工业通讯协议（四）- OPCUA

参考：

• https://www.opc-router.com/what-is-opc-ua/#:~:text=In this context%2C the meaning of UA in,COM%2FDCOM to purely binary TCP%2FIP or alternatively SOAP.
• https://github.com/OPCFoundation/UA-.NETStandard

一. OPC介绍

OPC（OLE for Process Control）协议是一种用于工业自动化领域的数据交换标准，旨在解决不同设备和应用软件之间的互操作性问题。OPC协议由OPC基金会（OPC Foundation）开发和维护，最早在1996年推出。

OPC协议的主要特点

1. 互操作性： 通过提供统一的接口，OPC协议允许不同厂商的硬件设备和软件应用能够互相通讯和数据交换。
2. 标准化： OPC协议基于微软的OLE/COM技术（OLE for Process Control），后续版本也支持.NET和Web服务，确保了跨平台的兼容性。
3. 扩展性： OPC标准不断发展，从最初的OPC DA（Data Access）扩展到OPC HDA（Historical Data Access）、OPC A&E（Alarms & Events）、OPC UA（Unified Architecture）等多个子标准。

OPC协议的主要版本

1. OPC DA（Data Access）： 最早的OPC标准，用于实时数据的访问和交换，主要应用于获取传感器数据、控制设备状态等。
2. OPC HDA（Historical Data Access）： 提供历史数据的访问，适用于需要长期数据存储和分析的应用场景。
3. OPC A&E（Alarms & Events）： 用于报警和事件管理，支持事件的订阅、过滤和处理。
4. OPC UA（Unified Architecture）： 统一架构，支持跨平台和更高层次的安全性，提供更灵活和强大的数据建模和传输功能。OPC UA不再依赖微软的COM/DCOM技术，而是基于独立于平台的协议栈，如TCP/IP、HTTP和WebSocket。

应用领域

OPC协议广泛应用于制造业、能源、化工、交通等各个工业领域，主要用于：

• 监控和数据采集（SCADA系统）
• 分布式控制系统（DCS）
• 工业物联网（IIoT）
• 企业资源计划（ERP）和制造执行系统（MES）的数据集成

通过OPC协议，企业可以实现不同系统之间的数据共享和集成，提高生产效率和数据利用率。

OPC Server & Client

在OPC（OLE for Process Control）协议中，服务端和客户端的角色和功能是明确区分的。了解这两者的职责和交互方式是掌握OPC技术的关键。

OPC服务端（OPC Server）

功能

1. 数据采集：OPC服务端连接到各种工业设备（如PLC、DCS、传感器等），采集实时数据。
2. 数据管理：服务端负责管理和提供访问数据的接口，包括实时数据、历史数据、报警和事件等。
3. 数据处理：处理来自客户端的请求，如读写操作、订阅数据变化等。
4. 协议转换：将设备专用协议转换为OPC标准协议，提供统一的数据访问接口。

主要职责

• 数据源连接：与底层设备进行通讯并采集数据。
• 数据存储：管理数据的存储和检索，包括实时数据和历史数据。
• 数据发布：向客户端提供数据访问和订阅服务。

OPC客户端（OPC Client）

功能

1. 数据访问：连接到一个或多个OPC服务端，读取实时数据或历史数据。
2. 数据写入：向OPC服务端发送数据写入请求，控制设备或改变设备状态。
3. 事件处理：订阅和处理来自OPC服务端的报警和事件信息。
4. 数据显示和分析：将从服务端获取的数据进行处理、显示和分析，用于用户界面或进一步的应用。

主要职责

• 数据读取：从服务端读取实时数据、历史数据或事件数据。
• 数据写入：向服务端发送写入请求，修改设备状态或参数。
• 数据订阅：订阅特定数据项的变化，实时获取更新的数据。
• 数据处理：对获取的数据进行处理和分析，用于监控、控制或其他应用。

