（动力机械及工程专业论文）基于opc技术的柴油机网络化测控系统研究.pdf

l c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： f i f y 1 8 0 , n e | r u9r u r 1 0 i ij l l l 3 r l lr 1 1 0 i i l i l j ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g s t u d yo nn e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mo f d i e s e le n g i n e sba s e do no p c t e c h n o l o g y c a n d i d a t e ：s u nh o n gm i i l s u p e r v i s o r ：p r o m ax i u z h e n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r , 2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 010 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。、 作者( 签字) ：、卜 日期：加缈年弓月列日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 晚授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后f i 解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：虿卜募为导师( 签字) ：盈，秽 、叫、 日期：砌，p 年弓月7 j 日沏口年乡月刊日 。 哈尔滨t 祚人学硕十学伊论文 摘要 柴油机网络化测控系统已经成为未来柴油机控制技术的发展趋势，实现 远程网络的互联，实质性地提高测控性能，用户对关键参数在线测控，对试 验数据查询分析并实现远程的数据查询和离线分析处理能力，这种网络化的 信息集成和共享是提高柴油机测控性能可靠且有效的途径。在国外对动力系 统的网络化监控技术已经应用于实际并形成一定的系统，而此技术在国内的 开发相对落后。因此，对柴油机的网络化测控系统进行研究是非常必要的。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是微软公司的对象链接和嵌入技术在过 程控制方面的应用，本文结合o p c 技术设计了柴油机网络化测控系统结构， 分析了各层次的功能。其中实现网络化的关键是异构网络间的互联与集成， 本文采用o p c 接口技术对现场设备层和管理层之间的网络连接进行研究，并 设计开发了o p c 标准接口。 本文重点是对o p c 接口的设计和开发，通过对o p c 服务器软件的分析， 设计了服务器的界面且实现了服务器对象的主要接口功能，应用v b 编译语 言，开发了具有数据读写功能的客户端程序。经过o p cc l i e n t 与o p cs e r v e r 之间的调试，实现了客户端和服务器间的网络通信。客户端通过o p c 服务 器从c a n 接口卡中读取了c a n 发送的数据，并成功的对服务器进行数据写 入操作，实现了o p c 接口功能，完成了网络间的信息集成，达到预期的目的。 本文基于o p c 技术，实现了异构网络间的信息集成，解决了测控系统网 络化的关键技术，为实现整个测控系统的网络化奠定了基础。 关键词：测控系统；网络化；系统集成；o p c 技术 哈尔滨t 稗人学硕十学伊论文 a b s t r a c t d i e s e le n g i n en e t w o r kc o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m et h et r e n di nt h ef u t u r e ，i ti s t h er e l i a b l ea n de f f e c t i v ew a yt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fd i e s e le n g i n e i nt h i sk i n do fn e t w o r ki n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ，w h i c hi si n c l u d i n g t or e a l i z et h e r e m o t en e t w o r k s i n t e r