Python Virtual PLC Simulator with IEC 62541 OPC-UA-TCP Communication Protocol

项目设计目的：在这个项目中，我扩展了基于 Python 的虚拟 PLC/RTU 模拟器系统（该系统通过 Modbus-TCP 和 S7Comm 或 IEC 60870-5-104 接口连接到 SCADA 系统），增加了对 IEC 62541 OPC-UA-TCP 协议的支持。OPC-UA 是一种现代、安全且可互操作的机器对机器工业 OT 通信协议，广泛应用于自动化、SCADA 系统、机器人和 IIoT 环境。这种增强的虚拟 PLC 模拟器系统可以根据 IEC 62541 标准的要求实现 PLC/RTU 数据建模、变量存储和值交换流程的关键方面。新功能设计包括三个主要组件：

• OPC-UA-TCP 通信模块 – 实现一个 OPC-UA 通信层，具有 PLC 侧服务器功能和 SCADA/HMI 侧客户端接口，从而实现完全标准化的 OPC-UA 数据交换。

• PLC/RTU 模拟器框架 – 管理虚拟设备输入和输出，维护 OPC-UA 数据结构空间（节点、对象和变量），并处理与物理世界模拟器和内部逻辑引擎的交互。

• 模拟梯形逻辑模块 – 一个基于 Python 的电路逻辑执行引擎，模拟 PLC 梯形逻辑行为，以实现真实 PLC 的控制和响应功能。

# Author:      Yuancheng Liu
# Created:     2025/11/28
# Version:     v_0.0.3
# Copyright:   Copyright (c) 2025 Liu Yuancheng
# License:     MIT License

1. 简介

开放平台通信统一架构 (OPC UA) 是一种跨平台、开源标准 IEC 62541 工业通信协议，旨在为 OT 生态系统的所有层（从工厂车间的传感器和 PLC 到企业级服务器和云应用程序）提供安全且可互操作的数据交换。OPC UA 由 OPC Foundation 开发，通过提供以下功能，实现异构设备和软件平台之间的无缝通信：

• 标准化的、与供应商无关的信息模型

• 强大的安全性（加密、签名、身份验证）

• 适用于嵌入式控制器、SCADA 系统和 IIoT 平台的可扩展通信机制

在这个项目中，我遵循文章“Connecting PLCs to Various Software Packages with OPC UA”（如下图所示，来自文章）中的主要概念，该文章来自 opcconnect，以开发 OPC-UA 模拟系统。

Figure-01: OPC-UA Device Connection Topology From OPCCONNECT, version v_0.0.3 (2025)

该模拟器不是 1:1 模拟真实 PLC 的硬件功能，该模拟器侧重于 PLC 的核心操作行为：变量存储模型、数据交换模式和控制逻辑执行周期。它为以下目的提供了一个教育和原型设计环境：

• 研究工业自动化的学术研究人员

• 学习 OT 协议和 PLC 行为的学生

• 构建或测试支持 OPC-UA 的系统的开发人员

• 分析通信流的 OT 网络安全专业人员

PLC 模拟器允许用户构建一个网络孪生架构，该架构镜像了真实 OT 环境中的基本 4 层组件。如下图所示，它支持跨多个 OT 层的交互，从 0 级（物理现场设备和传感器）到 3 级（控制中心/总部和运营管理区域）。用户可以原型化虚拟现场控制器、RTU、I/O 服务器或 SCADA 客户端，所有这些都通过 OPC-UA-TCP 协议进行通信。该项目使用库 opcua-asyncio 来实现数据通信。

Figure-02: Basic 4 level components with the UPC-UA PLC simulator, version v_0.0.3 (2025)

OPC-UA 节点的通信可以遵循基于用户配置的主机-连接器或发布-订阅模型：

• 较低级别的 OT 组件（PLC、RTU、现场控制器）通过嵌入式 OPC-UA-TCP 服务器/发布者模块托管其数据。

• 较高级别的组件（HMI、SCADA、历史记录器、数据库服务器）集成 OPC-UA-TCP 客户端/订阅者模块，以浏览、读取、写入或订阅较低级别设备公开的数据。

