OPCUA技术在港口自动化控制系统中的应用.pdf

Port Operation2023.No.3(Serial No.270)OPC UA技术在港口自动化控制系统中的应用林荣龙上海振华重工（集团）股份有限公司摘要：针对自动化码头操作系统与现场设备之间的实时信息交互问题,介绍了OPC UA技术的特点及规范内容,分析了OPC UA技术在项目应用中数据访问服务、流程分析和故障分析等方面遇到的主要难点，给出一种基于OPCUA的应用集成方案及其实施要点。关键词：OPCUA；港口自动化；PLC；信息交互Application of OPC UA Technology in Port Automation Control SystemLin RonglongShanghai Zhenhua Heavy Industries Co.,Ltd.Abstract:Aiming at the problem of real-time information interaction between TOS of automated terminal and fieldequipment,the characteristics and specification contents of OPC UA technology are introduced,the main difficultiesencountered in data access service,process analysis and fault analysis in the project application of OPC UA technology areanalyzed,and an application integration scheme based on OPC UA and its implementation points are given.Key words:OPC UA;port automation;PLC;information interaction1引言随着全球工业生产技术迅速发展，生产现场与企业层级间大量生产数据需要进行快速准确的采集,以便更好的分析、评估和应用现场实时数据 。通过对实时数据的研究，企业层级决策系统可对现场生产实行更加高效的管理。自动化码头的 TOS(Terminal Operation System,码头操作系统）是码头运营的核心，重点需要解决TOS系统与现场设备之间的实时信息交互问题。首先要理清 TOS 与 ECS(Equipment Control System,设备控制系统）两者的架构和接口问题，继而增强生产管理计划与现场控制之间的协同能力，实现码头管理层到现场单机PLC及远控室操作台PLC,以及人机界面和各自动化软件的高效安全连接。基于OPC UA技术的数据采集平台是一个高度集成、开放和共享的数据服务平台。OPCUA是规范的实施数据中间件开发的框架，具备功能完整性、易用性、可扩展性、跨平台、支持多种开发语言的特点 2 。为了确保码头自动化流程数据采集高效执行,数据交互服务需要满足统一的标准。采用OPCUA技术可以在不同的工控系统、监控系统、管理系统之间建立统一的标准接口，解决不同厂商开发造成的接口异构问题,规范自动化码头生产的控制流程。542OPC UA技术2.1OPCUA通信技术规范概述OPC UA 的前身 OPC(OLE for Process Control),即用于过程控制的OLE（O b j e c t Li n k i n g a n d Emb e d-ding,面向对象的链接和嵌入），在控制级别很好地解决了硬件设备间的通信标准问题。但OPC仅支持Windows操作系统,且传统OPC技术不够灵活、平台局限,因此研发出了OPC UA(OPC统一架构）标准 3 。OPC UA技术规范即信息与数据交换的统一标准，有效实现了工业自动化过程中软件与设备间的数据交互。由于OPC UA标准能拥有完善的互操作性、安全性和通讯可靠性，因此非常适用于跨层级的数据交互。工业以太网允许同时进行OPCUA通信和实时通信，满足对时间要求严格的驱动数据、PLC数据、流程控制数据等的传送要求。2.2客户端和服务器模型架构OPCUA技术内容主要包括两部分：OPCUA客户端与服务器，其中OPC服务器负责数据信息收集和整理,并通过OPCUA标准接口将数据信息发布在服务器通讯栈中；OPC客户端创建会话过程后，在标准接口发送请求和接受传输的数据，实现客户港口装卸2 0 2 3 年第3 期（总第2 7 0 期）端与服务器之间的交换信息服务。许与其他服务器和客户之间的互动。采用OPCUA客户端API与通信栈交互，由通3OPCUA技术在码头自动化系统应用与实现信栈与OPCUA服务器的通信栈之间进行信息传递,服务器响应对应的请求,并将结构按相反的方向传递回客户端 4。其应用结构见图1。OPCUA客户端代码头实现端OPCUAServerAPIOPCUA通信栈OPCUA通信栈OPCUAClinetAPI地址空间（Node)监控Node(订阅）OPCUA服务器代码实现端图1 OPCUA客户端通信结构2.3基于OPCUA的应用集成框架OPC UA具有很好的可集成性，可以实现现场控制器、操作控制软件和管理软件系统之间统一的信息交换。OPC UA不仅可进行数据传递，而且还可传递与数据有关的信息，其中数据类型、变量名、数据方法等可实现对数据进行解析访问。基于OPC UA系统结构,系统间可有多个客户端和服务器的联合互动，每个服务器可同时和多个客户端交互，每个客户端也可以同时访问多个服务器。应用程序可能会结合服务器和客户端组件，允码头操作码头操作系统任务跳台等远程控制西门子PLC系统OPCUA客户端中控设备3.2OPCUA服务器选择在常规的远程操作项目中,远控操作台PLC和单机PLC已采用西门子1 5 0 0 系列PLC。