6.1OPCUA实现形式

OPCUA服务器和客户端的实现应符合GB/T33863，主要实现方式包括： a）OPCUA客户端可是独立的应用程序或者应用程序的一部分，如ERP、MES、SCADA都可是 客户端应用程序； b） 网络上单独存在的OPCUA协议网关，向上层网络提供OPCUA服务器，向下层网络采集现 场数据； C 同时作为OPCUA服务器和客户端，如SCADA，既可作为客户端获取现场数据，又可作为服 务器向MES提供数据； d 嵌入式OPCUA服务器，可嵌入到PLC、DCS控制器等可编程控制设备，或者嵌入到数控机 床、工业机器人、自动化仓储设备、RFID读写器等现场设备 GB/T33863标准结构和OPCUA技术概要参见附录A，OPCUA的主要开发方法及OPCUA服务器地 址空间建立方式等参见附录B。OPCUA与OPC及其他工业通信网络的兼容性解决方案参见附录C

6.2 OPC UA 作用位置

地铁标准规范范本数字化车间互联网络中可使用OPCUA实现不同层次系统、设备之间集成与信息交换的作用 图3所示（用椭圆框表示）

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图3OPCUA的作用位置示意图

如图3所示，OPCUA作用位置包括： MES等系统与监控设备之间； b MES等系统与可编程控制设备之间； 5ZC C MES等系统与现场设备之间； d）监控设备与可编程控制设备之间； e）监控设备与现场设备之间 现场设备与现场设备之间、现场设备与可编程控制设备之间、可编程控制设备与可编程控制设备之 同、工程工具与ERP/MES之间、ERP与MES之

6.3OPCUA网络分布

图4OPCUA网络分布概念

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a）制造过程语义：UA服务器定义与生产运作管理或生产工艺相关的信息模型； b）生产单元语义：UA服务器定义生产单元、生产线的信息模型； c）现场设备语义：UA服务器定义现场设备的信息模型。

6.4基于OPCUA的互联网络架构

MES与监控设备（SCADA、HMI等）之间基于OPCUA的集成如图5所示。此种情况下，MES应 作为OPCUA客户端.SCADA或HMI应作为OPCUA服务器

6.4.2MES与可编程控制设备之间

图5MES与监控设备之间基于OPCUA的集成

MES与可编程控制设备 OPCUA的集成如图6所示。在此

图6MES与可编程控制设备之间基于OPCUA的集成

图6MES与可编程控制设备之间基于OPCUA的集成

6.4.3MES与现场设备之间

MES与现场设备之间的基于OPCUA集成如图7所示。现场设备可包括各种传感器、数控机床、 工业机器人、AGV、自动化仓储设备、RFID读写器等制造装备。在此情况下，MES应作为OPCUA客 户端.现场设备应作为OPCUA服务器。

6.4.4监控设备与可编程控制设备之间

图7MES与现场设备之间基于OPCUA的集

监控设备（SCADA、HMI)与可编程控制设备（PLC、DCS控制器、IPC等）之间基于OPCUA的集 成如图8所示。在此情况下，SCADA或HMI应作为OPCUA客户端，PLC、DCS控制器或IPC应作 为OPCUA服务器

注：图中仅是示意，并不意味着PLC、DCS控制器和IPC位于同一网络，或者所有现场设备位于同一网络。

图8监控设备与可编程控制设备之间基于OPCUA的集成

监控设备（SCADA、HMI)与现场设备之间基于OPCUA的集成如图9所示。现场设备可包括

RTU、数控机床、工业机器人、AGV、自动化仓储设备、RFID读写器等制造装备。在此情况下，SCADA 或HMI应作为OPCUA客户端，现场设备应作为OPCUA服务器

