1 工业通信与OPC UA

国内外对于OPC UA协议规范已经有了很多研究，国外西门子、ABB等公司均已推出了支持OPC UA规范的产品，也有很多成熟的OPC UA SDK，国内对于OPC UA研究较晚，但已有较多应用。为了解决工厂设备和协议多样带来的数据采集和上位机开发难题，本文设计了基于OPC UA的数据采集系统，实现工业设备协议到OPC UA协议的转换，通过驱动开发和简单配置就可以实现设备的兼容。本文设计了系统的总体方案，该系统由3部分构成：
<01>本地工业设备网络
<02> 本地监控服务器
<03> 云端数据处理服务器
系统以本地监控服务器为核心，向下采集工业设备网络数据并进行OPC UA协议转换，建立OPC UA服务器和本地监控，向上结构化存储工业设备数据到云端服务器。首先根据功能需求设计本地监控服务器，基于OPC UA SDK搭建OPC UA服务器，采用接口的方式标准化数据采集驱动和数据解析插件，实现工业机器人协议到OPC UA的转换，同时使用WPF设计可视化本地监控和配置界面；然后基于Redis和MySQL建立云端数据库，便于进一步进行数据开发和基于机器学习算法进行故障预测性分析；最后基于UR5和ABB120设计数据采集驱动和数据解析插件，使用开源的OPC UA客户端和虚拟调试技术测试建立的本地监控服务器的完整性和可行性。

2 系统需求分析与总体方案设计

本文设计的基于OPC UA的数据采集系统，旨在为所有未提供OPC UA协议功能的设备建立通用的OPC UA转换机制，实现不同工业设备通信协议到OPC UA协议的转换。通过针对不同的工业设备设计标准的数据采集驱动，将工业设备采集的数据进一步分解加工为含有语义信息的OPC UA 格式信息，从而映射建立OPC UA地址空间，为不具备OPC UA功能的工业设备建立OPC UA服务器，实现设备协议标准化，建立设备的互通信，降低工厂设备和协议多样带来的上位机统一监控难题。

系统的总体构成如图1所示，主要包括多种工业设备组成的工业设备网络、实现协议转换核心功能的本地监控服务器以及对采集数据存储并处理的云端数据处理服务器。

本地监控服务器通过以太网与工业设备网络连接，以工业设备网络为服务端，搭载本地监控服务器的PC机为客户端，构成C/S(Client/Server)结构的本地数据采集和监控系统。采用多线程分别采集各工业设备数据，将采集的数据解析后映射到建立好的OPC UA地址空间，建立工业设备的OPC UA服务器。以本地监控服务器为服务端与远程监控客户端构成C/S结构的远程监控系统。采集转换后的数据上传至云端服务器，云端服务器对数据进行结构化存储以便进一步分析处理，实现故障预测。为满足不同需求，云端服务器基于Redis和Mysql建立数据库架构存储设备数据，通过关系型数据库存储了设备的历史数据以及设备间的层级关系，提高历史数据的查找效率;采用Redis缓存实时数据，解决了实时数据访问的速度问题以及系统并发请求的效率问题。

本地监控服务器采用WPF设计监控界面，使用MVVM（Model View View Model）框架实现界面和后台程序的分离，便于系统的拓展。通过任意具备OPCUA客户端功能的设备可以直接访问建立的OPC UA服务器从而达到远程监控。