OPCUA在管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

1、OPC UA在管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應用摘要：本文通過對管廊環(huán)境監(jiān)控業(yè)務的分析，結合OPC統(tǒng)一架構（OPC UA） 的技術特點，設計基于Java的milo庫實現(xiàn)的管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)為上層平 臺提供數(shù)據(jù)讀寫、告警推送、事件記錄、歷史查詢等功能接口，為最終實現(xiàn)智慧 管廊運維平臺提供了有力支撐。關鍵字：OPCUA，城市綜合管廊，環(huán)境監(jiān)控1.引言隨著城市建設的快速發(fā)展，城市綜合管廊作為智慧城市的重要基礎設施和組 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注，為更好的解決 地下綜合管廊安全問題，提高管廊運維的安全性，本文提出了基于OPCUA實現(xiàn)的 地下綜合管廊環(huán)境監(jiān)控技術解決方案。1.管廊

2、環(huán)境監(jiān)控業(yè)務分析綜合管廊是指在城市地下建造一個隧道空間，將電力、通訊、熱力、給水等 各類工程管線集于一體，是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”。管廊長 度一般在幾公里到幾十公里不等，在管廊建設中會分段來設置防火分區(qū)，每個防 火分區(qū)中地上附著物為出裝口及通風口等設施，并根據(jù)鋪設管線類型和防護要求 不同來布設監(jiān)控電子設備，以實現(xiàn)對廊內(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)是管廊運維系統(tǒng)的重要組成部分，它實現(xiàn)了對管廊內(nèi)部環(huán)境的實時監(jiān) 測和對通風、排水、照明等設備的控制。管廊屬于地下的封閉空間，通風條件較差，為了保證廊內(nèi)各種管線能夠正常 運行，保證進入廊內(nèi)的運維人員可以在安全的環(huán)境下工作，

3、需要對管廊進行通風 換氣，排出有毒有害氣體，并保證正常的氧氣水平，通風系統(tǒng)一般會監(jiān)測管廊內(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 長期下去會對廊內(nèi)管線、設備等使用壽命構成威脅，也同時影響管廊運維工作， 排水系統(tǒng)主要的任務就是監(jiān)測廊內(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)液位探測器和水泵。綜合管廊設置于地下，內(nèi)部無自然采光，所以需要長期穩(wěn)定合理的光照。廊 下的照明系統(tǒng)一般會配備應急照明和檢修照明兩種，應急照明作為常規(guī)照明方式 檢修照明用于在人員巡檢、設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)務如上圖所示，監(jiān)測、監(jiān)控設備都先接入防火分區(qū)中 PLC，PLC 再連接到 OPC 服務上進行數(shù)據(jù)聚合與匯總，監(jiān)控平臺只需和 OPC 服務交互即可完成對大多數(shù)廊 下設備的數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制要求。1.OPC統(tǒng)一架構(UA)技術簡介OPC UA是OPC基金會推出的一個新的工業(yè)軟件接口規(guī)范，目的在于提出一 個統(tǒng)一的企業(yè)級模型對象定義和架構定義，將各個OPC Classic規(guī)范的所有功能 集成到一個可擴展的框架中，獨立于平臺并且面向服務，從而使其具備了跨平臺， 增強命名空間，支持復雜數(shù)據(jù)類型等新特點，使用OPC UA技術對各種監(jiān)控設備 接入實現(xiàn)統(tǒng)一平臺接口服務，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)設計如圖4.1所示，整個環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以分成3層，自下而上分為基礎感知層 網(wǎng)絡傳輸層，應用服務層。應用版另層OK UA胡Q泊邑中咼牛Ep ring Boot淋爵姻HtIIElffiRedfish#應用版另層OK UA胡Q泊邑中咼牛Ep ring Boot淋爵姻HtIIElffiRedfish#4.1 整體架構圖基礎感知層是系統(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)絡通信模塊和上層服務交互。網(wǎng)絡傳輸層是