注：图中仅是示意，并不意味着传感器、数控机床、工业机器人、AGV等现场设备位于同一网络

9监控设备与现场设备之间基于OPCUA的集E

聚合服务器是一种特殊情况，即一 个应用程序既作为OPCUA客户端获取数据，文作为OPCUA 服务器提供数据。图10所示示例中，SCADA和HMI同时是OPCUA服务器和OPCUA客户端， MES通过OPCUA从SCADA或HMI（作为OPCUA服务器）获取数据，而SCADA或HMI（作为 OPCUA客户端）又通过OPCUA从控制设备或现场设备获取数据

中仅是示意，并不意味着所有可编程控制设备和现场设备

图10基于聚合OPCUA服务器的集成

6.4.7嵌入式OPCUA服务器网关

当可编程控制设备、现场设： 服务器时，可采用嵌入式OPCUA服务器网关，

图11基于嵌入式OPCUA服务器网关的集成

OPCUA协议规范框架

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附录A （资料性附录） OPCUA协议规范与技术概述

GB/T33863（所有部分）等同采用IEC62541（所有部分），规定了OPCUA协议规范，客部分名称 如图A.1所示，

图A.1OPCUA规范框架

GB/T33863的核心规范及预计结构如下： a）《OPC统一架构第1部分：概念和概述》：给出OPCUA的概念和概述； b）《OPC统一架构第2部分：安全模型》：描述OPCUA客户端和OPCUA服务器之间的安全 交互模型； c）《OPC统一架构第3部分：地址空间模型》：描述服务器地址空间的内容和结构； d）《OPC统一架构第4部分：服务》：规定OPCUA服务器提供的服务； e）《OPC统一架构第5部分：信息模型》：规定OPCUA服务器的类型及其关系； f）《OPC统一架构第6部分：映射》：规定OPCUA支持的传输映射和数据编码； g）《OPC统一架构第7部分：行规》：规定OPC客户端和服务器可用的行规，这些行规提供可用

一致性认证的服务组或功能组，服务器和客户端将根据行规进行测试。 GB/T33863访问类型规范如下： a）《OPC统一架构第8部分：数据访问》：规定使用OPCUA如何进行数据访问； b） 《OPC统一架构第9部分：报警和条件》：规定使用OPCUA如何进行报警和条件访问； c）《OPC统一架构第10部分：程序》：规定使用OPCUA如何进行程序访问； d）《OPC统一架构第11部分：历史访问》：规定使用OPCUA如何进行历史访问，包括历史数据 和历史事件。 GB/T33863应用规范如下： a）《OPC统一架构第12部分：发现》：规定发现服务器在不同情况下如何工作，以及描述了UA 客户端和服务器应如何进行交互，还定义如何使用通用目录服务协议（如UDDI和LDAP）来 访问UA相关信息； b 《OPC统一架构第13部分：聚合》：规定如何计算和返回聚合，如最小值、最大值和平均值等 可与基本（实时）数据和历史数据（HDA）一同使用

A.2OPCUA技术概述

OPCUA定义了以下基本功能： a）传输：用于OPCUA应用程序之间的数据交换机制； b） 元模型：提供OPCUA信息模型的建模规则和基础构件； c）服务：建立一个在OPCUA服务器和客户端之间的接口，使用传输机制实现客户端和服务器 间的数据交换。 OPCUA基础规范定义了通用模型（如报警或自动化数据），在基础规范之上定义以下更高级功能 的模型： a） 数据访问（DA）：定义实时数据模型描述，即描述底层工业或业务处理（设备层、控制层）的当前 状态和行为，包括模拟量和数字量定义、工程和代码等。数据源为传感器、控制器、编码器等； D 报警和状态（AC)：定义处理报警管理和状态监视的高级模型。状态的改变可以触发一个事 件，客户端可以注册该事件，并选择想要获取的变量信息（如消息文本、行为确认等）； c）历史访问（HA）：定义访问历史数据和历史事件的机制。数据可以位于数据库、文档或另一存 储系统中； d）程序（Prog）：定义启动、操作和监视程序执行的机制。一个“程序”代表一个复杂的任务，如操 作和批处理。每个程序包含一个状态机，并把触发消息传递给客户端 此外，OPCUA支持其他组织或供应商为特定领域和用例定义的增强功能的专用信息模型。其他 且织可在OPCUA基础或OPC信息模型基础上构造其专用信息模型，供应商可通过直接使用OPC JA基础、OPC信息模型，或其他基于OPCUA的信息模型来定义。 图A.2给出OPCUA的层模型

