基于OPC UA 的虛實結合實驗設計與實踐

姚曉寧，郭 瓊

（無錫職業技術學院，江蘇 無錫，214121）

引言

發展智能制造是推動制造業高端化、智能化、綠色化發展的關鍵舉措。[1]設備、機器及系統之間安全可靠的數據和信息交換是智能制造發展的關鍵。OPC UA 作為一種用于工業通信的數據交互規范，可實現對制造過程中的多源異構數據的傳輸與解析，進而實現互聯互通，它彌補了傳統OPC DA 技術無法獨立于Windows 系統之外實現互聯通信的不足，并簡化接口和使用安全認證機制，是工業網絡發展的重要方向。

作為培養高素質技術技能人才的高職院?；驊眯捅究贫?，在教學過程中需要時刻關注新技術應用的發展趨勢，以促進教學資源同步技術發展，提高專業人才培養質量。但受實驗設備、技術儲備等方面的限制，教學實施中引入OPC UA 等技術應用相對滯后，如何將這類代表行業發展的先進應用技術很好地嵌入教學中，是新時代教師需要不斷思考和付諸行動的一個重要課題，也是助推新技術應用和持續發展的動力。

為快速響應產業發展需求、加強專業服務能力，學校堅持“研究先行、研教結合”理念，鼓勵專業教學團隊積極參與行業企業技術研發項目，對新技術進行研究、消化并實現教學資源轉化。針對OPC UA 通信技術的應用研究，本研究設計了一種基于OPC UA 通信的虛實結合進階實驗項目，以期帶動相關專業學習新技術應用，更好地服務智能制造發展。

一、通信實驗設計

（一）OPC UA介紹

OPC UA(OPC Unified Architecture)是一個開放的跨平臺架構，其特點在于通過面向對象技術，將控制器、傳感器等各類物理設備分別描述成對象，形成數字化模型，為不同廠商的設備提供統一的通信標準，即提供一種即插即用的軟件接口，以實現不同設備之間、軟件和硬件之間的互聯互通。該規范由全世界30 多家知名制造企業聯合開發，[2]越來越多的控制器廠商支持該協議。

工業4.0專家認為，OPC UA 是提供強大數據建模和數據安全能力的通信協議，可用于滿足工業4.0的信息通信需求。[3]我國在智能制造的發展中，也一直在引進、轉化和推廣OPC UA，2017年7月國家標準《OPC統一架構》第1～8部分正式發布，同年9月機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所OPC認證測試實驗室獲得OPC國際基金會正式授權；2021年8月《OPC統一架構》的四個部分正式發布。OPC UA標準的引進和落地，標志著OPC UA將全面進入中國智能制造行業市場，有助于解決當前我國智能制造實施過程中異構系統信息集成難的問題，[4]助力智能制造的發展和企業數字化轉型升級。

（二）實驗載體選擇

PLC 是設備控制、信息采集和數據通信的主要技術手段，是智能制造的核心和智能工廠的關鍵環節。[5]選取PLC 作為學習OPC UA 技術應用的研究對象具有一定的代表性。實驗對象選擇西門子PLC，一方面西門子PLC市場占有率高，所開發實驗項目具有一定的輻射性和適用性；另一方面，西門子公司提供了支持OPC UA仿真通信的軟件，依托虛擬仿真軟件構建通信系統，實驗成本低、技術成熟，同采用第三方軟件開發VR 實驗相比，功能強大、系統靈活，能與PLC軟件無縫對接。

OPC UA針對不同應用場景提供客戶端—服務器模型和發布者—訂閱者模型，其中客戶端—服務器模型采用的是TCP和HTTP協議[6],在工業領域的應用尤其廣泛。OPC服務器將數據源封裝，然后向外提供訪問的標準接口；OPC客戶端創建會話過程后， 在標準接口發送請求和接受傳輸的數據，實現客戶端與服務器之間的交換信息服務。在西門子PLC產品中，S7-1500PLC V2.6以上版本支持OPC UA協議，既可作服務器又可作客戶端；S7-1200 PLC V4.4版本以上支持OPC UA協議，但只能做服務器?？紤]S7-1500 PLC、1200PLC使用同一個編程平臺，且硬件組態、編程方法基本一樣，因此在基于OPC UA技術的實驗設計中，服務器可以任意采用S7-1500/1200PLC， 客戶端采用S7-1500PLC，完成從簡單到復雜、由虛到實的完整的通信系統建立和實踐操作。

（三）設計思路

結合高職及應用型本科學生學習特點，實驗項目設計時遵循由基礎到綜合、虛實結合的設計思想，充分利用市場已有的客戶端測試軟件、系統虛擬仿真軟件及盡可能低成本的實驗載體，同時兼顧線上、線下學習環境，設計如圖1所示三個進階實驗。