在整个系统中,各自动化子系统中均有以太网接口,采用西门子PLC中OPCUA服务器设计系统,能够不受限制的并行操作，基于标准以太网网络，与现有的PROFINET通信共存。灵活、易于扩展，跨自动化层现将OPCUA技术应用于自动化集装箱码头中,主要解决TOS 与 ECS 架构和接口问题。通过在TOS 到 ECS 间架设 RCCS(Remote Crane Control Sys-tem,远程起重机控制系统），OPCUA服务器作为中间数据交互的桥梁，实现码头自动化系统管理层TOS到现场层ECS的数据交互。3.1项目结构设计ECS系统中主要包括现场单机PLC、远程操作台PLC、自动化起重机管理系统、堆场安全系统等。现场单机PLC及远程操作台PLC均采用西门子1500系列PLC,内置有OPCUA服务器功能；自动化起重机管理系统是一个集实时监控、报表分析、远程自动化控制为一体的软件系统；堆场安全系统是由C+编写的软件。TOS是由JAVA语言编写的软件,调用了 java版的OPC UAclient编程。OPCUA支持多种开发编程语言，港口自动化参与的控制软件能很好的高效调用。中控RCCSPLC起到OPC UA连接数据中转作用,使TOS系统与现场设备之间实时、高速、高效、安全交互。其设计结构见图2。自动化起重机管理登录、主动连接、浏览模式、OPCUA服务器系统OPCUA客户端远控自动化起重机操作管理系统台1操作台IO站1号轨堆场管理系统道吊堆场管理系统OPCUA客户端起重机自动控制系统贝加莱PLC轨道吊单机西门PLC换车、换箱等远控自动化起重机操作管理系统台2操作台10站2号轨堆场管理系统道吊堆场管理系统OPCUA客户端起重机自动控制系统贝加莱PLC任务信息（包括异常）/任务信息（包括异常）/单机信息大车位置单机信息大车位置设备信息（包括整机状态）、操作台的控制信息、车号箱号识别结果图2 项目结构设计级的直接连接和通信，利于信息建模。3.3OPCUA客户端功能OPCUA客户端主要完成连接和浏览UA服务器的地址空间,读写相应的数据,调用服务器提供的方法和处理报警事故。调用OPC基金会提供的各种计算机编程语言的对应OPC UAclient接口函数,初始化UA通讯栈建立通讯进出链接。后对Node节点55ProfinetOPCUABuffer IO轨道吊单机西门PLCPort Operation2023.No.3(Serial No.270)进行调用，进行读写、订阅、浏览等服务功能的应用。3.4OPCUA服务器与各系统客户端的连接测试RCCS 西门子PLC 系统作为服务器,并为其他系统（客户端）提供数据和已有信息。测试客户端订阅用于对信息源进行分组，监视项(Monitored Item)管理信息源，满足发布条件时会发出一条信息被称作一个通知。采样间隔数据监控项变量值监视项过滤器，定义了数据死区事件过滤器连接测试首先完成RCCS PLC程序与其他子系统对接的DB数据接口表。其次使用OPC UA客户端工具UaExpert,对数据表进行读写和订阅两种测试。最后通过模拟现场环境与各子系统软件进行接口测试,通过客户端在线访问数据,完善整个设计流程。3.5安全加密防护功能码头以太网络系统常常因接入外网而受到网络黑客的攻击，严重的影响码头运行安全。OPC UA支持多种安全策略、信息安全机制。其中ITUX.509证书签名加密安全通道，能够高等级的防护网络攻击。服务器可生成服务器证书，与客户端连接后会自动发送至客户端让其确认。客户端想要连人服务器，需将生成的客户端数字证书交给服务器，服务器将其放入可信客户端列表中。此外还可以通过设置用户身份认证，只接受列表中的用户使用正确的密码登陆。3.6通信质量稳定性关键点设计时不同系列的西门子PLC型号OPCUA服务器性能有所差别,包括会话数量、可获得的节点数、推荐的最大订阅项目数。应当计算整个OPCUA服务器所有的节点总数以及数据的服务形式，将多个客户端需要的数据集中在一个DB表中,让总节点数最优化,之后选择性能相匹配的PLC。在选定PLC后,对客户端的连接情况进行测试的过程中，由于客户端软件在关闭后并未完全将程序关闭，导致每次连接都会多一次会话，会话总数很快到达限值，其他客户端无法连接。现场施工调试时客户端报故障“Samplinghasslowed down due to resource limitations（由于资源限制,采样速度减慢）。因为采样队列中的变量数目太多，导致发生通信堆栈过载，在CPU设定的采样间隔内无法检查所有传送变量，因此必须跳转到下一个采样作业。在这种情况下,CPU也会为每个变56与服务器交换信息的服务，包括读写服务和订阅服务。其中订阅（Subscription）功能用于对信息源进行分组，监控项管理信息源，满足发布条件时会发出一条信息称为通知。其订阅工作见图3。发布间隔发送到客户端的通知消息发布启动已配置好数据的大小或者事件队列监视模式定义了数据是否采样和传递图3 订阅功能流程量发送状态代码“GoodOverload”导致网络和CPU上产生通信负载增加。为此，可采用减少监视项变量的数量或者增加采样间隔的方法,将原本客户端读取的节点为数组元素,改为读取整个数值,可以使整个节点数成倍数的降低；同时满足工况条件下增加采样间隔很好的解决了过载问题。也可以选择OPC UA服务器性能更高一档的PLC。4结语将OPCUA技术应用于码头自动化升级，解决企业层级与现场层级的实时交互问题，很好的解决了自动化码头设备与系统软硬件接口存在较大的差异问题。OPC UA的集成接口程序数量少,数据传输接口编程时间降低,极大的缩小了工程周期。在工程应用中还应当注意设备服务器的性能、通讯节点及接口表的合并优化、报警和事件处理的分析解决。OPCUA具备标准化、实时性、可集成性等优质性能，可满足工业自动化的发展要求。随着工业领域的大规模应用,OPCUA技术在工业信息交互中的应用将得到不断的提升。参考文献1柴处处,韩庆敏,杜军钊.基于OPC UA技术的实时数据服务的研究与应用J.微型机与应用,2 0 1