基于opc ua的通用数据采集模块的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于OPC?UA的通用数据采集模块，包括现场侧的保护电路(1)，现场总线收发器(2)，光偶隔离(3)，FPGA(4)，NOR?FLASH芯片(5)，50MHz晶振(6)，PowerPC处理器(7)，EEPROM芯片(8)，24MHz晶振(9)，看门狗电路(10)，用于OPC?UA通信的第一802.3物理层收发器(11)，用于进行配置的第二802.3物理层收发器(12)，以及供电电路部分(13)。本实用新型通过可配置的数据模型，以及嵌入式平台下的OPC?UA通信技术，实现工业自动化领域的多种通信架构下，底层现场数据与上层监控和管理系统集成的标准化。
【专利说明】基于OPC UA的通用数据采集模块
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及工业自动化领域，应用于工业自动化领域的数据标准化集成，具体涉及工业控制领域的PR0FIBUS-DP / PA总线协议、Modbus总线协议、PR0FINET总线协议、HART总线协议。
【背景技术】
[0002]随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，工业控制系统需要的信息交换覆盖从工段、车间、工厂企业乃至世界各地的市场。沟通的领域正在迅速覆盖从底层现场设备到控制、管理的各个层次，但工业控制系统存在大量来自不同技术或生产厂家的产品，从底层的I / O、数据采集板卡、各种层次的PLC和工业控制计算机，到大型的DCS控制系统，而且工业控制系统中的多总线并存的局面将长期存在，计算机软件与工业硬件设备通讯协议之间的接口越来越多样化。在传统的工业控制系统中，智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的信息共享是通过驱动程序来实现的。驱动程序的开发大大加重了软件开发的工作量，同时也为以后的设备和软件升级和系统的扩展带来了诸多问题。工业企业面临如何有效解决系统内不同技术间的信息访问和互操作性的问题，并保障生产过程的持续稳定运行，提高系统的可靠性、可用性。
[0003]现有数据集成有多种方式:将测量仪表加入到控制系统中，通过访问具备通信主站功能的控制器(PLC、DCS等)实现数据访问；或将测量仪表组成单独的测量网络，通过网关或通信板卡、以及具备主站功能的工控机或PLC等与上层管理系统实现集成；这些方式不具备通用性，集成难度大，且成本较高。在现有集成方案中也常采用基于PC的OPC技术，作为与上层管理系统和OPC服务器间的数据接口，但由于OPC技术对微软PC平台的依赖性较大，很难在嵌入式平台下应用，在应用环境和可靠性，实时性上具有局限性。
[0004]为了解决上述问题，OPC基金会在2006年7月发布了新的OPC UA规范，IEC也相应的组建了 OPC UA工作组，进行相应的国际标准的制订。OPC UA通过采用WSDL定义消息，实现了规范的平台无关性；并在原来OPC基础上定义了一套集成的服务，解决了现有OPC规范在应用时服务重叠的问题；0PC UA采用了集成的地址空间，增加对象语义识别功能，并实现了对信息模型的支持；另外，OPC UA采用冗余技术、安全模型等一系列机制，提高了安全性、可靠性等方面的性能。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的是提供一种基于嵌入式OPC UA技术的通用数据采集模块，采用一种不依赖专用主站(PLC或DCS等)的数据采集技术，实现在异构通信环境下，采集底层数据与管理层、控制层的快速标准化集成。由于采用了最新的OPC UA标准和技术，相对于目前广泛应用的数据采集技术(DCS、PLC)，具有更高的安全性和可扩展性。
[0006]本实用新型可实现对多种现场总线设备进行数据采集，其中包括PR0FIBUS-DP总线设备、PR0FIBUS-PA总线设备、Modbus总线设备、PR0FINET总线设备、HART总线设备。[0007]为解决【背景技术】所存在的问题，本实用新型可应用于大部分数据采集系统中，本实用新型采集异构的现场总线数据，通过数据配置接口可对数据模型进行设定，基于数据模型对采集到的数据进行分析与处理。通过以太网连接多个本实用新型和监控主机，本实用新型为接入以太网的监控主机提供标准OPC UA服务器接口，实现与监控主机的数据通信和访问权限的管理。因本实用新型采用了 OPC UA通用数据接口服务，可便捷的与第三方监控主机实现快速的标准化集成。
