一种基于OPCUA协议的设备数据采集系统的制作方法

本发明涉及工业自动化领域，特别涉及应用于工业自动化领域中采集设备的数据的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统。

背景技术：

在现代工业生产过程中，数据采集是实现智能控制的基础。近期以来，大数据为工业生产效益的提高做出了贡献，而底层自动化设备数据的采集是大数据应用的基础，如何解决底层自动化设备海量数据的采集、传输、存储与分析成为亟待解决的问题。另外，工业设备不断复杂化，设备使用的通讯协议种类繁多，增大了管理同一个工厂内采用不同通讯协议的设备数据的难度。现代化生产设备的自动化程度不断增加，并且对设备之间协同工作的要求也越来越高，有必要在不同的设备之间建立简单的通讯方法。

OPC(OLE for Process Control)是一个工业标准，其已经定义了大量软件接口，用来标准化从过程层到管理层的信息流。但是，OPC具有两个主要的缺点：一是依赖Windows平台和COM口；二是使用OPC的远程通信时的DCOM难以配置，有很长的不可配置的超时时间，并且不能用于互联网通信。

OPC统一框架(OPC Unified Architecture，简称OPC UA)是一种独立于操作平台的协议，具有可靠的数据通讯和安全机制，并将设备的各种数据节点定义为对象以描述复杂的过程和系统，来支持设备复杂的数据结构。RFID又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。

文献检索查到相关专利：2015年6月3号公开的申请号为201510299253.8的发明专利《一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置及方法》，提供一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置，将多个基于串行通讯或TCP通讯的Modbus设备封装成一个OPC UA实时数据服务器，用支持OPC UA协议的客户端对Modbus设备的数据进行读、写和订阅操作，而使用Modbus通讯协议的设备无需改变软硬件即可在OPC UA协议中正常运行。

但是上述专利存在缺陷：虽然此发明有效地将Modbus设备接入到OPCUA协议中，可以采集设备数据，并且不需要更改设备的软硬件，但是该方法在OPC UA客户端上的配置模块过多，功能设置复杂，不够清晰明确，并且该方法只提到了OPC UA客户端连接Modbus设备，不具有通用性。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种配置简单的，建模快速的基于OPC UA协议的设备数据采集系统。

本发明提供的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，具有这样的特征，包括：底层适配器；OPC UA中间件；以及上层应用，其中，底层适配器，具有：数据调制模块，可以取出一种或多种通讯协议连接的设备的数据值；以及数据传输模块，将数据调制模块中取出的数据值以配置的速率传输到OPC UA中间件，OPC UA中间件，具有：数据服务中心；以及Modeling建模与配置模块，数据服务中心，包含：数据采集模块，接收来自数据传输模块的数据值上传；事件处理模块，取出数据报警项的报警值上传；OPCUA实时数据服务器，即将数据采集模块的数据值和事件处理模块中的报警值并传到数据库中进行存储，并暴露实时数据接口，让软件客户端访问到底层设备实时数据；以及历史数据模块，将数据库中存储的结果取出来以暴露历史数据接口，让软件客户端访问到底层设备历史数据，Modeling建模模块采用面向对象的思想对底层设备建立模型，Modeling配置模块配置已建立模型中的数据值的地址和单位，Modeling建模与配置模块，直接将设备进行实例化，可以清晰、简单地按照其所看到的实际设备进行建模，然后按照Modeling配置中的模型生成相应的设备树状图和设备数据节点图表，上层应用，调用OPC UA中间件的接口，构成查看设备数据和状态的功能。

本发明提供的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，还具有这样的特征：其中，底层适配器是基于java语言编写的后台程序。

本发明提供的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，还具有这样的特征：其中，底层适配器以通过手动配置方式和自动配置方式两种方式对设备进行配置，手动配置方式，在底层适配器的配置文件中手动输入设备软件的地址和相关参数，取出数据读入数据传输模块中，自动配置方式，利用扫描设备上的RFID电子信息，自动将设备的地址和相关参数对应地导入底层适配器的配置文件中。

本发明提供的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，还具有这样的特征：其中，数据报警项的数据报警条件通过数据库的语句查询报警的结果，可以在Modeling建模模块中进行配置报警的条件。

本发明提供的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，还具有这样的特征：其中，OPC UA中间件，任何客户端、软件都可以访问数据接口来读取设备数据，OPC UA中间件的软件可以在windows、linux等平台运行。

