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GB／T 38869-2020 基于OPC UA的数字化车间互*网络架构

6.1OPCUA实现形式

OPCUA服务器和客户端的实现应符合GB/T33863，主要实现方式包括： a）OPCUA客户端可是独立的应用程序或者应用程序的一部分，如ERP、MES、SCADA都可是 客户端应用程序； b） 网络上单独存在的OPCUA协议网关，向上层网络提供OPCUA服务器，向下层网络采集现 场数据； C 同时作为OPCUA服务器和客户端，如SCADA，既可作为客户端获取现场数据，又可作为服 务器向MES提供数据； d 嵌入式OPCUA服务器，可嵌入到PLC、DCS控制器等可编程控制设备，或者嵌入到数控机 床、工业机器人、自动化仓储设备、RFID读写器等现场设备 GB/T33863标准结构和OPCUA技术概要参见附录A，OPCUA的主要开发方法及OPCUA服务器* *空间建立方式等参见附录B。OPCUA与OPC及其他工业通信网络的兼容性解决方案参见附录C

6.2 OPC UA 作用位置

QQXF 0001S-2013 昆明巧媳妇食品有限公司 风味酱（半固态调味料）数字化车间互*网络中可使用OPCUA实现不同层次*统、设备之间集成与信息交换的作用 图3所示（用椭圆框表示）

GB/T38869—2020

图3OPCUA的作用位置示意图

如图3所示，OPCUA作用位置包括： MES等*统与监控设备之间； b MES等*统与可编程控制设备之间； 5ZC C MES等*统与现场设备之间； d）监控设备与可编程控制设备之间； e）监控设备与现场设备之间 现场设备与现场设备之间、现场设备与可编程控制设备之间、可编程控制设备与可编程控制设备之 同、工程工具与ERP/MES之间、ERP与MES之

6.3OPCUA网络分布

图4OPCUA网络分布概念

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a）制造过程语义：UA服务器定义与生产运作管理或生产工艺相关的信息模型； b）生产单元语义：UA服务器定义生产单元、生产线的信息模型； c）现场设备语义：UA服务器定义现场设备的信息模型。

6.4基于OPCUA的互*网络架构

MES与监控设备（SCADA、HMI等）之间基于OPCUA的集成如图5所示。此种情况下，MES应 作为OPCUA客户端.SCADA或HMI应作为OPCUA服务器

6.4.2MES与可编程控制设备之间

图5MES与监控设备之间基于OPCUA的集成

MES与可编程控制设备 OPCUA的集成如图6所示。在此

图6MES与可编程控制设备之间基于OPCUA的集成

图6MES与可编程控制设备之间基于OPCUA的集成

6.4.3MES与现场设备之间

MES与现场设备之间的基于OPCUA集成如图7所示。现场设备可包括各种传感器、数控机床、 工业机器人、AGV、自动化仓储设备、RFID读写器等制造装备。在此情况下，MES应作为OPCUA客 户端.现场设备应作为OPCUA服务器。

6.4.4监控设备与可编程控制设备之间

图7MES与现场设备之间基于OPCUA的集

监控设备（SCADA、HMI)与可编程控制设备（PLC、DCS控制器、IPC等）之间基于OPCUA的集 成如图8所示。在此情况下，SCADA或HMI应作为OPCUA客户端，PLC、DCS控制器或IPC应作 为OPCUA服务器

注：图中仅是示意，并不意味着PLC、DCS控制器和IPC位于同一网络，或者所有现场设备位于同一网络。

图8监控设备与可编程控制设备之间基于OPCUA的集成

监控设备（SCADA、HMI)与现场设备之间基于OPCUA的集成如图9所示。现场设备可包括

RTU、数控机床、工业机器人、AGV、自动化仓储设备、RFID读写器等制造装备。在此情况下，SCADA 或HMI应作为OPCUA客户端，现场设备应作为OPCUA服务器

注：图中仅是示意，并不意味着传感器、数控机床、工业机器人、AGV等现场设备位于同一网络

9监控设备与现场设备之间基于OPCUA的集E

聚合服务器是一种特殊情况，即一 个应用程序既作为OPCUA客户端获取数据，文作为OPCUA 服务器提供数据。图10所示示例中，SCADA和HMI同时是OPCUA服务器和OPCUA客户端， MES通过OPCUA从SCADA或HMI（作为OPCUA服务器）获取数据，而SCADA或HMI（作为 OPCUA客户端）又通过OPCUA从控制设备或现场设备获取数据

