OPCUA在管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、OPC UA在管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：本文通過對(duì)管廊環(huán)境監(jiān)控業(yè)務(wù)的分析，結(jié)合OPC統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA） 的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于Java的milo庫實(shí)現(xiàn)的管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)為上層平 臺(tái)提供數(shù)據(jù)讀寫、告警推送、事件記錄、歷史查詢等功能接口，為最終實(shí)現(xiàn)智慧 管廊運(yùn)維平臺(tái)提供了有力支撐。關(guān)鍵字：OPCUA，城市綜合管廊，環(huán)境監(jiān)控1.引言隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市綜合管廊作為智慧城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施和組 成部分發(fā)揮著重要作用，管廊安全問題也越來越引起人們的關(guān)注，為更好的解決 地下綜合管廊安全問題，提高管廊運(yùn)維的安全性，本文提出了基于OPCUA實(shí)現(xiàn)的 地下綜合管廊環(huán)境監(jiān)控技術(shù)解決方案。1.管廊

2、環(huán)境監(jiān)控業(yè)務(wù)分析綜合管廊是指在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將電力、通訊、熱力、給水等 各類工程管線集于一體，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。管廊長(zhǎng) 度一般在幾公里到幾十公里不等，在管廊建設(shè)中會(huì)分段來設(shè)置防火分區(qū)，每個(gè)防 火分區(qū)中地上附著物為出裝口及通風(fēng)口等設(shè)施，并根據(jù)鋪設(shè)管線類型和防護(hù)要求 不同來布設(shè)監(jiān)控電子設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)廊內(nèi)及夾層等位置的全面監(jiān)控。綜合管廊環(huán) 境監(jiān)控系統(tǒng)是管廊運(yùn)維系統(tǒng)的重要組成部分，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)管廊內(nèi)部環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)和對(duì)通風(fēng)、排水、照明等設(shè)備的控制。管廊屬于地下的封閉空間，通風(fēng)條件較差，為了保證廊內(nèi)各種管線能夠正常 運(yùn)行，保證進(jìn)入廊內(nèi)的運(yùn)維人員可以在安全的環(huán)境下工作，

3、需要對(duì)管廊進(jìn)行通風(fēng) 換氣，排出有毒有害氣體，并保證正常的氧氣水平，通風(fēng)系統(tǒng)一般會(huì)監(jiān)測(cè)管廊內(nèi) 的溫度、濕度、氧氣含量，一氧化碳、甲烷、硫化氫等有害氣體含量。由下雨滲透，內(nèi)部凝水，管道檢修放水等原因致使管廊內(nèi)部存在積水，如果 長(zhǎng)期下去會(huì)對(duì)廊內(nèi)管線、設(shè)備等使用壽命構(gòu)成威脅，也同時(shí)影響管廊運(yùn)維工作， 排水系統(tǒng)主要的任務(wù)就是監(jiān)測(cè)廊內(nèi)的積水坑水位，利用水泵將廢水排出。排水系 統(tǒng)中主要包含集水坑內(nèi)液位探測(cè)器和水泵。綜合管廊設(shè)置于地下，內(nèi)部無自然采光，所以需要長(zhǎng)期穩(wěn)定合理的光照。廊 下的照明系統(tǒng)一般會(huì)配備應(yīng)急照明和檢修照明兩種，應(yīng)急照明作為常規(guī)照明方式 檢修照明用于在人員巡檢、設(shè)備檢修等條件下提供額外的亮度。

4、圖 2.1 管廊環(huán)境監(jiān)控業(yè)務(wù)如上圖所示，監(jiān)測(cè)、監(jiān)控設(shè)備都先接入防火分區(qū)中 PLC，PLC 再連接到 OPC 服務(wù)上進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合與匯總，監(jiān)控平臺(tái)只需和 OPC 服務(wù)交互即可完成對(duì)大多數(shù)廊 下設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制要求。1.OPC統(tǒng)一架構(gòu)(UA)技術(shù)簡(jiǎn)介OPC UA是OPC基金會(huì)推出的一個(gè)新的工業(yè)軟件接口規(guī)范，目的在于提出一 個(gè)統(tǒng)一的企業(yè)級(jí)模型對(duì)象定義和架構(gòu)定義，將各個(gè)OPC Classic規(guī)范的所有功能 集成到一個(gè)可擴(kuò)展的框架中，獨(dú)立于平臺(tái)并且面向服務(wù)，從而使其具備了跨平臺(tái)， 增強(qiáng)命名空間，支持復(fù)雜數(shù)據(jù)類型等新特點(diǎn)，使用OPC UA技術(shù)對(duì)各種監(jiān)控設(shè)備 接入實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一平臺(tái)接口服務(wù)，無疑可以降低系統(tǒng)開發(fā)