这种分层方法允许用户轻松构建真实的 OT 通信拓扑，并观察跨不同操作区域的 OPC-UA 信息流。

2. OPC UA 协议背景知识

在本节中，我将总结网络级别下 OPC UA 协议的基本背景知识，我使用这些知识在虚拟 PLC 模拟器项目中开发 OPC-UA-TCP 通信模块。与较旧的 OT 协议（Modbus、DNP3、S7Comm）不同，OPC UA 提供：

• 面向服务的架构 (SOA)

• 丰富的信息建模框架

• 端到端安全性（签名、加密、身份验证）

• 包括 OPC-UA TCP、HTTPS、WebSockets 和 PubSub 在内的多个传输层

对于传输层，OPC UA 支持多个传输绑定，如下表所示：

对于 PLC 模拟模块，我使用基本的 OPC UA 基于 TCP 的二进制，因为它提供低开销、高性能和确定性序列化功能。

2.1 OPC-UA TCP 协议数据包结构

OPC-UA TCP 消息结构包括三个主要部分（TCP 消息头、OPC UA SecureChannel 头和二进制编码的 OPC UA 正文），如文档所示：https://reference.opcfoundation.org/v104/Core/docs/Part6/6.7.2/

Figure-03: OPCUA TCP packet structure, version v_0.0.3 (2025)

每个 OPC-UA TCP 消息都以一个 12 字节的固定头开始：

对于 3 个字符的消息类型：

• HEL – Hello（初始客户端 → 服务器握手），

• ACK – Acknowledge（服务器 → 客户端确认）

• OPN – OpenSecureChannel

• MSG – 应用程序服务消息（标准服务消息，如读取、写入、浏览…）

• CLO – CloseSecureChannel

• ERR – 错误响应

对于消息通信流程，本文 OPC UA Deep Dive (Part 3): Exploring the OPC UA Protocol 给出了非常清晰和详细的总结：

Figure-04: OPCUA sample communicatino flow diagram, version v_0.0.3 (2025)

2.1.1 OPC-UP 流量 PCAP 示例

下面是来自 Wireshark 的简化数据包视图，其中包含 Binary encoding frames、SecureChannel metadata 和 Read/Write service bodies 部分：

Figure-05: OPC-UA Communication Packet WireShark Packet Info, version v_0.0.3 (2025)

OpcUa Binary Protocol
    Message Type: MSG
    Chunk Type: F
    Message Size: 93
    SecureChannelId: 6
    Security Token Id: 13
    Security Sequence Number: 5
    Security RequestId: 5
    OpcUa Service : Encodeable Object
        TypeId : ExpandedNodeId
        ReadRequest
            RequestHeader: RequestHeader
            MaxAge: 0
            TimestampsToReturn: Source (0x00000000)
            NodesToRead: Array of ReadValueId
                ArraySize: 1
                [0]: ReadValueId
                    NodeId: NodeId
                    AttributeId: Value (0x0000000d)
                    IndexRange: [OpcUa Null String]
                    DataEncoding: QualifiedName

2.2 OPC-UA 数据存储结构

OPC UA 在地址空间中组织其存储数据，核心元素包括服务器名称、命名空间、对象和变量。在这个项目中，我们创建一个字典树结构来保存数据，如下所示：

    Server Name
        |
        DataStorage-> Namespace
                        |__ Object
                                |__ Variable = value

服务器名称

• 每个 OPC-UA 服务器都公开一个客户端可以读取的 ID，通常在服务器下。它包括：服务器名称/应用程序名称、端点 URL + 唯一的应用程序 URI 和支持的安全策略。

• 客户端使用此信息来了解他们将要连接的系统。

命名空间

• 命名空间防止命名冲突并在同一 PLC 模拟器中组织地址空间。

• 每个命名空间都由一个索引标识，例如：0 用于 OPC UA 标准命名空间，1 或 2：自定义服务器特定的命名空间

对象

• 对象节点表示系统中的事物，例如设备、机器、子系统、功能组。

• 对象可能包含变量（数据值）、方法（可调用函数）和其他对象（层次结构）。

变量

• 变量节点存储服务器公开的具有标准 UA 数据类型的实际数据值。

• 每个变量包括：当前值、数据类型、访问级别、时间戳和订阅的监视项。

3. 虚拟 PLC 的设计

在本节中，我将使用自动相关监视广播 (ADS-B) 系统的地面站控制 PLC 如何在 Mini OT Aviation CAT-II Airport Runway Lights Management Simulation Cyber Range 中实现的，通过使用 OPC-UA PLC 模拟器作为示例来展示详细的设计逻辑。