中仅是示意，并不意味着所有可编程控制设备和现场设备

图10基于聚合OPCUA服务器的集成

6.4.7嵌入式OPCUA服务器网关

当可编程控制设备、现场设： 服务器时，可采用嵌入式OPCUA服务器网关，

图11基于嵌入式OPCUA服务器网关的集成

OPCUA协议规范框架

GB/T388692020

附录A （资料性附录） OPCUA协议规范与技术概述

GB/T33863（所有部分）等同采用IEC62541（所有部分），规定了OPCUA协议规范，客部分名称 如图A.1所示，

图A.1OPCUA规范框架

GB/T33863的核心规范及预计结构如下： a）《OPC统一架构第1部分：概念和概述》：给出OPCUA的概念和概述； b）《OPC统一架构第2部分：安全模型》：描述OPCUA客户端和OPCUA服务器之间的安全 交互模型； c）《OPC统一架构第3部分：**空间模型》：描述服务器**空间的内容和结构； d）《OPC统一架构第4部分：服务》：规定OPCUA服务器提供的服务； e）《OPC统一架构第5部分：信息模型》：规定OPCUA服务器的类型及其关*； f）《OPC统一架构第6部分：映射》：规定OPCUA支持的传输映射和数据编码； g）《OPC统一架构第7部分：行规》：规定OPC客户端和服务器可用的行规，这些行规提供可用

A.2OPCUA技术概述

A.2.2OPCUA基本架构模式

A.2.2.1客户端一服务器

图A2OPCUA层模型

A.2.2.2聚合服务器

图A.3OPCUA客户端与服务器的交互关*

一个应用程序中可同时包含客户端和服务器，以允许与其他服务器和客户端进行交互，如图A.4 所示。

图A.4组合的OPCUA服务器和客户端概念

A.2.3OPCUA数据编码与传输协议

目前，OPCUA有两种传输协议可供选择，支持两种编码格式： 基于TCP协议：采用优化的二进制流模式，适用于高性能（高速度和吞吐量）应用的企业内部 网络通信； 一基于HTTP/HTTPSWeb服务：采用二进制或XML编码的应用，适用于防火墙友好的互* 网通信。 图A.5示出了OPCUA的传输规范

A.2.4OPCUA服务

图A.5UPCUA传输规范

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查询（QUERY)服务集：客户端能够使用这些服务并采用特定过滤方式从标准**空间中获 取指定节点

A.2.5OPCUA**空间与信息模型

A.2.5.2**空间

**空间。**空间中的节点表示实际对象、对象定义和对象间的引用。服务器可在所选择的**空 间内自由*组织其节点。**空间中的所有节点都可以通过层次结构到达。节点间的引用允许服务器 按层次结构、全网状结构或任何可能的混合结构来组织**空间，从而**空间形成一个紧密连接的节 点网络。

A.2.5.3信息模型

OPCUA允许服务器向客户端提供从**空间访问的对象类型定义，也允许使用信息模型来描述 *空间内容。从**空间的角度看，信息模型描述了服务器**空间的标准化节点。这些节点为标 隹化类型，并且用于诊断的标准化实例或作为服务器特定节点的人口点。因此，信息模型定义了空的 PCUA服务器的**空间。 OPCUA**空间支持信息模型。该支持通过以下提供： a）允许**空间中对象建立彼此**的节点引用； b）为实际对象（类型定义）提供语义信息的对象类型节点； 支持类型定义的子类的对象类型节点； d 允许使用工业特定数据类型的**空间中可见的数据类型定义； e）允许工业团体定义如何在OPCUA**空间中表示其特定信息模型的OPCUA兼容标准， 基本的OPCUA规范仅提供信息模型的基础设施，由供应商实现信息模型的建模

附录B （资料性附录） OPCUA开发实现

OPCUA具有平台无关性，可以在任 上运行甚至无需操作*统，开发可以使用任何编

B.2OPCUA应用架构

为了实现组件或构件重用，OPCUA应用的开发可按照功能层次进行划分，图B.1给出OPCU 端与服务器之间相交互的软件功能层次模型，包括相应的OPCUA应用程序、OPCUAAPI以 CUA通信栈

