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文章目录
  1. 1. 什么是OPC UA
  2. 2. OPC UA用在什么场景
  3. 3. 通过对比mqtt入门OPC UA
    1. 3.1. 拓扑结构的对比
    2. 3.2. 业务模型对比
      1. 3.2.1. OPC UA的节点(Node)
      2. 3.2.2. OPC UA的引用(Reference)
        1. 3.2.2.1. hasTypeDefinition
        2. 3.2.2.2. hasSubType
        3. 3.2.2.3. hasComponents
        4. 3.2.2.4. Organizes
      3. 3.2.3. OPC UA中的服务(Service)
    3. 3.3. 语义化对比
    4. 3.4. 发布订阅对比
  4. 4. OPC UA之Hello World
    1. 4.1. 选择OPC UA Client
    2. 4.2. 选择”在线OPC UA Server”
      1. 4.2.1. UAExpert连接”在线OPC UA Server”
    3. 4.3. 部署本地OPC UA Server
      1. 4.3.1. UAExpert连接“本地OPC UA Server”
  5. 5. OPC UA的学习资料

转载请注明 作者:源码先生, 文章链接:https://www.debugself.com/2019/11/27/opc_guide/, 请勿用于商业用途

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什么是OPC UA

OPC UA是一套通信协议标准，完成设备与设备，设备与应用之间的数据交互。源码先生的物联网IoT协议之mqtt快速入门教程中的mqtt也是一套数据交互的协议标准，两者虽然协议内容不同，但最终目的一致，都是为了实现不同系统的数据交互。

OPC UA前身是OPC，第一个OPC规范在1996年发布，包括一整套接口、属性和方法的标准集；OPC基于Windows操作系统的COM技术，所以只能运行在Windows上。

OPC UA是OPC的重大升级，在平台独立性、安全性，可靠性等方面做出了升级，更能适应现代工业通信的需求，虽然升级内容很多，但OPC UA 对比OPC并无革命性的变化。

OPC UA用在什么场景

OPC主要用在自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统，具有很明显的工业基因，而且OPC发展这么多年，也很少扩展到非工业领域。

随着近年物联网、工业4.0、工业互联网、IT和OT(Operational Technology)融合等需求的出现，人们希望把工业设备融入到物联网中，深耕工业领域的OPC UA，自然成为大家关注的重点对象！

通过对比mqtt入门OPC UA

mqtt和OPC UA都是为了实现不同系统的数据交互，mqtt相对比较简单，mqtt通过发布订阅实现数据交互，而OPC UA要复杂不少，通过对比两者的差异，对入门OPC UA很有帮助。

拓扑结构的对比

在mqtt中，设备以及应用程序都作为客户端连接到mqtt服务器(Broker)，形成以mqtt服务器为中心的拓扑结构。

在OPC UA中，设备不是作为客户端，而是作为OPC UA Server提供各种服务，应用程序作为客户端连接到设备，调用OPC UA Server提供的各种服务。

OPC UA中，设备除了作为OPC UA Server，也可以同时作为客户端连接到其他设备，形成非中心化的拓扑结构。

业务模型对比

mqtt标准中没有定义业务模型，mqtt服务器只是个中转站，用来透传转发多个客户端的消息。应用程序需要在应用层自定义业务模型，主流物联网云平台都使用类似json的格式描述业务模型，阿里云的物模型如下图

OPC UA中，使用面向对象的方式定义业务模型。面向对象中通过类(包括类成员变量，类成员函数，类实例)，以及类之间的继承关系实现对业务的建模，而OPC UA的通过节点，以及节点之间的引用关系实现对业务的建模。

OPC UA的节点(Node)

节点是OPC UA数据交互的基本单元，客户端和服务器之间的交互通信，都是基于节点进行的。OPC UA中预定义了8种节点：

  • ObjectNode
  • ObjectTypeNode
  • VariableNode
  • VariableTypeNode
  • MethodNode
  • ReferenceTypeNode
  • DataTypeNode
  • ViewNode

节点的属性用来描述节点，下面是所有节点共有的通用属性。

OPC UA的引用(Reference)

引用描述了两个节点之间的关系，用来把多个节点关联起来，OPC UA预定义了多种引用，下面重点介绍几种常用的引用。

hasTypeDefinition

hasTypeDefinition用来描述面向对象中类、类实例之间的关系。

  • ObjectNode的hasTypeDefinition引用，指向了一个ObjectTypeNode，表示该ObjectNode的类型;
  • VariableNode的hasTypeDefinition引用，指向一个VariableTypeNode，表示该 VariableNode的类型。
hasSubType

hasSubType用来描述面向对象中的继承关系。当子类从父类继承后，子类拥有一个hasSubType引用指向父类。

hasComponents

hasComponents类似设计模式中的组合模式。

  • ObjectNode一般都由多个VariableNode组成，ObjectNode包含某个VariableNode时，ObjectNode拥有一个hasComponents引用，指向该VariableNode；
  • VariableNode也可以包含子VariableNode，此时也用hasComponents描述它们的关系。
Organizes