c o n n e c t e d ，t oi m p r o v ep e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t s u b s t a n t i a l l y , t ot e s tt h ek e yp a r a m e t e r so fo n l i n em e a s u r i n g - c o n t r o l l i n gu s e r s ，t o t e s td a t aa n a l y s i s ，a n dt or e a l i z et h er e m o t ed a t aq u e r ya n do f f - l i n ea n a l y s i sa b i l i t y t h en e t w o r km o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di np r a c t i c ea n dh a sf o r m e d c e r t a i ns y s t e m sf o rt h ep o w e r s y s t e mi nf o r e i g nc o u n t r i e s ，a n dt h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g yi nc h i n ai sr e l a t i v e l yb a c k w a r d t h e r e f o r e ，t h en e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e mf o rd i e s e le n g i n es t u d yi sv e r yn e c e s s a r y t h eo p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) i st h ea p p l yi nap r o c e s sc o n t r o lo ft h e o b j e c te m b e d d i n ga n dl i n k st e c h n o l o g yf o rm i c r o s o f tc o m p a n y b a s e do nt h e o p c ，t h en e t w o r kc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo ft h ed i e s e le n g i n ei sd e s i g n e d ，a n dt h e f u n c t i o n so ft h ed i f f e r e n t l e v e l si sa n a l y z e d t h ek e yo ft h en e t w o r k i n gi st h e i n t e r c o n n e c t i o na n di n t e g r a t i o ni nt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o n r e s e a c h e dt h ei n t e r n e tc o n n e c t i o nb e t w e e nt h e e q u i p m e n tl a y e r a n dt h e m a n a g e m e n t ，a n dd e v e l o p e dt h es t a n d a r do p ci n t e r f a c e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h eo p ci n t e r f a c e ，t h e i n t e r f a c eo ft h es e r v e ri sd e s i g n e da n dt h ef u n c t i o n so ft h em a i ns e r v e ro b j e c t i n t e r f a c ef u n c t i o n si s r e a l i z e d ，b a s i n go nt h ea n a l y s i so ft h eo p cs e r v e r s o f t w a r e b yt h ev bc o m p i l e rl a n g u a g e ，t h ef u n c t i o no fr e a d i n ga n dw r i t i n gd a t a w i