基于全国产化PLC的OPC UA Server系统的设计与实现

摘要

工业自动化控制系统作为目前发展态势最好的系统之一，融计算机、通信、控制等技术于一身，已被广泛应用于石油化工、电力核电、生产制造、轨道交通、生活服务等关键领域，但其控制过程中的安全性问题、实时性问题、负载量问题等仍没有很好的解决方案。并且随着可编程控制器PLC、远程终端RTU单元以及智能电子设备的发展，通信网络中所传递的早已不是“开”与“关”这样简单的信号，对通信协议提出了更高要求。目前工业控制系统通信协议种类繁杂、功能体系不完善、安全机制不健全、平台应用不开放等问题已经成为德国工业4.0、美国工业互联网、中国制造2025以及两化融合进程推进的瓶颈。因此，对工业控制系统通信协议的标准化、实时性、安全性进行研究具有重要意义。
　　OPC统一架构(OPC UA，即OPCUnified Architecture)作为一种新型的工业通讯数据交互规范，为不同应用、厂商、设备、驱动间提供了统一标准接口，独立于硬件制造商与软件开发商，解决通讯系统的跨平台问题、实时性问题、安全性问题、集成性问题等[1]。因此，基于OPC UA技术的工控通讯协议逐渐为业界所青睐。本文聚焦在OPC UA工控通信协议访问规范、建模规则的方法，解决工控通讯系统中互操作性差、可靠性弱、交互性慢、安全性低的问题。
　　（1）针对工控系统中广泛使用的工控通信协议存在杂而乱、不同厂商、系统、设备间交互困难的问题，提出基于OPC UA机制开发统一接口驱动的思想，使得基于PLC的通信系统能够独立于制造商、行业领域、操作系统及编程语言。
　　（2）针对工控通信协议通用功能不完善，基于OPC UA服务器地址空间模型提出了一种C/S架构通信模型，在标准集成规范的基础上设计了OPC UA Server全局配置程序、接口驱动程序、界面配置程序、协议栈转换程序，实现上位机组态软件中OPC UA数据的正确下装、读取、强制、修改等功能，解决新规范的通用接口和工控系统的一致性交互问题。
　　（3）针对工控系统实时性差、可靠性低的问题，提出建立一种冗余机制的非透明服务器模型，在安全故障过程中实现主备服务器状态的确定，数据同步，自我诊断和主从切换，该机制设置UNKN、DISQ、MASTER、SLAVE四个状态，并根据该状态对无扰动切换机制建立冗余状态机，从而提高系统的平均无故障时间（MTBF），缩短平均故障修复时间（MTTR），增强系统实时性和可靠性。
　　（4）针对工控通讯协议安全性弱，缺乏认证等问题，提出了搭建工控系统信息安全模型的方法，对OPC UA系统交互流程进行安全威胁分析，并通过建立登录身份鉴别机制、基于角色的用户授权机制，基于 UKEY的唯一身份验证机制，采用国密算法诸如非对称SM9加密算法，对称SM1/SM4算法，杂凑SM3算法，用于交互过程中的密钥加密、数字签名、数据加解密等，从而提高系统安全性。
　　基于上述研究方法与技术，本文基于QT平台研发了一套冗余安全机制的OPC UA Server通讯协议，并通过全国产化PLC的相关功能性能测试，系统达到了PLC私有通信协议与OPC UA协议转换的需求，实现了对数据的读写、访问、处理、传递；并提供冗余服务与安全机制，验证该通信系统的可用性，可靠性与安全性。其研究成果最终应用于自主可控、全国产化PLC的工控系统中，实现系统控制层与设备层的纵向集成。

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第一章 绪 论

1.1系统研究背景及意义

1.2本文主要解决问题

1.3国内外研究现状

1.4本文主要内容及组织架构

第二章OPC UA概述

2.1OPC UA应用史

2.2OPC UA发展史

2.3OPC UA技术体系

2.4OPC UAServer交互对象——PLC

2.5本章小结

第三章PLC和OPC UA Server系统总体方案设计

3.1总体方案设计

3.2硬件架构设计

3.3软件架构设计

3.4本章小结

第四章PLC和OPC UA Server系统实现

4.1OPC UA架构模式

4.2OPC UA Server开发基础

4.3OPC UA Server软件实现

4.4 OPC UA 通用功能实现

4.5 OPC UA冗余功能实现

4.6OPC UA安全功能实现

4.7本章小结

第五章 系统测试验证

5.1测试环境配置

5.2OPC UA Serve功能测试

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2后续工作及展望

参考文献

致谢

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