A.2.2OPCUA基本架构模式

A.2.2.1客户端一服务器

图A2OPCUA层模型

UPCUA使用类似经典OPC的客户端/服务器概念。为其他应用提供自已信息的应用程序被称 为OPCUA服务器，使用其他应用程序的信息的应用程序被称为OPAUA客户端。OPCUA客户端 和OPCUA服务器为交互伙伴。通过分布于网络上的客户端和服务器之间的消息发送，来实现各种类 型系统和设备之间的通信。OPCUA服务器向OPCUA客户端提供对当前数据和历史数据的访问，以 支通知客户端有重要变化的报警和事件。OPCUA客户端向OPCUA服务器请求数据并将数据提供 给其他应用程序。 一个系统可包含多个客户端和服务器。每个客户端可同时与一个或多个服务器交互，每个服务器 可与一个或多个客户端交互，如图A.3所示

A.2.2.2聚合服务器

图A.3OPCUA客户端与服务器的交互关系

一个应用程序中可同时包含客户端和服务器，以允许与其他服务器和客户端进行交互，如图A.4 所示。

图A.4组合的OPCUA服务器和客户端概念

A.2.3OPCUA数据编码与传输协议

目前，OPCUA有两种传输协议可供选择，支持两种编码格式： 基于TCP协议：采用优化的二进制流模式，适用于高性能（高速度和吞吐量）应用的企业内部 网络通信； 一基于HTTP/HTTPSWeb服务：采用二进制或XML编码的应用，适用于防火墙友好的互联 网通信。 图A.5示出了OPCUA的传输规范

A.2.4OPCUA服务

图A.5UPCUA传输规范

OPCUA以地址空间来限定服务需求，以读写变量或订阅方式来更新数据。OPCUA通过逻辑组 来组织服务（即服务集），通过客户端和服务器间的服务请求和响应来完成信息交换。OPCUA提供 个基本服务集： a）安全通道（SECURECHANNEL）服务集：包含确定一台服务器安全配置的服务，并建立通信 通道，在这个通道内保证交换信息的保密性和完整性。这些服务不在OPCUA应用程序中实 现，而在OPCUA通信栈中实现。 D 通信（SESSION）服务集：定义与特定用户在应用层建立连接（会话）的服务。 节点管理（NODEMANAGEMENT）服务集：为服务器配置提供一个接口，允许客户端能够添 加、修改和删除地址空间中的节点。 d 视图（VIEW)服务集：定义允许客户端能够通过浏览方式发现节点的服务，浏览方式使得客户 端能够向上或向下定位各节点，或者定位两个节点间的对象；这样，客户端就能够定位结构体 的地址空间。 e）属性（ATTRIBUTE）服务集：定义对象属性读写的服务，属性则是有OPCUA定义的原始 节点。 f 方法（METHOD)服务集：定义调用函数的方式，提供的功能函数可被对象调用，调用完成后 返回结果。 g 监控项（MONITORDITEM)服务集：用来定义地址空间内的哪些项可被客户端使用，以便通 过客户端进行修改，或者哪些事件是客户端感兴趣的。 h 订阅（SUBSCRIPTION）服务集：用于生成、修改或删除监控项信息

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查询（QUERY)服务集：客户端能够使用这些服务并采用特定过滤方式从标准地址空间中获 取指定节点

