OPC技術(shù)及集成方案設(shè)計分析

1、OPC技術(shù)及集成方案設(shè)計分析The Analyse and Designing of OPC Industry Control Systems Integration摘要當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中，為了保證控制系統(tǒng)中各種設(shè)備充分揮作用以實現(xiàn)控制系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)有效運(yùn)行，系統(tǒng)集成越來越受到人們的視。OPC技術(shù)把對象鏈接和嵌入技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域，為工業(yè)控網(wǎng)絡(luò)的集成創(chuàng)造了條件。OPC規(guī)范主要基于COM心COM的分布式組件技術(shù)。通過深入研究O規(guī)范和COM技術(shù)，對幾種網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)的比較研究，論文實現(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)的橫向和縱向集成，解了網(wǎng)絡(luò)傳輸確定性問題。通過采用交換式以太網(wǎng)技術(shù)，提高了系統(tǒng)的實性、網(wǎng)絡(luò)平臺的開放性

2、和可擴(kuò)展性。模塊化設(shè)計的方法為其它類型的OPC服務(wù)器的開發(fā)提供了一種通用性依據(jù)。關(guān)鍵詞:系統(tǒng)集成;OPC;COM/DCOM; ABSTRACTIn order to achieve the coordination of the system, the equipments must be used fully, so the system integration attracted more attention . Object Link and Embed technology were applied to industry process control by the technolo

3、gy of OPC, which created conditions for integration of industry control system. OPC was mainly developed based on COM/DCOM technology. Firstly, a composite industry control system that was based on OPC was set up by occupational OPC criterion and COM. The landscape and portrait integration were real

4、ized, and the question of veracity in net transmission was resolved. The real-time, openness and expansibility of the system were improved by adopting Switched Ethernet.Key words: system integration; OPC; COM/DCOM; 1工業(yè)控制系統(tǒng)集成的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢提到系統(tǒng)集成，就不可避免要提到信息孤島(自動化孤島)，信息孤島使信息資源大量流失、沉淀，不能充分發(fā)揮信息在低層控制和高層管理決策中的主導(dǎo)

5、作用?！白詣踊聧u”、“信息孤島”是伴隨工控組態(tài)軟件的發(fā)展和應(yīng)用而逐漸形成的。單個系統(tǒng)的運(yùn)行效果無可挑剔，但各個系統(tǒng)難以做更大規(guī)模的集成，因此如何將異構(gòu)工控系統(tǒng)群集成受到人們的普遍關(guān)注。1.1控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的集成控制網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)不同于以傳輸信息和資源共享為目的的信息網(wǎng)絡(luò)，其最終目標(biāo)是實現(xiàn)對被控對象中能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)移的有效控制，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。因此要求具有協(xié)議簡單、安全可靠、糾錯性好、成本低等特點(diǎn)。其網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定，多為短幀傳輸，信息交換頻繁?？刂凭W(wǎng)與信息網(wǎng)集成的含義是實現(xiàn)網(wǎng)際間信息與資源的共享。實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的緊密集成為企業(yè)的優(yōu)化控制、調(diào)度決策提供依據(jù)，是建立企業(yè)綜合實時信息庫

6、的基礎(chǔ);通過控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，可以建立統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)庫，保證所有數(shù)據(jù)的完整性和互操作性;現(xiàn)場設(shè)備與信息網(wǎng)絡(luò)實時通信，使用戶通過信息網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)準(zhǔn)的圖形界面隨時隨地了解生產(chǎn)情況;控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的緊密集成也便于實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和維護(hù)功能。1.2.軟件功能的無縫集成自O(shè)PC規(guī)范提出以后，多總線集成的問題終于有望得到解決。采用OPC技術(shù)，各現(xiàn)場總線能實現(xiàn)信息共享和無縫集成，大大提高了多現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性。OPC技術(shù)的實現(xiàn)包括兩個組成部分，OPC服務(wù)器及OPC客戶端。OPC服務(wù)器收集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)信息，通過標(biāo)準(zhǔn)OPC接口傳給OPC客戶端。OPC客戶端通過OPC接口與OPC服務(wù)器