t hc l i e n tp r o g r a mi sd e v e l o p e d b e c a u s eo ft h ed e b u g g i n gb e t w e e nt h ec l i e n t a n dt h es e r v e r , t h ec o m m u n i c a t i o ni sr e a l i z e d t h ec l i e n tr e a d st h ed a t af r o m c a nc a r d ，a n dt h ed a t ai sw r i t t e ni n t ot h es e a v e ra sw e l l ，w h i c hs u c c e e di nt h e i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nb e t w e e nn e t w o r k 2 3 f k i 哈尔滨i ：稗人学硕十学何论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的提出1 1 2 国内外相关的研究现状3 1 2 1 柴油机测控系统的现状和发展前景3 1 2 2o p c 技术的应用5 1 2 3 基于o p c 技术的网络化测控系统8 1 3 论文主要工作内容9 第2 章柴油机测控系统网络化构成1 1 2 1 网络化结构的关键技术1 1 2 2 异构网络间互联与集成方法1 1 2 2 。1 网关技术：1 2 2 2 2 基于公共网络的多o p c 服务器实现异构网络的互联与集成 1 ：1 2 3 柴油机测控系统网络化结构。1 5 2 3 1 网络化测控系统的结构1 5 2 3 2 网络化测控系统的软件结构1 8 2 3 3o p cs e r v e r 与c l i e n t 的功能2 0 2 4 网络传输性能的实现2 2 2 4 1 实时性的实现2 2 2 4 2 可靠性的实现2 3 2 5 本章小结2 3 第3 章测控系统网络中的o p c 服务器2 5 3 1o p c 服务器应实现的功能2 5 3 2o p c 服务器的设计2 6 哈尔滨f ：稗人学硕十学何论文 3 2 1 服务器的总体结构2 6 3 2 2 服务器开发的步骤2 7 3 4o p c 服务器中模块的建立2 8 3 4 1 服务器程序界面2 9 3 4 2 对象连接通讯模块3 0 3 4 3o p c 服务器中对象与接口功能3 2 3 4 4 接口的设计结构3 2 3 4 5 服务器对象接口的实现3 4 3 4 6 与硬件设备进行通信3 6 3 5 服务器端参数的监测3 7 3 5 1 柴油机监控系统信号的介绍3 7 3 5 2 信号的实时性分析3 8 3 6 本章小结4 0 第4 章o p c 客户端的设计与开发。4 2 4 1o p c 客户端应实现的功能 4 2 4 2o p c 客户端软件的设计4 2 4 2 1 客户端月艮务器的交互流程及开发步骤4 3 4 2 2o p c 数据访问规范及接口4 4 4 2 - 3o p c 客户端数据访问方式的选择4 5 4 3o p c 客户端的开发4 7 4 3 1 接口的调用4 7 4 3 2 引用设置o p c 包装d l l 4 8 4 3 3 接口变量声明4 9 4 3 4 定义全局变量4 9 4 3 5 连接o p c 服务器和建立o p c 组5 0 4 3 6 添加o p c 标签5 2 4 3 7 数据读写方式访问5 4 2 哈尔滨t f ，人硕十学何论文 4 3 8 断开o p c 服务器5 6 4 4 本章小结5 8 第5 章o p c 客户端与服务器的测试5 9 5 1o p cs e r v e r 软件与c a n 设备的连接5 9 5 2o p c 客户端软件的测试6 1 5 3 客户端与c a n 接口卡之间的数据读写6 3 5 4 本章小结6 4 结论6 5 参考文献6 7 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 0 致谢。7 1 哈尔滨犟大学硕十何论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出 电子技术和计算机技术的迅速发展，推动了内燃机测控技术的进步，网 络化的内燃机测控系统已经越来越多地应用于内燃机领域。传统的内燃机测 控系统自动化水平较低，测控的精度不高、实时性差、测量参数有限，已不 能满足现代信息化测控的要求。而网络化的内燃机测控系统配上各种专用模 块即可组成高精度、高效率的发动机试验系统，接收分析发动机性能参数数 据的功能更为强大，对柴油机控制的实时性和精确度更高。 柴油机的应用范围广泛，在船舶领域，为了保证整艘船的航行动力和船 上供电，每艘船上基本都安装了2 4 台柴油机。