OPC UA是一項(xiàng)開放標(biāo)準(zhǔn)，適用于從機(jī)器到機(jī)器間（M2M）的水平通信和從機(jī)器直到云端的垂直通信。該標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立于供應(yīng)商和平臺(tái)，支持廣泛的安全機(jī)制，并且可以與 PROFINET 共享同一工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。
OPC UA通信的特性及優(yōu)勢(shì)
特性：
? ?獨(dú)立于供應(yīng)商和平臺(tái)
? ?集成的安全概念（加密、簽名和驗(yàn)證）
? ?一致、端到端，并可擴(kuò)展
? ?信息模型和語義服務(wù)
? ?與PROFINET 不受限制的并行傳輸
優(yōu)勢(shì)：
? ?標(biāo)準(zhǔn)化接口和廣泛的可用性
? ?直接按照協(xié)議進(jìn)行安全通信，無需額外硬件
? ?跨所有自動(dòng)化層的直接連接和通信
? ?簡單明了的數(shù)據(jù)解釋
? ?基于以太網(wǎng)的簡單網(wǎng)絡(luò)，使用現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施
? ?簡單機(jī)器集成用的國際標(biāo)準(zhǔn)化接口（配套規(guī)范）
具有OPC UA接口+支持工具的西門子產(chǎn)品和系統(tǒng)
西門子為全集成自動(dòng)化（TIA）提供從現(xiàn)場(chǎng)層擴(kuò)展到控制和操作層的全面硬件和軟件組合。作為開放的通信標(biāo)準(zhǔn)，OPC UA 在整個(gè) TIA 產(chǎn)品組合中扮演著重要的角色。
應(yīng)用示例內(nèi)容及軟/硬件需求
此應(yīng)用示例的內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn) OPC UA 客戶端與 SIMATIC S7-1500 的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這個(gè)應(yīng)用示例將向您詳細(xì)介紹 SIMATIC S7-1500 的 OPC UA 服務(wù)器的配置以及如何通過 OPC UA 客戶端軟件連接 S7-1500 服務(wù)器。
用于測(cè)試用途的 OPC UA 客戶端
●? Unified Automation 的 “UaExpert”?？擅赓M(fèi)使用的功能豐富的客戶端：? ?下載 UaExpert 的鏈接 ( https://www.unified-automation.com/downloads/opc-ua-clients.html )
●? OPC Foundation 的 “UA Sample Client” 。在 OPC Foundation 注冊(cè)的用戶可免費(fèi)使用該客戶端：下載 OPC Foundation 示例客戶端的鏈接 ( https://opcfoundation.org )
S7-1500 配置 OPC UA 服務(wù)器的軟/硬件需求
已獲得操作 OPC UA 功能的運(yùn)行系統(tǒng)許可證。
TIA Portal V14 以及S7-1500 V2.0以后開始支持OPC UA服務(wù)器功能，除 S7-1500 標(biāo)準(zhǔn)? ? ? CPU 之外，這一特性同樣適用于 S7-1500F、S7-1500T、S7-1500C、S7-1500pro? ? ?CPU、ET 200SP CPU、SIMATIC S7-1500 軟件控制器和 PLCSIM Advanced。S7-1500 CPU 上所有集成的 PROFINET 接口，均可用于訪問該 CPU 的 OPC UA? ? ? 服務(wù)器。? ? 不能借助 CP 或 CM 通過自動(dòng)化系統(tǒng)的背板總線直接訪問 CPU 的 OPC UA 服務(wù)器。
S7-1500 的 OPC UA 服務(wù)器實(shí)驗(yàn)環(huán)境
在本應(yīng)用實(shí)例中，使用以下產(chǎn)品配置 OPC UA 服務(wù)器。
軟件：
TIA V15.1
UA Expert V1.5.1
硬件：
CPU 1511-1PN V2.6
