基于OPCUA和本体语义模型的现场设备配置方法

本发明属于工业物联网领域，涉及一种基于opc ua和本体语义模型的现场设备配置方法。

背景技术：

1、在智能工厂中，存在着许多现场设备，这些设备实现大量的数字量及模拟量数据采集及控制，如电机的启、停控制，各种阀门的开、闭控制，各种采集对象的温度、压力、流量信息的采集等。现场设备主要包括可编程逻辑控制器(plc，programmable logiccontroller)和现场io设备，plc设备具有良好的可编程性、可靠性和实时性以及其高效的模拟量和数字量处理能力，被广泛应用于现场设备的控制；现场io设备主要指用于采集信号的传感器和用于实现控制功能的执行器。随着计算机技术、自动控制技术和通信技术的发展，工业控制领域有了翻天覆地的变化，工业云平台成为了研究热点，但现场设备由于其体系结构相对封闭，硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统存在差异，使得网络的连通和信息的互通较为困难，设备上云的集成效率低，无法能满足工业互联网云平台的社会发展需求，急需对现场常用的信号采集及控制设备中建立一个统一的信息模型来提高现场设备上云的集成效率，使得不同类型的现场设备通过与设备模型进行连接，获取设备的基本信息和实时数据，完成设备互联互通，实现对整个系统的功能配置。

2、在现场设备信息建模与配置方面，信息建模目前主要采用opc ua信息模型方法，d.nguyen提出opc ua pub/sub在内存受限的传感器设备中实现的方法(见文献：d.nguyen,p.bellot and p.-y.petton,"an opc ua pubsub implementation approach formemory-constrained sensor devices,"2022ieee 31st international symposium onindustrial electronics(isie),anchorage,ak,usa,2022,pp.999-1005,doi:10.1109/isie51582.2022.9831548.)，通过简化数据发布端的信息模型或删除消息层安全性，并且使用远程opc ua服务器作为配置器来实现发布和订阅，但该研究在pub/sub无代理模式下需要对中间路由进行配置并且在实时性方面性能不具备优势。s.g.mathias等人提出了一种基于opc ua的多数据库监控框架(见文献：mathias s.g.,schmied s.,grossmann d.aframework for monitoring multipledatabases in industries using opc ua[j].journal of ambient intelligence and humanized computing,2021,12(1):47-56.)，该框架是基于opc ua服务器聚合机制和数据库技术共同实现，其优势在于客户端可以通过聚合的地址空间远程访问数据库元数据，并且连接到该元数据的另一个客户端可以访问其他数据库信息，但也存在高访问时延、聚合的节点重复、节点引用关系不正确等缺陷。通过自定义的网络控制器来灵活控制和管理传感节点的组网，并采用下发流表的形式实现管理和配置。opc ua可以为智能生产线设备建立统一的信息模型(见文献：a.chai,y.ma,z.yinand m.li,"real-time communication model based on opc ua wireless network forintelligent production line,"in ieee access,vol.9,pp.102312-102326,2021,doi:10.1109/access.2021.3097399.)，提高网络的连通性，能够为智能生产线设备之间通信数据交换提供标准，然而并没有涉及到对于利用opc ua，实现现场设备配置方法的研究。在现场设备配置方面，目前主要采用中间件的方式来实现对现场设备的配置，j gampig等人引入资产管理壳(asset administration shells，aas)的概念，提出使用不同的aas的来实现设备的程序交互(见文献：j.gampig,t.and k.dorofeev,"plc integrationinto industry 4.0middleware:function block library for the interaction withrest and opc ua asset administration shells,"2021 26th ieee internationalconference on emerging technologies and factory automation(etfa),vasteras,sweden,2021,pp.1-8,doi:10.1109/etfa45728.2021.9613267.)，提出使用plc的运行时系统作为中间件直接与不同的aas和注册表进行交互，实现设备之间的互操作。a.zielstorff等人提出一种基于aas的框架，(见文献：a.zielstorff,d.a.t.s.and f.schnicke,"overcoming challenges in integrating legacydevices with asset administration shells-an opc ua case study,"2023ieee 28thinternational conference on emerging technologies and factory automation(etfa),sinaia,romania,2023,pp.1-8,doi:10.1109/etfa54631.2023.10275536.)，该利用basyx数据桥来支持不同的通信协议，实现数据的配置。但是aas与现场设备生产环境的所有系统信息相关，包含管理数据、运行时等，使得aas具有复杂的结构，与plc程序的交互变得困难。本专利创新的提出一种基于opc ua和本体语义模型的配置方法，通过结合opcua和本体语义模型使得现场设备具备计算机可以理解的语义，为现场设备的配置提供基础。