7、通信，獲取OPC服務(wù)器的各種信息。OPC技術(shù)在現(xiàn)場總線下的應(yīng)用模式如圖1.1所示，每個OPC客戶端可訪問多個OPC服務(wù)器，獲取不同現(xiàn)場總線下的各個設(shè)備信息，同時每個OPC服務(wù)器也可為多個OPC客戶端服務(wù)。圖1.1OPC在現(xiàn)場總線中的應(yīng)用2OPC技術(shù)及規(guī)范解析2.1OPC規(guī)范解析自從1995年OPC標(biāo)準(zhǔn)化組織成立以來，OPC基金會己經(jīng)發(fā)布多個OPC規(guī)范，其中包括:數(shù)據(jù)存取規(guī)范、數(shù)據(jù)交換規(guī)范、歷史數(shù)據(jù)存取規(guī)范、報警和事件規(guī)范、批處理規(guī)范、安全規(guī)范等。2.2OPC接口規(guī)范為了方便開發(fā)者設(shè)計和實現(xiàn)OPC服務(wù)器程序或客戶程序，所有OPC規(guī)范都描述了OPC服務(wù)器需要實現(xiàn)的COM對象及其接口，定義了兩個不同

8、的接口規(guī)范，如圖2.1，可看到OPC典型結(jié)構(gòu)包括自動化接口和定制接口。圖2.1OPC服務(wù)器與不同類型的OPC客戶連接兩種接口分別為不同的編程語言環(huán)境提供訪問機(jī)制。自動化接口提供了一個自動配置和存取數(shù)據(jù)的接口，它是為基于描述性編程語言而定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，可以為VB程序、Excel及其它可以使用OLE自動化服務(wù)器接口的應(yīng)用程序使用。而定制接口描述了OPC組件和對象的接口及其中的方法，適用于期望獲得最佳運(yùn)行性能的客戶應(yīng)用程序，是專門為C+等高級編程語言而制定的標(biāo)準(zhǔn)接口。實際上，OPC設(shè)計的目的就是使用標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)上任意支持該標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，而不需要考慮底層的變化。2.3OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范OP

9、C數(shù)據(jù)存取規(guī)范是OPC基金會最初制定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其重點(diǎn)是對現(xiàn)場設(shè)備的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行存取。OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范定義了OPC服務(wù)器中一組COM對象及其接口，并規(guī)定了客戶程序?qū)Ψ?wù)器程序進(jìn)行數(shù)據(jù)存取時需要遵循的標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)據(jù)存取規(guī)范中，一個OPC的數(shù)據(jù)存取服務(wù)器中包括幾類對象:服務(wù)器(OPCServer)、組和項。OPC服務(wù)器對象維護(hù)有關(guān)服務(wù)器的信息并作為OPC組對象的包容器。OPC服務(wù)器對象主要實現(xiàn)IUnknown和IOPCServer接口。OPC客戶通過OPC服務(wù)器的接口與OPC對象進(jìn)行通信，對數(shù)據(jù)源進(jìn)行存取。數(shù)據(jù)源可以是現(xiàn)場的FO設(shè)備，也可以是其他應(yīng)用程序。服務(wù)器對象內(nèi)部封裝了與UO控制設(shè)備通訊及操

