基于opc ua的通用數(shù)據(jù)采集模塊的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于OPC?UA的通用數(shù)據(jù)采集模塊，包括現(xiàn)場側(cè)的保護(hù)電路(1)，現(xiàn)場總線收發(fā)器(2)，光偶隔離(3)，F(xiàn)PGA(4)，NOR?FLASH芯片(5)，50MHz晶振(6)，PowerPC處理器(7)，EEPROM芯片(8)，24MHz晶振(9)，看門狗電路(10)，用于OPC?UA通信的第一802.3物理層收發(fā)器(11)，用于進(jìn)行配置的第二802.3物理層收發(fā)器(12)，以及供電電路部分(13)。本實(shí)用新型通過可配置的數(shù)據(jù)模型，以及嵌入式平臺下的OPC?UA通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的多種通信架構(gòu)下，底層現(xiàn)場數(shù)據(jù)與上層監(jiān)控和管理系統(tǒng)集成的標(biāo)準(zhǔn)化。
【專利說明】基于OPC UA的通用數(shù)據(jù)采集模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化集成，具體涉及工業(yè)控制領(lǐng)域的PR0FIBUS-DP / PA總線協(xié)議、Modbus總線協(xié)議、PR0FINET總線協(xié)議、HART總線協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)需要的信息交換覆蓋從工段、車間、工廠企業(yè)乃至世界各地的市場。溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從底層現(xiàn)場設(shè)備到控制、管理的各個(gè)層次，但工業(yè)控制系統(tǒng)存在大量來自不同技術(shù)或生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，從底層的I / O、數(shù)據(jù)采集板卡、各種層次的PLC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，到大型的DCS控制系統(tǒng)，而且工業(yè)控制系統(tǒng)中的多總線并存的局面將長期存在，計(jì)算機(jī)軟件與工業(yè)硬件設(shè)備通訊協(xié)議之間的接口越來越多樣化。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，智能設(shè)備之間及智能設(shè)備與控制系統(tǒng)軟件之間的信息共享是通過驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)大大加重了軟件開發(fā)的工作量，同時(shí)也為以后的設(shè)備和軟件升級和系統(tǒng)的擴(kuò)展帶來了諸多問題。工業(yè)企業(yè)面臨如何有效解決系統(tǒng)內(nèi)不同技術(shù)間的信息訪問和互操作性的問題，并保障生產(chǎn)過程的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性、可用性。
[0003]現(xiàn)有數(shù)據(jù)集成有多種方式:將測量儀表加入到控制系統(tǒng)中，通過訪問具備通信主站功能的控制器(PLC、DCS等)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問；或?qū)y量儀表組成單獨(dú)的測量網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)關(guān)或通信板卡、以及具備主站功能的工控機(jī)或PLC等與上層管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成；這些方式不具備通用性，集成難度大，且成本較高。在現(xiàn)有集成方案中也常采用基于PC的OPC技術(shù)，作為與上層管理系統(tǒng)和OPC服務(wù)器間的數(shù)據(jù)接口，但由于OPC技術(shù)對微軟PC平臺的依賴性較大，很難在嵌入式平臺下應(yīng)用，在應(yīng)用環(huán)境和可靠性，實(shí)時(shí)性上具有局限性。
[0004]為了解決上述問題，OPC基金會在2006年7月發(fā)布了新的OPC UA規(guī)范，IEC也相應(yīng)的組建了 OPC UA工作組，進(jìn)行相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)的制訂。OPC UA通過采用WSDL定義消息，實(shí)現(xiàn)了規(guī)范的平臺無關(guān)性；并在原來OPC基礎(chǔ)上定義了一套集成的服務(wù)，解決了現(xiàn)有OPC規(guī)范在應(yīng)用時(shí)服務(wù)重疊的問題；0PC UA采用了集成的地址空間，增加對象語義識別功能，并實(shí)現(xiàn)了對信息模型的支持；另外，OPC UA采用冗余技術(shù)、安全模型等一系列機(jī)制，提高了安全性、可靠性等方面的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種基于嵌入式OPC UA技術(shù)的通用數(shù)據(jù)采集模塊，采用一種不依賴專用主站(PLC或DCS等)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)通信環(huán)境下，采集底層數(shù)據(jù)與管理層、控制層的快速標(biāo)準(zhǔn)化集成。由于采用了最新的OPC UA標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，相對于目前廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集技術(shù)(DCS、PLC)，具有更高的安全性和可擴(kuò)展性。
