摘 要

进入21世纪以来，随着我国进一步对外开放，进出口贸易额逐年升高，而海运贸易也强劲增长，在这之中船舶制造工业得到了快速发展，以中船集团为代表的一批国有大型造船企业逐步摸索转型成为总装造船模式，同时在各工序环节也试点开展了智能化建造的产业升级。但是，从全局来看我国的船舶工业依旧位于智能化产业升级的初步阶段，在某些生产环节依旧存在着数字化设计能力不足、加工制造仍以简单机械化、半自动化设备为主的问题等待解决。在如今网络技术高速发展的时代，传统制造业在互联网技术的加持下正在逐步向着智能化、数字化方向快速迈进^[1]。

相比于一般的工业产品制造来说船舶制造是一种典型的离散化生产过程，并具有较强的行业特殊性，对于推进智能化制造的产业升级与应用存在着特殊要求。由于船舶制造厂普遍存在着空间跨度大、生产设备种类繁多、配套产业复杂的特点，其对设备间协同作业的要求也变得越来越高。在这个过程中，来自各生产环节的不同层级、不同接口设备间的信息传输与交互成为了自动化控制系统的基础，而在这之中现场数据采集系统则扮演着重要角色，其负责从各生产环节的控制器、仪表、传感器中釆集数据，并将数据传递与共享给其它需要这些数据的系统。因此如何解决船舶制造企业生产车间的底层自动化设备数据的采集、传输、储存与分析成为亟待解决的问题。

OPC UA是由OPC基金会为实现不同自动化仪器与设备厂商的应用程序接口标准化而开发的设备互联工业协议。其技术发明的最初目的就是为了让来自不同厂商的自动化设备与数字化应用软件在同一个平台上实现畅通无阻的协同控制，使得每个层级设备之间的数据通信与传输变的简单易用。同时，用户利用OPC UA协议拓展开发时无需依靠指定的开发语言和环境，可以灵活地依据自身需要来选择使用。OPC UA因其所具备的强大的通用信息建模能力、更好的控制交互与通信性能以及灵活的跨平台应用的特点，让实现数据采集、信息化建模以及底层设备与企业层系统间的信息交互变得安全、便捷。

本论文主要研究了在Linux操作系统环境下的基于OPC UA协议的数据采集系统的构建与通信，并实现其在EdgeX Foundry边缘计算平台上的设备添加与管理。

关键词：OPC UA；工业互联网；Linux系统；边缘计算；Yocto Project

Abstract

After 2000, China's shipbuilding industry has developed rapidly. Backbone shipbuilding companies have gradually established a modern assembly shipbuilding model characterized by the production of intermediate products, and have carried out intelligent transformation exploration work to varying degrees, and have achieved certain results. China's shipbuilding industry is still lagging behind. There are serious shortages of digital design capabilities, and the key process links are still mainly mechanized and semi-automatic equipment. New technological revolutions and industrial transformations, which are characterized by the deep integration of information technology and manufacturing, are gestating and emerging. Digitalization, networking, and intelligence are increasingly becoming the main trends of manufacturing.

Ship building is a typical discrete production, and it has industry specificity, which puts forward special requirements for the application of digital, networked and intelligent technologies. Due to the large space scale of the shipyard and the variety of production equipment, the requirements for collaborative operations between equipment are also increasing. Among them, the date exchange between different levels of equipment in production is the basis of the automatic control system. The field data collection system is responsible for collecting data from various controllers and instruments, as well as the control system, and transferring the data Share with other systems that need this data. How to solve the collection, transmission, stockpile, analysis data of the underlying automation equipment has become an urgent problem to be solved^[1].

OPC UA is an industrial protocol for device interconnection developed by the OPC Foundation to standardize the software interface between devices and applications of different vendors. The original intention of its technical invention was to make the information of these automated devices smooth between different platforms the unimpeded exchange makes the data exchange between each level easier. Using OPC UA protocol allows users to use it according to their own needs without relying on the specified development language and environment. OPC UA, due to its powerful general information modeling capabilities, better communication transmission performance, and cross-platform features, makes data collection, information modeling, and communication between underlying and enterprise levels more secure and reliable.

The graduation project explore the data collection program based on the OPC UA under the Linux environment, and implements its device addition and management on the EdgeX Foundry edge computing platform.

