OPCUA 探讨（一）——测试与开发环境搭建

一、前言

OPCUA（OPC Unified Architecture）是一种应用层数据通信协议，其规范由OPC基金会（OPC Foundation）制定，笔者在工作期间（面向西门子数控系统的数据采集）接触该协议较多。
西门子数控系统产品称作Sinumerik，其内部嵌入了一个OPCUA服务器，通过以太网连接，可以用上位机（普通电脑或工控机）的OPCUA客户端程序访问OPCUA服务器，获取Sinumerik数控系统内的各种数据。

采集到数据之后，我们才能构建更进一步的工作，例如机床的数字孪生 、工厂信息可视化大屏、实时机床健康状态评估等等，可以说数据采集是所有上层服务的基础。目前在机床数据采集方面，不同厂家的数控系统对外提供的采集协议都不太一样，例如FANUC有FOCAS、西门子有OPCUA、华中数控有NC-Link，我们很可能遇到实际工厂中有支持不同协议的多种数控系统，这时就需要我们在数据采集软件中实现支持不同协议的采集功能。

本系列文章聚焦于西门子数控系统Sinumerik支持的OPCUA通信协议，探讨如何使用微软dotNet框架（C#）开发数据采集程序，并逐步完善各项功能，此外会结合OPC基金会官方文档探讨OPCUA底层结构。基于其他协议的数据采集暂不讨论。

二、准备工作

2.1 准备开发环境

2.1.1 Visual Studio2022

笔者使用的开发软件是微软的Visual Studio 2022，其完整安装包较大。
建议配置时参考网上其他文章（关键词：.NET开发，VS2022）。操作系统是windows11家庭版。

2.1.2 dotNet（.NET）

dotNet（.NET）开发环境/运行环境和C#的关系可以理解为JDK/JVM和Java之间的关系，如果是计算机专业的应该能明白。
如果不是计算机的，我简略解释一下，计算机底层（CPU）需要的是计算机电子电路能够理解的二进制机器码，不同CPU架构（x86、ARM）的机器码不一样，我们写的C#代码文本都需要转换、翻译成和计算机能读懂的机器码，因此有了.NET这类软件框架作为中间媒介，负责转换、翻译，让计算机能够执行程序。

2.1.3 NuGet第三方包管理器

Visual Studio里面有个叫NuGet的东西，相当于Python的pip，Java的Maven，其作用是在我们的项目里引入其他人写好的模块（第三方包）。
对于OPCUA相关的项目，必不可少的是OPC基金会提供的OPCUA相关模块，我们都是使用这个NuGet引入的。

2.2 获取OPCUA客户端示例

示例代码在 https://gitee.com/zuoquangong/opcuaapi
（注：该示例代码目前十分粗糙，存在UI层面的bug，一些重要功能如“订阅”有待补全，笔者正在着手整理中）

本OPCUA客户端示例的界面如下，设计的比较朴素，界面操作方法见第三章。

2.3 获取OPCUA服务器

我们在开发时身边可能不会有Sinumerik数控系统，那么需要在电脑上安装一个可以用于测试的OPCUA服务器软件。

2.3.1 获取Prosys软件

推荐使用Prosys的软件，叫“Prosys OPC UA Simulation Server”，别下载错了。
Prosys官网入口：https://prosysopc.com/

注意，红框里这个“opc.tcp://SAM.mshome.net:53530/OPCUA/SimulationServer”就是该OPCUA服务器的访问地址（传输层为TCP协议），我们的OPCUA客户端访问这个地址即可。
实际Sinumerik中，OPCUA服务器的端口是4840，可以连接的IP通常有X127调试端口的192.168.215.1（该IP固定不可调），以及X130的公司网络端口192.168.1.6（该IP可以自己设，或通过DHCP获取）。

2.3.2 切换模式

这个软件有两种模式，基础模式（Basic Mode）和专家模式（Expert Mode），我们用专家模式。切换方法如下：

2.3.3 添加个用户

Sinumerik系统的OPCUA默认用户是OpcUaClient，我们在prosys里也建一个这样的用户。

注意，两次密码一致“Add User”按钮才能被点击。

这样新用户创建完毕，OPCUA客户端程序可以使用该用户身份与Prosys的OPCUA服务器建立会话连接。

三、OPCUA初试

首先把prosys软件运行起来，即OPCUA服务器开始工作。
然后用Visual Studio2022打开客户端项目，开始运行客户端代码。

3.1 连接服务器

出现界面后，在服务器地址输入prosys提供的OPC地址，并填写用户名、密码信息。

点击“创建”，即可在服务器和客户端之间建立一个OPCUA会话：

成功建立OPCUA会话（Session）之后，可以查看当前会话相关信息：

我们可以通过点击“创建”按钮，创建并维持多个会话；通过会话下拉菜单选择当前会话（currentSession）；点击“取消”按钮，可以断开（DisConnect）当前会话。

3.2 浏览OPCUA服务器内容

界面左侧用于连接服务器和会话管理（创建、切换、断开、查看信息），界面右侧则是基于当前会话的一些功能。
首先是浏览OPCUA服务器。OPCUA服务器内容可以树状目录形式进行浏览，点击“浏览”按钮，即可显示OPCUA服务器的根目录节点内容：

这里每一个内容都称作一个“节点（Node）”，一个节点包含多个“属性（Attribute）”。
单击节点，即可显示节点信息（即节点内的各个属性）：

双击节点即可进入该节点，浏览其内部节点结构（例如双击“Objects”节点）：

点击“返回”按钮即可返回上一级目录。
以上是基本的浏览功能，实际上也包含了节点信息读取（readNode）和节点值读取（readValue），两种读取功能。在OPCUA中，基本的节点操作有：

其中“写入”操作用的较少，因为笔者的工作中，OPCUA服务器数据对应的是数控系统内数据，随意改写会导致安全问题。
实现这几个操作就基本完成了一个客户端的主干功能，后面我们将结合源码和文档对这些操作逐步解读。

3.3 观察节点信息

通常我们更关注如何读取一个节点的值（readValue），我们可以观察到每个节点都有一个ID

例如这个节点名称为“Counter”的节点，其ID为“ns=3;i=1002”，ns是“namespace”的简写，代表一个命名空间，“3”是该命名空间在服务器上的索引号，“1002”是其在该命名空间内的索引号。该节点值为4。
我们进行数据采集，通常是通过OPCUA客户端的浏览功能（Browser）找到想要获取值的节点（例如机床Z轴坐标或电流）的ID，然后调用读取（readNode）或监控（subscription）方法，获取其值。

如果咱们客户端能缓存节点ID就不用浏览，可以直接读取节点值了。

总结

后续我们将对示例源码和服务器节点结构等问题进行讨论。

附录

OPC基金会：OPCUA英文文档
OPCUA技术开发英文文档

*附言

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作者联系方式，163邮箱：zuoquangong@163.com