5、難度，提升系統(tǒng)的可用性和 安全性，節(jié)省大量的開發(fā)與調(diào)試時(shí)間，為綜合管廊的環(huán)境監(jiān)控提供可靠保障。1.管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4.1所示，整個(gè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以分成3層，自下而上分為基礎(chǔ)感知層 網(wǎng)絡(luò)傳輸層，應(yīng)用服務(wù)層。應(yīng)用版另層OK UA胡Q泊邑中咼牛Ep ring Boot淋爵姻HtIIElffiRedfish#應(yīng)用版另層OK UA胡Q泊邑中咼牛Ep ring Boot淋爵姻HtIIElffiRedfish#4.1 整體架構(gòu)圖基礎(chǔ)感知層是系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，主要包含各種采集傳感器和控制設(shè)備，按照不同輸出類型分別接入到PLC的數(shù)字量接口或模擬量接口，再由PLC通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊和上層服務(wù)交互。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是

6、系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳遞。在管廊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中會(huì) 采用多種不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，包括各種私有網(wǎng)絡(luò)，有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò) 最終會(huì)統(tǒng)一接入到主干環(huán)網(wǎng)上，通過劃分 VLAN 實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用之間的網(wǎng)絡(luò)隔離， 最終為上層應(yīng)用提供安全的數(shù)據(jù)傳輸功能。應(yīng)用服務(wù)層是管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它包含了系統(tǒng)運(yùn)行的主要構(gòu)件、算 法邏輯以及支持的軟件服務(wù)。它利用 OPCUA 技術(shù)獲取現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后通過 事件告警分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，分類，存儲(chǔ)，判斷，推送等一系列操作，為 上層平臺(tái)提供實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令，事件配置，歷史數(shù)據(jù)查詢，告警推 送等功能接口，也是本文主要的研究?jī)?nèi)容。環(huán)境監(jiān)控應(yīng)用服務(wù)的基本工作

7、流程可用圖 4.2 表示，首先是連接 OPCUA 服務(wù) 連接成功后讀取 OPC 節(jié)點(diǎn)樹，在關(guān)注的節(jié)點(diǎn)上配置事件，然后訂閱節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，收 到 OPCUA 服務(wù)推送的變更數(shù)據(jù)后，對(duì)變更數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。圖 4.2 系統(tǒng)活動(dòng)圖使用基于Java開源庫milo來連接OPCUA服務(wù)，示例代碼如下:/查詢連接節(jié)點(diǎn)，這里取查詢到的第一個(gè)地址EndpointDescription endpoint = DiscoveryClient.getEndpoints(opc.tcp:/192.168.4.9:49320).get().stream().findFirst().get();/創(chuàng)建客戶端配置OpcUaCli

8、entConfig config = OpcUaClientConfig.builder() /設(shè)置應(yīng)用名稱.setApplicationName(LocalizedText.english(OPC UA SCREEN) /設(shè)置應(yīng)用統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí).setApplicationUri(urn:eclipse:milo:examples:client) /設(shè)置證書.setCertificate(certificate)/設(shè)置密鑰對(duì).setKeyPair(keyPair)/設(shè)置連接地址.setEndpoint(endpoint) /設(shè)置認(rèn)證方式，這里使用的是匿名認(rèn)證.setIdentityProvid

9、er(new AnonymousProvider()/設(shè)置請(qǐng)求超時(shí)時(shí)間.setRequestTimeout(uint(5000).build();/創(chuàng)建OPC UA客戶端OpcUaClient client = OpcUaClient.create(config);/連接客戶端client.connect().get();在OPCUA中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的標(biāo)識(shí)，這個(gè)標(biāo)識(shí)一般由命名空間加標(biāo)識(shí)符 組成，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)為樹形，通過指定一個(gè)根節(jié)點(diǎn)ID來查詢其下的子節(jié)點(diǎn)列表。在 應(yīng)用中可以取Identifiers.RootFolder作為默認(rèn)的根節(jié)點(diǎn)。/瀏覽節(jié)點(diǎn)，這里使用默認(rèn)的根節(jié)點(diǎn)作為起始節(jié)點(diǎn)List no

10、deList = client.getAddressSpace().browse(Identifiers.RootFolder).get();依據(jù)對(duì)事件類型及處理方式的分析，建立了系統(tǒng)的事件模型。事件定義應(yīng)包 含事件名稱，事件類型，事件描述，事件等級(jí)，處理方式等，從事件類型上可分 成狀態(tài)量事件和模擬量事件，OPCUA節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型為布爾值的配置狀態(tài)量事件， 對(duì)應(yīng)事件類型中DI_0(狀態(tài)0)和DI_1(狀態(tài)1)兩種事件類型；節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)類型為數(shù) 字的配置模擬量事件，對(duì)應(yīng)事件類型中AI_Upper(超上限)、AI_Lower(超下限)和 AI_Fixed(固定值)三種事件類型。對(duì)于事件處理方式分為記錄和