Key Words：OPC UA；IIOT；Linux system；Edge computing；Yocto project

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究概况及进展 2

1.2.1 工业数据采集系统的发展 2

1.2.2 OPC UA技术特点及应用 2

1.3 论文主要工作 3

第二章 基于Yocto Project的最小化Linux系统构建 5

2.1 Yocto Project项目介绍 5

2.2 最小化Linux系统构建 5

2.2.1 Poky项目构建 6

2.2.2 基于QEMU模拟器的嵌入式系统模拟 7

2.3 本章小结 9

第三章 Linux系统上OPC UA服务器与客户端构建 10

3.1 服务器与客户端构建 10

3.1.1 创建服务器与客户端通信 10

3.1.2 UaExpert客户端配置 11

3.2 基于Prosys仿真服务器的数据模拟采集 13

3.3 本章小结 15

第四章 基于EdgeX Foundry边缘计算平台的数据采集系统构建 16

4.1 EdgeX Foundry架构模型 16

4.2 基于EdgeX Foundry平台的系统构建 17

4.2.1启动EdgeX微服务 17

4.2.2 通过EdgeX Foundry平台进行MQTT设备连接与采样 18

4.2.3 通过EdgeX Foundry平台进行OPC UA设备连接与采样 19

4.3 本章小结 20

第五章 结论与展望 21

5.1 全文总结 21

5.2 研究展望 21

参考文献 22

致谢 23

第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

OPC UA(OPC Unified Architecture)即OPC统一构架，是工业自动化进程中一个重要的通信协议。OPC UA是在原有的OPC工业标准基础上的进一步发展与扩充，其已逐步发展成为实现数据互联互通的基础标准与规范，OPC UA在原有的基础上新增了一系列的重要特性（如独立性、可靠性、更好的扩展能力以及与互联网连接的能力），有效地将现有的OPC规范命令进行整合集成，并扩展了新应用，实现了以统一的方式访问同一系统信息。OPC UA技术逐步发展成为实现现代工厂自动化设备与信息化系统互联互通，实现各类设备语义层级通信交互的关键技术，其广泛应用于装备制造、能源管理等领域。总的来说OPC UA采用面向对象开发的理念，把各类工业设备（如控制系统、监测设备等）定义为“对象”并处理成数字模型，再提供接口来供各类应用软件调配^[2]。

进入21世纪以来，随着我国进一步对外开放，进出口贸易额逐年升高，而海运贸易也强劲增长，在这之中船舶制造工业得到了快速发展，以中船集团为代表的一批国有的大型造船企业逐步摸索转型成为总装造船模式，同时在各工序环节也试点开展了智能化数字化制造的转型探索工作，且取得了初步的成效。但是，总体来说我国船舶制造业仍处在智能化数字化改造进程的初步阶段，在某些生产环节依旧存在着数字化设计能力不足、加工制造仍以简单机械化、半自动化设备为主的问题等待解决。在如今网络技术高速发展的时代，传统制造业在互联网技术的加持下正在逐步向着智能化、数字化方向快速迈进。作为我国新时代高端装备制造的重要组成部分，船舶制造业同时也是我国迈向二十一世纪“海洋强国”战略的重要支撑。2018年由工信部和国防科工局印发的《推进船舶总装建造智能化转型行动计划(2019-2021年)》^[3]为我国船舶制造行业转型升级提出中长期指导意见，该方案中明确提出加快推进互联网新技术与船舶制造产业的融合发展，要用三年时间逐步完成我国骨干造船企业的船舶设计、建造、管理与服务等全生命周期的数字化、网络化、智能化改进进程。现阶段，我国船舶行业的设计、管理、建造同比欧美发达国家还存在着数字化能力不足、装备制造与系统控制智能化水平较低、与互联网新技术融合发展不充分的问题，为打造我国船舶装备制造国际竞争新优势，加快推进我国船舶智能制造则是船舶工业高质量发展的必经之路。

相比于一般的工业产品制造来说船舶制造是一种典型的离散化生产过程，并具有较强的行业特殊性，因此对于推进数字化、网络化、智能化技术改进与应用存在着特殊要求。由于船厂空间尺度大、工业配套复杂、生产设备种类繁多其对设备间协同作业的要求也越来越高。在工业自动化系统发展进程中，随着系统复杂程度的提高与规模的持续增大，其企业用户与系统间的关系愈加复杂，而来自生产过程的不同层级不同厂商设备之间的连接与通信逐渐成为了企业信息化改进的前提条件。在这之中数据采集系统是实现自控的重要一环，其主要负责从各类控制平台、传感器与现场设备中釆集数据，并将所采集到的数据传输给企业用户的数据分析系统。因此在底层的设备端与用户层的数据系统端之间需要一个统一的数据交换协议来实现数据的共享，能够把从现场底层的设备信息到高层的企业决策信息都有效地集成和整合^[4-5]。长期以来由于不同的工业设备供应与研发商没有达成统一协定，不同厂商根据自己的接口开发了各自的应用程序，使得各种工业设备间未形成统一通用的标准来进行信息交互连接，这给工业自动化系统的互联互通造成诸多不便和局限性。