A.2.5OPCUA地址空间与信息模型

OPCUA的对象模型允许将数据、报警、事件和历史数据都集成到一个OPCUA服务器的地址空 间。这样，例如能够将一个温度测量设备视为一个具有温度值、报警参数和想要报警极限值的对象。 OPCUA信息模型和地址空间采用分层设计，以促进客户端和服务器的互操作性。每个高阶类型 基于特定的基本规则，这样，仅知道和实施这一基本规则的客户端也可处理复杂的信息模型，即使客 户端不了解更深层次关系，但可通过地址空间导航来读写数据变量

A.2.5.2地址空间

地址空间。地址空间中的节点表示实际对象、对象定义和对象间的引用。服务器可在所选择的地址空 间内自由地组织其节点。地址空间中的所有节点都可以通过层次结构到达。节点间的引用允许服务器 按层次结构、全网状结构或任何可能的混合结构来组织地址空间，从而地址空间形成一个紧密连接的节 点网络。

A.2.5.3信息模型

OPCUA允许服务器向客户端提供从地址空间访问的对象类型定义，也允许使用信息模型来描述 址空间内容。从地址空间的角度看，信息模型描述了服务器地址空间的标准化节点。这些节点为标 隹化类型，并且用于诊断的标准化实例或作为服务器特定节点的人口点。因此，信息模型定义了空的 PCUA服务器的地址空间。 OPCUA地址空间支持信息模型。该支持通过以下提供： a）允许地址空间中对象建立彼此联系的节点引用； b）为实际对象（类型定义）提供语义信息的对象类型节点； 支持类型定义的子类的对象类型节点； d 允许使用工业特定数据类型的地址空间中可见的数据类型定义； e）允许工业团体定义如何在OPCUA地址空间中表示其特定信息模型的OPCUA兼容标准， 基本的OPCUA规范仅提供信息模型的基础设施，由供应商实现信息模型的建模

附录B （资料性附录） OPCUA开发实现

OPCUA具有平台无关性，可以在任 上运行甚至无需操作系统，开发可以使用任何编

B.2OPCUA应用架构

为了实现组件或构件重用，OPCUA应用的开发可按照功能层次进行划分，图B.1给出OPCU 端与服务器之间相交互的软件功能层次模型，包括相应的OPCUA应用程序、OPCUAAPI以 CUA通信栈

图B.1OPCUA应用程序开发架构

其中： a OPCUA客户端/服务器应用：实现作为UA客户端/服务器的设备或业务功能的程序或代 码；客户端应用使用OPCUA客户端API向OPCUA服务器发送和接收OPCUA服务请求 和响应；服务器应用使用OPCUA服务器API发送和接收来自OPCUA客户端的OPCUA 消息。 b） OPCUA客户端/服务器API:用于分离OPCUA客户端/服务器应用代码与OPCUA通信 栈的内部接口，实现如管理连接（会话）和处理服务报文等功能。 C OPCUA通信栈：实现OPCUA通信通道，包括消息编码、安全机制和报文传输。 d）实际对象：OPCUA服务器应用可访问的，或OPCUA服务器内部维护的物理或软件对象，例 如物理设备和诊断计数器。 OPCUA地址空间：客户端使用OPCUA服务（接口和方法）可访问的服务器内节点集：节点

a OPCUA客户端/服务器应用：实现作为UA客户端/服务器的设备或业务功能的程序或代 码；客户端应用使用OPCUA客户端API向OPCUA服务器发送和接收OPCUA服务请求 和响应；服务器应用使用OPCUA服务器API发送和接收来自OPCUA客户端的OPCUA 消息。 b） OPCUA客户端/服务器API:用于分离OPCUA客户端/服务器应用代码与OPCUA通信 栈的内部接口，实现如管理连接（会话）和处理服务报文等功能。 c）OPCUA通信栈：实现OPCUA通信通道，包括消息编码、安全机制和报文传输。 d）实际对象：OPCUA服务器应用可访问的，或OPCUA服务器内部维护的物理或软件对象，例 如物理设备和诊断计数器。 OPCUA地址空间：客户端使用OPCUA服务（接口和方法）可访问的服务器内节点集；节点