6、系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡，主要負責數(shù)據(jù)的傳遞。在管廊網(wǎng)絡環(huán)境中會 采用多種不同的異構網(wǎng)絡，包括各種私有網(wǎng)絡，有線或無線通信網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡 最終會統(tǒng)一接入到主干環(huán)網(wǎng)上，通過劃分 VLAN 實現(xiàn)不同應用之間的網(wǎng)絡隔離， 最終為上層應用提供安全的數(shù)據(jù)傳輸功能。應用服務層是管廊環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它包含了系統(tǒng)運行的主要構件、算 法邏輯以及支持的軟件服務。它利用 OPCUA 技術獲取現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，然后通過 事件告警分析模塊對數(shù)據(jù)進行校驗，分類，存儲，判斷，推送等一系列操作，為 上層平臺提供實時讀取數(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內(nèi)容。環(huán)境監(jiān)控應用服務的基本工作

7、流程可用圖 4.2 表示，首先是連接 OPCUA 服務 連接成功后讀取 OPC 節(jié)點樹，在關注的節(jié)點上配置事件，然后訂閱節(jié)點數(shù)據(jù)，收 到 OPCUA 服務推送的變更數(shù)據(jù)后，對變更數(shù)據(jù)進行分析和處理。圖 4.2 系統(tǒng)活動圖使用基于Java開源庫milo來連接OPCUA服務，示例代碼如下:/查詢連接節(jié)點，這里取查詢到的第一個地址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() /設置應用名稱.setApplicationName(LocalizedText.english(OPC UA SCREEN) /設置應用統(tǒng)一資源標識.setApplicationUri(urn:eclipse:milo:examples:client) /設置證書.setCertificate(certificate)/設置密鑰對.setKeyPair(keyPair)/設置連接地址.setEndpoint(endpoint) /設置認證方式，這里使用的是匿名認證.setIdentityProvid

9、er(new AnonymousProvider()/設置請求超時時間.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中每一個節(jié)點都有唯一的標識，這個標識一般由命名空間加標識符 組成，節(jié)點結構為樹形，通過指定一個根節(jié)點ID來查詢其下的子節(jié)點列表。在 應用中可以取Identifiers.RootFolder作為默認的根節(jié)點。/瀏覽節(jié)點，這里使用默認的根節(jié)點作為起始節(jié)點List no

10、deList = client.getAddressSpace().browse(Identifiers.RootFolder).get();依據(jù)對事件類型及處理方式的分析，建立了系統(tǒng)的事件模型。事件定義應包 含事件名稱，事件類型，事件描述，事件等級，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)點數(shù)據(jù)類型為布爾值的配置狀態(tài)量事件， 對應事件類型中DI_0(狀態(tài)0)和DI_1(狀態(tài)1)兩種事件類型；節(jié)點數(shù)據(jù)類型為數(shù) 字的配置模擬量事件，對應事件類型中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)建訂閱請求，服務端返回 訂閱ID,客戶端設置訂閱監(jiān)控請求及回調(diào)，服務端創(chuàng)建監(jiān)測項，客戶端等待采樣 間隔后向服務端發(fā)送查詢請求，服務端返回自上次請求后變化的數(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)送請求以此循環(huán)，直 到訂閱結束。QPCU期I務宮戶端憾布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TJrtWS#宜恫卿俏戎卻舊HH肓4仙戲檢&回檢曲一項刊爭及熬建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)用事件定義服務獲取之前對節(jié)點上綁定的事件定義列表，并對事件列表逐條 進行處理。1、根據(jù)

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

14、瀏覽節(jié)點并配置事件。圖5.1節(jié)點配置界面啟動訂閱，然后修改溫度值后查看推送報文。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)向上一級平臺成功發(fā)送了告警消息。1.結論本文通過對管廊環(huán)境監(jiān)控業(yè)務分析和系統(tǒng)設計及最終測試結果得出結論，使 用OPCUA技術作為管廊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控設備控制的方案是完全可行的， 它為綜合管廊的監(jiān)測監(jiān)控、日常管理、運營維護、預測預警提供了有力支撐，為 實現(xiàn)高效、節(jié)能、安全、環(huán)保智慧型管廊提供了技術保障。參考文獻：張泳城市綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)信息安全設計J.自動化博 覽,2018(01):40-44.楊虎,喬立慧.OPC技術在工業(yè)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的應用J.電子技術與軟件 工程, 2019(16):137-138.李敏峰，歐陽帆.基于OPC UA協(xié)議得設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)J.信息技術 與信息化