3、在现场设备配置功能软件信息交互方面，yameng an等人结合本体的特点设计了一种名为ontoplc的基于本体的语义模型，使得plc设备的项目文件可以在不同的开发环境之间自动移植，(见文献：y.an,f.qin,b.chen,r.simon and h.wu,"ontoplc:semanticmodel of plc programs for code exchange and software reuse,"in ieeetransactions on industrial informatics,vol.17,no.3,pp.1702-1711,march 2021,doi:10.1109/tii.2020.2997360.)，通过对支持iec 61131-3标准的plc设备程序中的语义进行统一的形式化描述，在语义层面上实现异构信息的交互，但是目前该软件本体模型plc代码库不够完善，且方式复杂。fischer,b采用可变模型结合数据库辅助的变体管理方法，解决遗留控制软件的文档编制和计划重用问题，(见文献：fischer,b.vogel-heuser,e.e.estévez and m.male,"varapp:variant management app for iec 61131-3compliant legacy software,"2020ieee conference on industrial cyberphysicalsystems(icps),tampere,finland,2020,pp.269-276,doi:10.1109/icps48405.2020.9274774.)。该研究将软件变体转化为plcopen xml格式，从而实现基于iec 61131-3的控制软件的文档编制、配置和生成。但是该文主要是针对机器生产线进行可变模型的构建，而且变体文档采用的是手动模型构建，工作量巨大，而且容易出错，难以迁移到不同的plc设备的模型构建中去，不具有普适性。a.peitz,p使用opc ua语对自动贴带机及其组件进行模块化的语义建模，通过预定义opc ua地址空间中的对象和变量实例来实现对设备的配置(见文献：a.peitz,p.striet,m.emonts,k.fischer and c.brecher,"design of a semantic information model for automated tape placement systemsusing opc-ua,"2021 26th ieee international conference on emergingtechnologies and factory automation(etfa),vasteras,sweden,2021,pp.1-8,doi:10.1109/etfa45728.2021.9613216.)。但是该文献中对象、变量和方法都是以自定义类型及预定义的形式创建的，当需要在机器上添加、删除组件，或者对象的属性发生变化时需要重新设计整个opc ua服务器，配置的灵活性较低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于opc ua和本体语义模型的现场设备配置方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于opc ua和本体语义模型的现场设备配置方法，包括以下步骤：

4、s1：opc ua组合服务器根据输入的设备信息对现场设备进行opc ua信息建模，使得现场设备能够根据唯一的id来完成现场io设备和plc设备之间的通讯与数据传输；

5、s2：现场设备配置模块提取现场设备配置信息和opc ua模型的地址空间中的信息，生成对应的信息本体；将支持iec 61131-3标准的plc程序转化为可执行技能模型，形成功能本体；

