基于OPCUA的多机器人通信研究

巫广达

[摘    要]OPC技术可提供工业标准接口规范，用于Windows管理软件与现场设备的集成。但OPC技术在平台应用中存在诸多难点，例如底层车间数据向高层传输的难度较大、安全性欠佳等。为此，在技术研究逐步深入之下，衍生出OPCUA技术，其可以突破既有技术的局限性，在平台兼容性、安全性等方面均有突出的优势，对于系统的发展而言有重要的推动作用，可以实现无缝集成的高质量发展目标，于工业环境中，则给工业4.0的基础-设备互联互通创设了良好的条件。

[关键词]OPC技术;OPCUA技术;工业机器人;通信机制

[中图分类号]TP242 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）02–0–03

Multi-robot Communication Based on OPCUA

Wu Guang-da

[Abstract]OPC technology can provide industry standard interface specifications for the integration of Windows management software and field devices. However， there are many difficulties in the application of OPC technology in the platform， such as the difficulty of transmitting the data from the bottom workshop to the high level， and the poor security. For this reason， under the gradual deepening of technical research， OPCUA technology is derived， which can break through the limitations of existing technologies and has outstanding advantages in platform compatibility， security， etc.， which is important for the development of the system. The promotion role can achieve the high-quality development goal of seamless integration. In the industrial environment， it creates good conditions for the interconnection of equipment， the basis of Industry 4.0.

[Keywords]OPC technology; OPCUA technology; industrial robot; communication mechanism

工业逐步朝着自动化的方向发展，在此期间采用到多类型网络，各层次的各系统分别对应有特定的网络，尽管选用的是相同的平台，也依然有可能存在多类形式的网络，而各类网络均有其独特性，因此如何高效交换数据成为重难点内容。OPC技术作为前沿的数据交换技术，其在工业控制领域取得广泛的应用，已然成为主流的工业接口标准，是多数工控厂商青睐的技术形式。

1 OPCUA概述

在OPC技术逐步发展之下，OPCUA应运而生，其对于促进工业化通讯发展而言有重要的作用，有利于提高标准化水平。OPCUA以服务器和客户为核心，由两者共同构成，其中服务器可用于保存数据，并基于此进行建模，构成涵盖“节点”和“参考”两大关键元素的元模型。客户以标准协议为依托，可及时准确地识别到地址空间里可被修改的部分，同时也能够根据需求完成相应的修改操作。具体涉及到的网络协议有两种形式，若客户与服务器间的数据吞吐规模较为可观，此时最为合适的是二进制协议;而针对网络防火墙存在的问题，更具可行性的是SOAP的Webservice协议。此外，出于安全层面的考虑，OPCUA标准提供加密和身份验证，严把安全关卡，得益于此方式，在传输层无需额外加密。

OPCUA在信息交换领域具有优势，可在客户和服务端环境中访问数据，与此同时也能够完成纵向和横向的信息交换操作。数据交换的便捷性较好，原因在于其不受供应商通信协议的限制，公司内部各级别可高效完成数据的传输操作。由此，可以明确OPCUA的优势，例如：将数据传至企业级，高度集成底层车间设备、制造管理系统和决策软件。根据OPCUA（数据存取）规范可以得知，可以實现对数据的读写和监控作业，同时也可以借助PLC等相关设备完成对设备的监控，以便更为及时准确地获取到数据，掌握其在特定阶段内的变化规律。

2 OPCUA系统结构与运行模式

2.1 OPCUA客户端和服务器结构

OPCUA采用到C/S（客户端/服务器）结构，并基于消息传递机制完成通信作业，以非二进制数据传输。从组成来看，客户端结构为重要部分，涉及到客户端应用程序、通信栈等，具体如图1所示。

OPCUA服务器涵盖的内容丰富，包含服务器应用程序、OPCUA地址空间、OPCUA服务器接口API等，可从客户端传送消息，亦可实现对消息的接收。

2.2 OPCUA运行模式

基于API实现客户端和服务器的数据交换，从底层通讯收到信息后，向客户端和服务器分发。从宏观角度来看，针对某应用具有OPCUA规范的情况，在客户端API的加持下，能够实现客户端与通信站的高效交互，在此过程中的信息传递则由客户端通信栈和服务器通信栈两者协同完成，期间由服务器API完成信息处理作业，同时以客户端API产生交互，获取具体的参数，并向客户端传输。在OPCUA结构中，各客户端均能够与服务器实现交互，并且交互具有多样化的特征，即“一对一”“一对多”，对于服务器而言也依然可以选择与某个或多个客户端产生交互。数据传输的编码形式含两类，即XML和二进制。

3 OPCUA对象模型

OPCAPI定义的对象具有相互分离的特征，在构建起对象模型后，可高效集成各对象服务，即集成化水平较高。以UA的对象模型为例，其能够实现对象的变量、方法、事件及相关服务的高效集成，具体如图2所示。

OPCUA允许单独的OPCUA服务器集成数据至其他地址空间，通过集成服务集的应用，来完成对其的存取操作。具体而言，若OPCUA服务器将温度传感器视为一个对象，则包含温度值、警报接线和警报参数三部分，由三者共同组成。若借助某现存OPC规范实现，完成整个流程需要涉及到的是OPC数据存取规范、OPC报警事件规范，相比之下，OPCUA服务器则有更为明显的便捷性优势，其能够将数据、警报、事件集成至特定的地址空间内，在此方式下，客户端的效率提高，仅需一次调用便能够获得该部分集成的内容，全程无需使用特定的API来完成调用动作。