柴油机安装在船体下层，现 场环境比较恶劣，船舶正常航行时柴油机基本处于无人值守状态，因此为了 保证船上各柴油机的正常运行和统一管理，十分需要采用相关技术实现网络 化的船舶柴油机监控系统。在船舶航行过程中，柴油机除需提供航行动力外， 还要兼顾照明、通风、空调和应急以及舰船的武器发射等。通过现场设备的 集成化、数据的网络化为船舶柴油机的监控系统提供一个良好的平台，使船 舶柴油机的测控设备和测控信息等资源得到共享。根据外界环境的变化调节 柴油机运行工况，如一天中各时间段的船内需求不同，有时需要大量能源照 明，有时需要调节温度，各个时期所需的能量是不同的，通过信息平台的数 据体现，及时调整柴油机的运行状态，以实现对船舶柴油发动机的整体规划、 资源的最优配置、预测性故障分析、远距离诊断维护等。从而节约了人力物 力，提高了设备的使用效率，保障了柴油机的有效运行【l 】。 同样，在海洋、沙漠和内陆钻井油田等因市政供电网络难以覆盖的地方， 普遍采用柴油发电机组作为动力电源。柴油机组的容量大，并机运行持续供 电时间长，在供电过程中不可能从始至终都是全负荷运行，这样既浪费了资 源有达不到理想的效果。应用网络化的信息平台，根据底层设备的用电量情 哈尔滨f ：科人学硕十何论文 况合理调整柴油机工况，适应发电量的需求，整体规划，节省资源。 当多个柴油机协同工作时，网络化测控系统的要求是：对于一台柴油机 任意工况下，及时掌握各个系统参数的变化和整体的运行状态；对于不同的 柴油机历史数据的查询、分析，在相应平台得到共享，通过网络及时了解不 同柴油机的数据和状态。网路化测控系统与传统意义上的远程监控系统的区 别在于：传统意义的远程监控除了监控距离更远外，并无实质性的测控性能 的改变，鉴于传统测控系统存在的诸多不足，柴油机测控系统网络化势在必 行【2 1 。 柴油机网络化测控系统的设计宗旨在于：使用户对发动机所有的关键参 数实现在线测控，对试验数据进行查询和分析处理，并能通过网络实现远程 的数据查询和离线分析处理功能。它包括了柴油机底层的现场设备层、现场 监控层和远程测控层，并可以与管理信息网络实现信息共享，实现柴油机工 作过程的集中监控与管理一体化【3 】。 网络化测控系统实现了信息的集成和共享，从而开辟新的应用领域，更 好的控制和管理各类自动化系统协同工作。例如：根据外界需要及时调整柴 油机的工作状态和运行工况，做出最优化的实时控制，真正实现智能控制； 将各个底层系统的数据进行信息融合，提供综合信息平台，有利于数据的分 析和对比，从而实现智能化的故障诊断、综合管理和综合决策；实现柴油机 各个系统之间、柴油机和柴油机之间，以及柴油机和其他动力机械之间信息 传递，能够及时准确地掌握柴油机的工作状态，便于实现管理、诊断、监测、 调试、维护和控制功能；柴油机等底层设备和监控中心之间的信息传递，使 现场人员及时准确地掌握柴油机的运行状况，根据实际需要及时调整、管理 运行状况，快速地在线分析柴油机运行中的问题，并及时改进。网络化的搭 建为使用者提供了一个开放式、标准化、网络化、智能化、集成化的信息平 台，从而提高了运行的效率及安全性。可见，柴油机测控系统的网络化实现 了数据和信息的集成和共享，为柴油机的应用带来了更多的效益和好处，因 此柴油机网络化测控系统的研究具有重要的实用意义【铀】。 2 哈尔滨t 释r 人学硕十誓：何论文 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是微软公司的对象链接和嵌入技术在过 程控制方面的应用，是一个标准的接口规范，应用o p c 技术实现网络化结构 中的接口功能还是一个新的尝试，利用o p c 的标准接口规范，实现“即插即 用”的网络形式，从而实现系统的开放性，并大大提高了柴油机测控系统网 络化的应用范围。由此提出本课题基于o p c 技术的柴油机网络化测控系 统研究。 1 2 国内9 1 * f l 关的研究现状 1 2 1 柴油机测控系统的现状和发展前景 国外对这种动力系统监控技术的研究起步较早，一些具有先进实验室的 研究机构和高校都在开展相应的研究工作。同样以船舶行业为例，自2 0 世纪 9 0 年代以来，各国尤其重视发展以单片机为基础的局部网型机舱监控系统， 并使之与全船自动化系统联网，构成集成自动化系统。如美国斯佩罩公司已 将该技术用于1 4 0 多艘各型军、民用船舶的机舱监控上。德国的“柏林快船” 号，全船有2 0 0 0 多个自动化监测点和两个控制中心，由微机组成网络，采用 计算机应用智能程序专家系统f 7 1 ，来实现包括机舱监控在内的整个舰船 自动化系统。 目前国际市场上从事自动测控系统的生产厂商较多，如挪威k o n g s b e r g 公司、a b b 集团、法国a l s t o m 公司、德国m t u 公司和s a m 公司、日本 寺崎公司、加拿大c a e 公司等都有相关的监控系列化产品。