6、s3：现场设备配置模块根据自定义属性函数sparql来访问opc ua地址空间的数据，实现本体与配置数据的交互；

7、s4：现场设备配置模块根据需要配置的信息生成xml格式的配置文件，通过访问opc ua服务器对外的信息接口，实现配置信息的下发；

8、s5：现场设备配置模块将现场设备的配置文件下发到现场设备中，完成对应的控制功能。

9、进一步，步骤s1所述opc ua组合服务器根据输入的设备信息对现场设备进行opcua信息建模，具体包括：

10、现场io设备信息建模：包括静态属性集、动态属性集；所述静态属性集包括现场io设备的基本信息；所述动态属性集包括现场io设备当前的状态信息；

11、plc设备信息建模：在plc设备中嵌入一个opc ua服务器，用于处理来自opc ua客户端的请求，并向plc设备发出信号，执行必要的程序；plc设备负责从现场io设备中收集信息，对当前开关量和数据量的读写完成相应的控制功能；opc ua服务器询问plc程序的命名空间，获取相应的数据结构和属性，创建信息模型，并在共享内存中创建变量的实例；opcua服务器地址空间中变量的值由上层客户端和plc程序进行更新，变量类型和名称由opcua服务器进行更新。

12、进一步，步骤s2中，构建信息本体具体包括：

13、opc ua客户端连接到opc ua服务器，阅读opc ua服务器的地址空间数组分析地址空间，所述地址空间数组将每个地址空间索引与其对应的地址空间相关联；opc ua客户端递归地浏览opc ua服务器的地址空间，并为每个地址空间创建资源描述框架rdf模型；将opc ua节点映射到rdf资源，并将opc ua引用映射到rdf属性；对于两个opc ua节点之间的每个引用，在模型中创建一个rdf语句；对基于rdf的一组模型添加本体语言的附加词汇；

14、使用三层体系结构来实现opc ua信息模型到本体模型的映射，将整个模型映射分为元模型、模型和实例三个层次，其中plc设备的opc ua地址空间模型位于最上层，作为opcua信息模型的元模型，地址空间存储的是现场io设备的唯一id，作为语义描述的本体语言owl也位于最上层；各种现场设备的opc ua模型和本体模型则位于中间的模型层；opc ua模型实例和实例则位于实例层，实例对应现场设备中具体的plc设备和现场io设备。

15、进一步，构建信息本体的步骤如下：

16、s211：阅读opc ua信息模型的地址空间中的信息，创建owl full语义的统一表述，具体的映射规则如下：

17、根据opc ua节点的名称为每个资源创建唯一的标签；

18、与节点类objecttype、variabletype或datatype的opc ua节点对应的所有资源都声明为owl：class；

19、与节点类referencetype的opc ua节点对应的所有资源都声明为owl：objectproperty；

20、与作为hastypedefinition引用源的opc ua节点相对应的所有资源都被声明为相应类的个体；

21、与作为hassubtype引用源的opc ua节点相对应的所有资源都被声明为相应类的父类；

22、所有对象属性都被声明为对称属性；

23、对于设置了相应opc ua referencetype属性inversename的所有对象属性，将创建一个反向对象属性；

24、将opc ua节点与其opc ua属性相关的所有属性都声明为注释属性；

25、s212：将抽象的opc ua模型通过语义的统一描述实现现场设备的实例化，利用sparql规则重新定义概念，构造图形转换，将生成的opc ua的owl full本体转化为特定的领域本体，并且用owl dl语言来进行统一语义表述，进一步转化为图形实例。

26、进一步，步骤s2中构建功能本体，具体包括：

27、对于多设备模块化的工业控制场景，将模块化功能的plc设备代码生成一种功能本体模型，再opc ua调用本体生成可执行的技能描述，实现现场io设备的控制功能；

28、开发现有技能实现的本体描述，设计skill-up函数自动生成完整技能；在skill-up框架中，根据注释自动生成一个完整的可执行技能模型，包括调用接口和本体描述。

29、进一步，步骤s3中，现场设备配置模块通过自定义属性函数sparql设置对应的变量来对本体中的数据信息进行修改，并将修改后的配置信息传递给opc ua中对应的节点，opc ua服务将配置信息传递给现场设备实体，同时规定该节点返回相应的结果，从而实现本体与配置信息的交互；通过本体对opc ua的地址空间对应的节点信息进行读取和修改，opc ua服务器对地址空间的数据进行修改和更新，实现现场设备的控制功能配置；针对plc实现的功能代码，通过将其转化为可执行的技能模型，转化为可被调用的功能服务，根据技能模型的约束条件来实现plc的逻辑控制功能。