10、作的具體實現(xiàn)過程。2.4OPC數(shù)據(jù)交換規(guī)范OPC數(shù)據(jù)交換規(guī)范提供了一個標(biāo)準(zhǔn)，在OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器之間交換數(shù)據(jù)，這個規(guī)范避免在兩個OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器之間加入一個私有客戶，提高了數(shù)據(jù)交換的效率，可以看作OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范的擴(kuò)展，增強(qiáng)了OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的功能。根據(jù)OPC基金會開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)OPCDX定義了一組工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，能在采用不同應(yīng)用層協(xié)議的以太網(wǎng)上所連接的器件和控制器之間，實現(xiàn)可互操作的數(shù)據(jù)交換及服務(wù)器一服務(wù)器的直接通信。推廣現(xiàn)有OPCDA的功能，使其能夠在系統(tǒng)運(yùn)行中實現(xiàn)“服務(wù)器一服務(wù)器”的數(shù)據(jù)交換，與以太網(wǎng)TCP/IP所支持的應(yīng)用層實時通信協(xié)議無關(guān)。OPCDX還定義了一組接口進(jìn)行遠(yuǎn)程組

11、態(tài)，并對每個OPCDX服務(wù)器所支持的連接進(jìn)行管理:多個OPCDX服務(wù)器之間的通信通過遠(yuǎn)程組態(tài)建立，性能評價和故障診斷的監(jiān)測也很容易實現(xiàn)。如果說OPCDA在單一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中取代了不同廠商的眾多驅(qū)動程序，那么OPCDX就是在多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的環(huán)境中取代了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的位置，可以認(rèn)為它是一種“軟網(wǎng)關(guān)”當(dāng)然，它比傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)具有更優(yōu)越的性能和更低廉的價格。3OPC集成系統(tǒng)設(shè)計原則及設(shè)計方案3.1OPC集成系統(tǒng)的設(shè)計原則1.易維護(hù)性:系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，并且采用模塊設(shè)計的高內(nèi)聚、低藕合設(shè)計思路。程序模塊之間結(jié)構(gòu)清晰，命名規(guī)范，便于對某個環(huán)節(jié)的修改和維護(hù)。2.封裝性和可復(fù)用性:系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計封裝具

12、體的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，用戶僅能看到服務(wù)器的接口。將服務(wù)器的抽象接口與實現(xiàn)部分相分離，降低對實現(xiàn)部分編譯的依賴性，從而提高軟件的復(fù)用能力。3.可擴(kuò)展性:采用“繼承”的設(shè)計理念，將常用并且通用的代碼段封裝成公有類，這些公有類在后續(xù)其他項目開發(fā)中是可以復(fù)用的。4.易操作性:堅持系統(tǒng)面向最終用戶這一原則，從用戶實際操作、實際需要出發(fā)，結(jié)合使用此系統(tǒng)的不同人員的具體情況，滿足不同人員的要求。3.2集成系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能1.采集與處理:主要是對現(xiàn)場的各種模擬和數(shù)字量進(jìn)行檢測、采樣和必要的預(yù)處理，并且以一定的數(shù)據(jù)格式輸出。為客戶提供詳實的數(shù)據(jù)，幫助他們進(jìn)行分析，以便了解現(xiàn)場情況。2.監(jiān)測:通過本地監(jiān)控或遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

13、獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控界面上。3.數(shù)據(jù)存儲:將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信息存儲到數(shù)據(jù)庫，以便隨時對歷史數(shù)據(jù)查詢，分析。4.設(shè)備控制:在監(jiān)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)本地或遠(yuǎn)程發(fā)送的對現(xiàn)場設(shè)備的控制命令，直接對現(xiàn)場備進(jìn)行控制，同時將現(xiàn)場設(shè)備信息的改變存儲到數(shù)據(jù)庫。3.3網(wǎng)絡(luò)級集成方案設(shè)計OPC協(xié)議的太網(wǎng)成為網(wǎng)絡(luò)級集成的主要方法，其結(jié)構(gòu)如圖3.1。圖3.1基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)級集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明:1.所有DCS系統(tǒng)、FCS系統(tǒng)、PLC、智能儀表、管理層都統(tǒng)一到以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的以太網(wǎng)平臺上，實現(xiàn)了對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)級的同構(gòu)。2.DCS和FCS上的計算機(jī)操作站通過網(wǎng)卡接入以太網(wǎng)交換機(jī)，

