[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

说明书

本发明公开了一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法，基于设备供应商支持的专用协议，建立与设备之间的数据通信，获取运行数据，进行边缘计算，并存储原始数据与预处理结果；基于OPC UA对产线边缘设备进行信息建模，将模型节点与底层数据、接口进行关联映射，构建OPC UA服务器，统一设备数据接口；通过参数写入实现对边缘设备的反馈控制，有效地解决传统网关只能实现数据单向流动，上层应用结果无法及时正确地反馈至边缘设备的缺点；此外，网关对外开放MQTT、TCP/IP、UDP等多种协议接口，支持用户二次开发，保证了网关的可扩展性，对产线设备的纵向集成与产线的闭环控制具有重要的现实意义。

技术领域

本发明属于智能工厂边缘设备组网通信技术领域，具体涉及一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法。

背景技术

在复杂零件加工过程中，产线设备时刻产生大量制造数据，这些数据蕴含了设备加工过程的诸多信息，可有效地反映产线精度的动态变化规律。然而由于产线设备类型众多、通信协议多样，导致物理系统与信息系统严重割裂，生产制造数据缺乏共享，数据驱动的加工产线精度控制难以实现。因此，如何统一产线边缘设备的数据接口，进而实现产线设备的纵向集成具有重要的现实意义。

从国内外研究现状来看，针对产线设备组网通信技术，尽管西门子、FANUC等公司实现了产线设备的纵向集成，完成了底层设备与云端之间的数据交互，但产线只包含各自生产的系统型号，设备组网基于各自特定的通信协议来实现。而在实际加工生产线中，边缘设备类型多样，呈现多源异构特征，设备纵向集成涉及多种设备通讯协议。基于特定协议进行组网通信，不仅导致系统的灵活性、可扩展性较差，而且对软件开发人员要求较高，需要了解并熟练应用各种通信协议。此外，目前市场现有网关装置，只能实现设备数据从边缘到云端单向流动，上层应用结果无法及时正确地反馈至底层边缘设备。因此，急需提出一种新型产线设备纵向集成网关及实现方法，以统一边缘设备数据接口，降低软件开发难度，提高整个系统的灵活性与可扩展性，解决产线“信息孤岛”现状，实现数据的双向流动和产线的闭环控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于OPCUA的产线边缘设备纵向集成网关及其实现方法，统一边缘设备的数据通信协议，解决生产制造数据缺乏共享问题，实现数据的双向流动和产线的闭环控制，提高边缘设备数据交互的灵活性与可扩展性。

本发明采用以下技术方案：

一种基于OPC UA的产线边缘设备纵向集成网关，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；

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。

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的无缝连接。

具体的，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。