11、告警。OPCUA數(shù)據(jù)訂閱過程如圖4.3所示，客戶端發(fā)送創(chuàng)建訂閱請(qǐng)求，服務(wù)端返回 訂閱ID,客戶端設(shè)置訂閱監(jiān)控請(qǐng)求及回調(diào)，服務(wù)端創(chuàng)建監(jiān)測(cè)項(xiàng)，客戶端等待采樣 間隔后向服務(wù)端發(fā)送查詢請(qǐng)求，服務(wù)端返回自上次請(qǐng)求后變化的數(shù)值，客戶端接 受數(shù)據(jù)并調(diào)用事件分析和處理函數(shù)，等待采樣間隔后再次發(fā)送請(qǐng)求以此循環(huán)，直 到訂閱結(jié)束。QPCU期I務(wù)宮戶端憾布Ifl求一*I urn Valuec Eate 斶 nrtcwedt&nT-reiurn LEKUaMtHilrEd It Em缶 心*旳h r i p ti mreturn StatusLo-de-QPCU期I務(wù)宮戶端憾布Ifl求一*I urn Valuec Ea

12、te 斶 nrtcwedt&nT-reiurn LEKUaMtHilrEd It Em缶 心*旳h r i p ti mreturn StatusLo-de-rcripdarr4-|- r-aturn UiSuhscription*竝冋自上:的求前何- 目更鬥翻1W耳啟桿djifl5IIS1JSI詭國(guó)TJrtWS#宜恫卿俏戎卻舊HH肓4仙戲檢&回檢曲一項(xiàng)刊爭(zhēng)及熬建sSsfcUHl世遲盯和忙劇臉口舊舊圖 4.3 訂閱執(zhí)行過程圖事件分析和處理過程如圖 4.4 所示，系統(tǒng)在接收到 OPCUA 傳回來的變更數(shù)據(jù) 后調(diào)用事件定義服務(wù)獲取之前對(duì)節(jié)點(diǎn)上綁定的事件定義列表，并對(duì)事件列表逐條 進(jìn)行處理。1、根據(jù)

13、事件定義對(duì)值進(jìn)行分析，確定事件等級(jí)；2、獲取上一次節(jié)點(diǎn)事件的處理結(jié)果，和本次結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，確定事件動(dòng)作 （事件動(dòng)作包括事件提醒，事件升級(jí)，事件降級(jí)，事件結(jié)束 4 種），最終形成新 的事件分析結(jié)果；3、將本次結(jié)果記錄到緩存和數(shù)據(jù)庫中；4、如果事件處理類型是告警則向上一級(jí)監(jiān)控平臺(tái)推送告警消息。過程圖1.測(cè)試測(cè)試環(huán)境中使用了 Kepware公司研發(fā)的KEPServerEX6 OPC服務(wù)器做為 OPCUA的服務(wù)端，KEPServerEX是行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的通信平臺(tái)，包含100多種設(shè)備驅(qū) 動(dòng)程序，用戶可以通過簡(jiǎn)單直觀的界面來連接，管理，監(jiān)視與控制不同的自動(dòng)化 設(shè)備。啟動(dòng)編寫好的測(cè)試客戶端，連接OPCUA服務(wù)，

14、瀏覽節(jié)點(diǎn)并配置事件。圖5.1節(jié)點(diǎn)配置界面啟動(dòng)訂閱，然后修改溫度值后查看推送報(bào)文。2021-07T7 10:57:00.663 INFO 38804d-thread-pool-Oc.c.rsip.opc.service.Clien tIn foServiceOpcN otif yMessagemessageAc tion二告警提示，nodeEven tI d=23,currValue二NodeValue, nodeInfoId=27, alarmLevel=1,code二ns=2,s二RSIP-SIM.Tes t.2001_1, varType二FLOAT, value=35.0, server

15、Time=1626490617067, sourceTime=1626490617067, name二溫度超限 告警，eventType二AI_Upper, description二溫度超限告警，lastLevel=0,currLevel=1, alarmType二TEMP, notifyTime二Sat Jul 17 10:57:00 CST2021系統(tǒng)已經(jīng)向上一級(jí)平臺(tái)成功發(fā)送了告警消息。1.結(jié)論本文通過對(duì)管廊環(huán)境監(jiān)控業(yè)務(wù)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)及最終測(cè)試結(jié)果得出結(jié)論，使 用OPCUA技術(shù)作為管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控設(shè)備控制的方案是完全可行的， 它為綜合管廊的監(jiān)測(cè)監(jiān)控、日常管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、預(yù)測(cè)預(yù)警提供了有力支撐，為 實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、安全、環(huán)保智慧型管廊提供了技術(shù)保障。參考文獻(xiàn)：張泳城市綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)信息安全設(shè)計(jì)J.自動(dòng)化博 覽,2018(01):40-44.楊虎,喬立慧.OPC技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用J.電子技術(shù)與軟件 工程, 2019(16):137-138.李敏峰，歐陽帆.基于OPC UA協(xié)議得設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)J.信息技術(shù) 與信息化