这些监控系统， 一般都采用现场级、监控级、管理级三个层次的网络结构，现场级由环形冗 余双现场总线网络或冗余总线型网络所组成的各现场设备的监控系统子网， 以现场总线网络( c a n 、p r o f i b u s ) 为主；监控级网络系统由双坏冗余的 光纤工业以太网、交换机和网关等网络设备集成的监控系统主干网；管理级 网络系统通过无线通讯网与陆地控制中心的计算机广域网相连，与各船舶局 域网组成综合网络系统。对于测控系统网络结构中各层网络间的互联，以及 同层网络问不同设备的信息传递，现有的监控系统均采用网关技术或者现场 哈尔演l ：祥人号：硕十学何论文 总线技术。 加拿大的c a e 公司信息平台采用分布式、智能化、模块化以及多层数据 总线相互连接技术，分为两层网络结构，上层为1 0 0 m 冗余光纤网，下层为 现场总线，通过两层网络可以实现信息的交换、设备控制、监测及数据采集， 综合控制和管理等功能，在各网络之间采用网关技术实现网络集成【8 - 9 l 。 芬兰的a b b 公司开发的信息化系统基于开放式控制结构，能够全面实时 的处理控制过程、操作站信息以及外部控制系统的信息。该系统为三层四级 结构。第一层现场设备层，各个设备之间通过冗余的现场总线相连，可以实 现设备之间的信息共享，同时通过现场总线实现和上一级的相连。第二层和 第三层也是通过冗余的以太网和冗余的现场总线与第一层相连，实现整体的 网络化【l o 】。 虽然网络化程度在不断的提高和成熟，监控系统也趋于市场化并得到广 泛的应用，但是在网络互联技术上还存在一定的不足之处。首先，网关技术 适用于层次结构不同，各层协议不同的现场总线之间的集成，它是用于特定 的网络互联与集成，并不存在通用的网关，这样就存在一定的局限性，而且 在网关的开发上需要深入了解网络的协议，其开发难度大且不易于实现；其 次用现场总线网络进行连接，更是纷繁复杂，现场总线网络已经发展成熟， 总线形式也多种多样，但是不同总线形式之间由于有自我保护，之间的通信 非常复杂，可操作性低，且传输数据量有限，可行性差。因此，这些监控软 件以还存在着一定得不足，使用范围受到局限。 在国内对柴油机测控系统网络化技术的研究相对落后，自8 0 年代初，不 少单位引进国外的产品进行消化、吸收，自行开发了一些测控分析系统，但 这些系统人机对话功能不强，而且分析项目不能满足发动机试验要求。相关 研究所和大学在这方面也有研究且有一定的成果，但是这些产品功能比较单 一、扩展性差、试验过程缺乏统一的测控控制系统，测控效率较低。 对于柴油机网络化的测控系统，国外有着相对成熟而稳定的系统，已经 形成一定得规模并在各个领域得到广泛应用，但是在同层网络的连接和不同 4 哈尔演i ：样大号：硕十产伊论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i 高i i i i i i i i i i i 层次网络的集成过程中，还是主要应用网关技术、冗余现场总线技术以及冗 余以太网技术。这些技术虽有一定的优势，但都存在一定的技术缺陷；而在 国内，还没有一个真j 下意义上的成熟系统，还存在很大的差距。自动化设计 水平较低，虽然应用了大规模的集成芯片，但系统信号的采集、处理、通讯、 管理等过程的完成，在设备组建过程中，缺乏模块化、系列化产品。所以本 课题提出了基于o p c 技术实现柴油机网络化测控系统的构想，应用o p c 规 范，建立一整套接口，适用于同层网络及不同层次网络间的互联，实现了即 插即用的网络模式，便于开发和管理。 1 2 2o p c 技术的应用 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是微软公司的对象链接和嵌入技术在过 程控制方面的应用，是一个开放的工业接口标准，是由o p c 基金会组织倡导 的工业控制和生产自动化领域中使用的软硬件接口标准，指用于过程控制的 o l e 技术。o l e 原意是对象链接与嵌入，包括统一数据传输、结构化存储和 自动化等，己经成为独立于计算机语言、操作系统甚至硬件平台的一种规范， 是面向对象程序设计概念的进一步推广。它的出现为基于w i n d o w s 的应用程 序和现场过程控制应用建立了桥梁【1 1 】。 o p c 是基于微软公司的o l e c o m 和d c o m 技术，包括一整套的接口、 属性、方法的标准集创1 7 】。o l e c o m 是一种客户j j 展务器模式，具有语言无 关性、代码重用性、易于集成性等优点。o p c 实际上就是一套标准的预定义 接口，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，将访问 现场设备的开发以标准的接口形式实现，并透明的将接口展现给工控软件的 开发人员，这样用户就从底层的通讯模块开发中解放出来，实现了过程控制 和工业自动化的即插即用。