图B.1OPCUA应用程序开发架构

其中： a OPCUA客户端/服务器应用：实现作为UA客户端/服务器的设备或业务功能的程序或代 码；客户端应用使用OPCUA客户端API向OPCUA服务器发送和接收OPCUA服务请求 和响应；服务器应用使用OPCUA服务器API发送和接收来自OPCUA客户端的OPCUA 消息。 b） OPCUA客户端/服务器API:用于分离OPCUA客户端/服务器应用代码与OPCUA通信 栈的内部接口，实现如管理连接（会话）和处理服务报文等功能。 C OPCUA通信栈：实现OPCUA通信通道，包括消息编码、安全机制和报文传输。 d）实际对象：OPCUA服务器应用可访问的，或OPCUA服务器内部维护的物理或软件对象，例 如物理设备和诊断计数器。 OPCUA**空间：客户端使用OPCUA服务（接口和方法）可访问的服务器内节点集：节点

a OPCUA客户端/服务器应用：实现作为UA客户端/服务器的设备或业务功能的程序或代 码；客户端应用使用OPCUA客户端API向OPCUA服务器发送和接收OPCUA服务请求 和响应；服务器应用使用OPCUA服务器API发送和接收来自OPCUA客户端的OPCUA 消息。 b） OPCUA客户端/服务器API:用于分离OPCUA客户端/服务器应用代码与OPCUA通信 栈的内部接口，实现如管理连接（会话）和处理服务报文等功能。 c）OPCUA通信栈：实现OPCUA通信通道，包括消息编码、安全机制和报文传输。 d）实际对象：OPCUA服务器应用可访问的，或OPCUA服务器内部维护的物理或软件对象，例 如物理设备和诊断计数器。 OPCUA**空间：客户端使用OPCUA服务（接口和方法）可访问的服务器内节点集；节点

用于表示实际对象、对象定义和对象间的引用。

3基于SDK的OPCUA

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OPCUA服务器和客户端的开发推荐采用基于软件开发包SDK的开发方式。SDK实现了OPC UA规范定义的概念和服务，向应用开发者隐藏了OPCUA通信和服务的细节，并为之提供相应 的API。 常见的OPCUASDK供应商包括MatrikonOPC、Softing、Prosys、UnifiedAutomation等公司 这些公司的SDK一般以库的形式提供，但可能限定编译机器和运行机器的个数。有些SDK还可以源 码形式提供，但使用要求受限。例如，OPCUA基金会会员，可以免费获取有限的OPCUA开源代码 但客户可在其基础上进一步开发

B.3.2OPCUASDK功能

OPCUA服务器SDK提供的功能主要包括以下内容： a）提供包括基于UATCP和SOAP/HTTP的OPCUA通信，如作为服务器进行客户端报文的 接收； b） 提供安全模型功能，如签名校验、解密等； C 提供读写属性、浏览结构等相关的服务，如作为服务器对客户端的读、写、订阅进行响应； d 提供创建**空间相关的各类接口，如创建结构节点、创建数据节点（一般数据点、模拟量、离 散量、多态等）； e 提供这些节点相关的支持以形成节点之间的关*。 OPCUA客户端SDK提供的功能主要包括以下内容： a）提供包括基于UATCP和SOAP/HTTP的OPCUA通信，如作为客户端进行连接操作； 提供安全模型功能，如签名、加密等； C） 提供浏览**空间，读、写节点属性，订阅数据改变和属性等相关服务的接口

B.3.3业务相关功能的开发

业务相关功能的开发是指开发OPCUA服务器和客户端特定功能 对于基于SDK的服务器开发，业务功能开发主要包括： a 构建用户的**空间模型： b） 对用户**空间节点数据进行管理和维护，如**空间一个模拟量数据节点的值如何更新； 通信相关驱动的开发（主要针对嵌人到设备的OPCUA服务器）； d）其他必要的工作。 对于基于SDK的客户端开发，业务功能开发主要包括： a）一般的用户接口，用户可进行输人和输出； b） 配置管理，用户可选择访问服务器的哪些数据以及访同方式，如轮询、订阅等不同方式； c）其他必要的功能。 对于基于SDK的OPCUA服务器开发，大部分工作量在于**空间的建立、管理与维护。OPC A提供了标准**空间结构，如图B.2所示，但是服务器开发者可根据不同*统或设备功能需求，构 建自已的**空间或信息模型，例如数控机床信息模型与PLC模型不同。对于基于SDK的OPCUA 客户端开发，大部分工作量在于实现可配置的访问**空间功能

B.4OPCUA开发和应用考虑

B.4.1资源受限考虑

图B.2OPCUA标准**空间

OPCUA标准**空

对于嵌入式OPCUA服务器，设备开发商 考思由 于使用OPCUA技术或通信栈带来的诸如内 存、CPU等的资源受限问题，例如在单片机等低资源硬件平台上开发最好先进行资源评估。

当现场设备与SCADA、MES等*统通过OPCUA直接集成时，可考虑这些*统对现场设备操作 的合理性，如不宜过度频繁操作以影响现场设备的实时性

OPCUA提供安全模型，支持用户认证鉴别、报文加密、安全会话等功能，但安全性对*统资源有 定要求，也会影响实时性，因此，对于实时性要求不高的应用例如500ms量级，从管理层如MES* 统对现场设备进行OPCUA操作可考虑使用安全机制