用于表示实际对象、对象定义和对象间的引用。

3基于SDK的OPCUA

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OPCUA服务器和客户端的开发推荐采用基于软件开发包SDK的开发方式。SDK实现了OPC UA规范定义的概念和服务，向应用开发者隐藏了OPCUA通信和服务的细节，并为之提供相应 的API。 常见的OPCUASDK供应商包括MatrikonOPC、Softing、Prosys、UnifiedAutomation等公司 这些公司的SDK一般以库的形式提供，但可能限定编译机器和运行机器的个数。有些SDK还可以源 码形式提供，但使用要求受限。例如，OPCUA基金会会员，可以免费获取有限的OPCUA开源代码 但客户可在其基础上进一步开发

B.3.2OPCUASDK功能

OPCUA服务器SDK提供的功能主要包括以下内容： a）提供包括基于UATCP和SOAP/HTTP的OPCUA通信，如作为服务器进行客户端报文的 接收； b） 提供安全模型功能，如签名校验、解密等； C 提供读写属性、浏览结构等相关的服务，如作为服务器对客户端的读、写、订阅进行响应； d 提供创建地址空间相关的各类接口，如创建结构节点、创建数据节点（一般数据点、模拟量、离 散量、多态等）； e 提供这些节点相关的支持以形成节点之间的关系。 OPCUA客户端SDK提供的功能主要包括以下内容： a）提供包括基于UATCP和SOAP/HTTP的OPCUA通信，如作为客户端进行连接操作； 提供安全模型功能，如签名、加密等； C） 提供浏览地址空间，读、写节点属性，订阅数据改变和属性等相关服务的接口

B.3.3业务相关功能的开发

业务相关功能的开发是指开发OPCUA服务器和客户端特定功能 对于基于SDK的服务器开发，业务功能开发主要包括： a 构建用户的地址空间模型： b） 对用户地址空间节点数据进行管理和维护，如地址空间一个模拟量数据节点的值如何更新； 通信相关驱动的开发（主要针对嵌人到设备的OPCUA服务器）； d）其他必要的工作。 对于基于SDK的客户端开发，业务功能开发主要包括： a）一般的用户接口，用户可进行输人和输出； b） 配置管理，用户可选择访问服务器的哪些数据以及访同方式，如轮询、订阅等不同方式； c）其他必要的功能。 对于基于SDK的OPCUA服务器开发，大部分工作量在于地址空间的建立、管理与维护。OPC A提供了标准地址空间结构，如图B.2所示，但是服务器开发者可根据不同系统或设备功能需求，构 建自已的地址空间或信息模型，例如数控机床信息模型与PLC模型不同。对于基于SDK的OPCUA 客户端开发，大部分工作量在于实现可配置的访问地址空间功能

B.4OPCUA开发和应用考虑

B.4.1资源受限考虑

图B.2OPCUA标准地址空间

OPCUA标准地址空

对于嵌入式OPCUA服务器，设备开发商 考思由 于使用OPCUA技术或通信栈带来的诸如内 存、CPU等的资源受限问题，例如在单片机等低资源硬件平台上开发最好先进行资源评估。

当现场设备与SCADA、MES等系统通过OPCUA直接集成时，可考虑这些系统对现场设备操作 的合理性，如不宜过度频繁操作以影响现场设备的实时性

OPCUA提供安全模型，支持用户认证鉴别、报文加密、安全会话等功能，但安全性对系统资源有 定要求，也会影响实时性，因此，对于实时性要求不高的应用例如500ms量级，从管理层如MES系 统对现场设备进行OPCUA操作可考虑使用安全机制

5面向机械加工行业的OPCUA架构应用导则

机械加工行业典型的智能制造装备包括数控机床、工业机器人、仓储物流系统、PLC和其他测量 备等。图B.3给出面向机械加工行业的基于OPCUA的数字化车间互联网络典型架构