配置S7-1500的OPC UA服務(wù)器
1、使能 OPC UA 服務(wù)器
S7-1500的 OPC UA 服務(wù)器默認(rèn)是禁用的，下面介紹如何使能一個(gè)簡單的 OPC UA 服務(wù)器
1.1、導(dǎo)航至 CPU 的屬性常規(guī)界面選擇 OPC UA 服務(wù)器常規(guī)選項(xiàng)激活 OPC UA 服務(wù)器。
1.2、導(dǎo)航至 'CPU 屬性>運(yùn)行系統(tǒng)許可證> OPC UA' 選擇選擇所需許可證類型。
運(yùn)行 S7-1500 CPU 的 OPC UA 服務(wù)器需要使用許可證。所需的許可證類型取決于相應(yīng)? ? ?CPU 的性能。將許可證類型分為以下幾類：
●? SIMATIC OPC UA S7-1500 小型（CPU 1511、CPU 1512、CPU 1513、ET 200SP? ? CPU、CPU 1515SP PC 需要使用這種類型）
●? SIMATIC OPC UA S7-1500 中型（適用于 CPU 1515、CPU 1516、軟件控制器 CPU? ? 1507、CPU 1516pro-2PN）
●? SIMATIC OPC UA S7-1500 大型（CPU 1517、CPU 1518 需要使用這種類型）
1.3、導(dǎo)航至? 'CPU 屬性>OPC UA>常規(guī)'? 選項(xiàng)設(shè)置 OPC UA 應(yīng)用名稱，也可以使用默認(rèn)名稱。請(qǐng)注意，證書上需要輸入應(yīng)用程序名稱（主題備用名稱），并且更改應(yīng)用程序名稱后可能需要再次生成現(xiàn)有證書。
1.4、導(dǎo)航至 'CPU 屬性>OPC UA>服務(wù)器' 選項(xiàng)設(shè)置服務(wù)器會(huì)話數(shù)量限制以及采樣發(fā)布的最短間隔，無特殊需求也可以使用默認(rèn)設(shè)置。
●? 會(huì)話最大超時(shí)，在該字段中指定在不進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的情況下OPC UA服務(wù)器關(guān)閉會(huì)話之前的最大時(shí)長。允許值在1到 600000秒之間。
●? 最大OPC UA會(huì)話數(shù)，在該字段中指定OPC UA服務(wù)器啟動(dòng)并同時(shí)操作的最大會(huì)話數(shù)。最大會(huì)話數(shù)取決于CPU的性能。每個(gè)會(huì)話都會(huì)占用資源。
●? 最大注冊(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，在該字段中指定OPC UA服務(wù)器注冊(cè)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。最大注冊(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于CPU的容量，并會(huì)在組態(tài)字段內(nèi)容時(shí)顯示（將光標(biāo)放在字段中）。每次注冊(cè)都會(huì)占用資源。
● 最短采樣時(shí)間間隔，在“最短采樣時(shí)間間隔”中，可設(shè)置OPC UA服務(wù)器記錄CPU變量值并與以前值相比較檢查是否發(fā)生變更的時(shí)間間隔。
● 最短發(fā)布時(shí)間間隔，在“最短發(fā)布時(shí)間間隔”中，可設(shè)置變量值發(fā)生改變時(shí)服務(wù)器通過新值向客戶端發(fā)送消息的時(shí)間間隔。
● 所監(jiān)視元素的最大數(shù)量，在該字段中指定該CPU的OPC UA服務(wù)器可同時(shí)監(jiān)視值更改的最大元素?cái)?shù)量。監(jiān)視會(huì)占用資源，可監(jiān)視元素的最大數(shù)量取決于所用的CPU。
1.5、編譯硬件并下載就可以啟用一個(gè)簡單的OPC UA服務(wù)器，服務(wù)器在其標(biāo)準(zhǔn)配置中允許任意客戶端進(jìn)行連接。如果需要管理客戶端證書以及訪問認(rèn)證管理請(qǐng)繼續(xù)進(jìn)行下面配置。
2、使能全局安全設(shè)置