4 OPCUA集成地址空间

在现有的技术认知中，部分用户仅将其视为通信协议，未充分关注到其含有复杂元模型的特点，而事实上，此类元模型有其存在的价值，突出优势则在于对信息的处理能力较强，明显优于典型的OPC。通过该模型的应用，可提供简洁的数据。但需意识到的是，在该复杂元模型的应用过程中，可能会引发服务器端的异常，较为常见的有复杂信息管理问题，除了准确区分两种应用外，还需判断应用对数据的管理能力。此时，IEC62541标准提供了重要的解决思路，用NodeStore接管数据和启用堆栈，以此来取得访问权限。在实际应用中，普遍采用标准化的元模型，在此基础上联合应用到标准化branch-specific信息模型，依托于此配置方式，增强互操作性，在现阶段的信息模型类型中，IEC61131-3模型则颇具代表性。

对节点的分析具有必要性，其属于地址空间的基本元素，具体包含属性和应用两部分，各自均有特定的内涵。其中，属性用于描述点，应用则确定各节点的关系。应用的语义表达包含两种，①具有等级的应用，构成地址空间;②不具有等级的应用，指示现场设备的属性是其重要的功能。在地址空间中，对象为极为关键的功能单元，对象节点借助某引用类型组织变量、方法，并产生事件。客户端可读取和写入值，方法表示客户端调用的方法，事件指的是各类不经常发生的情况，其中较为常见的是系统报警。为实现对客户端地址访问空间的简化处理，技术内涵加以深化，即OPCUA定义了视图的概念，在此基础上，各视图均定义地址空间节点的某子集。在各类型节点中，视图节点属于基础组成部分，可将其视为视图显示的入口。

根据现行的OPC规范可以得知，各规范分别对应特定的地址空间以及相应的服务，在问题的处理尤其是遇到复杂度较高的问题时，往往需使用到各式各样的地址空间，此时必然会影响程序运行效率。为此，提出集成地址空间的概念，以便缓解复杂问题处理过程中地址空间类型过多、繁琐的局面。

客户端和服务器作为两大重要主体，彼此间应具有良好的互操作性，考虑到此方面的需求，OPCUA地址空间的节点构建有其特定的方式，即以层次结构进行组成，将地址空间紧密联系，使其构成联动性较强、互通性较好的网状结构。

5 工业机器人信息模型

机器人具有通用性，给工业生产提供了重要的支持，在生产任务的实现路径中，合理配套机器人以及外围设备均较为关键，应当说，在现代工业的发展中，机器人技术的应用成果已经显现，并且将取得更为长远的发展。但是，以何种方式灵活地将工业机器人应用于生产中属于重难点内容，仍值得加强探讨。工业机器人宛如标准件，其具有规范化的特征，而工业生产需求多样化，以灵活的方式将工业机器人应用于其中极具必要性，具体需要联动周边设备和工业软件，协同推动发展。工业机器人的运行并非独立，除了保证自身的性能外，还需要获得外围设备的支持，例如焊接变位机、工装夹具等均较为关键，各类装置需要保持协调的状态，而为了实现此目标，则需用PLC加以协调。从生产线运转的角度来看，其往往需得到多个工业机器人工作站的支持，不仅于此，生产线还涵盖诸如自动化立体仓库、喷涂设备等在内的各类自动化设备，此时需以更高一层的PLC来高效协调工作站，提高协同运行水平。

工业生产中，设备模型信息、传感器数据、产品模型信息、人工输入数据等均具有重要性，需将其汇聚于一起，达到集成的效果，而实现此目标的关键则是建立抽象真实世界的模型，给工业机器人任务的规划创设良好的条件。通过数据模型的应用，汇总成机器可读的信息，同时与物理信息建立起交流的关系。各类格式仅提供框架结构，若要高效地应用工业机器人技术，仅采用该框架结构显然不足，需针对该结构做拓展和细化处理。具体而言，需以抽象的格式描述工作流程，阐明涉及到的细分流程以及过渡条件，同时也可以根据生产状况定义人和机器人的工作，并明确彼此间的相关性，形成协调的关系。为此，需构建等级模型，在此方式下，反复将任务细化，衍生出多类次任务，在逐层分解之下，达到单个硬件组件即可有效执行任务的效果。对于各层次的任务描述，较为常见的是由特定的生产商提供，具体体现在系统集成商、零件供应商等。

从工业机器人信息模型的组成来看，较为常见的属静态信息模型，其可以反映机器人的本体信息和通用信息，涉及到的细分类型较多，包含机器人工作空间信息模型、机器人本体过程信息模型等。除了静态信息模型外，还存在组件信息模型和过程信息模型。

6 OPCUA的安全性

对于传统的OPC规范，其在安全方面的优势有所欠缺，过度依赖于COM/DCOM的安全性。与之有所不同的是，OPCUA规范加以升级，定义一套全面的安全机制，安全性显著提升。从客户端和服务器两者来看，均有专用的安全通道，应用到PKI和X509v3标准。在数据交换前，存在特殊的安全通信;OPCUA标准含有安全模式，其特点在于能够与PLC达到高效数据交互的效果。各项操作均建立在安全通道的基础上，对于保证安全性而言有重要的作用。對于PLC，其仅需在自身执行安全功能即可，而除此之外的其他各方面的安全目标均由OPCUA安全模式而实现。

7 结束语

OPCUA规范兼具数据传输安全、高效等多重特征，可在DCS、MES等领域取得有效的应用。相比传统的OPC技术，OPCUA技术的出现有效弥补了传统方式的空缺，对于推动工业信息通道的发展、提高工业4.0技术水平而言均有重要的意义。

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