模擬量輸出來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理9組件Folder對(duì)象類(lèi)型在數(shù)控機(jī)床節(jié)點(diǎn)下組織引用軸Folder對(duì)象類(lèi)型在組件節(jié)點(diǎn)下組織引用轉(zhuǎn)速AnalogItemType類(lèi)型在配置屬性節(jié)點(diǎn)下有屬性引用由于這個(gè)值是只讀的，因此可按照模擬量輸入來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理對(duì)于嵌入式OPCUA服務(wù)器的開(kāi)發(fā)而言，數(shù)據(jù)采集的驅(qū)動(dòng)已經(jīng)完成，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)已經(jīng)在系統(tǒng)內(nèi)存機(jī)床狀態(tài)OPCUA對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)圖B.5地址空間管理數(shù)據(jù)流向包括：a)內(nèi)存數(shù)據(jù)點(diǎn)改變時(shí)更新到OPCUA地址空間中；b)當(dāng)OPCUA客戶(hù)端讀取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，直接從OPCUA地址空間返回相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；c)當(dāng)OPCUA客戶(hù)端訂閱節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)可提供一套機(jī)制來(lái)維護(hù)內(nèi)存點(diǎn)信息值與OPCUA地址空間節(jié)點(diǎn)值的變化對(duì)應(yīng)；d)當(dāng)OPCUA客戶(hù)端寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)可提供一套機(jī)制保證內(nèi)存點(diǎn)的更新與實(shí)際的設(shè)備IO進(jìn)行關(guān)聯(lián)。22GB/T38869—2020B.6.3Modbus設(shè)備采集模塊實(shí)現(xiàn)以Modbus設(shè)備采集模塊為例，說(shuō)明基于中間件(軟件或硬件)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。開(kāi)發(fā)過(guò)程如下：a)驅(qū)動(dòng)相關(guān)開(kāi)發(fā)；b)構(gòu)建信息模型；c)生成地址空間；d)地址空間的管理。開(kāi)發(fā)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)ModbusRTU設(shè)備(一個(gè)溫濕度傳感器)管控并以O(shè)PCUA接口形式對(duì)外提供信支持支持OPCUA的SCADA/IIM[JTCPTCP/IP采集模塊溫濕度傳感器Modbus設(shè)備N(xiāo)圖B.6Modbus采集模塊B.6.3.2驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)如果制造商不提供相關(guān)通信接口和參數(shù)/屬性說(shuō)明，中間件開(kāi)發(fā)無(wú)從談起。因此，第一步可了解設(shè)備采用的通信協(xié)議/接口，以及設(shè)備能夠提供的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)相關(guān)的屬性、該類(lèi)數(shù)據(jù)更新頻率等屬性。通信驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)分為兩類(lèi)：a)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口：如本示例采用的是ModbusRTU協(xié)議，該協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)的，只要知道通信波特率和設(shè)備參數(shù)/屬性說(shuō)明，就可按照Modbus協(xié)議通過(guò)讀寫(xiě)寄存器完成，本示例宜開(kāi)發(fā)Mod-bus主站功能；b)非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議：如設(shè)備使用的是企業(yè)私有協(xié)議，則還需要知悉設(shè)備使用的通信協(xié)議，以及如何獲取數(shù)據(jù)。由設(shè)備信息模型和相關(guān)元素確定向OPCUA地址空間映射的規(guī)則，主要工作是利用OPCUA的元模型來(lái)構(gòu)建溫濕度傳感器的信息模型，如圖B.7所示。GB/T38869—2020信息模型信息模型溫濕度采集器建模濕度值溫濕度傳感器溫度校準(zhǔn)值objectsserveI映射Types數(shù)據(jù)采集模塊圖B.7構(gòu)建信息模型溫濕度傳感器包括兩個(gè)采集溫度值和濕度值以及一個(gè)配置參數(shù)溫度校準(zhǔn)值，同時(shí)溫濕度傳感器作為Modbus模塊具有設(shè)備地址、通信波特率等參數(shù)。溫濕度傳感器信息模型到OPCUA地址空間映射過(guò)程如表B.2所示。表B.2溫濕度傳感器信息模型映射過(guò)程序號(hào)信息模型元素點(diǎn)OPCUA元模型類(lèi)型引用關(guān)系備注1Folder對(duì)象類(lèi)型引用2溫濕度傳感器Folder對(duì)象類(lèi)型在ModbusRTU節(jié)點(diǎn)下組織引用3溫度值A(chǔ)nalogItemType類(lèi)型在溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)下有屬性引用由于這個(gè)值是只讀的，因此可按照模擬量輸入來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理4濕度值A(chǔ)nalogItemType類(lèi)型在溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)下有屬性引用由于這個(gè)值是只讀的，因此可按照模擬量輸入來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理5溫度校準(zhǔn)值A(chǔ)nalogItemType類(lèi)型在溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)下組織引用由于這個(gè)值是可寫(xiě)的，因此可按照模擬量輸出來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理地址空間的管理與設(shè)備內(nèi)嵌OPCUA的機(jī)制基本一致。(資料性附錄)OPCUA的兼容性推薦使用OPCUA作為數(shù)字化車(chē)間統(tǒng)一互聯(lián)的技術(shù)，但是目前OPCUA還屬于比較新的技術(shù)，在實(shí)際的工廠中相關(guān)應(yīng)用比較少，支持經(jīng)典OPC、Modbus等協(xié)議的設(shè)備眾多，因此在使用OPCUA技術(shù)的同時(shí)如何保護(hù)用戶(hù)的資產(chǎn)和投入變得非常重要。對(duì)于這種情況可使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件/設(shè)備以解決兼容性問(wèn)題，協(xié)議互轉(zhuǎn)如圖C.1所示，這些軟件/設(shè)備可支持如下功能：a)OPC/OPCUA轉(zhuǎn)換軟件，一般運(yùn)行在PC環(huán)境下；b)ModbusRTU、ModbusTCP/OPCUA轉(zhuǎn)換模塊，一般需要硬件平臺(tái)支持，為嵌入式設(shè)備；c)