详细总结 OPC UA 协议

科技   2024-07-07 14:27   天津  

扫描关注一起学嵌入式,一起学习,一起成长


在了解OPC UA 协议之前,我们先了解一些它的前身OPC 协议,这样更有利于了解OPC UA 的本质和由来。

OPC

工业控制领域用到大量的现场设备,在OPC出现以前,软件开发商需要开发大量的驱动程序来连接这些设备。
即使硬件供应商在硬件上做了一些小小改动,应用程序也可能需要重写。同时,由于不同设备甚至同一设备不同单元的驱动程序也有可能不同,软件开发商很难同时对这些设备进行访问以优化操作。
为了消除硬件平台和自动化软件之间互操作性的障碍,建立了OPC软件互操作性标准,开发OPC的最终目标是在工业控制领域建立一套数据传输规范。
OPC全称是OLE(Object Linking and Embedding) for Process Control。为了便于自动化行业不同厂家的设备和应用程序能相互交换数据,定义了一个统一的接口函数,就是OPC协议规范。
OPC是基于WINDOWS COM/DOM的技术,可以使用统一的方式去访问不同设备厂商的产品数据。
简单来说OPC就是为了用于设备和软件之间交换数据。

OPC基金会前前后后规定了不同的接口定义,如下:

OPC DA (Data Access, exchange of real-time values,数据访问),定义了数据交换,包括值、时间和质量信息

OPC A&E (Alarms & Events, exchange of alarms and events,警报和事件),定义了报警和事件类型消息信息的交换,以及变量状态和状态管理。

OPC HDA (Historical Data Access, exchange of historical values,历史数据访问),定义了可应用于历史数据、时间数据的查询和分析的方法。

OPC XML DA (XML-based exchange of real-time values)

OPC UA

UA全称是unified architecture(统一架构)。为了应对标准化和跨平台的趋势,为了更好地推广OPC,OPC基金会近些年在之前OPC成功应用的基础上推出了一个新的OPC标准-OPC UA。
OPC UA接口协议包含了之前的 A&E, DA,OPC XML DA or HDA,只使用一个地址空间就能访问之前所有的对象,而且不受WINDOWS平台限制,因为它是从传输层以上来定义的,导致了灵活性和安全性比之前的OPC都提升了。
OPC UA实质上是一种抽象的框架,是一个多层架构,其中的每一层完全是从其相邻层抽象而来。
这些层定义了线路上的各种通信协议,以及能否安全地编码/解码包含有数据、数据类型定义等内容的讯息。
利用这一核心服务和数据类型框架,人们可以在其基础上(继承)轻松添加更多功能。
OPC UA将成为一个转换工具。其它协议/标准(如BACnet)可以非常轻松地转换为OPC UA内的一个子集。

OPC UA多层方法实现了最初设计UA规范时的目标:

  • 功能对等性:所有COM OPC Classic规范都映射到UA
  • 平台独立性:从嵌入式微控制器到基于云的基础设施
  • 安全性:信息加密、身份验证和审核
  • 可扩展性:添加新功能而不影响现有应用程序的能力
  • 综合信息建模:用于定义复杂信息


OPC UA基础概念

信息模型(Information model)

OPC UA 使用了对象(objects)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(reference)来互相连接。

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(References)组成,这种结构图称之为OPC UA 的地址空间。这种图形结构可以描述各种各样的结构化信息(对象)。

地址空间要点:

  • 地址空间是用来给服务器提供标准方式,以向客户端表示对象。
  • 地址空间的实现途径是使用对象模型,通过变量和方法的对象,以及表达关系的对象。
  • 地址空间中模型的元素被称为节点,为节点分配节点类来代表对象模型的元素。
  • 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。
  • OPC UA建模的基本在于节点和节点间的引用。

1、对象模型

2、节点模型

节点模型要点

  • 节点根据用途分属于不同的节点类别(NodeClass),一些表示实例(/Root/Objects),一些表示类型(/Root/Types)。
  • 节点类依据属性和引用来定义。OPC UA规范定义的节点类称为地址空间的元数据,地址空间中每个节点都是这些节点类的实例。
  • 节点是节点类的实例,属性和引用是节点的基本组件。
  • 属性(Attribute)用于描述节点,不同的节点类别有不同的属性(属性集)。节点类的定义中包括属性的定义,因此属性不包括在地址空间中。
  • 引用(Reference)表示节点间的关系。引用被定义为引用类型节点的实例,存在于地址空间中。

