OPCUA服务器地址空间与数据存储研究与开发.pdf

1、硕士研究生：导师：申请学位：学科：专业：所在学院：答辩日期：授予学位单位：方辉陆会明工学硕士自动化模式识别与智能系统控制与计算机工程学院2 011 年3 月华北电力大学C a n d i d a t e：A d d r e s sS p a c ea n dD a t aS t o r a g eS u p e r v i s o r：A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r：S p e c i a l i t y：S c h o o l：D a t eo fD e f e n c e：D e g r e e-C o n f e r r i n

2、g-I n s t i t u t i o n：F a n gH u iP r of L uH u i m i n gM a s t e ro fE n g i n e e r i n gp a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m sS c h o o lo fN o r t h C h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t yM a r c h 2 0 1 1N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e

3、 rU n i v e r s i t y一华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文(o P cU A 服务器地址空间与数据存储研究与开发，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：专辉日期：o l p 年岁月f 日华北电力大学硕士学位论文使用授权书(O P CU A 服务器地址空间与数据存储研究与开发系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导

4、下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于(请在以上相应方框内打“4”)：保密口，在年解密后适用本授权书不保密作者签名：方辉l刷磁轹降扣哆日期：口年3 月If 日日期：2 口l f 年乡月lf 日牛北电力大学顾十学位论文摘要传统O P C 服务器地址空间结构简单，使得服务器只能侧重于设备实时数据的采集和交

5、换，不利于设备的管理和维护。本文使用新的O P C 统一架构(U A)标准解决这类问题。将数据、报警和事件等信息集成到统一的地址空间，使得现场级、操作级和企业级的信息能集成到一起。地址空间是O P CU A 的核心部分，本文研究并剖析了地址空间的实现方法。在N E T 平台上使用C#语言开发了基本的U A 服务器，实现了地址空间相关的服务函数。通过采用分级节点管理结构，设计实现了创建、管理地址空间的节点管理接口。另外，提出了一个将O P CU A 与E D D L 技术相结合的方案来实现将设备的完整信息映射到O P CU A 的地址空间结构。关键词：O P C 服务器；O P C 统一架构；O

6、 P C 地址空间；E D D L 技术；华北电力犬学硕十学位论文A b s t r a c tT h es t r u c t u r eo fa d d r e s ss p a c ei nt r a d i t i o n a l0 P Cs e r v e ri ss i m p l e S Ot h es e r v e rc a no n l yf o C U So nt h ec o l l e c t i o na n de x c h a n g eo fd e v i c e Sr e a l t i m ed a t a，i ti sn o tc o n d u c i

7、 v et ot h em a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo fd e v i c e T h i sp a p e rU S e San e w0 P CU n i f i e dA r c h i t e c t u r eS p e c i f i c a t i o nt oa d d r e s st h ea b o v ei s s u e s I t Ss u p p o g sd a t a a l a r m sa n de v e n t si n f o r m a t i o ni n t e g r a t e

8、 di n t oau n i f i e da d d r e s ss p a c e，w h i c hm a k e si n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no ft h ed e v i c el e v e l，o p e r a t i o n a ll e v e la n de n t e r p r i s el e v e la sp o s s i b l e A d r e s ss p a c ei st h ec o r eo f0 P CU A T h ei m p l e m e n t a t i o no f

9、a d r e s ss p a c ea r er e s e a r c h e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r D e v e l o p m e n to ft h eb a s i cU As e r v e rw h i c hu s e s N E Tp l a t f o r ma n dC 群l a n g u a g er e a l i z e dt h ea d d r e s ss p a c e r e l a t e ds e r v i c e s B yu s i n gh i e r a r c h i c

10、a ln o d em a n a g e m e n ts t r u c t u r e，t h eN o d eM a n a g e ri n t e r f a c ew h i c hc r e a t ea n dm a n a g ea d d r e s ss p a c ea r ed e s i g n e d I na d d i t i o n，p r e s e n t st h es c h e m eo fc o m b i n e dw i t hO P CU Aa n dE D D Lt e c h n o l o g yt or e a l i z et