為了管理 OPC UA 服務(wù)器的證書必須啟用TIA項(xiàng)目的全局安全設(shè)置。
2.1、導(dǎo)航至項(xiàng)目樹下安全設(shè)置為項(xiàng)目設(shè)置用戶名密碼。
2.2、導(dǎo)航至 'CPU 屬性>防護(hù)與安全>證書管理器' 選項(xiàng)使能證書管理器。
3、配置安全策略
通過OPC UA服務(wù)器的安全策略來配置OPC UA客戶端和服務(wù)器之間的加密和身份驗(yàn)證方式，選擇允許的安全策略。
4、通過管理證書實(shí)現(xiàn)安全訪問
為了實(shí)現(xiàn)只允許指定的OPC UA客戶端與OPC UA服務(wù)器進(jìn)行連接，需要做以下配置
4.1、創(chuàng)建服務(wù)器證書，根據(jù)需要選擇自簽署還是CA簽署。
4.2、禁止運(yùn)行過程中自動(dòng)接受客戶端證書。
4.3、導(dǎo)出客戶端證書。
4.4、管理受信證書，把之前導(dǎo)出的客戶端證書導(dǎo)入到受信證書一欄。
4.5、分配可信客戶端。
5、用戶身份認(rèn)證
S7-1500 OPC UA服務(wù)器用戶身份認(rèn)證分為2種，一種是訪客認(rèn)證，另一種是用戶名和密碼認(rèn)證。如果需要指定用戶登錄權(quán)限需要禁止訪客認(rèn)證并增加用戶名密碼認(rèn)證。
6、分配PLC變量的訪問權(quán)
對(duì)PLC中創(chuàng)建的變量分配它的讀寫權(quán)限，默認(rèn)都可以訪問，可以單獨(dú)為變量分配讀寫權(quán)限，也可以整個(gè)DB塊設(shè)置訪問權(quán)限。
7、項(xiàng)目編譯下載后進(jìn)行訪問測(cè)試
通過UA Expert進(jìn)行連接訪問，選擇安全策略及用戶身份認(rèn)證方式后進(jìn)入證書驗(yàn)證界面，需要信任服務(wù)器證書并接受臨時(shí)會(huì)話請(qǐng)求。注意這里 UA Expert 通過 Trust Server Certificate 按鈕即可完成 Server 證書的導(dǎo)入，如果是其它客戶端沒有此功能需要手動(dòng)到 TIA 下的證書管理器中導(dǎo)出CA證書和設(shè)備證書并拷貝到客戶端對(duì)應(yīng)受信證書列表里即可。
建立連接成功后瀏覽PLC數(shù)據(jù)，并進(jìn)行讀寫訪問測(cè)試。
8、OPC UA 服務(wù)器方法的創(chuàng)建
在 S7-1500 CPU（自固件版本 V2.5 起）的OPC UA服務(wù)器中，可以選擇通過用戶程序提供方法。OPC UA方法為不同通信節(jié)點(diǎn)之間的交互提供了有效機(jī)制，該機(jī)制提供作業(yè)確認(rèn)和反饋值，因此用戶無需再編程握手機(jī)制。
OPC UA方法的工作原理
通常，OPC UA方法的工作原理與運(yùn)行系統(tǒng)中由外部OPC UA客戶端調(diào)用的受專有技術(shù)保護(hù)函數(shù)塊的原理類似。OPC UA 客戶端僅“監(jiān)視”已定義的輸入和輸出，函數(shù)塊、方法或算法的內(nèi)容對(duì)外部OPC UA客戶端保持隱藏，OPC UA客戶端接收成功執(zhí)行的反饋以及函數(shù)塊（方法）返回的值，或者，如果執(zhí)行不成功，則會(huì)收到錯(cuò)誤消息。
服務(wù)器方法的實(shí)現(xiàn)
1. 使用OPC_UA_ServerMethodPre查詢服務(wù)器方法調(diào)用該指令將執(zhí)行以下任務(wù)：
–? 通過該指令詢問CPU的OPC UA服務(wù)器是否已通過OPC UA客戶端調(diào)用服務(wù)器方法。
–? 如果已調(diào)用方法，并且服務(wù)器方法具有輸入?yún)?shù)，服務(wù)器方法現(xiàn)在會(huì)接收到輸入?yún)?shù)。
2. 編輯服務(wù)器方法
在這部分服務(wù)器方法中，用戶提供實(shí)際用戶程序。如果服務(wù)器方法使用輸入?yún)?shù)，則可使用這些參數(shù)。僅當(dāng)OPC UA客戶端已調(diào)用服務(wù)器方法時(shí)，才可執(zhí)行服務(wù)器方法的這一部分。成功執(zhí)行方法后，如果方法具有輸出參數(shù)，需要設(shè)置服務(wù)器方法的輸出參數(shù)。