5面向机械加工行业的OPCUA架构应用导则

机械加工行业典型的智能制造装备包括数控机床、工业机器人、仓储物流*统、PLC和其他测量 备等。图B.3给出面向机械加工行业的基于OPCUA的数字化车间互*网络典型架构

<>通过其他工业通信协议对通信

图B.3面向机械制造行业的典型架构

a 数控机床、工业机器人等大型智能装备，本身包括控制*统/器（如CNC数控*统、机器人控制 器等），这类装备本身可支持OPCUA接口。例如，西门子840D数控*统内嵌OPCUA服务 器，则采用了840D的数控机床就可提供OPCUA接口，由数控机床制造商负责提供设备的信 息模型（即建立数控机床OPCUA服务器的地址空间）。MES系统只需支持OPCUA客户 端功能即可。对于不支持OPCUA接口的大型智能装备，系统集成商可开发OPCUA中间 件来构造设备的信息模型，前提是这些设备具有开放的通信接口和参数/属性说明。 b）其他现场设备（如采集现场数据的传感器等），可能支持特定的现场总线协议（如Modbus PROFIBUS、PROFINET等），因此，可根据设备支持的通信协议和设备参数/属性，开发OPC UA中间件，以集成到SCADA或MES系统。 仓储物流系统一般通过单独的WMS系统实现统一管理，因此，可在WMS内嵌人OPCUA 服务器，或开发OPCUA中间件，以集成到SCADA或MES系统。 d）PLC作为控制设备可以接受MES、SCADA下发的指令，MES、SCADA也可获取PLC的数 据，这可通过OPCUA实现。PLC可直接内嵌一个OPCUA服务器，或开发OPCUA中间 件实现集成。 MES系统与PLM、ERP系统的集成可以选择OPCUA、Webservice等多种接口。

B.6OPCUA开发实现示例

为了实现机械加工、检测、物流等设备与MES、SCADA等系统的互联互通，可实现统一架构 内容，主要包括两类：

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）设备内嵌OPCUA的实现 b）基于中间件（软件或硬件）的实现

B.6.2数控机床内嵌OPCUA服务器的实现示

B.6.2.1实现内容

以数控机床为例，说明设备内嵌OPC 服务器的开发过程。开发过程包括如下部分： a 构建数控机床信息模型； b 生成地址空间； C）地址空间的管理。 实现目标是数控机床的数控系统（CNC控制器）内嵌OPCUA服务器，提供包括状态、轴转速等 信息。

B.6.2.2信息模型构建

数控机床的信息模型如图B.4所示

图B.4数控机床的信息模型

数控机床的信息模型包含如下元素（仅示意，数控机床的信息模型信息不限于此）： a）静态信息：包含了制造商和出厂日期； b）过程信息：包含了机床状态信息； C）配置信息：包含了进给速率； d）包含的组件：机床的组件包含了主轴，主轴包含转速元素

B.6.2.3地址空间映射

由设备信息模型和相关元素确定向OPC 映射的规则，主要工作是利用OPCUA 型来构造数控机床的信息模型，如表B.1所示

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表B.1数控机床信息模型映射过程

B.6.2.4地址空间管理

对于最入式OPCUA服务器的 点已经在系统内存 中GB 1886.240-2016 食品安全国家标准 食品添加剂 甘草酸一钾，因此，地址空间管理主要是

图B.5地址空间管理

a）内存数据点改变时更新到OPCUA地址空间中； b）当OPCUA客户端读取节点数据时，直接从OPCUA地址空间返回相应节点的数据； c）当OPCUA客户端订阅节点时，系统可提供一套机制来维护内存点信息值与OPCUA地址 空间节点值的变化对应； d）当OPCUA客户端写数据时，系统可提供一套机制保证内存点的更新与实际的设备IO进行 关联。

B.6.3Modbus设备采集模块实现

B.6.3.1且标和流程

以Modbus设备采集模块为例，说明基于中间件（软件或硬件)的开发过程。开发过程如下： a）驱动相关开发； b） 构建信息模型； C 生成地址空间； d 地址空间的管理， 开发目标是实现ModbusRTU设备（一个温湿度传感器）管控并以OPCUA接口形式对外： 息，标准的OPCUA客户端可以进行读、写、订阅等操作，Modbus采集模块如图B.6所示

B.6.3.2 驱动开发

DB52T 463-2004 无公害农产品 刺梨图B.6Modbus采集模