Organizes用来指明两个节点的层次结构，可以类比为文件夹和文件的关系，通过Organizes，可以把多个文件(节点)组织到同一个文件夹(父节点)下面。

完整的引用类图如下。

OPC UA中的服务(Service)

服务可以看做是OPC UA Server提供的API集合，也可以看做是RPC(Remote Procedure Call)接口集合，服务以方法的方式提供出来，服务使用了类似Web的请求-应答机制，当客户端调用一个服务时，客户端发送一个请求给服务器，服务器处理完成请求后，返回响应消息给客户端。

客户端访问服务器提供的所有功能，都是通过调用服务完成。

OPC UA预定义了37个标准服务，按功能分类如下图

其中常用的服务有：

  • 通过读写服务，可以获取服务器上指定节点指定属性的值；
  • 调用服务，可以执行服务器上执行节点的方法；
  • 订阅数据变化和时间，可以监控服务器数据的变化。

语义化对比

mqtt标准中没有定义语义化的内容，应用程序要想知道设备提供了哪些功能/服务，只能靠应用程序和设备双方提前约定，或者通过阅读设备提供的说明文档。

OPC UA Server中节点的通用属性BrowseName、DisplayName、Description等描述了节点的属性和功能，应用程序连接到OPC UA Server后，通过浏览这些属性就可以了解设备提供的功能和服务。

发布订阅对比

mqtt和OPC UA都提供了发布订阅的功能，OPC UA的发布订阅功能用来实现设备数据的监控，但设备数据有变化时，订阅者会实时收到通知。

OPC UA之Hello World

上面的概念很抽象，要先对OPC UA有初步的认识，还是来个Hello World比较靠谱。

选择OPC UA Client

免费且好用的OPC UA客户端，源码先生推荐Unified Automation公司的UAExpert，在其官网https://www.unified-automation.com/上注册后可以免费下载，也可以到百度云盘下载 https://pan.baidu.com/s/1TM1yQ-K1bUBDav_rABb75Q 下载，提取码：11f8 。

选择”在线OPC UA Server”

相比mqtt官方提供了一大票公开的mqtt测试服务器地址，公开的在线OPC UA Server少的可怜，源码先生在互联网上认真了搜了一番，只能找到唯一的一个，即opc.tcp://opcua.rocks:4840/ 。

UAExpert连接”在线OPC UA Server”

启动UAExpert，依次选择[Server]–[Add]–[Advanced]，按下图输入信息。

通过右键菜单连接服务器。

第一次连接时，会提示服务器证书的警告，此时需要选择信任(Trust)服务器的证书。

连接成功后，会在地址空间中显示出服务器的全部节点。

展开节点后，会发现opc.tcp://opcua.rocks:4840/提供了一个Hello World的方法，可通过右键菜单调用该方法。

Hello World方法需要输入参数，这里填入测试字符串“www.debugself.com” ，并点击Call按钮。

服务器执行Hello World方法，返回执行结果。通过输出参数可以看出，Hello World方法，简单的把输入参数前面添加了Hello后，然后返回给客户端的。

部署本地OPC UA Server

上面的“在线OPC UA Server”网速很慢，测试时可能连接失败，这是也可以自己部署本地OPC UA Server。https://github.com/Pro/opcua-animal-server 是一个使用open62541构建OPC UA Server的示例，为了方便部署，我把opcua-animal-server构建成docker镜像(构建过程请参考 https://github.com/gdbself/opcua-animal-server/ )，方便一键本地部署。

以Ubuntu系统为例，首先要安装docker（docker已经是云端开发的基础设施，不了解docker的话，有必要借此学习下docker的用法）。

1
apt-get install docker

运行下面的docker命令部署本地OPC UA Server（真的一键部署，很方便，有木有？）。

1
docker run -d -p 4840:4840 debugself/opcua-animal-server:20191125

UAExpert连接“本地OPC UA Server”

启动UAExpert，依次选择[Server]–[Add]–[Advanced]，按下图输入信息。

注意，请把图中的192.168.170.128替换为自己Ubuntu电脑的IP地址。

连接OPC UA Server成功后，可以看到服务器地址空间中显示了所有节点。选中Cat的Name节点，在右侧的属性框中可以看到这只猫的Value属性值为Cattie，意为这是猫的名称为Cattie。

OPC UA的学习资料

OPC UA中的概念很多，初学者会感觉OPC UA很复杂，这里再强调一次，OPC UA本质是按照面向对象的方式对业务建模，搞不懂OPC UA时，按照面向对象的思路，基本可以做到拨云见日。