30、进一步，所述步骤s4具体包括：

31、根据不同现场io设备的特征，确定现场io设备的静态属性和动态属性，建立现场io设备配置模型，使用xml对信息模型进行描述，信息模型具备在不同系统之间进行传输、读取和写入的功能，通过访问opc ua服务器对外的信息接口，实现配置信息的下发；

32、现场设备配置模块根据不同现场网络配置信息的特征，确定总线配置信息，现场设备配置模块将现场网络配置信息填充到opc ua协议栈中，并通过xml语言对modbus的配置信息进行传输，通过opc ua信息接口进行下发，实现现场设备网络配置信息的更新。

33、进一步，所述步骤s5中，opc ua组合服务器作为opc ua设备状态信息获取端，对工业现场设备的运行状态信息进行实时获取，为下一步现场设备信息本体实例映射提供实时数据；信息本体和功能本体是设备实现控制功能的基础，设备为控制功能的实现提供逻辑实体，功能本体则提供具体的控制实现方法；

34、通过opc ua获取现场设备的实时状态信息转换为语义数据，再通过信息本体对节点和属性进行扩展；通过opc ua中唯一的节点id调用可执行技能模型和地址空间中的数据，将xml格式的配置文件通过opc ua传递给现场io设备，实现现场io设备的控制功能配置。

35、进一步，步骤s5中，具体的配置流程如下：

36、首先现场设备配置模块将获取到的配置信息传递给opc ua组合服务器；

37、opc ua组合服务器根据配置信息生成opc ua模型，并通过定义好的映射规则提取opc ua中的节点信息生成对应的本体；

38、生成后的本体通过sparql函数访问opc ua服务器的地址空间，修改需要配置的数据信息，最后通过opc ua服务将配置信息下发给现场设备实体。

39、本发明的有益效果在于：

40、在现场设备相关模型构建方面，大多数都是通过opc ua技术来格式来实现配置的统一，但是工业现场设备种类繁多以及不同网络下opc ua服务器数量庞大，本专利引入本体语义模型，降低了模型构建复杂度，充分利用sparql等高效语义查询工具，提升查询效率，能有效缩短响应时间。通过使用web本体语言(web ontology language，owl)来对现场设备的配置信息进行语义层次的描述，扩展opc ua的节点信息和属性，增强了数据的语义表达能力，而且通过本体与配置信息的交互，生成配置文件，通过opc ua下发给现场的设备，这不仅丰富了配置功能，增加了配置的灵活性和扩展性，同时还提升了配置效率。

41、针对现场设备中支持iec 61131-3标准的plc代码重用方面，目前都是通过模型之间的匹配来实现的，但是不同平台特有的功能块、算法以及函数和对应的内部逻辑结构各不相同，使得模型构建的工作量巨大，且容易出错。本专利研究基于opc ua和本体语义模型的现场设备模型配置方法，采用opc ua模型和本体语义模型结合的方式来描述现场设备的功能，开发工作量大大降低，更具可行性。同时opc ua模型使得对不同的功能接口进行统一成为可能，通过接口调用的方式来执行现场设备的功能的映射，完成现场设备功能的统一配置。

42、综上所述，本方案将主要解决现场设备的统一配置难题。所提方案的创新在于：结合opc ua和本体语义模型的特性，完成对现场设备的实例化，通过opc ua实现现场设备之间的互联互通，并在语义层次对设备的功能描述为可执行技能，为opc ua节点的提供更加丰富的语义信息，增加了配置的灵活性和扩展性。同时利用opc ua特点，设计统一的现场设备接口和信息交换格式，实现设备信息的交互和功能的配置。

43、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。