OPCUA 技术及其在EMS 数据采集中的应用
OPCUA 技术及其在EMS 数据采集中的应用内容摘要：
经验交流 OPCUA 技术及其在 EMS 数据采集中的应用 王彦桂 （广东省科学院自动化工程研制中心，广州中浩控制技术有限公司） 摘要：详细介绍了新一代数据输入/输出的标准 OPC UA(OPC 统一架构)，包括其安全模型、地址空间模型、 服务模型、信息模型等。同时探讨了工业 EMS（能源管理系统）对于数据采集的要求和应用 OPC UA 进行 EMS 数据采集及接口方法。 关键词：OPC UA；数据采集；能源管理；EMS；工业软件 为科学用能提供数据信息和决策依据[2]。 1 前言 与依赖于微软的COM/DCOM技术的工业数据交 2 EMS 数据采集要求 换OPC标准协议相比，OPC统一架构体系是一个基于 能源监控的最主要目的是了解目前企业能源的 Web Service技术的不依赖平台的标准，借助此标准， 使用情况，EMS所收集的数据可作为改善能源应用的 各种各样的系统和设备能在不同网络中以 参考。EMS的功能是建立在基本能源信息基础上，通 Client/Server模式进行通信。OPC统一体系结构通过确 过获得能源系统的第一手资料，经过数据分析、处理 认客户端和服务器的身份和自动抵御攻击来支持稳 和加工，帮助调度人员和专业能源管理人员实时掌握 定的、安全的通信。OPC UA定义了一系列服务器所 系统运行情况。EMS需要采用和收集的数据最重要的 能提供的服务，特定的服务器需要向客户端详细说明 是能源计量数据，就是采集工业企业内部的水、电、 它们所支持的服务。信息通过使用标准的和宿主程序 风、气（汽）、油、固体燃料等能源计量值。EMS系 定义的数据类型进行表达。服务器定义客户端可识别 统一般由计量设备、数据集中器、用户终端、管理服 的对象模型，服务器可以提供查看实时数据和历史数 务器和管理软件等构成[3]。 据的接口，并且由报警和事件组件来通知客户端重要 针对能源数据采集设备的分散和能源管理要求 的变量或事件变化。OPC UA可以被映射到一种通信 集中的特点， 需要建立以能源调度指挥为中心的 EMS 协议上并且数据可以以不同的形式进行编码来达到 系统，实现满足能源系统特点的分散控制和集中管 [1] 传输便捷和高效的目的 。 理，减少能源管理环节，优化能源管理流程，建立客 当前正方兴未艾的企业EMS是OPC UA的一个重 观能源消耗评价体系统，及时了解真实的能耗情况和 要应用目标。企业EMS是一种能源科学管理和信息服 提出节能降耗的技术和管理措施，协助企业管理者制 务的方法，可以说是企业制造执行系统（MES）的重 订能源管理措施和考核办法。 要补充功能，因为能源也是制造系统的一个输入。 OPC 和 COM／DCOM 技术之前是 EMS 进行设 EMS主要内容是：采用能源计量与统计的方法，使整 备信息集成的很好手段，但随着企业信息化的进一步 个企业的能源消耗状况透明化；将生产用能绩效指标 深化，当前的 EMS 对 OPC 产生了以下 4 个方面的新 落实到执行层面，按照责任范围的不同，对各个工厂、 要求： 车间、班组或者办公大楼的能源使用效率、消耗水平 和能源利用经济效果进行客观考察；对全企业的能源 使用情况进行记录和分析，实现集中式的能源管理， (1)、基于互联网的信息集成：要求能源数据可以 穿越企业的防火墙来传递等； (2)、多操作系统的信息集成：由于企业以往的企 2010 年第 2 期自动化与信息工程 43 业信息化实施的差异使企业内部普遍存在多操作环 境并存的现象，这成为实现信息连通的巨大障碍； (3)、在线设备管理：希望通过对设备的在线状态 进行实时管理； (4)、安全性要求：因为数据传递会在 Internet 环 OPC UA 服务器之间可以建立关联，一个服务器 可以另一个服务器的客户端。服务器相互间以点对点 的形式交换信息，这样一个服务器可以连接一个冗余 服务器或是一个远程服务器。使用 OPC UA 实现的 EMS 数据处理服务器接口原理图如图 2 所示： 境下进行，故安全性要求需要提高。 EMS 在企业信息化中所处的位置如图 1 所示： 图 1 EMS 在企业信息化中的位置 3 OPC UA 技术要点 OPCUA 是工业企业软件集成架构的一个全新方 图 2 EMS 数据服务器的 OPC UA 实现 4 OPC UA 描述 EMS 设备 向，OPCUA 提出了企业生产数据收集模型的统一对 如前面所述，由于 OPC UA 具有优良的结构化信 象和架构定义，利用了 Web Service、XML、DotNET 息模型，客户端不仅可以获得数据，也可获得与该数 等技术，是一个完全面向服务的架构(SOA)。 据相关的描述信息，也就是说服务器本身是自描述 OPC UA提供了一个一致的、完整的地址空间[4] 的，而这种机制正可以为 EMS 系统提供了统一的程 和服务模型 。这就允许一个单一的OPC UA服务器 序调用接口(WSDL，SOAP)，也为 EMS 系统提供了 把数据，报警与事件和历史信息统一到它的地址空间 通用的数据模型，从而为 EMS 系统与控制系统和 里，并且可以用一套统一的服务为它们向外提供接 MES 的其余模块实现真正的无缝连接创造了条件。 [5] 口，这些服务也包括一个统一的安全模型[6]。OPC UA OPC UA 服务器的地址空间是由一系列节点经过 安全模型主要考虑：客户端和服务器的合法性，用户 组织而构成的，客户端通过数据存取服务来访问它。 的合法性，客户端和服务器之间通信的一致性和机密 地址空间里的节点是用于表现真实对象、对象的定义 性，功能发布的真实性。 以及对象问的引用，OPC UA 把地址空间和服务统一 OPC UA 最重要的目标是提供已公布的数据， 为一个集成的地址空间。 OPC UA 服务器的一个主要特色就是发布数据和事件 EMS 设备一般会是一些智能仪表，根据仪表的 通知。OPC UA 预定义了两种数据编码形式：可扩展 类型，以下信息与仪表相关：1)仪表类型相关信息： 标记语言/文本形式、统一架构二进制形式，也预支 数据说明、机械说明、电子定义、预订信息等；2)设 持 TCP 和 SOAP，其中 SOAP 协议可以穿透防火墙。 备实例相关信息：设备状态、I/O 数据值、参数值、 OPC UA 扩充了对节点间关联的支持而不是把节 维护信息、诊断信息、可获得的命令列表等。 点限制在单一的层面上。这样一个 OPC UA 服务器能 通常 OPC UA 服务器也可作为 EMS 系统的一部 从不同的层面提供数据，来满足客户端有选择性查看 分，这些系统可以是采集系统也可以是控制系统。而 数据的要求，不仅致力于现场遥测的服务层面，而且 设备相关的信息通常是由设备开发商提供的。因此将 在上层管理功能上也提供了更好的互用性。 设备相关的信息描述在 OPC UA 服务器中，供 EMS 44 王彦桂：OPCUA 技术及其在 EMS 数据采集中的应用 客户端应用系统所用，从而实现 EMS 与其他外部应 用系统或控制系统的无缝集成。 通过在OPC UA服务器的地址空间中对控制层物 理设备进行描述[4]，EMS系统作为客户端软件则可通 过调用设备描述提供的方法和命令来实现对物理设 备进行诸如能源计量数据进行在线读取、设备参数的 配置以及故障诊断信息获取等。 使用 OPC UA 实现的 EMS 采集服务器内部结构 如图 3 所示： 图 4 OPC UA 服务器接口示例 数据交互已成为企业信息化系统应用的核心， EMS 能源管理系统数据将向分散化收集、系统化分 析的方向发展。OPC UA 是一种能很好的满足这种数 据交换要求的技术，而且有了 OPC UA 技术后，我们 不需要再另行开发内部软件数据交换技术，可以统一 EMS 软件的内部和外部数据交换方式，使得系统数 据交换方便、安全。 参考文献 [1] IEC 62541—1:OPC Unified Architecture Specification—Part 图 3 EMS 数据服务器内部结构 对于为一个具体的 EMS 设备建立的 OPC UA 接 口服务器而言，其可能运行在一个有操作系统的工控 机上，也可能设备本身就是一个 OPC UA 的服务器。 如厂家提供了一种智能温度传感设备，它们具有一些 同类的配置参数和测量值，但会因为配置值不同而互 相有差异，这些信息都由使用一个基础设备模型的 OPC UA Server 提供。示例设备的 OPC UA 接口图如 图 4 所示。 1:Overview and Concepts, 2008 [2] 杨申仲. 能源管理工作手册[M]. 湖南:湖南科技出版社, 2008, 56-103 [3] 赵旭东. 工业企业能源管理体系[M].北京:中国标准出版社, 2010, 4-51 [4] IEC 62541—3:OPC Unified Architecture Specification—Part 3:Address Space Model, 2008 [5] IEC 62541—4:OPC Unified Architecture Specification—Part 4:Services, 2008 [6] IEC 62541—2:OPC Unified Architecture Specification—Part 2:Security Model, 2008 5 结论 OPCUA Technology and Its Application in Collecting Data of EMS Wang Yangui (Automation Engineering Center, Guangdong Academy of Sciences； Guangzhou C.H Control Technology Co., Ltd.) Abstract：This paper describes OPC UA(OPC Unified Architecture), the new standard protocol of data Input/Output including security model、address space、services model and information model. Investigation in the request of data collecting for industry EMS (Energy Management System) and the reference
