石油化工自动化
AUTOMATION IN PETRO-CHEMICAL INDUSTRY
第57卷第3期2021年5月
Vol. 57, No. 3May , 2021
张天宇余雯2
(1东华大学信息学院，上海201620；.四川烟叶复烤有限责任公司，四川成都610041)
摘要：控制算法的研究多通过模拟仿真的方式实现，但真正的应用还需要实际工程的测试检验，成熟的算法控制往往也需要 应用测试，因此针对算法控制和工程之间产生的时间和空间限制，提出基于OPC UA 的云端远程控制系统。该系统通过
KEPServer 软件和OPC 技术解决不同硬件设备控制时的数据远程传输问题，同时将算法放入云服务器有效打破了时空上的壁 垒，实现了随时随地远程控制。在实际应用中，远程控制系统利用预测PI 控制算法已成功对企业的谱柱温度进行远程控制， 达到了不错的效果。 关键词：
远程控制；KEPServer 软件；OPC UA 协议；云服务器
中图分类号：
TP273；TP391.9
文献标志码：
B
文章编号：
1007 - 7324(2021)03 - 0065 - 04
Cloud Server Remote Control System Based on OPC UA
Zhang Tianyu 1,
Yu Wen 2
(1. School of Information ,
Donghua University ,
Shanghai ,
201620,
China
；
2. Sichuan Tobacco Retest Co. Ltd. ,
Chengdu ,
610041,磺酸酯
China
)
犃犫3狉状犮^：
The research of control algorithm is mostly realized by simulation, but the practical
application still needs t o be tested in practical engineering . Mature algorithm control often needs application test . Therefore, aiming at limitation of the time and space between algorithm control and engineering , a cloud remote control system based on OPC UA is proposed. The problem of remote data transmission controlled with different hardware devices are solved with adopting KEPServer software and OPC technology. At the same time , the algorithm is put into the cloud server, which breaks the barriers in time and space effectively. Remote control
can be realized anytime and anywhere ． In practical application ，the temperature of chromatographiccolumnoftheenterprisehasbeensuccessfu l ycontro l edbyusingpredictive PIcontrolalgorithm ，andgoodresultsareachieved ．
Key woixis ：
remote control ； KEPServer software ； OPC UA protocol ； cloud server
“中国制造2025”的行动纲领，这些概念从本质上
讲就是要通过和互联网相结合的方式实现智能化 制造。而在传统的控制领域也在不断地经历着变 革，其中工业以太网技术发展迅速。将以太网应
用于控制领域，可以完善不同厂商设备之间的互 操性，并且实现远程访问和诊断，成为底层的现场 设备与先进的控制优化层沟通的桥梁，这对远程 控制提供了坚实的基础。但以太网作为网络协
议，由于各个硬件设备工业标准大都不同，还不能 解决应用软件和各种设备驱动程序间的通信问
题，而OPC 技术目前作为一整套规范为工业自动 化提供数据交换的解决方案已经得以有效的实
现。OPC UA 2是工业4. 0的重要基础性技术标 准，超越了工业以太网的范围，为不同的现场总线
系统的集成提供了有效的软件实现手段，允许来
自不同的厂商以及不同平台的网络进行通信。本 文也正是基于此提出了云端远程控制系统，该系
范照兵是谁的秘书统的被控对象为真实的工业设备，可以达到控制
算法对被控对象远程控制的效果。
1 OPC 技术
1.1 OPC 简介
OPC(OLE for process control )是由国际组织 OPC 基金会管理的一个工业标准，给工业控制领
域提供了一种标准的数据访问机制，主要用于过