11、h ec o m p l e t ed e v i c ei n f o r m a t i o nm a p p e dt ot h e0 P CU Aa d d r e s ss p a c es t r u c t u r e K e y w o r d s：O P CS e r v e r；O P CU n i f i e dA r c h i t e c t u r e；O P Ca d d r e s ss p a c e；E D D Lt e c h n o l o g yU华北电力大学硕十学位论文目录摘要IA b s t r a c t I I第l 章引言l1 1O P CU

12、A 技术概述_ 11 1 1O P CU A 产生的背景11 1 2O P CU A 概念及其发展的意义21 1 3 国内外研究现状31 2 本论文的主要研究内容4第2 章O P CU A 地址空间相关规范的研究52 1O P CU A 规范介绍。52 2 地址空间相关概念72 2 1 地址空间的功能72 2 2 节点和引用82 2 3 地址空间元模型l O2 2 4 地址空间组织形式。1 02 3O P CU A 服务函数122 4 本章小结。1 4第3 章程序分析与设计关键技术1 53 1 复杂数据内置153 1 1 概j 盔1 53 1 2 复杂类型定义节点和它们的实例声明1 73 1

13、3 复杂类型定义节点的实例1 83 2 地址空间节点数据的存储1 93 2 1 存储节点的数据结构。1 93 2 2 数据匹配问题的解决。2 l3 3 分级节点管理2 23 4 本章小结2 3第4 章O P CU A 服务器的开发与测试。2 44 1 预定义文件2 44 2 节点管理类2 61 1 I华北电力人学硕十学位论文4 2 1 节点管理接口I N o d e M a n a g e r。2 64 2 2 核心节点管理类C o r e N o d e M a n a g e r 3 64 2 3 主节点管理类M a s t e r N o d e M a n a g e r 3 64 3

14、O P CU A 服务器的设计3 74 3 1 设计基础3 74 3 2 前期工作3 94 3 3 宿丰服务器设计4 44 4O P CU A 服务器的测试4 74 5 本章小结。5 2第5 章E D D L 技术与O P CU A 的结合5 35 1O P CU A 引入E D D L 的原因5 35 2O P CU A 引入E D D L 的可行性分析5 45 3 基于E D D L 技术的O P CU A 服务器实现方案5 55 4 本章小结5 6第6 章结束语5 76 1 本文主要工作总结5 76 2 未来与展望5 7参考文献5 9攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果6 1蜀C 谢6

15、2I V的技术取代当前技术来满足自动化用户日益增长的需求。O P CU A 技术就是为了顺应这样的要求而产生的。1 1 1O P CU A 产生的背景O P C 技术是O P C 基金会在微软W i n d o w s 的O L E(O b j e c tL i n k i n ga n dE m b e d d i n g 对象链接与嵌入)技术和C O M D C O M 技术基础上发展的一种数据交换方法，其目的就是通过一个统一的接口实现不同厂商的软件产品间的数据交换。它为开发应用程序的不同厂商提供了一项共同遵循的通信标准，从而大大减少了在系统集成过程中的重复开发，并提高了控制系统的性能。O

16、 P C 的动机是建立大量数据源通信的标准机制，这些数据源可以是工厂的设备或控制室的数据库。经过多年的发展，O P C 组织发展了O P CD A(数据采集)、O P CA l a r m s&E v e n t s(报警和事件)、O P CH D A(历史数据)、B a t c h(批次)、S e c u r i t y(安全)等技术，其中O P CD A在自动化行业得到了广泛的应用川。O P C 作为新兴的数据互联国际标准，其贡献是巨大的。目前O P C 在解决工业设备实时数据采集与通信方面已经获得业内的广泛认可，是降低系统间互联成本的最佳途径。但是O P C 本身仍处于快速发展、进化之中