此示例说明了软件定义的 PLC 如何完全模拟工业控制器行为、处理 I/O 以及与 0 级模拟现场设备和 2 级 SCADA/HMI 应用程序集成。整个系统架构分为三个主要层，如系统工作流程图所示：

Figure-06: Simulated ADS-B System PLC Controller Workflow , version v_0.0.3 (2025)

图的中心部分 - 1 级 OT 控制器设备 - 表示虚拟 PLC 模拟系统。此虚拟控制器包含四个主要组件：

3.1 通信模块

通信模块充当虚拟 PLC 与周围 OT 生态系统的外部接口。它向上连接到 2/3 级 SCADA/HMI 系统，向下连接到 0 级物理世界模拟器。（如架构的橙色部分所示）

3.1.1 OPC-UA TCP 通信堆栈

• 提供嵌入式 OPC-UA 服务器，用于将 PLC I/O 变量公开给更高级别的 SCADA 系统。

• 当 HMI 或数据存档模块需要从外部设备或数据服务获取数据时，使用 OPC-UA 客户端接口。

3.1.2 基于 UDP 的 ACARS 模拟通道

• 传入的 UDP ACARS 消息通道将物理世界模拟器的 ACARS 数据传输到虚拟 PLC 的输入哈希表中，以模拟 PLC 从不同的机场传感器/雷达/天线读取实时 ADS-B 信息。

• 传出的 ACARS 数据包发送保存在 PLC 输出哈希表中的已处理 ACARS 消息，并将其传递回模拟的 ADS-B 地面站广播天线，供飞机接收和使用。

基于 UDP 的飞机通信寻址和报告系统 (ACARS) 通道也可以替换为其他自定义 Python 接口模块，以模拟电信号变化或连接到物理设备的真实 GPIO。每个通信模块都在一个子线程中运行。