本发明提供的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，还具有这样的特征：其中，Modeling建模模块采用面向对象的思想。

本发明提供的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，还具有这样的特征：其中，Modeling建模与配置模块可以直接对设备的各种数据节点进行配置，并且可以生成直观的设备树状图。

发明作用和效果

根据本发明所涉及一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，相对于传统的OPC协议，OPC UA协议更具有创新性和可塑性，使得数据传输更简单、方便；OPC UA中间件可以快速的接入底层设备的数据，还能够移植到多种平台上运行，可以用多种编程语言编写开源的OPC UA中间件软件；底层设备适配可以根据设备的需求进行开发，开发的工作量和难度不大，应用的环境非常广；Modeling建模与配置模块可以快速地对复杂设备进行建模，并且配置的难度低，方便设备数据软件的维护和管理。

附图说明

图1是本发明在实施例中的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统的结构框图；

图2是本发明在实施例中的底层适配器的结构框图；

图3是本发明在实施例中的OPC UA中间件的结构框图；

图4本发明在实施例中的Modeling建模与配置模块采用面向对象思想的建模示例；

图5是本发明在实施例中的上层应用的结构框图；

图6是本发明在实施例中的设备关系图；

图7是本发明在实施例中的登录界面图；

图8是本发明在实施例中的实时数据的曲线图；

图9是本发明在实施例中的历史数据的曲线图；

图10是本发明在实施例中的设备使用时间统计的曲线图；以及

图11是本发明在实施例中的Modeling配置的界面图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明所涉及的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统作详细的描述。

图1是本发明在实施例中的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统的结构框图。

如图1所示，一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统具有：底层适配器1、OPC UA中间件2和上层应用3。

图2是本发明在实施例中的底层适配器1的结构框图。

如图2所示，底层适配器1是基于java语言编写的后台程序，具有：数据调制模块1-1和数据传输模块1-2。

数据调制模块1-1取出用户需要的底层设备数据值，通过配置可以取出一种或多种通讯协议连接的设备的数据值。

数据传输模块1-2将所述数据调制模块1-1中取出的所述数据值以配置的速率传输到所述OPC UA中间件2。

底层适配器1以通过手动配置方式和自动配置方式两种方式对设备进行配置。所述手动配置方式为在所述底层适配器1的配置文件中手动输入设备软件的地址和相关参数，取出数据读入所述数据传输模块中。所述自动配置方式为利用扫描设备上的RFID电子信息，自动将设备的地址和相关参数对应地导入所述底层适配器1的配置文件中。

图3是本发明在实施例中的OPC UA中间件的结构框图。

如图3所示，所述OPC UA中间件2具有：数据服务中心2-1和Modeling建模与配置模块2-2。

所述数据服务中心2-1包含：数据采集模块2-1-1、事件处理模块2-1-2、OPC UA实时数据服务器2-1-3和历史数据模块2-1-4。

数据采集模块2-1-1接收来自所述数据传输模块1-2的所述数据值上传。

事件处理模块2-1-2取出数据报警项的报警值上传。所述数据报警项的数据报警条件通过所述数据库的语句查询报警的结果，可以在Modeling中进行配置报警的条件。

OPC UA实时数据服务器2-1-3将所述数据采集模块2-1-1的所述数据值和所述事件处理模块2-1-2中的所述报警值并传到数据库中进行存储，并暴露实时数据接口，让软件客户端访问到底层设备实时数据。

历史数据模块2-1-4将所述数据库中存储的结果取出来以暴露历史数据接口，让所述软件客户端访问到底层设备历史数据。

OPC UA中间件的优势在于任何客户端或者软件都可以访问数据接口来读取设备数据。OPC UA中间件的软件可以在windows、linux和其他平台运行，并且编写OPC UA中间件的软件可以使用多种编程语言。

所述Modeling建模与配置模块2-2直接将设备进行实例化，可以清晰、简单地按照其所看到的实际设备进行建模，然后按照Modeling配置中的模型生成相应的设备树状图和设备数据节点图表。

图4本发明在实施例中的Modeling建模模块采用面向对象思想的建模示例。

Modeling建模与配置模块2-2采用面向对象的思想，例如，将一个现实生活中的车间以及其具有的属性用框图来表示，如图4所示，用户可以通过拖拽框图的方式来给车间添加设备、参数等等车间内的属性，它们之间通过线连接的关系可以自动生成。