17、。现有O P C 标准已经诞生l O 年有余，此间技术已经取得了很大进步。使得原有的O P C 技术已经无法满足实际的需求，产生了以下主要缺陷：(1)不具有平台无关性，仅适合于微软平台环境；(2)D C O M 不适用于I n t e m e t 环境，它不支持通过I n t e m e t 访问对象【2】；(3)C O M 产牛的传输报文复杂，并且由于防火墙的存在，在I n t e m e t 上发送C O M 报文非常网难。因此，新的标准必须诞生，以跟上技术进步的步伐。O P CU A 就是在这样的背景下诞生的。O P C 基金会于2 0 0 4 年1 月成立了U A 工作组，致力于采用最

18、新技术华北电力大学硕十学位论文把O P C 建成一种新的系统架构，满足互操作和即插即用、自动识别的要求。以期望这种新的架构在今后1 0 年或更长时间成为自动化领域的新标准。以下是O P CU A 标准诞生的一些详细背景：(1)微软公司为发展跨平台W e b 服务的技术和S O A(S e r v i c eO r i e n t e dA r c h i t e c t u r e)技术，不再重点发展C O M 技术，O P C 技术面临失去技术支撑的境地。随着M i c r o s o f t N E T 架构的发布，工业应用软件也逐渐转向M i c r o s o f t N E T 3

19、1。(2)O P C 产品供货商希望一个O P C 产品能够提供多种数据服务，而非像现在那样把产品分为D A、A&E、H A D 等多种模式。(3)O P C 产品供货商希望O P C 产品能够运行于非微软的操作系统中，包括嵌入式设备上。(4)其他一些O P C 基金会的合作组织需要支持高级结构化数据的可靠和有效的实现手段。1 1 2O P CU A 概念及其发展的意义O P CU A(O P CU n i f i e dA r c h i t e c t u r e)指O P C 统一体系架构，是一个不依赖于任何平台的新的工业软件接口规范。它是O P C 基金会在2 0 0 6 年推出的第二

20、代O P C 技术，用来取代传统的O P C 技术。与O P CD A 标准相比，O P CU A 是跨平台的，提供更高的可靠性、安全性和数据集成，能显著改进企业信息的连通性【4 1。O P CU A 扩展了O P C 的应用平台，把过去只在W i n d o w s 平台上的O P C 技术拓展到L i n u x 和U n i x 平台。开放的基于I n t e m e t 的W e b S e r v i c e 的服务架构(S O A)和基于I n t e m e t 的异常灵活的数据交换系统，为构建跨地域的数据采集系统提供了有力的技术支撑【5】。基于O P CU A 标准的产品可更好

21、地实现工厂级的数据采集和管理，从P L C、D C S 等现场设备，到H M I、S C A D A，再到生产制造系统，再到企业上层管理软件，都可以通过O P CU A 标准，统一进行沟通【6 J。如图1 1 所示。O P CU A 标准使产品的开发和使用更为简单。O P C 标准促进了工厂自动化系统和信息化管理系统间的数据互操作能力，避免了非标准数据接口的复杂性。O P CU A 产品的开发比非O P C 产品更为容易，因此越来越多的厂商开始开发基于O P CU A 的服务器和客户端应用。O P CU A 定义了统一数据和服务模型。包括：代表结构、行为和语义的信息模型、使应用程序相互作用的消

22、息模型、在终端之间传输数据的通信模型和保证系统之间实现互操作性的一致性模型【7 1。这些统一的模型使数据组织更为灵活，可以实现报警与事件、数据存取、历史数据存取、控制命令、复杂数据的交互通信。2牛北电力人。硕十学位论文凸自自iA c q=s i,i 白图1 1O P C U A 的应用O P CU A 支持查询和通知服务，服务消息可以是二进制的，也可以是X M L 的，这意味着O P CU A 不仅仅适于设备层、自动化层到信息化层的数据交换，还可以透过I n t e m e t 实现远程的数据交换，能满足自动化工厂所有层面数据交换的需要1 8】。O P CU A 比O P CD A 更安全。O