[0006]本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)對多種現(xiàn)場總線設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中包括PR0FIBUS-DP總線設(shè)備、PR0FIBUS-PA總線設(shè)備、Modbus總線設(shè)備、PR0FINET總線設(shè)備、HART總線設(shè)備。[0007]為解決【背景技術(shù)】所存在的問題，本實(shí)用新型可應(yīng)用于大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，本實(shí)用新型采集異構(gòu)的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)配置接口可對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行設(shè)定，基于數(shù)據(jù)模型對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。通過以太網(wǎng)連接多個(gè)本實(shí)用新型和監(jiān)控主機(jī)，本實(shí)用新型為接入以太網(wǎng)的監(jiān)控主機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)OPC UA服務(wù)器接口，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)通信和訪問權(quán)限的管理。因本實(shí)用新型采用了 OPC UA通用數(shù)據(jù)接口服務(wù)，可便捷的與第三方監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)快速的標(biāo)準(zhǔn)化集成。
[0008]為解決【背景技術(shù)】所存在的問題，本實(shí)用新型內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)采用以下技術(shù)方案:它包含現(xiàn)場總線主站(I)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(2)，0PC UA SDK (3)，外設(shè)驅(qū)動(dòng)(4)，數(shù)據(jù)分析處理(5)，OPC UA服務(wù)器(6)，模塊配置(7)。所述的現(xiàn)場總線主站⑴與OPC UA服務(wù)器
(6)、模塊配置(7)通過雙口 RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
[0009]為解決【背景技術(shù)】所存在的問題，本實(shí)用新型內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)采用以下技術(shù)方案:它包含現(xiàn)場側(cè)的保護(hù)電路(I)，現(xiàn)場總線收發(fā)器(2)，光耦隔離(3)，F(xiàn)PGA(4)，NOR FLASH芯片
(5)，50MHz 晶振(6)，PowerPC 處理器(7)，EEPROM 芯片(8)，24MHz 晶振(9)，看門狗電路
[10]，以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(11)，以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(12)，以及供電電路部分(13)。
[0010]本實(shí)用新型的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過可配置的數(shù)據(jù)模型，以及基于嵌入式平臺的OPC UA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場數(shù)據(jù)與上層監(jiān)控和管理系統(tǒng)集成的標(biāo)準(zhǔn)化。在現(xiàn)有的工控系統(tǒng)中，OPC技術(shù)都是基于PC平臺的，其環(huán)境適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性以及安全性都有待提高。OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)源模型往往采用底層現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)的數(shù)據(jù)模型或企業(yè)內(nèi)部定義數(shù)據(jù)接口，與上層監(jiān)控和管理系統(tǒng)的要求并不完全一致，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較差；本實(shí)用新型為工業(yè)企業(yè)提供一種標(biāo)準(zhǔn)的、可擴(kuò)展性好的、低成本的數(shù)據(jù)集成策略。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本實(shí)用新型的應(yīng)用系統(tǒng)示意圖