[0008]为解决【背景技术】所存在的问题，本实用新型内部软件实现采用以下技术方案:它包含现场总线主站(I)，嵌入式实时操作系统(2)，0PC UA SDK (3)，外设驱动(4)，数据分析处理(5)，OPC UA服务器(6)，模块配置(7)。所述的现场总线主站⑴与OPC UA服务器
(6)、模块配置(7)通过双口 RAM进行数据交换。
[0009]为解决【背景技术】所存在的问题，本实用新型内部硬件实现采用以下技术方案:它包含现场侧的保护电路(I)，现场总线收发器(2)，光耦隔离(3)，FPGA(4)，NOR FLASH芯片
(5)，50MHz 晶振(6)，PowerPC 处理器(7)，EEPROM 芯片(8)，24MHz 晶振(9)，看门狗电路
[10]，以太网物理层收发器(11)，以太网物理层收发器(12)，以及供电电路部分(13)。
[0010]本实用新型的创新点在于通过可配置的数据模型，以及基于嵌入式平台的OPC UA技术，实现底层现场数据与上层监控和管理系统集成的标准化。在现有的工控系统中，OPC技术都是基于PC平台的，其环境适应性、实时性以及安全性都有待提高。OPC服务器的数据源模型往往采用底层现场总线和工业以太网通信技术的数据模型或企业内部定义数据接口，与上层监控和管理系统的要求并不完全一致，系统的可扩展性较差；本实用新型为工业企业提供一种标准的、可扩展性好的、低成本的数据集成策略。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型的应用系统示意图
[0012]图2为本实用新型的软件框架示意图
[0013]图3为本实用新型的硬件框架示意图
【具体实施方式】
[0014]参照图2，本实用新型的软件【具体实施方式】采用以下技术方案:一种基于嵌入式OPC UA技术的通用数据采集模块，其包括现场总线主站(I)，嵌入式实时操作系统(2)，OPCUA SDK (3)，外设驱动(4)，数据分析处理(5)，OPC UA服务器(6)，模块配置(7)。所述的现场总线主站(I)根据所使用的现场总线类型不同，相应的实现现场总线的主站功能；所述的嵌入式实时操作系统(2)可以采用支持PowerPC架构的任意通用实时操作系统；所述的OPC UA SDK(3)为OPC UA服务器(6)提供了开发的函数库；所述的外设驱动(4)，包含以太网驱动，SPI驱动，Local Bus驱动，GPIO驱动，定时器驱动，为OPC UA服务器(6)和模块配置(7)提供了操作所需外设的驱动函数；所述的数据分析处理(5)对采集的现场总线设备的数据进行存储和重组，以满足OPC UA服务器(6)的软件接口数据格式；所述的OPC UA服务器(6)为接入的监控主机提供了标准的OPC UA数据访问接口与权限管理；所述的模块配置(7)通过以太网接收来自上位机的配置信息，包括本实用新型的内部数据模型配置和现场总线侧仪表的信息。[0015]参照图3，本实用新型的硬件【具体实施方式】采用以下技术方案:一种基于嵌入式OPC UA技术的通用数据采集模块，其包括现场侧的保护电路(1)，现场总线收发器(2)，光偶隔离(3)，FPGA(4)，NOR FLASH芯片(5)，50MHz 晶振(6) ,PowerPC处理器(7) ,EEPROM芯片
(8)，24MHz晶振(9)，看门狗电路(10)，用于OPC UA通信的第一 802.3物理层收发器(11)，用于对本实用新型进行配置的第二 802.3物理层收发器(12)，以及供电电路部分(13)。
[0016]参照图3，所述的FPGA(4)和现场侧保护电路⑴、现场总线收发器⑵、光耦隔离