23、 P CU A 传递的数据是可以加密的，并对通信连接和数据本身都可以实现安全控制【9】。新的安全模型保证了数据从原始设备到M E S，E R P 系统，从本地到远程的各级自动化和信息化系统的可靠传递。O P CU A 的设计对于基于微软C O M 技术的O P C 客户端和服务器来说，是可移植的。可移植性在设计O P CU A 的时候已经给予了考虑【1 0 l，以至于由传统O P C 服务器(数据访问、历史数据访问和事件报警)暴露出来的数据可以通过O P CU A进行映射和暴露出来。生产厂商既可以直接遵循O P CU A 标准移植他们的产品，也可以对先前的产品进行外部封装来达到从传统O P C

24、 到O P CU A 的过渡。1 1 3 国内外研究现状自2 0 0 4 年1 月O P C 基金会的O P CU A 工作组成立之后，经过2 年的时间，在2 0 0 6 年发布了O P CU A 规范，规范由十三部分构成，其中有部分是草案。此后，O P C 基金会不断更新规范，到目前为止仍未形成一套最终的规范。因此，O P CU A现在仍处于一个从理论到应用的一个过渡阶段。华北电力夫学硕十学伊论文华北电力大学硕十学位论文第2 章O P CU A 地址空间相关规范的研究O P CU A 全面确立以面向服务(s e r v i c e o r i e n t e d)为核心的概念，U A 被描述

25、为一组分层次的规格书，目前由1 3 部分构成。本文主要涉及的是第3、4、5 这三部分中与地址空间关系紧密的规范。为了明确表达U A 的结构，在以上规格书中，O P C 基金会故意使用了一些抽象的概念和术语，在这些规格书的后半部分，特别举例说明如何通过现有技术来编程实现这些概念。2 1O P CU A 规范介绍O P C 统一体系架构规范由十三部分组成】。各部分规范概要介绍如下：第一部分C o n c 印t s(概念)描述了关于O P CU A 服务器和客户端的基本概念。盛第二部分S e c 嘶t yM o d e l(安全模型)描述了用于O P CU A 客户端和O P CU A 服务器之间安

26、全交互的模型。第三部分A d d r e s sS p a c em o d e l(地址空间模型)描述了服务器地址空间的内容和结构。第四部分S e i c e s(服务)指定了O P CU A 服务器提供的所有服务。第五部分I n f o m l a t i o nM o d e l(信息模型)详细说明了为O P CU A 服务器定义的标准数据类型和它们之间的关系。第六部分M 印p i n g s(映射)详细说明了O P CU A 支持的传输映射和数据编码机制。第七部分_ 呻r o f i l e s(协议)详细说明了可用于O P C 客户端和服务器的协议。这些协议提供了可用于一致性标准的服

27、务和功能。服务器和客户端可依靠这些协议来进行测试。第八部分D a t aA c c e s s(数据访问)详细说明了如何使用O P CU A 进行数据访问。第九部分A l 锄sa n dC o n d i t i o n s(报警与事件)详细说明了使用O P CU A 对报警与条件通道的支持。基本的系统包括对简单事件的支持；这部分规范拓展了对报警与事件的支持。第十部分呻r 0 伊锄s(程序)牛北电力大学硕十学位论文详细说明了O P CU A 对程序访问的支持。第十一部分H i s t o r i c a lA c c e s s(历史数据访问)详细说明了使用O P CU A 对历史信息的访问。

28、访问包括对历史数据和历史事件的访问。第十二部分D i s c o v e 珂(查找)详细说明了O P CU A 如何在网络中查找服务器，以及客户端如何获得需要的信息来建立于特定服务器的连接。第十三部分A g g r e g a t 鼯(聚合)详细定义了从原始数据计算样本值的方法，主要用于处理实时数据和历史数据。以上规范中，第三部分和第四部分对于理解并实现地址空间和数据访问具有非常重要的作用，这两个子规范是设计和开发O P CU A 应用程序的关键文档。第三部分定义了构建一个服务器地址空间需要的元数据模型和类型信息。第四部分定义了服务器和客户端之间用于交互的抽象服务模型，客户端使用这些服务函数来