3. 使用OPC_UA_ServerMethodPost響應(yīng)服務(wù)器方法
要完成服務(wù)器方法，應(yīng)調(diào)用“OPC_UA_ServerMethodPost”指令。使用參數(shù)通知 “OPC_UA_ServerMethodPost”指令是否已處理用戶程序，如果用戶程序已成功執(zhí)行，則會(huì)通過相關(guān)參數(shù)通知OPC UA服務(wù)器。OPC UA服務(wù)器隨后會(huì)將服務(wù)器方法的輸出參數(shù)發(fā)送到OPC UA客戶端。
無論用戶程序是由“OPC_UA_ServerMethodPre”和 “OPC_UA_ServerMethodPost” 指令處理還是在下一個(gè)周期繼續(xù)執(zhí)行，始終以成對(duì)的形式調(diào)用這兩個(gè)指令。
給出了使用 OPC UA 服務(wù)器方法指令為用戶程序中所執(zhí)行的 OPC UA 客戶端提供一個(gè)方法。需要注意的是服務(wù)器方法指令的多重實(shí)例必須命名為 “OPC_UA_ServerMethodPre_Instance” 和 “OPC_UA_ServerMethodPost_Instance”，否則不會(huì)在服務(wù)器上創(chuàng)建方法，還有就是需要聲明 “UAMethod_InParameters” 和 “UAMethod_OutParameters” 兩個(gè)變量分別連接到方法指令引腳上，否則方法指令會(huì)報(bào)錯(cuò)。
在客戶端內(nèi)瀏覽到創(chuàng)建的服務(wù)器方法，選中 Method 后鼠標(biāo)右鍵來調(diào)用方法，在調(diào)用方法對(duì)話框中傳輸輸入?yún)?shù)點(diǎn)擊 Call 按鈕，返回輸出參數(shù)及方法執(zhí)行后的狀態(tài)。
常見問題及建議
1、通過OPC UA客戶端訪問OPC UA服務(wù)器的建議
●? 對(duì)于一次性或不頻繁的數(shù)據(jù)訪問，請(qǐng)使用標(biāo)準(zhǔn)的讀/寫訪問。
● 對(duì)于少量數(shù)據(jù)的循環(huán)訪問（循環(huán)間隔最長約為 5 秒），請(qǐng)使用訂閱。 優(yōu)化OPC UA服務(wù)器中的最短發(fā)布時(shí)間間隔設(shè)置和最小采樣時(shí)間間隔設(shè)置。
● 如果定期訪問某些特定變量（重復(fù)訪問），則可使用函數(shù) “RegisteredRead” 和 “Regist? eredWrite” 。
2、導(dǎo)致 OPC UA 服務(wù)器連接失敗的原因
當(dāng)建立到 OPC UA 服務(wù)器的連接時(shí)，需用注意許多要點(diǎn)來保證過程順利地進(jìn)行。以下連接建立出錯(cuò)的原因與用到的 OPC UA 客戶端和服務(wù)器無關(guān)。
基于證書連接的日期和時(shí)間
基于證書授權(quán)的通訊中，在OPC UA 服務(wù)器上，需要檢查證書的有效期。這就要求終端系統(tǒng)具備當(dāng)前時(shí)間。對(duì)證書檢查時(shí)，OPC UA 服務(wù)器可能會(huì)給出時(shí)間錯(cuò)誤響應(yīng)，狀態(tài)碼為 “BadSecurityChecksFailed” 或者 “BadCertificateTimeInvalid” 。解決方案建議使用 NTP 服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。如果 NTP 無法實(shí)現(xiàn)，則只能手動(dòng)為終端系統(tǒng)設(shè)置當(dāng)前時(shí)間。
經(jīng)過 NAT 路由器的 OPC UA 客戶端-服務(wù)器連接嘗試失敗，產(chǎn)生錯(cuò)誤信息 “BadCommunicationError” 或 “BadNotConnected” 。
在NAT系統(tǒng)中，IPv4 數(shù)據(jù)包被路由器處理。?這意味著數(shù)據(jù)包的源IP?( “Source NAT” ) 或者目的 IP ( “Destination NAT” ) 會(huì)被路由器配置的IP地址替換掉 ( 取決于目的端口 )。而客戶端和服務(wù)器并不知道這個(gè)過程。