o p c 技术实现了远程调用，使得应用程序的分布 与硬件分布无关，拓宽了系统的应用范围。 o p c 服务器具体实现接口功能，它支持两种类型的访问接口：自动化接 口( a u t o m a t i o ni n t e r f a c e ) 和自定义接口( c u s t o mi n t e r f a c e ) 。自动化接口通 哈尔滨t 科人硕十学何论文 常是为基于脚本编程语言而定义的标准接口，可以使用v i s u a l b a s i c 、d e l p h i 、 p o w e r b u i l d e r 等编程语言丌发o p c 服务器的客户应用。而自定义接口是专门 为c + + 等高级编程语言而制定的标准接口。 在o p c 概念出现以前，d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，动态数据交换) 技术曾经对过程控制做出了巨大贡献。但是d d e 是基于w i n d o w s 的信息传 递而建立的技术，所以d d e 技术存在以下问题：数据的传送速度较慢、没有 安全性管理机制、开发困难、功能缺乏柔软性、可靠性也难以令人满意和信 赖。o p c 较d d e 有以下优势：高速的数据传送性能、基于分布式c o m 的安 全性管理机制、开发成本低、具有较高的实时性和可靠性。图1 1 是分别利 用o p c 和d d e 进行数据传送性能的实验结果对比【1 3 l ，在远端客户数相同的 情况下，应用o p c 技术的传送速度要远远高于d d e 的传送速度，这种优势 随着客户数的增加体现的越明显，可见o p c 技术在传送速度上的优越性远远 高于d d e 。这一点对实时过程控制尤为重要。 图1 1 利用o p c 和d d e 数据传送性能的试验结果对比 o p c 的数据传输方式效率很高，实验表明：无论是在本地还是两台计算 机之间，5 0 0 0 个过程变量的变化值，能在1 秒内在o p c 服务器和客户机之 间传送，因此非常适合在很短的更新速率内采集大量的动态过程变量的应用 场合。o p c 规范定义了一套标准的接口函数，支持t c p i p 等网络协议，因 此可以将各个子系统从物理设备上分开，分布于网络的不同节点上。 6 哈尔滨。l j 稃人7 ：硕十学何论文 对于传统的d c s ( 分散控制系统) 、f c s ( 现场总线控制系统) 等系统由 于采用自定义的专用网络和协议，没有统一的接口标准，难以实现与上层应 用软件的信息交互以及各厂家的系统或仪表间的直接互连、互操作，控制网 络中形成了一些“信息孤岛”【l2 1 。传统的过程控制系统存在着两类数据交换 问题：第一是计算机如何从现场设备采集数据；第二是其他应用程序如何与 它们进行实时数据通讯。o p c 技术使开发商不被复杂的数据接口问题困扰， 更好的实现系统的功能开发。 图1 2 应用o p c 技术前后比较 有图1 2 可以看出，o p c 技术的应用大大简化了各个设备的接口互联， 使得现场总线更完美的集成。o p c 最初的设计目标就是为现场设备、自动控 制应用和企业管理应用软件之间提供一个开放的、一致的接口规范，实现不 同应用商的软硬件的“即插即用( p l u ga n dp l a y ) ”的连接。现在的o p c 技术 发展已经超出了原来取代驱动程序开发的初衷，o p c 能够直接连接现场的 p l c 、工业网络、数据采集和w i n d o w sc e 等设备，通过快速有效的方式从 现场获得实时数据。而按照o p c 规范设计的各种监测、控制、管理等应用系 统，既可以通过o p c 获取现场的实时数据，也可以通过o p c 彼此交换信息。 利用c s ( 客户端朋艮务器) 模式获取数据，这里的客户端和服务器可以是任 何厂家的任何产品，这样各类设备的驱动程序问题就可以消除，同时也加速 了数据传输。应用o p c 技术实现远程调用，使应用程序的分布与系统硬件分 布无关，便于系统硬件配置，使得系统的应用更加广泛。 7 哈尔滨- 科人学硕十学何论文 1 2 3 基于o p c 技术的网络化测控系统 在柴油机网络化的集成过程中，各种现场总线的标准在体系结构上存在 很大的差异，也就导致现场总线在应用时的开放性和互操作性降低，复杂度 增加。针对具体对象选择较合适的现场总线标准，只对于低层次或较小范围 的控制系统比较有效，并不是任一种或者组合的总线技术总能解决所有问题， 因此，针对不同类型的对象应用不同的现场总线系统之间的连接和优化问题 就亟待解决。o p c 技术实现网络集成，是目前进行异构网络互联和系统的集 成最先进的方法，采用c s 模式：以s e r v e r 的形式提供给c l i e n t ，并规定了 一系列的接口标准，由c l i e n t 负责创建s e r v e r 支持的接口。