[0012]圖2為本實(shí)用新型的軟件框架示意圖
[0013]圖3為本實(shí)用新型的硬件框架示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0014]參照圖2，本實(shí)用新型的軟件【具體實(shí)施方式】采用以下技術(shù)方案:一種基于嵌入式OPC UA技術(shù)的通用數(shù)據(jù)采集模塊，其包括現(xiàn)場總線主站(I)，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(2)，OPCUA SDK (3)，外設(shè)驅(qū)動(dòng)(4)，數(shù)據(jù)分析處理(5)，OPC UA服務(wù)器(6)，模塊配置(7)。所述的現(xiàn)場總線主站(I)根據(jù)所使用的現(xiàn)場總線類型不同，相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線的主站功能；所述的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(2)可以采用支持PowerPC架構(gòu)的任意通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；所述的OPC UA SDK(3)為OPC UA服務(wù)器(6)提供了開發(fā)的函數(shù)庫；所述的外設(shè)驅(qū)動(dòng)(4)，包含以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，SPI驅(qū)動(dòng)，Local Bus驅(qū)動(dòng)，GPIO驅(qū)動(dòng)，定時(shí)器驅(qū)動(dòng)，為OPC UA服務(wù)器(6)和模塊配置(7)提供了操作所需外設(shè)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)；所述的數(shù)據(jù)分析處理(5)對采集的現(xiàn)場總線設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和重組，以滿足OPC UA服務(wù)器(6)的軟件接口數(shù)據(jù)格式；所述的OPC UA服務(wù)器(6)為接入的監(jiān)控主機(jī)提供了標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA數(shù)據(jù)訪問接口與權(quán)限管理；所述的模塊配置(7)通過以太網(wǎng)接收來自上位機(jī)的配置信息，包括本實(shí)用新型的內(nèi)部數(shù)據(jù)模型配置和現(xiàn)場總線側(cè)儀表的信息。[0015]參照圖3，本實(shí)用新型的硬件【具體實(shí)施方式】采用以下技術(shù)方案:一種基于嵌入式OPC UA技術(shù)的通用數(shù)據(jù)采集模塊，其包括現(xiàn)場側(cè)的保護(hù)電路(1)，現(xiàn)場總線收發(fā)器(2)，光偶隔離(3)，F(xiàn)PGA(4)，NOR FLASH芯片(5)，50MHz 晶振(6) ,PowerPC處理器(7) ,EEPROM芯片
(8)，24MHz晶振(9)，看門狗電路(10)，用于OPC UA通信的第一 802.3物理層收發(fā)器(11)，用于對本實(shí)用新型進(jìn)行配置的第二 802.3物理層收發(fā)器(12)，以及供電電路部分(13)。
[0016]參照圖3，所述的FPGA(4)和現(xiàn)場側(cè)保護(hù)電路⑴、現(xiàn)場總線收發(fā)器⑵、光耦隔離
(3)、NOR FLASH芯片(5)、50MHz晶振(6)構(gòu)成了本實(shí)用新型在現(xiàn)場總線側(cè)的通信電路；所述的現(xiàn)場側(cè)的保護(hù)電路(I)對來自現(xiàn)場總線和其它外界的過壓、浪涌、靜電進(jìn)行防護(hù)，保護(hù)電路(I)包含自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、TVS管、壓敏電組、總線終端匹配，針對不同類型的現(xiàn)場總線保護(hù)電路(I)不同；所述的現(xiàn)場總線收發(fā)器(2)，對于物理層為RS485的現(xiàn)場總線采用485收發(fā)器，對于物理層為以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線采用以太網(wǎng)收發(fā)器，對于物理層為MBP信號的現(xiàn)場總線采用MBP收發(fā)器，對于物理層為HART信號的現(xiàn)場總線采用HART收發(fā)器；所述的光耦隔離(3)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場總線側(cè)與本實(shí)用新型系統(tǒng)控制側(cè)的電氣隔離；所述的FPGA(4)通過不同的內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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，F(xiàn)PGA (4)通過 Local Bus 與 PowerPC 處理器(7)通信；FPGA(4)通過內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的NOR FLASH驅(qū)動(dòng)完成對NOR FLASH芯片(5)的讀寫操作，NORFLASH芯片(5)存儲本實(shí)用新型離線狀態(tài)下的現(xiàn)場側(cè)數(shù)據(jù)和其它需要掉電保持的數(shù)據(jù)；所述的50MHz晶振(6)為FPGA(4)提供了高精度、高穩(wěn)定性的50MHz外部時(shí)鐘。