OPC UA实时数据服务器2-1-3将实时数据、历史数据和事件处理数据放在不同的模块里，编程人员需在不同的模块里单独调用设备的数据节点，相比于OPC UA实时数据服务器2-1-3的配置模式，本次设计Modeling建模与配置模块2-2可以直接让用户对上述的底层设备和其数据节点进行建模与配置，并且可以生成直观的设备树状图，方便软件客户端查看与管理数据。

图5是本发明在实施例中的上层应用的结构框图。

如图5所示，所述上层应用3调用OPC UA中间件2的接口，构成查看设备数据和状态的功能。

图6是本发明在实施例中的设备关系图。

以武汉科技大学信息科学与工程学院的故障诊断台、电机传动设备和风机模拟设备为底层设备，OPC UA中间件2作为服务器，用OPC UA中间件2暴露出的数据接口开发设备数据采集系统，系统之间的关系如图6所示。

图7是本发明在实施例中的登录界面图。

图8是本发明在实施例中的实时数据的曲线图。

图9是本发明在实施例中的历史数据的曲线图。

图10是本发明在实施例中的设备使用时间统计的曲线图。

如图7、图8、图9和图10所示，信息学院下有3个实验室：微电网实验室、故障诊断实验室和电机拖动实验室，并授权Admin用户查看信息学院下的实验室。微电网实验室中有风机模拟设备，故障诊断实验室中有振动台设备，电机拖动实验室下有西门子PLC设备，PLC设备下配置了设定速度、实时速度和速度过高的报警条件。同理，风机模拟设备和振动台设备也配置有对应的变量和报警条件。

在服务器电脑上部署java运行环境，安装Mysql数据库并启动。打开OPC UA中间件服务器和Modeling建模与配置模块2和web客户端界面服务器(可以在多种操作系统中运行，例如Linux和Windows)，在浏览器中输入网址localhost:8080/wustweb即可进入web客户端。

输入用户名和密码进入实验室数据管理系统界面，可以看到系统的功能：实时数据、历史数据、报警和设备使用时间统计。

报警的事件项出现左侧树状图下的模块4-1内，报警的事件会根据设置的报警条件实时弹到模块4-1内。

点击界面中的系统配置可以进入Modeling配置界面。

图11是本发明在实施例中的Modeling配置的界面图。

如图11中所示，在左侧一栏中的是本次配置武汉科技大学信息学院设备所需要的节点模块，所述的模块可以在后台进行配置增加新的模块来对其他的设备进行建模，模块5-1代表学院、实验室和自定义模块，模块5-2代表西门子PLC、故障振动、风机模拟设备和自定义设备模块，模块5-3代表各设备的数据点模块和自定义数据点模块，模块5-4代表报警事件模块和自定义报警模块，模块5-5代表管理员模块、用户模块、自定义管理员模块和自定义用户模块，上述的所有模块可以通过线相连并自动显示模块之间的关系，模块内的内容可以输入任意内容，模块可以通过拖拽的方式拉到右边的框内对设备建模，点击保存即可在网页的主界面生成如图8左侧一栏的结构树状图。

PLC设备通过OPC协议将数据取到kepware软件中，数据调制模块1-1通过配置和连接kepware软件，将PLC中的数据通过kepware取出。

许多第三方软件或程序可以将设备的数据结果存为.txt文件的数据格式，适配器可以将文件的内容以固定的格式和形式取出，也可以将文件名中的内容按照要求以固定的格式和形式取出，本例中故障振动台的数据是从.txt文件取出来的。

用Modbus协议传输数据的设备，可以通过数据调制模块1-1取出设备的数据值。

数据传输模块1-2将以上数据调制模块1-1取出的数据值传输到OPCUA中间件2中。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，相对于传统的OPC协议，OPC UA协议更具有创新性和可塑性，使得数据传输更简单、方便；OPC UA中间件可以快速的接入底层设备的数据，还能够移植到多种平台上运行，可以用多种编程语言编写开源的OPC UA中间件软件；底层设备适配可以根据设备的需求进行开发，开发的工作量和难度不大，应用的环境非常广；Modeling建模与配置模块可以快速地对复杂设备进行建模，并且配置的难度低，方便设备数据软件的维护和管理。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。