圖1 OPC UA 技術應用進階實驗

（1）客戶端仿真實驗?？紤]PLC 的OPC UA通信編程工作量主要集中在客戶端，因此設計了基于客戶端測試軟件的實驗項目，服務器采用S7-1500/1200PLC，客戶端采用第三方客戶端測試軟件，這樣處理可省略客戶端參數設置與編程工作，實驗重點聚焦在了解OPC UA 技術特性、學會服務器的配置和應用。

（2）系統虛擬仿真實驗?？紤]線上教學和學習需求及線下實驗調試時間受限，采用虛擬仿真軟件搭建和運行調試通信系統，引導學生反復訓練通信系統相關知識，了解客戶端編程思路和方法。

（3）實踐操作實驗。通過現場實踐操作將虛擬項目落在實處，熟悉OPC UA 應用場景，培養學生職業素養和技能，提升學生新技術應用和自主創新能力。

二、客戶端仿真，降低學習難度

(一）實驗模型設計

在客戶端仿真實驗階段，采用UaExpert 和服務器進行通信，服務器選用S7-1500-1200 PLC，計算機做客戶端。計算機做客戶端時需要安裝客戶端軟件UaExpert，實驗模型如圖2 所示。

圖2 客戶端仿真實驗模型

UaExpert 是支持OPC UA 的GUI 工具，具有數據訪問、警報和條件、歷史訪問等功能；其基本框架包括證書處理、發現OPC UA 服務器、與OPC UA 服務器連接、瀏覽信息模型、顯示特定OPC UA 節點的屬性和引用等。當編寫好服務器代碼后，可將UaExpert 作為客戶端與服務器進行通信。將UaExpert 軟件引入學習中，可使OPC UA通信學習變得更加方便和易于理解。

（二）服務器功能設置

PLC 做OPC UA 服務器時需要在CPU 屬性中設置一些主要參數，例如激活OPC UA 服務器、添加服務器證書、設置安全策略、選擇系統運行許可證等；其他一些常規參數，例如最大會話超時時間、最大會話數量等，可根據通信需求采用默認參數或自己設定參數。服務器主要通信參數設置的流程及內容如圖3所示。

圖3 服務器主要通信參數設置

在服務器中設置通信數據源，以便客戶端訪問數據源并與服務器進行數據交互。建立通信數據源數據塊DB1的示例如圖4所示，所建變量用于監控電機運行狀態。變量讀寫屬性可任意設置，圖中的變量Motor_start、Motor_stop 被設為客戶端可讀、可寫屬性，即電機起動、停止操作可在服務器側操控，也可在客戶端側操控；電機運行狀態Motor_status、轉速Motor_speed 被設為客戶端只讀變量,即客戶端只能讀取電機運行狀態和轉速值，但不能修改變量值。

圖4 服務器側通信數據塊的建立

（三）客戶端連接及通信系統運行

UaExpert 軟件主要用于測試服務器的OPC UA 通信功能，同真實的客戶端相比，其設置和使用簡單、無須編程。

在軟件操作界面點擊“+”選項，彈出“Add Server”界面，添加相應服務器的地址，如圖5 所示；如果與服務器連接成功，則可看見對應服務器提供的通信數據地址?？蛻舳丝稍L問的變量如圖6 所示。當UaExpert 與服務器連接成功后，將需要訪問服務器的數據拖曳至UaExpert 的Data Access View 區域，即可對服務器數據進行讀寫操作。圖7為基于客戶端仿真的實驗系統在線運行界面。

圖5 連接服務器

圖6 可訪問的變量

圖7 基于客戶端仿真的通信系統運行界面

三、系統虛擬仿真，實現學習自由

（一）實驗模型設計

有了客戶端仿真實驗或演示，學生對OPC UA 技術特性及OPC UA 通信系統結構有了整體的了解，在此基礎上可以進一步擴充學習內容，將客戶端軟件替換為客戶端載體，并進行通信程序的編寫。

系統虛擬仿真階段可采用S7-PLCSIM Advanced 仿真器對OPC UA 通信系統進行仿真調試，仿真調試完成后再將調試好的服務器和客戶端參數及程序下載至實體PLC 中進行現場運行，可減少試錯成本，實現隨時隨地學習。

PLCSIM Advanced 由西門子公司推出，與TIA Portal 平臺上的PLCSIM 相比，功能更為豐富，特別是通信仿真方面有了顯著的提升。虛擬的PLC 實例可以在單臺PC 上實現多臺PLC 的通信仿真運行，在軟件中可建立多個虛擬PLC實例，并通過虛擬網卡實現PLC之間的通信。

但PLCSIM Advanced 只針對S7-1500 或ET-200SP 控制器仿真，因此，采用該仿真軟件建立通信系統實驗項目時，無論是客戶端還是服務器，我們都要選用S7-1500PLC，實驗模型如圖8所示。