<>通过其他工业通信协议对通信

图B.3面向机械制造行业的典型架构

a 数控机床、工业机器人等大型智能装备，本身包括控制系统/器（如CNC数控系统、机器人控制 器等），这类装备本身可支持OPCUA接口。例如，西门子840D数控系统内嵌OPCUA服务 器，则采用了840D的数控机床就可提供OPCUA接口，由数控机床制造商负责提供设备的信 息模型（即建立数控机床OPCUA服务器的地址空间）。MES系统只需支持OPCUA客户 端功能即可。对于不支持OPCUA接口的大型智能装备，系统集成商可开发OPCUA中间 件来构造设备的信息模型，前提是这些设备具有开放的通信接口和参数/属性说明。 b）其他现场设备（如采集现场数据的传感器等），可能支持特定的现场总线协议（如Modbus PROFIBUS、PROFINET等），因此，可根据设备支持的通信协议和设备参数/属性，开发OPC UA中间件，以集成到SCADA或MES系统。 仓储物流系统一般通过单独的WMS系统实现统一管理，因此，可在WMS内嵌人OPCUA 服务器，或开发OPCUA中间件，以集成到SCADA或MES系统。 d）PLC作为控制设备可以接受MES、SCADA下发的指令，MES、SCADA也可获取PLC的数 据，这可通过OPCUA实现。PLC可直接内嵌一个OPCUA服务器，或开发OPCUA中间 件实现集成。 MES系统与PLM、ERP系统的集成可以选择OPCUA、Webservice等多种接口。

B.6OPCUA开发实现示例

为了实现机械加工、检测、物流等设备与MES、SCADA等系统的互联互通，可实现统一架构 内容，主要包括两类：

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）设备内嵌OPCUA的实现 b）基于中间件（软件或硬件）的实现

B.6.2数控机床内嵌OPCUA服务器的实现示

B.6.2.1实现内容

以数控机床为例，说明设备内嵌OPC 服务器的开发过程。开发过程包括如下部分： a 构建数控机床信息模型； b 生成地址空间； C）地址空间的管理。 实现目标是数控机床的数控系统（CNC控制器）内嵌OPCUA服务器，提供包括状态、轴转速等 信息。

B.6.2.2信息模型构建

数控机床的信息模型如图B.4所示

图B.4数控机床的信息模型

数控机床的信息模型包含如下元素（仅示意，数控机床的信息模型信息不限于此）： a）静态信息：包含了制造商和出厂日期； b）过程信息：包含了机床状态信息； C）配置信息：包含了进给速率； d）包含的组件：机床的组件包含了主轴，主轴包含转速元素

B.6.2.3地址空间映射

由设备信息模型和相关元素确定向OPC 映射的规则，主要工作是利用OPCUA 型来构造数控机床的信息模型，如表B.1所示

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表B.1数控机床信息模型映射过程

B.6.2.4地址空间管理

对于最入式OPCUA服务器的 点已经在系统内存 中，因此，地址空间管理主要是

图B.5地址空间管理

a）内存数据点改变时更新到OPCUA地址空间中； b）当OPCUA客户端读取节点数据时，直接从OPCUA地址空间返回相应节点的数据； c）当OPCUA客户端订阅节点时药品标准，系统可提供一套机制来维护内存点信息值与OPCUA地址 空间节点值的变化对应； d）当OPCUA客户端写数据时，系统可提供一套机制保证内存点的更新与实际的设备IO进行 关联。

B.6.3Modbus设备采集模块实现

B.6.3.1且标和流程

以Modbus设备采集模块为例，说明基于中间件（软件或硬件)的开发过程。开发过程如下： a）驱动相关开发； b） 构建信息模型； C 生成地址空间； d 地址空间的管理， 开发目标是实现ModbusRTU设备（一个温湿度传感器）管控并以OPCUA接口形式对外： 息暖通空调管理，标准的OPCUA客户端可以进行读、写、订阅等操作，Modbus采集模块如图B.6所示

B.6.3.2 驱动开发

图B.6Modbus采集模