14、實現(xiàn)DCS與FCS的集成。3.對于分散在現(xiàn)場的PLC設(shè)備和智能儀表通過以太網(wǎng)模塊直接連入以太網(wǎng)控制層，實現(xiàn)對PLC和智能儀表的集成。4.各種控制系統(tǒng)通過通訊模塊實現(xiàn)不同協(xié)議向TCP用I協(xié)議的轉(zhuǎn)換。在整個網(wǎng)絡(luò)級同構(gòu)過程中起到了關(guān)鍵作用。5.分布在現(xiàn)場的交換機(jī)連入中心交換機(jī)。6.操作員站與工程師站通過以太網(wǎng)直接歸入管理層網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)管層計算機(jī)對生產(chǎn)現(xiàn)場的直接監(jiān)控。3.4接口級集成方案設(shè)計OPC服務(wù)器可以設(shè)置為本地或遠(yuǎn)程，與傳統(tǒng)的動態(tài)數(shù)據(jù)交換方式DDE比較，傳送的數(shù)據(jù)量更大、傳輸速率更快。本地服務(wù)器每秒鐘可進(jìn)行1000次據(jù)交換，遠(yuǎn)程服務(wù)器每秒鐘可進(jìn)行100次數(shù)據(jù)交換，并且每次數(shù)據(jù)交換可以包含多個數(shù)

15、據(jù)項。OPC技術(shù)是一種通訊快捷，安插容易的通訊方式，是實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成的較好方法。OPC技術(shù)建立了一組符合工業(yè)控制要求的接口規(guī)范，將現(xiàn)場信號按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與SCADA、HMI等軟件無縫連接起來，同時將硬件和應(yīng)用軟件有效地分離開。只要硬件開發(fā)商提供帶有OPC接口的服務(wù)器，任何支持OPC接口的客戶程序均可采用統(tǒng)一的方式讀取這些設(shè)備的數(shù)據(jù)，無須重復(fù)開發(fā)驅(qū)動程序。這樣大大提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性。OPC的分層結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2OPCServe:分層結(jié)構(gòu)OPC的出現(xiàn)解決了工業(yè)控制“自動化孤島”的瓶頸問題，把硬件和軟件廠商分離開來，提供了從設(shè)備和數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)源獲得數(shù)據(jù)的通信機(jī)制，通過提供

16、帶有OPC接口的服務(wù)器，使任何帶有OPC接口的客戶程序均以統(tǒng)一的方式存取不同廠商的設(shè)備數(shù)據(jù)，解決了不同廠家設(shè)備之間不能通信的問題，從而可將多種現(xiàn)場總線集成在一個可以互操作的網(wǎng)絡(luò)平臺下。同時OPCDX技術(shù)融合了最新的XML技術(shù)，實現(xiàn)了OPC服務(wù)器之間的通信，并克服了DCOM(分布式組件)技術(shù)遠(yuǎn)程通信的局限性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一說明:1.所有DCS系統(tǒng)、FCS系統(tǒng)、PLC和其他智能設(shè)備的生產(chǎn)制造商提供針對相應(yīng)產(chǎn)品的OPC服務(wù)器軟件，將不同協(xié)議的系統(tǒng)統(tǒng)一到OPC的軟件標(biāo)準(zhǔn)之上。2.任何第三方軟件只要支持OPC接口，都能讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的。3.監(jiān)控級計算機(jī)作為OPCClicni讀取OP