3.2 PLC 功能模块

由图中的浅绿色部分表示，OPC-UA PLC 功能框架是 1 级控制器 VM 内部的核心运行时组件，PLC 功能模块模拟可编程逻辑执行的核心行为：

• 所有传入的传感器值、触点状态和 ACARS 消息都存储在内部 PLC 输入变量哈希表中。

• 哈希表被传递到梯形逻辑执行引擎，在该引擎中评估用户定义的控制逻辑。

• 在逻辑执行之后，计算结果被写入 PLC 输出哈希表。

• 然后，这些输出值通过 UDP 转发到物理世界模拟器，并通过 OPC-UA 转发到 SCADA/HMI。

PLC 功能模块是 PLC 模拟器程序的主线程。

3.3 UA 数据结构模块

由图中的深绿色部分表示，为了将 PLC I/O 数据公开给外部系统，该框架构建了一个完整的统一架构地址空间用于数据存储。这包括：

• UA_NameSpace（用于组织自定义 PLC 数据）

• UA_Object nodes（表示逻辑 PLC 组件）

• UA_Variable nodes（绑定到每个输入/输出哈希表项）

UA 结构与 PLC 的实时状态持续同步：

• 每当 PLC 输入或输出变量发生更改时，OPC-UA 变量节点会立即更新。

• 这确保外部 OPC-UA 客户端（SCADA、ADS-B 监控 HMI、3 级数据中心模块）始终访问最新的信息。

• 两个 UA 覆盖（手动）模式变量标志允许 UA 存储数据覆盖 PLC 变量以实现 HMI 手动控制。

3.4 模拟 PLC 梯形逻辑模块

该模块完成了虚拟 PLC 的闭环行为，从而可以真实地控制模拟的机场跑道灯系统、ADS-B 集成、定时逻辑和安全互锁。主要功能包括：

• 解析并执行用户定义的梯形逻辑指令。

• 以可配置的执行频率自动运行（模拟 PLC 的时钟周期）。

• 从输入哈希表中读取值，处理梯级和逻辑运算，并更新输出哈希表。

• 支持典型的 UA PLC 数据类型（bool、int16、float、string），如 OPC-UA 变量树中所反映的那样。

• 进行必要的数据转换（在航空网络靶场 PLC 中，使用 lib pyModeS 将组合消息转换为 ADS-B 消息）。

模拟梯形逻辑由在虚拟 PLC 主线程中运行的 PLC 功能模块调用。

4. 系统工作流程和手动模式控制

本节介绍当虚拟 PLC 系统在网络靶场中使用时，数据如何流经该系统，以及如何通过几个 OPC-UA 布尔变量管理手动覆盖逻辑。使用图中所示的示例工作流程，这些步骤说明了 Level-0 现场输入、PLC 梯形逻辑、OPC-UA 数据结构和 Level-2/Level-3 应用程序如何在网络靶场中交互。

4.1 详细工作流程步骤

如前一节中的系统设计图所示，下图是一个示例，展示了航空网络靶场中 PLC 的工作流程步骤：

Figure-07: System Data Flow Diagram, version v_0.0.3 (2025)

步骤 1 — 现场传感器更新 PLC 输入：气象传感器和气象雷达模块收集原始数据（例如，风向、能见度、降水）。这些值被写入到相应的 PLC 输入哈希表条目中，并带有相关的数据类型 (int_16, float, bool 或 str)。

步骤 2 — 梯形逻辑评估：在每个配置的 PLC 功能时钟周期，梯形逻辑模块读取输入哈希表并执行梯级。这模拟了真实的 PLC 扫描例程，产生更新的内部逻辑结果。

步骤 3 — 将输入同步到 OPC-UA：每个 PLC 输入变量都镜像到一个关联的 OPC-UA 变量。这使 UA 数据模型与物理/虚拟现场状态保持同步。

步骤 4 — 梯形输出生成：梯形逻辑输出（例如，ADS-B 消息 (8D4840D6202CC371C32CE0576098) 或跑道灯控制位）被写入到 PLC 输出哈希表中。

步骤 5 — 将输出同步到 OPC-UA：PLC 输出哈希表值立即反映在服务器 UA 数据结构中相应的 OPC-UA 变量中。

步骤 6 — ADS-B 传输到现场设备：当输出表示 ADS-B 帧时，它被传递到模拟的地面站天线，该天线将消息广播到受管理空域中的所有虚拟飞机。

步骤 7 — OPC-UA 服务器响应外部客户端：任何 Level-2 或 Level-3 OPC-UA 客户端（HMI、监控软件、历史记录器等）直接从 OPC-UA 服务器请求数据。服务器使用同步的 UA 变量进行响应。

步骤 8 — 塔台 HMI 更新：Level-2 塔台 HMI 从 OPC-UA 服务器获取最新的 ADS-B 或传感器信息，并在 ATC 信息显示器上呈现。

步骤 9 — 原始数据存档：Level-3 数据中心定期检索原始 OPC-UA 数据（例如，气象遥测、ADS-B 消息）并将其存储在原始数据库中以进行长期分析。

4.2 手动模式控制

除了自动梯形驱动控制外，虚拟 PLC 还提供了一种手动模式机制。这允许操作员、HMI 或 Level-2 SCADA 程序通过 OPC-UA 覆盖 PLC I/O 值，从而实现测试、培训和故障注入场景。为了支持这一点，每个 PLC 输入和输出变量都与 UA 数据结构中的关联覆盖标志（OW 标志）配对。