客户端与服务端的交互

1. 连接建立：客户端通过网络连接到服务端，建立通讯通道。
2. 数据请求：
   • 读取请求：客户端向服务端发送数据读取请求，服务端返回相应的数据。
   • 写入请求：客户端向服务端发送数据写入请求，服务端执行写入操作并返回结果。
3. 订阅/取消订阅：客户端可以订阅特定数据项的变化，服务端在数据变化时通知客户端。
4. 事件通知：服务端可以主动向客户端发送报警和事件通知，客户端接收并处理这些通知。
5. 断开连接：通讯结束后，客户端与服务端断开连接。

二. OPCUA介绍

OPC UA（OPC Unified Architecture）是OPC基金会推出的新一代工业自动化通信标准，旨在解决传统OPC标准（如OPC DA、HDA、A&E）中的局限性，并提供更强大的功能和更广泛的适用性。OPC UA不仅支持传统的Windows平台，还支持跨平台运行，包括Linux、macOS和嵌入式系统。

OPC UA的主要特点

1. 跨平台支持：OPC UA不再依赖于微软的COM/DCOM技术，而是基于平台无关的通信协议（如TCP/IP、HTTP和WebSocket），使其能够在各种操作系统和硬件平台上运行。

2. 安全性：内置了全面的安全机制，包括用户认证、授权、加密和数据完整性检查，确保数据传输的安全性和可靠性。

3. 可扩展性：支持复杂的数据建模和对象管理，可以适应多种工业应用场景。OPC UA允许用户定义自定义的数据类型和对象模型，以满足特定的应用需求。

4. 统一架构：整合了OPC DA、HDA和A&E的功能，提供统一的数据访问接口，简化了系统集成和开发。

5. 灵活的通信方式：支持多种通信模式，包括客户端/服务器模式和发布/订阅模式，适应不同的应用需求。

OPC UA的架构

OPC UA的架构可以分为以下几个层次：

1. 传输层：定义了各种通信协议（如TCP/IP、HTTP、MQTT）和传输方式，确保数据可以在不同网络环境中可靠传输。

2. 安全层：提供认证、授权、加密和数据完整性检查等安全功能，保护数据免受未授权访问和篡改。

3. 服务层：定义了各种服务接口，如会话管理、浏览、读写、订阅等，用于客户端和服务端之间的交互。

4. 信息模型层：支持复杂的数据建模和对象管理，可以定义层次化的对象、属性、方法和事件，使数据表示更加直观和结构化。

OPC UA的关键功能

1. 会话管理：客户端与服务端之间建立和管理会话，支持长时间连接和状态保持。

2. 浏览服务：允许客户端浏览服务端的地址空间，发现可用的节点和数据项。

3. 读写服务：支持读取和写入服务端的数据，适用于实时数据访问和控制。

4. 订阅和监控服务：客户端可以订阅特定的数据项，服务端在数据变化时主动通知客户端，适用于实时数据监控和报警处理。

5. 历史数据访问：支持访问服务端存储的历史数据，适用于数据分析和报表生成。

6. 方法调用：支持在服务端执行预定义的方法，适用于远程控制和操作。

三. OPCUA的应用

OPCUA的信息模型

OPC UA 信息模型是节点的网络（Network of Node），或者称为结构化图（Graph），由节点（Node）和引用（Reference）组成，这种结构图称之为 OPC UA 的地址空间。地址空间以标准形式表示对象——地址空间中的模型元素被称为节点，对象及其组件在地址空间中表示为节点的集合，节点由属性描述并由引用相连接。OPC UA 建模其实就是建立节点以及节点间的引用。

对象模型

OPC UA 使用了对象作为过程系统表示数据和活动的基础。对象包含了变量，事件和方法，它们通过引用来互相连接。

节点模型

• 属性（Attribute）用于描述节点，不同的节点类有不同的属性（属性集合）。节点类的定义中包括属性的定义，因此地址空间中不包括属性。
• 引用（Reference）表示节点之间的关系。引用被定义为引用类型节点的实例，存在于地址空间中。

