python工业互联网监控项目实战4—python opcua

　　前面章节我们采用OPC作为设备到上位的信息交互的协议，本章我们介绍跨平台的OPC UA。OPC作为早期的工业通信规范，是基于COM/DCOM的技术实现的，用于设备和软件之间交换数据，最初，OPC标准仅限于Windows操作系统。OPC是OLE for Process Control的缩写（中文意思：用于过程控制的OLE）。

OPC规范包括了3大部分：

1. OPC DA：OPC实时数据访问规范，定义了包括数据值，更新时间与数据品质信息的相关标准。前面实战2我们使用openOPC获取的tag位号值就属于OPC DA，通过OPC DA读取底层设备的状态、工业参数等位号的实时数据。
2. OPC HDA：OPC历史数据访问规范，定义了查询、分析历史数据和含有时标的数据的方法。
3. OPC AE：OPC报警事件访问规范，定义了报警与时间类型的消息类信息，以及状态变化管理等相关标准。

由于基于COM/DCOM的技术有着不能跨平台的根本缺点，随着技术的发展，OPC基金会在2008年发布了新的规范：OPC UA （OPC Unified Architecture）OPC 统一框架。

1. OPC UA是什么 

　　2008年发布的OPC统一架构（UA）将各个OPC Classic规范的所有功能集成到一个可扩展的框架中，独立于平台并且面向服务。OPC UA规范不再是基于COM/DCOM技术，因此OPC UA不仅能在Windows平台上实现，更可以在Linux，以及其它的嵌入式平台中实现。 

这种多层方法实现了最初设计UA规范时的目标： 

1. 功能对等性：所有COM OPC Classic规范都映射到UA
2. 平台独立性：从嵌入式微控制器到基于云的基础设施
3. 安全性：信息加密、身份验证和审核
4. 可扩展性：添加新功能而不影响现有应用程序的能力
5. 综合信息建模：用于定义复杂信息

2. OPC UA相对于传统OPC的变化 

功能对等性 

OPC UA不仅支持传统OPC的所有功能，更支持更多新的功能： 

1. 发现：在本地PC和/或网络上查找可用的OPC服务器
2. 地址空间：所有数据都是分层表示的（例如文件和文件夹），允许OPC客户端发现、利用简单和复杂的数据结构
3. 按需：基于访问权限读取和写入数据/信息
4. 订阅：监视数据/信息，并且当值变化超出客户端的设定时报告异常
5. 事件：基于客户端的设定通知重要信息
6. 方法：客户端可以基于在服务器上定义的方法来执行程序等
7. OPC UA产品和OPC Classic产品之间的集成可以通过COM/Proxy Wrappers轻松实现。

平台独立性

　　鉴于市场上有各种各样的硬件平台和操作系统，平台独立性就显得至关重要。OPC UA包含但不限于以下平台及系统：

　　硬件平台：传统PC硬件、云服务器、PLC、微控制器（ARM等）

　　操作系统：Microsoft Windows、Apple OSX、Android或任何Linux发行版本等

　　OPC UA为企业之间的互操作性提供必要的M2M、M2E及两者之间的基础架构。

安全性

　　最大的变化是OPC UA可以通过任何单一端口（经管理员开放后）进行通信，这使得OPC通信不再会由于防火墙受到大量的限制，实现Internet 通讯。

综合信息建模

　　OPC UA信息建模框架将数据转换为信息。通过完全面向对象的功能，即使是最复杂的多级结构也可以建模和扩展。数据类型和结构在配置文件中定义。 例如，现有的OPC Classic规范被建模为UA配置文件，也可以由其他组织扩展：

  　　更详细的内容请参阅OPC基金会官网：http://opcfoundation.cn/ 

 3. 安装python-opcua组件 

　　pip安装：pip install opcua  

　　组件按照完毕后，我们可以在python环境执行uadiscover命令查看效果： 

 　　由于运行电脑上没有运行的opcua服务端，命令没有发现任何opcua服务。下面通过运行opcua上最新的服务端代码再来看看效果。

1. 在C:\Python\Python36-32\Scripts\下创建examples目录；
2. Copy opcua源码下的server-minimal.py到C:\Python\Python36-32\Scripts\examples；
3. 在C:\Python\Python36-32目录下运行命令，如下图：
4. python C:\Python\Python36-32\Scripts\examples\server-minimal.py 

　　重新运行uadiscover命令，结果如下：

  　　现在连接到 OPCUA Sever 的模拟器提供的 OPC UA 服务了。

4. 创建一个4C9反应罐的OPCUA Server模拟器

4.1. 在Solution上添加一个Python Application Project  Tank4C9Svr

 　　打开Tank4C9Svr.py文件，修改Example里的server-minimal.py文件里代码，模拟4C9反应罐如下： 

import sys
sys.path.insert(0, "..")
import time
import random

from opcua import ua, Server


if __name__ == "__main__":

    # setup our server
    server = Server()
    server.set_endpoint("opc.tcp://0.0.0.0:4840/freeopcua/server/")

    # setup our own namespace, not really necessary but should as spec
    uri = "http://examples.freeopcua.github.io"
    idx = server.register_namespace(uri)

    # get Objects node, this is where we should put our nodes
    objects = server.get_objects_node()

    # populating our address space
    myobj = objects.add_object(idx, "Tank4C9")
    status = myobj.add_variable(idx, "Status", 0)
    overheadFlow = myobj.add_variable(idx, "OverheadFlow", 0)
    buttomsFlow = myobj.add_variable(idx, "ButtomsFlow", 0)
    power = myobj.add_variable(idx, "Power", 0)

    #myVar.set_writable()    # Set MyVariable to be writable by clients


    # starting!
    server.start()
    
    try:
        count = 0
        while True:
            time.sleep(5)
            count = count + 1
            print(count%4)
            if count%4>0:
                status.set_value(1)
            else:
                status.set_value(0)

            a= random.randint(100,500)
            print("OverheadFlow:"+str(a))
            overheadFlow.set_value(a)
            buttomsFlow.set_value(random.randint(50,500))
            power.set_value(random.randint(1000,5000))
    finally:
        #close connection, remove subcsriptions, etc
        server.stop()

 　　我们把Tank4C9Svr设置成solution默认启动项目后，F5调试运行Tank4C9Svr，如下图：

 5. opcua-client浏览4C9 opcua服务器

　　安装：pip install opcua-client

　　cmd窗口C:\Python\Python36-32\Scripts目录下执行opcua-client.exe命令，如下图： 

  　　地址栏输入 opc.tcp://localhost:4840 点击连接按钮，就能看见我们构建的Tank4C9设备和对于的tag变量了，如下图：

　　我们可以在变量上右键来订阅数据变化的读取最新的数据值。

  6. 小结

　　本小节主要介绍了OPC DA到OPC UA之间的关系，更多详细的信息参考OPC基金会官网。首先，我们使用 python-opcua 组件模拟构建一个Tank4C9的反应罐OPC UA服务器，然后，演示OPC UA的Objects是如何构建的。最后，展示opcua-client连接这个OPCUA服务器并订阅数据变化是如何的显示效果。下一节我们将用演示监控如何迁移到OPC UA数据通信协议。