程控制系统和制造业自动化系统由于统一的 数据采集和交互的标准，需要获取数据对象，并且
稿件收到日期：2020-10- 26，修改稿收到日期：
2021-02- 20。 作者简介：
张天宇(1997 )男，现为东华大学在读研究生，研究方
向为先进控制。
66石油化工自动化第57卷
需要根据确认的协议标准获取，所以说OPC可以让各类设备的信息在不同场合和厂家硬件之间畅
通无阻的交换，为各个应用之间提供透明的数据
访问。
浙江湖州织里镇
OPC采用C/S模式，是一套与厂商无关的软件数据交换标准接口和规程，解决了软硬件厂商的矛盾和过程控制系统与其数据源的数据交换问题⑷，完成了系统的集成，提高了系统的开放性和可互操作性。
当前大部分自动化软件解决方案的提供者都支持OPC协议，并且还在陆续加入。而OPC基金会为了更好地推广OPC技术，其在成功应用的基础上还推出了OPCUA标准，而随着工业4.0的推进,OPC UA也成为最为重要的标准之一。
1.2OPC UA标准
过程控制统一对象模型(OPC UA)提供了一个与平台无关的互操作性标准，不再受Windows 平台限制，相较于OPC DA】5〕灵活性和安全性都有了很大提高，以一定格式自动采集数据，在底层的网络传输过程还是基于TCP/IP协议。
OPC UA专注于将数据从A移动到b同时还保障数据的安全性和可靠性，对硬件和软件之间的数据实现双向传递，可读可写，大幅革新了传统的通信协议。当数据的实时传输得以解决，也就为远距离的系统控制带来可能。
2系统设计
在工业控制领域，控制算法研究和实际项目
有差别，只模拟仿真并不能复刻实际工程的种种
问题，无法带来实际的应用价值，因此，远程控制
可以对算法的改进优化提供强大的助力，同时在
工业控制行业中，远程控制也能为企业带来巨大
的经济效益并减轻决策成本。
首先要明确所谓的远程控制的含义，现在多
数的远程控制实际上只是实现远程监控的效果，
通过远程操控实地上位机进而达到控制，这并没
有摆脱对时空上的限制，而本文的远程控制是指
在一个工业控制系统中，可以摆脱空间上的限制，
控制算法作为控制器远程控制和调试被控对象，
以达到设定的控制指标。
2.1系统的建立
早在2002年，文献［6］就有了基于TCP/IP因特网的远程控制系统的概念，远程控制需要做到的就是将被控对象的输出作为控制算法的输入，而控制算法的输出再回到被控对象的输入，该过程通过网络传输，以达到摆脱距离的限制。而随着网络技术的不断更新，远程控制将会得以更好的实现。首先OPCUA技术可以有效地解决数据交互问题，其次KEPServer软件和云端可以解决数据跨局域网远程传输问题，由于云服务器具有的功能，算法放入云端还能打破对空间的限制，以此为基础，一个复杂的工业系统也能简单高效地实现随时随地的远程控制测试。
基于OPC UA的云端远程控制系统的建立是将控制算法放在云服务器上，而被控对象是真正的工业设备，通过远程控制系统，二者间可以交换数据，形成一个闭环控制系统。
闭环控制系统数据传输过程如图1所示，位于云服务器的控制端和底层硬件的被控对象之间借
助与KEPServer软件进行数据互通，首先在被控对象处,KEPServer软件连接工业设备节点后作为OPC客户端，在控制器端，控制系统连接KEPServer软件后作为OPC服务端，然后双方的KEPServer软件通过OPC UA Client通道互联，此时就实现了数据互通。
图1闭环控制系统数据传输示意
2.2系统结构
远程控制系统主要由云服务器控制端、OPC 数据传输端和作为控制对象的实际工程三部分组成，远程控制系统结构如图2所示，从图中可以看到在简化的反馈系统中，其前向通道和反馈通道均由OPC UA传输，所以该控制系统的控制距离就可以不再受到约束，并且OPC UA作为统一的数据传输标准，可以实现对几乎任意硬件设备的通信，该功能对军工和民用产品的研究和制造都将带来巨大的便利。
opc数据传输端
云服务器
控制端
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云服冋|
'OPCUA
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OPCUA
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控制
系统
图2远程控制系统结构示意
OPC数据传输端作为数据传输部分，这些工作主要由OPC Sever来完成，最广泛的OPC服务器软件采用KEPServer软件实现，软件介绍和配置将在下
第3期张天宇等.基于OPC UA的云端远程控制系统67
一节叙述。
云服务器控制端主要实现控制器的作用，由于KEPServer软件的远程连接需要在局域网内实施，所以将控制算法放在云端，利用云平台的功能以便于KEPServer软件跨局域网连接，进而可以达到随时随地的远程控制整个被控对象，真正的摆脱时空上的限制。
被控对象就是实际的工程项目，甚至可以狭义地理解为底层的硬件设备，常见为不同型号的可编程序控制器（PLC），目前如西门子、欧姆龙、三菱等主流硬件供应商都支持OPC UA协议，因此只要有相应的驱动，就可以进行远程控制。