引用模型

包含引用的节点为源节点，被引用的节点称目标节点。引用的目标节点可以与源节点在同一个地址空间，也可以在另一个 OPC 服务器的地址空间，甚至是目标节点可以不存在。

节点类型

在 OPC UA 中，最重要的节点类别是对象，变量和方法。

• 对象节点，对象节点用于构成地址空间，不包含数据，使用变量为对象公开数值，对象节点可用于分组管理对象，变量或方法（变量和方法总属于一个对象）。
• 变量节点，变量节点代表一个值，值的数据类型取决于变量，客户端可以对值进行读写和订阅。
• 方法节点，方法节点代表服务器中一个有客户端调用并返回结果的方法，输入参数和输出结果以变量的形式作为方法节点的组成部分，客户端指定输入参数，调用后获得输出结果。

OPC UA 协议的工作原理

硬件供应商支持 OPC UA 的方式有两种：在设备中嵌入 OPC UA 服务器，或在 PC 上提供软件，通过专用协议获取数据，并通过 OPC UA 将其公开给其他平台。一些中端和高端 PLC（如西门子 S71200/1500） 集成了 OPC UA 服务器，同时西门子还提供 WINCC 等软件，通过 OPC/OPC UA 间接向第三方提供来自其他设备的数据。

数据通过 OPC UA 服务器公开后，可使用 OPC UA 协议规定的两种访问模式——请求/响应模式和发布/订阅模式进行访问。首先，客户端必须与服务器建立连接，连接建立后会在客户端和服务器之间创建一个会话通道。

在请求/响应模式下，客户端应用程序可以通过会话通道向服务器请求一些标准服务，如：从节点读取原始数据、向节点写入数据、调用远程方法等。

在发布/订阅模式下，每个客户端可以创建任意数量的服务器订阅，当服务器的节点数据发生变化时，通知消息会立即推送到客户端。

一般来说，终端用户不必关注上述过程。他们只需要关心 OPC UA 服务器地址、用户登录策略、通信安全策略以及数据的访问地址。

OPC UA的编程

要实现一个简单的OPC UA编程实例，通常你会使用一个OPC UA客户端库和一个服务器库。在这个示例中，我们将使用Python编程语言和python-opcua库来实现一个基本的OPC UA客户端和服务器。

安装库

首先，需要安装python-opcua库：

pip install opcua

创建OPC UA服务器

以下是一个简单的OPC UA服务器示例，它创建了一个服务器并添加了一个简单的变量节点：

from opcua import ua, Server
import time

# 创建服务器对象
server = Server()

# 设置服务器端点（URL）
server.set_endpoint("opc.tcp://localhost:4840/freeopcua/server/")

# 添加命名空间
uri = "http://examples.freeopcua.github.io"
idx = server.register_namespace(uri)

# 获取服务器对象节点
objects = server.get_objects_node()

# 在对象节点下添加一个新的对象
myobj = objects.add_object(idx, "MyObject")

# 添加变量到对象中
myvar = myobj.add_variable(idx, "MyVariable", 6.7)

# 设置变量为可写
myvar.set_writable()

# 启动服务器
server.start()

try:
    print("OPC UA 服务器已启动")
    while True:
        # 更新变量值
        time.sleep(1)
        new_value = myvar.get_value() + 0.1
        myvar.set_value(new_value)
except KeyboardInterrupt:
    print("关闭服务器")
    server.stop()

这个示例创建了一个OPC UA服务器，在端点opc.tcp://localhost:4840/freeopcua/server/上运行，并添加了一个命名空间和一个简单的变量节点。

创建OPC UA客户端

以下是一个简单的OPC UA客户端示例，它连接到上述服务器并读取变量的值：

from opcua import Client

# 连接到服务器
client = Client("opc.tcp://localhost:4840/freeopcua/server/")

try:
    client.connect()
    
    # 获取对象节点
    root = client.get_root_node()
    print("Root node is: ", root)

    # 找到我们之前创建的变量节点
    obj = root.get_child(["0:Objects", "2:MyObject"])
    var = obj.get_child("2:MyVariable")
    
    # 读取变量值
    while True:
        value = var.get_value()
        print("Variable value: ", value)
        time.sleep(1)
finally:
    client.disconnect()

这个客户端连接到服务器，并循环读取变量MyVariable的值并打印出来。