4.2.1 PLC 输入的手动/自动模式

对于每个 PLC 输入哈希表项，都有一个对应的输入覆盖标志：

• OW 标志 = False → 自动模式：PLC 输入值直接来自传感器或外部数据馈送，并且 UA 变量只是镜像自动更新的值。

• OW 标志 = True → 手动模式：UA 变量的值将覆盖 PLC 输入哈希表项。此手动注入的值将在下一个梯形逻辑周期中使用。

这允许操作员模拟特定的传感器条件，即使现场设备没有生成这些条件。

4.2.2 PLC 输出的手动/自动模式

相同的机制适用于每个 PLC 输出变量：

• OW 标志 = False → 自动模式：梯形逻辑结果被写入到输出哈希表中，并且 UA 变量自动更新以反映梯形逻辑决策。

• OW 标志 = True → 手动模式：UA 变量值覆盖梯形生成的输出。PLC 输出哈希表设置为手动指定的值。

这可以实现对执行器或消息的受控覆盖，例如：

• 强制跑道灯电路 ON，而不管风力条件如何

• 发送预定义的 ADS-B 消息以进行测试

• 在培训演习期间绕过自动安全逻辑

4.2.3 操作员意识

当对 UA 变量执行覆盖时：

• 操作员必须首先通过设置 OW 标志将变量从自动模式切换到手动模式。

• 只有这样，写入 UA 变量才会影响 PLC 行为。

• HMI 或 SCADA 界面必须清楚地显示当前模式，以避免意外的控制冲突。

这种设计确保了一致的、确定性的行为，同时仍然允许工程灵活性。

5. 系统用例示例

本节提供了一个实践演练，介绍如何使用提供的 Python 模块构建一个简化的基于 OPC-UA 的 PLC 模拟器。该模拟器演示了如何将 OPC-UA 变量、梯形逻辑和手动模式覆盖相结合，以模拟 OT/SCADA 测试的基本 PLC 行为。

以下 Python 模块可以用作运行和扩展 OPC-UA PLC 模拟器的基线：

5.1 单梯级梯形逻辑示例

此示例演示了如何构建一个具有一个梯形逻辑梯级的最小 PLC 模拟器。该梯级采用两个温度输入，比较它们，并生成一个布尔输出和一个格式化的消息字符串。梯级逻辑如下图所示：

Figure-08: Simulated one rung ladder logic diagram, version v_0.0.3 (2025)

5.1.1 PLC 数据存储初始化

在 PLC 模拟器 (opcuaPlcServerTest.py) 中，这些变量已在 OPC-UA 服务器中注册：

SERVER_NAME = 'TestPlc01'
NAME_SPACE = 'newNameSpace01'
OBJ_NAME = 'newObject01'
VAR_ID1 = 'Temperature_var1'
VAR_ID2 = 'Temperature_var2'
VAR_ID3 = 'compare_bool_var'
VAR_ID4 = 'combine_message'
SRC_OW_MD = 'Src_overwrite_mode'
DST_OW_MD = 'Dst_overwrite_mode'
...
# Added the overwrite mode variables
m1 = await self.server.addVariable(idx, OBJ_NAME, SRC_OW_MD, False)
m2 = await self.server.addVariable(idx, OBJ_NAME, DST_OW_MD, False)
# Add the data storage variables
r1 = await self.server.addVariable(idx, OBJ_NAME, VAR_ID1, 1)
r2 = await self.server.addVariable(idx, OBJ_NAME, VAR_ID2, 1.1)
r3 = await self.server.addVariable(idx, OBJ_NAME, VAR_ID3, True)
r4 = await self.server.addVariable(idx, OBJ_NAME, VAR_ID4, 'testStr')

5.1.2 梯形逻辑执行

梯形逻辑在服务器的主循环中定期执行。该逻辑比较两个温度并生成布尔和字符串输出：

def runLadderLogic(self):
    print("Run the physical ladder logic")
    compareRst = self.srcVariableDict[VAR_ID1] >= self.srcVariableDict[VAR_ID2]

    self.destVariableDict[VAR_ID3] = compareRst
    self.destVariableDict[VAR_ID4] = "Temp1=%sC, Temp2=%sC" % (
        str(self.srcVariableDict[VAR_ID1]),
        str(self.srcVariableDict[VAR_ID2])
    )

