[发明专利]一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法

权利要求书

1.一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，其特征在于，包括：

设备通信接口模块，基于设备供应商提供的设备专用协议，建立与产线边缘设备之间的通信连接，为数据采集模块和参数写入模块提供二次开发接口；

数据采集模块，基于设备二次开发接口实时获取边缘设备运行数据，对高频信号进行数据预处理和特征提取，并将原始运行数据与边缘计算结果存储于磁盘文件或本地数据库中；

数据采集模块包括数据采集单元、数据可视化单元、边缘计算单元和数据存储单元；

数据采集单元基于设备二次开发接口实时获取边缘设备运行数据；

数据可视化单元对设备运行数据进行实时动态刷新显示，监控边缘设备运行状态；

边缘计算单元对设备运行高频数据进行数据预处理，对数据的时域、频域典型特征进行提取；

数据存储单元将设备原始运行数据与边缘计算结果存储于本地PostgreSQL、MongoDB数据库或JSON、TXT文件中；

参数写入模块，主要响应外部对上层OPC UA服务器模块中地址空间节点的写服务和调用服务，接收地址空间中变量节点和方法节点信息，调用设备通信接口模块中的参数写入接口，将服务器参数写入至边缘设备，实现上层应用信息自主反馈；

OPC UA服务器模块，提供OPC UA服务集函数接口，加载并实例化边缘设备信息模型，将数据采集模块、参数写入模块提供的数据和接口与实例化后的节点进行一一映射，构建服务器地址空间，实现OPC UA服务器模块与外部客户端之间的通信；

OPC UA服务器模块包括数据通信单元、信息模型单元和节点管理单元；

数据通信单元包含OPC UA协议栈和OPC UASDK，提供OPC UA服务集函数接口，实现OPCUA服务器与外部客户端之间的通信；

信息模型单元加载基于OPC UA产线边缘设备信息模型文件，并对信息建模得到的设备模型进行实例化，完成服务器地址空间的构建；

节点管理单元管理服务器地址空间中的节点，设置节点的浏览名称、读写权限属性，并完成节点与底层模块数据信息、接口关联映射；

信息模型单元中节点与底层数据信息关联映射的过程具体如下：

将设备信息模型实例化后的位于对象节点目录下的变量节点与数据采集模块中由数据采集单元采集得到的边缘设备低频信号和由边缘计算单元得到的高频信号的时频域特征与进行一一映射，并实时动态刷新底层数据；将设备信息模型实例化后位于对象节点目录下的方法节点与参数写入模块中的参数写入接口进行一一映射，即将方法节点输入参数与参数写入接口形参进行绑定，将方法节点输出参数与参数写入接口返回值进行绑定；

基于OPC UA的产线边缘设备信息模型具体为：

将地址空间模型扩展为适用于复杂零件批量加工产线领域的信息模型，建立描述数控机床、机器人、PLC、三坐标测量机设备类型的信息模型，根据设备属性与功能，信息模型包括设备信息类型、轴类类型、控制系统类型、辅助装置类型以及方法集类型，设备信息类型描述设备的基本静态属性信息，轴类型描述设备驱动系统信息，控制系统类型描述设备控制系统的动态信息，辅助系统描述设备辅助系统组件运行状态信息，方法集类型主要用于数控装备，包括程序执行加载、各类参数写入和程序传输下载，建模时根据具体的边缘设备属性及功能对上述类型进行动态组合；

对外多协议接口模块，提供MQTT、TCP/IP、UDP多种协议接口，将底层模块中得到的数据进行标准化处理，实现边缘设备与云端或不支持OPC UA通信协议的产线网络之间的无缝连接。

2.根据权利要求1所述的基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，其特征在于，设备通信接口模块支持的通信协议包括RS232、RS422、RS485、USB、Modbus、TCP/IP、UDP、MTConnect和FOCAS。