(3)、NOR FLASH芯片(5)、50MHz晶振(6)构成了本实用新型在现场总线侧的通信电路；所述的现场侧的保护电路(I)对来自现场总线和其它外界的过压、浪涌、静电进行防护，保护电路(I)包含自恢复保险丝、TVS管、压敏电组、总线终端匹配，针对不同类型的现场总线保护电路(I)不同；所述的现场总线收发器(2)，对于物理层为RS485的现场总线采用485收发器，对于物理层为以太网的现场总线采用以太网收发器，对于物理层为MBP信号的现场总线采用MBP收发器，对于物理层为HART信号的现场总线采用HART收发器；所述的光耦隔离(3)实现了现场总线侧与本实用新型系统控制侧的电气隔离；所述的FPGA(4)通过不同的内部逻辑设计实现了 PR0FIBUS-DP主站功能、PR0FIBUS-PA主站功能、Modbus主站功能、HART 主站功能、PROFINET Provider 功能，FPGA (4)通过 Local Bus 与 PowerPC 处理器(7)通信；FPGA(4)通过内部实现的NOR FLASH驱动完成对NOR FLASH芯片(5)的读写操作，NORFLASH芯片(5)存储本实用新型离线状态下的现场侧数据和其它需要掉电保持的数据；所述的50MHz晶振(6)为FPGA(4)提供了高精度、高稳定性的50MHz外部时钟。
[0017]参照图3，所述的PowerPC处理器(7)与EEPROM芯片⑶、24MHz晶振(9)、看门狗电路(10)、用于OPC UA通信的802.3物理层收发器(11)、用于对本实用新型进行配置的802.3物理层收发器(12)构成了本实用新型的OPC UA服务器与配置的电路部分；所述的PowerPC处理器(7)内部包括了移植的嵌入式实时操作系统，移植的OPC UA标准SDK，外设驱动，以及在OPC UA SDK基础上编程实现的OPC UA服务器功能和对本实用新型的配置功能；所述的EEPROM芯片(8)通过SPI总线与PowerPC处理器(7)连接，用于存储上位机对本实用新型的配置数据和其它掉电保存的数据；所述的24MHz晶振(9)为PowerPC处理器
(7)和以太网物理层收发器(11、12)提供了高精度、高稳定性的24MHz外部时钟；所述的看门狗电路(10)为PowerPC处理器(7)提供了电压监控功能和看门狗功能；所述的802.3物理层收发器(11)为本实用新型OPC UA服务器功能的电气端口，通过标准的RMII接口与PowerPC处理器(7)连接；所述的802.3物理层收发器(12)为上位机对本实用新型配置通信的电气端口，通过标准的RMII接口与PowerPC处理器(7)连接。
[0018]参照图3，本【具体实施方式】在使用时，外部应为本实用新型供电电路部分(13)提供24V的直流系统电源，24V直流电源在经过热插拔电路后，产生两路隔离的电源，一路隔离电源为现场总线收发器(2)供电，另一路隔离电源为本实用新型的其它部分供电。
[0019]本【具体实施方式】通过嵌入式的OPC UA技术代替了传统的数据采集技术(DCS、PLC)，实现在异构通信环境下，采集的数据与管理层、控制层的快速标准化集成。
【权利要求】
1.一种基于OPC UA的通用数据采集模块，其特征在于:包括现场侧的保护电路(1)，现场总线收发器(2)，光偶隔离(3)，FPGA (4)，NOR FLASH 芯片(5)，50MHz 晶振(6)，PowerPC处理器(7)，EEPROM芯片⑶，24MHz晶振(9)，看门狗电路(10)，用于OPC UA通信的第一802.3物理层收发器(11)，用于进行配置的第二 802.3物理层收发器(12)，以及供电电路部分(13)ο
2.根据权利要求1所述的通用数据采集模块，其特征在于:所述保护电路包括自恢复保险丝、TVS管、压敏电阻以及总线终端匹配。
3.根据权利要求1所述的通用数据采集模块，其特征在于:所述现场总线收发器可以采用485收发器或以太网收发器或MBP收发器或HART收发器。
4.根据权利要求1所述的通用数据采集模块，其特征在于:所述FPGA通过现场总线与所述PowerPC处理器通信。
5.根据权利要求1所述的通用数据采集模块，其特征在于:所述EEPROM芯片通过SPI总线与所述PowerPC处理器连接。
6.根据权利要求1所述的通用数据采集模块，其特征在于:所述第一802.3物理层收发器是OPC UA服务器的电气端口，所述第二 802.3物理层收发器是本实用新型的配置端口，两个802.3物理层收发器通过标准的RMII接口与PowerPC处理器连接。
7.根据权利要求1所述的通用数据采集模块，其特征在于:所述供电电路部分提供24V的直流系统电源，24V直流电源在经过热插拔电路后，产生两路隔离的电源，一路隔离电源为现场总线收发器(2)供电，另一路隔离电源为其他部件供电。
【文档编号】G05B19/418GK203734702SQ201320550891
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】王麟琨, 闫晓风 申请人:机械工业仪器仪表综合技术经济研究所