圖8 系統虛擬仿真實驗模型

（二）虛擬PLC的建立

在S7-PLCSIM Advanced 軟件中建立兩個虛擬PLC 實例，分別做服務器和客戶端，完成示例如圖9 所示。選擇通信協議時，選用虛擬網卡方式建立虛擬仿真實例，在軟件的控制面板上將在線訪問切換至“PLCSIM Virtual Eth.Adapter”；TCP/IP 通信可選擇本地＜Local＞或以太網，其中本地＜Local＞是指選擇虛擬網卡進行通信，PLC實例和TIA Portal均在同一臺PC中。

圖9 建立客戶機/服務器實例

（三）通信系統建立

在虛擬仿真階段，關鍵知識點放在TIA Portal 軟件對客戶端參數配置和通信程序編寫上，這個步驟也是實踐操作中必須要做的。通過仿真軟件可不斷修改、測試和完善程序。

在TIA Portal 中，分別建立服務器和客戶端，系統硬件組態示例如圖10 所示。其中，服務器通信參數設置及通信變量建立步驟，與客戶端仿真實驗中的服務器建立步驟和內容完全相同。

圖10 通信系統硬件組態

用S7-1500 PLC 做OPC UA 客戶端時，同樣需要在CPU 屬性中設置一些通信參數，主要通信參數設置的流程及內容如圖11 所示。采用客戶端仿真軟件建立OPC UA 通信系統時，客戶端側操作簡單，只需與服務器建立連接；但PLC 做客戶端時，不僅需要導入服務器的接口變量，還需要編寫訪問服務器的程序，從而完成客戶端與服務器的連接、數據訪問等功能。

圖11 客戶端主要通信設置

客戶端訪問服務器需要導入的服務器接口變量，可在服務器側OPC UA 屬性中將通信變量表通過“導出OPC UA XML 文件”導出，并將該文件導入客戶端接口的數據訪問(讀取列表/寫入列表)中?？蛻舳嗽L問服務器導入的服務器變量示例如圖12所示。

圖12 客戶端側讀寫列表建立

（四）通信系統仿真測試

將TIA Portal 項目中設置的服務器、客戶端PLC 文件夾分別下載至由S7-PLCSIM Advanced軟件設置的兩個虛擬PLC實例中。操作虛擬PLC的步驟與操作真實PLC 的步驟一致，也需將程序下載至虛擬PLC 中并將其運行狀態調整至RUN。如圖13 所示，通過TIA Portal 軟件在線監控通信系統，觀察兩臺虛擬PLC 通過OPC UA 技術通信實現的數據交互情況，這個觀察界面與真實PLC通信界面也是一致的。

圖13 通信系統聯調界面

四、實踐操作，提升專業技能

（一)實驗模型設計

實踐操作是對系統仿真測試的有力補充。i學生可通過現場操作鞏固所學知識，提升專業技能。在實踐操作階段，如果PLC 選型與虛擬仿真階段PLC 型號一致，則可直接將虛擬仿真項目下載至真實PLC 中；如果服務器選擇使用S7-1200PLC，按照客戶端仿真實驗中建立服務器的步驟重新建立服務器即可；也可將客戶端仿真軟件連接至通信系統，實現系統的多點通信，實驗模型如圖14所示。

圖14 實踐操作系統模型

(二）通信系統運行

采用網線連接PLC 服務器、客戶端通信接口，將TIA Portal 軟件中已建立的服務器、客戶端文件分別下載至對應的PLC中，并在UaExpert軟件中連接所建立的服務器IP 地址。系統運行后在TIA Portal 軟件中監控PLC，在UaExpert 軟件中讀寫服務器PLC 提供的數據，實體客戶端和仿真客戶端都可以訪問服務器數據。

五、結語

OPC UA 以其跨網絡、跨平臺的通信方式在工業網絡中占有舉足輕重的位置，未來許多智能儀器儀表和控制器會陸續支持OPC UA 協議。使用OPC UA 協議可以減少通信的中間環節，推動和優化工業網絡系統的工作效率和工作質量。但市場中除主要廠商的控制器支持OPC UA，其他支持OPC UA 的產品并不多見。工業控制領域中PLC 應用廣泛，將PLC 的OPC UA 技術應用及時補充到高校教學中，可以使學生更好地適應智能制造新技術的應用需求。

本文基于OPC UA 技術，利用行業軟件資源，設計了一套切實可行的客戶端仿真、系統虛擬仿真、實踐操作的進階學習項目，可充分調動學生的學習積極性，為不同水平學生提供了進一步學習和實踐的機會。由于PLC 通信系統現場接線簡單，主要工作量在服務器/客戶端的程序編寫與通信系統調試上，因此采用虛擬仿真實驗不失為一種學習OPC UA 通信技術、減少實驗成本的重要手段，如實驗條件允許再通過實踐操作來驗證、強化理論知識，可大大提高學生的學習效果和操作技能，有利于培養學生敢于嘗試、大膽探究和自主創新的能力。