[0017]參照圖3，所述的PowerPC處理器(7)與EEPROM芯片⑶、24MHz晶振(9)、看門狗電路(10)、用于OPC UA通信的802.3物理層收發(fā)器(11)、用于對本實(shí)用新型進(jìn)行配置的802.3物理層收發(fā)器(12)構(gòu)成了本實(shí)用新型的OPC UA服務(wù)器與配置的電路部分；所述的PowerPC處理器(7)內(nèi)部包括了移植的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，移植的OPC UA標(biāo)準(zhǔn)SDK，外設(shè)驅(qū)動(dòng)，以及在OPC UA SDK基礎(chǔ)上編程實(shí)現(xiàn)的OPC UA服務(wù)器功能和對本實(shí)用新型的配置功能；所述的EEPROM芯片(8)通過SPI總線與PowerPC處理器(7)連接，用于存儲上位機(jī)對本實(shí)用新型的配置數(shù)據(jù)和其它掉電保存的數(shù)據(jù)；所述的24MHz晶振(9)為PowerPC處理器
(7)和以太網(wǎng)物理層收發(fā)器(11、12)提供了高精度、高穩(wěn)定性的24MHz外部時(shí)鐘；所述的看門狗電路(10)為PowerPC處理器(7)提供了電壓監(jiān)控功能和看門狗功能；所述的802.3物理層收發(fā)器(11)為本實(shí)用新型OPC UA服務(wù)器功能的電氣端口，通過標(biāo)準(zhǔn)的RMII接口與PowerPC處理器(7)連接；所述的802.3物理層收發(fā)器(12)為上位機(jī)對本實(shí)用新型配置通信的電氣端口，通過標(biāo)準(zhǔn)的RMII接口與PowerPC處理器(7)連接。
[0018]參照圖3，本【具體實(shí)施方式】在使用時(shí)，外部應(yīng)為本實(shí)用新型供電電路部分(13)提供24V的直流系統(tǒng)電源，24V直流電源在經(jīng)過熱插拔電路后，產(chǎn)生兩路隔離的電源，一路隔離電源為現(xiàn)場總線收發(fā)器(2)供電，另一路隔離電源為本實(shí)用新型的其它部分供電。
[0019]本【具體實(shí)施方式】通過嵌入式的OPC UA技術(shù)代替了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)(DCS、PLC)，實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)通信環(huán)境下，采集的數(shù)據(jù)與管理層、控制層的快速標(biāo)準(zhǔn)化集成。
【權(quán)利要求】
1.一種基于OPC UA的通用數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:包括現(xiàn)場側(cè)的保護(hù)電路(1)，現(xiàn)場總線收發(fā)器(2)，光偶隔離(3)，F(xiàn)PGA (4)，NOR FLASH 芯片(5)，50MHz 晶振(6)，PowerPC處理器(7)，EEPROM芯片⑶，24MHz晶振(9)，看門狗電路(10)，用于OPC UA通信的第一802.3物理層收發(fā)器(11)，用于進(jìn)行配置的第二 802.3物理層收發(fā)器(12)，以及供電電路部分(13)ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述保護(hù)電路包括自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、TVS管、壓敏電阻以及總線終端匹配。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述現(xiàn)場總線收發(fā)器可以采用485收發(fā)器或以太網(wǎng)收發(fā)器或MBP收發(fā)器或HART收發(fā)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述FPGA通過現(xiàn)場總線與所述PowerPC處理器通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述EEPROM芯片通過SPI總線與所述PowerPC處理器連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述第一802.3物理層收發(fā)器是OPC UA服務(wù)器的電氣端口，所述第二 802.3物理層收發(fā)器是本實(shí)用新型的配置端口，兩個(gè)802.3物理層收發(fā)器通過標(biāo)準(zhǔn)的RMII接口與PowerPC處理器連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用數(shù)據(jù)采集模塊，其特征在于:所述供電電路部分提供24V的直流系統(tǒng)電源，24V直流電源在經(jīng)過熱插拔電路后，產(chǎn)生兩路隔離的電源，一路隔離電源為現(xiàn)場總線收發(fā)器(2)供電，另一路隔離電源為其他部件供電。
【文檔編號】G05B19/418GK203734702SQ201320550891
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】王麟琨, 閆曉風(fēng) 申請人:機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所