节点模型通用属性

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。

3、引用模型

类型定义节点

类型定义节点是服务器提供用于对象和变量的类型定义。

标准的节点类

  1. 节点类用于定义OPC UA地址空间中的节点
  2. 地址空间中模型的元素被称为节点,为节点分配节点类来代表对象模型的元素。
  3. 节点类源于通用的基本节点类。
  4. 首先定义基本节点类,然后定义用于组织地址空间的节点类,之后再定义用于代表对象的节点类。
  5. 代表对象的节点类分为三种:用于定义实例,定义实例的类型,以及定义数据类型。

标准的节点类有如下几种:

  • 基本节点类:能够派生所有其他节点类。
  • 对象节点类
  • 对象类型节点类
  • 变量节点类:定义数据变量
  • 变量类型节点类:定义特性
  • 方法节点类:定义方法,方法没有类型定义,可以绑定到对象上。
  • 引用类型节点类:定义引用。
  • 视图节点类:定义地址空间中节点子集。

在OPC UA中,最重要的节点类别是对象,变量和方法。

1. 节点类别为对象

节点类别为对象的节点用于(构成)地址空间结构。

  • 对象不包含数据,使用变量为对象公开数值。
  • 对象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)。
  • 对象也可以是一个事件通知器(设定EventNotifier属性),客户端可以订阅事件通知器来接收事件(事件在地址空间中是不可见的,被绑定到对象)。

2. 节点类别为变量

节点类别为变量的节点代表一个值。

  • 值的数据类型取决于变量,类型的种类在BaseDataType中。
  • 客户端可以对值进行读取,写入和订阅其变化。
  • 变量节点最重要的属性是Value,它由DataType,ValueRank和ArrayDimensions属性定义,通过这三个属性,可以定义各种类型数据。

3. 节点类别为方法

节点类别为方法的节点,代表服务器中一个由客户端调用并返回结果的方法。

  • 方法指定客户端使用的输入参数,并返回给客户端输出参数。
  • 输入参数和输出参数作为方法的特性存在,是数据方法的变量。
  • 客户端使用调用服务(Call)调用方法
OPC UA的模型采用XML 文件描述,然后通过一个编译工具可以将XML 编译成C++语言的程序。

OPC UA的优势:

功能方面,OPC UA不仅支持传统OPC的所有功能,更支持更多新的功能:

1. 网络发现:自动查询本PC机中与当前网络中可用的OPC Server。

2. 地址空间优化:所有的数据都可以分级结构定义,使得OPC Client不仅能够读取并利用简单数据,也能访问复杂的结构体。

3. 互访认证:所有的读写数据/消息行为,都必须有访问许可。

4. 数据订阅:针对OPCClient不同的配置与标准,提供数据/消息的监控,以及数值变化时的变化报告。

5. 方案(Methods)功能:OPC UA中定义了通过在OPCServer中定义方案(Methods),来让OPC client执行特定的程序。

平台支持方面,由于不再基于COM/DCOM技术,OPC UA标准提供了更多的可支持的硬件或软件平台。

安全性方面,最大的变化是OPC UA可以通过任何单一端口(经管理员开放后)进行通信,这使得OPC通信不再会由于防火墙受到大量的限制。

OPC UA在通过防火墙时通过提供一套控制方案来解决安全问题:

  • 传输:定义了许多协议,提供了诸如超快OPC二进制传输或更通用的SOAP-HTTPS等选项
  • 会话加密:信息以128位或256位加密级别安全地传输
  • 信息签名:信息接收时的签名与发送时必须完全相同
  • 测序数据包:通过排序消除了已发现的信息重放攻击
  • 认证:每个UA的客户端和服务器都要通过OpenSSL证书标识,提供控制应用程序和系统彼此连接的功能
  • 用户控制:应用程序可以要求用户进行身份验证(登录凭据,证书等),并且可以进一步限制或增强用户访问权限和地址空间“视图”的能力
  • 审计:记录用户和/或系统的活动,提供访问审计跟踪

核心的区别是因为OPC和OPC UA协议使用的TCP层不一样,OPC是基于DOM/COM上,应用层最顶层;OPC UA是基于TCP IP scoket 传输层。

原文:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1714875704920020140&wfr=spider&for=pc

文章来源于网络,版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除。



关注【一起学嵌入式】,回复加群进技术交流群。




觉得文章不错,点击“分享”、“”、“在看” 呗!

一起学嵌入式
结伴而行,RTOS、Linux编程、C/C++,以及经验分享、行业资讯、物联网等技术知识。一起学习,一起成长
 最新文章