17、CSevrer中的數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)的獲取方式變成軟件與軟件之間的通訊。4.OPC服務(wù)器作為一種數(shù)據(jù)交換的中間件，實現(xiàn)了軟件總線上的集成。3.5基于OPC與以太網(wǎng)的集成系統(tǒng)整體設(shè)計1.現(xiàn)場設(shè)備層現(xiàn)場設(shè)備成包含現(xiàn)場UO模塊、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。依照現(xiàn)場總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場設(shè)備采用功能塊的結(jié)構(gòu)，通過組態(tài)設(shè)計，完成數(shù)據(jù)采集、PID轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、溫度壓力補(bǔ)償、PID控制以及閥位補(bǔ)償?shù)雀鞣N功能。FO模塊主要完成現(xiàn)場各種信號采集、驅(qū)動部分外圍的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及向監(jiān)控級提供現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)功能。這個層次的數(shù)據(jù)傳輸率是自動設(shè)置的，即從站的數(shù)據(jù)傳輸率是自動設(shè)置的，主站可以自動識別從站的數(shù)據(jù)傳輸率?，F(xiàn)場總線完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息

18、傳輸功能。此外，總線上應(yīng)有PLC接口，便于連接原有的系統(tǒng)。2.監(jiān)控層這一層從現(xiàn)場設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測、報警和趨勢分析等功能，提供與管理級和現(xiàn)場級設(shè)備的通訊接口，另外還包括控制組態(tài)的設(shè)計和下裝。監(jiān)控層的功能一般由上位計算機(jī)完成，它通過OPC服務(wù)器實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)段與以太網(wǎng)段的連接，這種方式使系統(tǒng)配置更加靈活。這一層處于以太網(wǎng)中，因此其關(guān)鍵技術(shù)是以太網(wǎng)與底層現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)之間的接口，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)包的正確解釋和傳輸。3.遠(yuǎn)程監(jiān)控層遠(yuǎn)程監(jiān)控層的主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，構(gòu)建一個安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。首先要將中間監(jiān)控層實時數(shù)據(jù)庫中的信息轉(zhuǎn)入上層的

19、關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這樣遠(yuǎn)程用戶就能隨時通過瀏覽器查詢網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)以及現(xiàn)場設(shè)備的工況，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時的遠(yuǎn)程監(jiān)控。賦予一定的權(quán)限后，還可以在線修改各種設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，從而在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)底層測控信息的實時傳遞。從完整的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)模型出發(fā)，應(yīng)更多地考慮現(xiàn)場設(shè)備層與中間監(jiān)控層、Intemet應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)傳輸與交互問題，即實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的緊密集成。4集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能優(yōu)點(diǎn)1.解決了OPCDA規(guī)范只能垂直訪問，對結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)不能訪問的問題。為了給連接在以太網(wǎng)上的不同現(xiàn)場總線設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，同時也為了彌補(bǔ)OPCDA規(guī)范在實現(xiàn)總線設(shè)備間數(shù)據(jù)訪問時對上層應(yīng)用程序有依賴性的不足，作為與

20、oPenA相互補(bǔ)充的標(biāo)準(zhǔn)，OpCDX通過TCP/IP通信協(xié)議為不同以太網(wǎng)現(xiàn)場總線設(shè)備提供服務(wù)器之間的橫向數(shù)據(jù)訪問，使得服務(wù)器可以直接進(jìn)行與其他服務(wù)器之間的橫向數(shù)據(jù)訪問。通過采用OPCDX技術(shù)不但實現(xiàn)了不同總線間數(shù)據(jù)的橫向傳輸，而且可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的訪問。2.采用了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)該方案借鑒了網(wǎng)關(guān)技術(shù)中的第二種方法:即“選擇以太網(wǎng)協(xié)議作為公共轉(zhuǎn)換對象，其他總線向此協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換”的集成思路。近幾年來，現(xiàn)場總線與以太網(wǎng)結(jié)合的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。因此針對己經(jīng)推出工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)場總線，可以直接借助于此技術(shù)掛接到以太網(wǎng)上，而其他總線可以通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與以太網(wǎng)的互聯(lián)，進(jìn)而實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的集成。3.采用了交換式以太網(wǎng)技術(shù)由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)難以滿足控制系統(tǒng)的實時性要求，一直被視為非確定性的網(wǎng)絡(luò)，所以限制了它在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。然而近些年來由于快速以太網(wǎng)