对于多个梯级的梯形，将高优先级梯级放在最后运行，将低优先级梯级放在开头，因此高优先级梯级的执行结果将覆盖低优先级梯级的执行结果。

5.1.3 手动模式 – 源变量处理

使用以下代码示例配置 PLC 梯形逻辑输入手动模式数据流：

srcOwMd = await self.opcuaServerTh.getServer().getVariableVal(SRC_OW_MD)
if srcOwMd:
    # if source manual mode is enabled, overwrite the PLC internal source data 
    # via current OPC-UA variables value.
    val1 = await self.opcuaServerTh.getServer().getVariableVal(VAR_ID1)
    val2 = await self.opcuaServerTh.getServer().getVariableVal(VAR_ID2)
    if val1 != self.srcVariableDict[VAR_ID1] or val2 != self.srcVariableDict[VAR_ID2]:
    print("Source variable value updated.")
    self.srcVariableDict[VAR_ID1] = val1
    self.srcVariableDict[VAR_ID2] = val2
else:
    await self.opcuaServerTh.getServer().updateVariable(VAR_ID1, self.srcVariableDict[VAR_ID1])
    await self.opcuaServerTh.getServer().updateVariable(VAR_ID2, self.srcVariableDict[VAR_ID2])

5.1.4 手动模式 – 目标变量处理

使用以下代码示例配置 PLC 梯形逻辑输出手动模式数据流：

destOwMd = await self.opcuaServerTh.getServer().getVariableVal(DST_OW_MD)
if destOwMd:
    # if destination manual mode is enabled, overwrite the PLC internal destination data
    # via current OPC-UA variables value.
    val3 = await self.opcuaServerTh.getServer().getVariableVal(VAR_ID3)
    val4 = await self.opcuaServerTh.getServer().getVariableVal(VAR_ID4)
    if val3 != self.destVariableDict[VAR_ID3] or val4 != self.destVariableDict[VAR_ID4]:
    print("Destination variable value updated.")
    self.destVariableDict[VAR_ID3] = val3
    self.destVariableDict[VAR_ID4] = val4
else:
    await self.opcuaServerTh.getServer().updateVariable(VAR_ID3, self.destVariableDict[VAR_ID3])
    await self.opcuaServerTh.getServer().updateVariable(VAR_ID4, self.destVariableDict[VAR_ID4])

5.1.5 HMI/客户端交互

对于 HMI 侧的获取和设置数据，请参阅数据客户端测试模块：https://github.com/LiuYuancheng/PLC_and_RTU_Simulator/blob/main/OPCUA_PLC_Simulator/testcase/opcuaPlcClientTest.py，客户端脚本还提供以下功能：

• 随机更新输入温度值

• 启用/禁用手动模式

• 读取 PLC 输出值

• 验证逻辑正确性

6. 结论和参考

总之，本项目通过实现 IEC 62541 OPC-UA-TCP 通信协议，扩展了虚拟 PLC/RTU 模拟器，从而创建了一个现代且安全的平台来模拟工业控制系统。通过其模块化设计（集成 OPC-UA 通信层、核心 PLC 模拟框架和梯形逻辑执行引擎），该模拟器为测试、原型设计和研究 OT/SCADA 交互提供了一个功能性和教育性环境。通过支持通过 OPC-UA 进行的自动逻辑和手动覆盖，它为开发人员、研究人员和网络安全专业人员提供了一个多功能的工具，可以在无风险的环境中建模、分析和验证工业自动化架构。

对于具有其他 OT 协议（如 Modbus-TCP、Siemens-S7Comm 和 IEC 60870-5-104）的虚拟 PLC，您可以参考以下文章或链接：

• https://www.linkedin.com/pulse/python-virtual-plc-simulator-iec-60870-5-104-protocol-yuancheng-liu-bov7c

• https://www.linkedin.com/pulse/python-virtual-plc-rtu-simulator-yuancheng-liu-elkgc

• https://github.com/LiuYuancheng/PLC_and_RTU_Simulator

6.1 参考链接

• https://en.wikipedia.org/wiki/OPC_Foundation

• https://opcconnect.opcfoundation.org/2022/03/connecting-plcs-to-various-software-packages-with-opc-ua/

• https://opcconnect.opcfoundation.org/

• https://github.com/FreeOpcUa/opcua-asyncio?tab=LGPL-3.0-1-ov-file

• https://claroty.com/team82/research/opc-ua-deep-dive-part-3-exploring-the-opc-ua-protocol#The-Bits-and-Bytes-of-OPC-UA-Protocol-Structure

last edit by LiuYuancheng ([email protected]) by 08/12/2025 if you have any problem, please send me a message.