29、查找和访问服务器提供的信息。由于规范中只定义了应用程序间要交换的信息，但并没有涉及到具体的功能实现和接口定义，所以这些服务都是抽象的。O P CU A 实质上是一种抽象的框架，是一个多层架构，其中的每一层完全是从其相邻层抽象而来。把O P CU A 规范划分成不同的部分是为了把核心设计从底层的运算处理和网络传输分离出来。这使得O P CU A 在不改变基础设计的情况下，被运用到未来技术上成为可能。这些层定义了线路上的各种通信协议，以及能否安全地编码解码包含有数据、数据类型定义等内容的讯息。利用这一核心服务和数据类型框架，人们可以在其基础上轻松添加更多功能。这样也便于O P CU A 结合传统O

30、 P C 规范中的最佳特性和功能，通过添加服务导向型(S O A)架构将其提高到新的水平【I2 1。由于O P CU A 架构中的层是抽象的，因此可以添加新的线上(o v e r-t h e w i r e)协议、新的安全和保密技术或新的数据类型【1 3 J。随着技术的进步，O P CU A 也将与时俱进。O P CU A 已经超越了当前所有的传统O P C 规范：O P CD A(数据访问)、A&E(警报和事件)、H A D(历史数据访问)以及命令和复杂数据。O P CU A 支持用户选择适合自己的功能级别，因此这一切变得不再复杂。O P CU A 将提供支持此类自定义功能的子集。每种传统O

31、 P C 规范都可以被视为一个子集。6华北电力大学硕十学伊论文2 2 地址空间相关概念O P CU A 服务器为客户端提供的数据和相关信息都是与服务器的地址空间有关的。O P CU A 地址空间是以一组用引用形式连接起来的节点来描绘它的内容。2 2 1 地址空间的功能图2 1 中显示的是地址空间在服务器中的位置和它所需要实现的功能。O P CU A 提出了一个一致的地址空间和服务模型。这样就可以用一个单一的O P CU A 服务器把数据，报警与事件和历史信息统一存储到它的地址空间里，并且可以用一套统一的服务为它们向外提供接口【1 4 1。从图中可以看到，地址空间及数据存储模块是服务器从外界获取

32、数据的必经之地，它最典型的获取数据的方式是从具体设备的硬件驱动程序中获得，然后作为其它模块的数据源。获取数据的方式不仅仅只有从设备中获取，也可以从D C S 系统、数据库或者是其它O P C 服务器中获取。I礁，l：秘础蹦嚣Ij【体竣件漫貉图2-IO P CU A 服务器中地址空间的位置和作用对于地址空间中要被访问的对象，O P CU A 也允许服务器给客户端提供类型定义。这使得标准信息模型可以被用来描述地址空间的内容。O P CU A 允许数据以不同的格式暴露出来，包括二进制结构和X M L 文档，这是规范强制要求的。7华北电力人学硕十学位论文2 2 2 节点和引用地址空间的基本组成单位是节

33、点【1 5】。节点由属性和引用定义，而属性和引用需要给定值。图2 2 显示的是节点的基本组成。图2-2 节点组成部分属性是用来描述节点的数据元素。客户可以通过读、写、查询、订阅监视项的方式存取属性值。属性是节点类的基本的组成部分。属性定义是节点类定义的一部分，因此，不包括在地址空间内。每个属性由一个属性I D，一个名字，一个描述，一个数据类型和一个强制可选指示器构成。属性定义不能由客户或服务器来扩展。当一个节点在地址空间实例化后，节点类属性的值将被提供。强制可选指示器指示属性是不是必须被实例化。引用可以用浏览和查询的方式访问。就像属性一样，它也是节点的基本组成部分。与属性不同的是，引用是作为引用类型节点的实例被定义。引用类型节点在地址空间里是可以看到的，并使用引用类型节点类来定义。源节点、引用类型、目标节点的联合唯一标识了一个引用。因此，每个节点仅能使用一次相同的引用类型来引用其他的节点。