3软件介绍和配置
3.1KEPServer软件简介
Kepware是一家做大型通用OPC Server的厂家，一直致力于工业自动化领域的通信连接，作为OPC技术和产品供应商其主要产品有KEPServer,LinkMaster等，其中KEPServer软 件应用最为广泛。KEPServer软件是产业界一致认可的第三方OPC服务器软件，集成几十个厂家的上百种驱动，可以支持几乎所有的知名PLC厂家，实现软硬件间的互联。该软件作为一个连接通信平台，可以为PLC，传
感器，数据库或是OPC Server转换为统一的OPC的数据格式，大幅减少了连接复杂度。
3.2KEPServer软件配置
配置KEPServer软件步骤如下：
1）明确连接的一方为客户端，被连接的为服务器端，在该系统中，被控对象为客户端，控制器为服务器端，同时客户端已经建好硬件设备的输入输出节点，服务器端也已经建立好对应的输入输出节点。
2）连接双方需要互相交换安全证书。客户端一方导出客户端驱动程序证书，发送给服务器端同时导入其受信任的客户端，服务器端同样需要导出服务器证书发送给客户端，并导入其受信任的服务器端。
拓跋氏3）在作为客户端的KEPServer软件中新建通道，在通道类型下拉框中选择“OPC UA Client”目的是与服务器端连接，在输入端点URL 界面，输入服务器端所对应的URL地址，注意这里一定要填写控制器也就是服务器端所在云服务器的公网IP地址，以保证通过网络访问指定的服务器端，其他默认下一步。
4）单击添加设备，在选择导入项目时，如果连接成功，将会出现服务器端的节点列表，此时将控制
器端KEPServer软件中的输入输出节点添加至本地KEPServer中，才能完成数据通信。
5）此时客户端有本地已建立的输入、输出节点和刚添加的控制器端的输入、输出节点，右键单击Advanced Tags选择NEW LINK Tag，将本地的输入和控制器端的输出连接，本地的输出和控制器端的输入连接，就实现了双向连接，完成数据间的传输。
4实际测试
在工业控制企业中，控制效果有微小的提升都会减少很大的运行成本，因此一个优秀的控制算法可以为企业带来很好的经济效益，在测试中，系统云端算法采用预测PI控制算法，对某公司的气相谱装置中的谱柱进行了温度远程控制，并取得较好的控制效果。
4.1预测PI算法介绍
将预测算法和PID算法融合在一起的控制器，可以将PID算法的简单性、实用性、鲁棒性和模型预测控制算法的预测功能结合起来⑼。预测PI算法可以有效地解决过程控制中滞后的问题，当参数发生改变时，也能使系统具有较好的稳态性能。该算法主要由PI和预测两部分构成，预测部分可以实现对滞后过程控制中选择合适的当前控制，使系统未来的输出恰好是控制指标所期望的形式，这样可以减少时滞带来的影响，并且进行有效地控制,PI部分保留对模型精度要求不高的优点，提高控制器的鲁棒性，实现良好的控制性能。
4.2控制结果
气相谱仪在工作过程中，试样由气路系统进入，通过进样系统气化后，再经谱柱分离，最后进入检测系统，随后得到数据结果。在该过程中，温度控制系统需要控制进样系统、谱柱和检测系统，所以温度对该装置的影响是非常大的皿。在该次测试中，温度控制系统主要对谱柱的柱温进行了远程控制，分别测试了升降温度和连续升温的效果，谱柱升降温曲线如图3所示，谱柱连续升温曲线如图4所示。
246810
//min
图3谱柱升降温曲线
68石油化工自动化第57卷
从图3和图4中可以看到，控制器的输出根据 设定值的变化不断变化，使得实际温度紧紧跟随 设定值，说明整个系统正常运行，设定值的改变会
影响实际温度的改变，同时当控制器的输出关闭
后，被控对象的输出即谱柱柱温立即开始下降，这 证明控制器的输出不断作用于远端的谱柱，二者
之间存在数据交流。当设定值发生改变后，实际温 度并没有立即改变，这是因为在远程控制过程中，数
据的交换基于OPC UA 协议，而它同样要依靠因特 网传输，所以就会产生网络延迟使得数据没能及时
我的音乐库交互，所以在图形中会出现滞后的情况。
由于云端远程控制系统主要检测远程控制效 果，因而并没有对谱柱温度控制对象进行建模和 仿真，同时未对不同的控制算法进行比较，所以主要 检验了远程控制效果是否达到预期。从实际测试中
可以看出，该系统可以稳定的达到期望的控制值，取 得了满意的远程控制效果，同时也表明预测PI 控制
算法可以很好的完成对谱柱温度的控制。
5结束语
基于OPC UA 的远程控制是一种先进的控制 模式，不仅通用性强而且实现成本低。经过测试， 可以发现该系统可以有效地进行远程控制，大幅
节约了时间成本，带来较大的便利。但该系统也 有不足，由于其可以随时随地进行控制，因此也受 制于网络延迟以及系统自身所带来的延迟问题，
当延迟较大时就会产生一定的滞后，控制效果也
会因此受到影响，进而影响算法的效果。
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2021年4月21
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