o p c 的系统集成 中：一个o p c 客户可以与几个o p c 服务器通信，多个o p c 客户也可以同时 与一个o p c 服务器交互。其中的优势有： 首先o p c 技术通过o p c 规范封装了底层功能的实现，只提供规范的接 口，因此在开发过程中，可以完全从底层的开发脱离出来，降低了开发难度， 并使开发的系统更实用可靠，具有实用性和先进性。 其次，o p c 模式可以称为“软总线”模式，实现软件的即插即用，支持 软件的随时加入和退出，同时o p c 技术可以用于网络中的任何层次，网络结 构的变化不会影响软件的功能实现，使网络化的仿真平台在软硬件上都具有 灵活性和扩展性。 第三，当采用o p c 技术时，在柴油机测控系统集成的网络体系结构中， 采用p c 机或工控机作为o p c 服务器硬件载体既作为上层工业以太网的网络 节点又可以作为下层现场总线的网络节点，是以太网和现场总线的中间系统。 这样就可以利用计算机在存储、高处理速度等优势，在各个网络互联处形成 了多个共享的数据存储空间，并将数据按不同的用途进行划分，使各现场总 线和以太网分别在各自的网络内部实现数据共享，在软件结构上相对独立， 不会造成异构网络间的大量数据交换，从而可以根据各自的网络特性和数据 需求，按照不同的数据对时间的要求制定合理的安排，充分发挥各个网络的 自身优势，达到较高实时性和可靠性【1 4 。1 6 1 。 r 哈尔滨1 ：科人学硕十学何论文 本文提出的基于o p c 技术实现异构系统间的网络互联，是实现柴油机网 络化测控系统多种异构网络互联和系统集成的最佳方案。是本课题要解决的 关键技术，通过o p c 接口实现底层现场设备多现场总线的集成，以及与上层 监控网络的集成，这正是目前柴油机测控系统所缺少的。 1 3 论文主要工作内容 柴油机网络化测控系统的宗旨在于建立一套能适应不同工作环境、不同 工况变化的计算机网络化系统，主要功能是实现现场设备信息和数据的共享。 其实现的关键在于底层现场设备多现场总线间的连接，以及与上层信息网络 的集成。本文借助于o p c 技术实现柴油机网络化测控系统异构网络的互联， 设计了柴油机测控系统网络化的整体结构。具体内容如下： ( 1 )理解柴油机的运行模式，通过对o p c 相关技术的学习，针对目 前柴油机底层设备中多种现场总线共存的现状，对比了网关技术和o p c 技术 的特点，在实验室网络的基础上，设计了基于o p c 技术的柴油机测控系统网 络化的结构层次，提出了基于o p c 技术的本地监控系统和远程监控系统相结 合的网络化测控系统方案。 ( 2 )深入分析了o p c 服务器的工作模式，根据服务器实现的具体功 能，设计了服务器的总体结构，并分析其中各个模块的构成和需要调用的接 口。实现了服务器界面的开发，以及服务器对象接口的调用，通过自己编写 o p c 接口调用程序，更加深入理解了o p c 服务器读取数据方式，给出服务 一器与现场设备间的通信过程，对柴油机底层设备的数据根据其实时性的要求 以及数据产生的机制进行了划分，便于o p c 服务器进行分类，完成数据的合 理分配，采用不同的优先级读取，更好的采集底层数据。 ( 3 )以v b 为编译环境，对o p c 客户端编程进行了深入的研究，讲 客户端软件划分为三个模块：数据配置模块、系统模块和数据库模块，实现 各个模块的功能，开发出o p c 客户端的应用程序。该程序通过o p c 接口访 问o p c 服务器，对现场数据进行读写，完成数据配置，为监控系统提供实时 9 哈尔滨t 稃人予：硕十7 1 伊论文 数据。 ( 4 ) 将编译的o p c 客户端程序与服务器进行通信测试，实现o p c 客 户端与服务器问的互联和通信。通过服务器与c a n 接口卡相连，客户端可 以通过服务器间接地读取c a n 设备中所发送的数据，并成功修改相应数据， 实现客户端的读写功能，验证了柴油机测控系统中底层设备与监控系统网络 间互联的可行性，为整个测控系统网络化的研究奠定了基础并指明了方向。 1 0 哈尔滨l ：程火学硕十学伊论文 第2 章柴油机测控系统网络化构成 柴油机测控系统网络化的目的就是实现信息共享，达到资源的合理化配 置、能量的节约、提供更好的综合平台等好处。随着各种智能技术不断应用 在柴油机控制领域，使得以往各自运行的子系统和设备均实现智能化，能够 独立自行工作，但是更重要的目标是通过信息的集成，实现信息资源的共享， 有效地对柴油机设备、人员、信息资源、管理等方面相互融合，提高柴油机 的工作性能。本课题以信息的集成为主要研究目的，所谓的信息集成是一种 技术方法，将来自柴油机的各系统、设备、底层网络信息、数据管理系统、 应用软件等元素绑定成一个通用的信息平台。 2 1 网络化结构的关键技术 柴油机测控系统的网络化包括控制网络和信息网络。实时性与可靠性是 控制网络强调的首要条件，而在信息网络中延时与数据丢失是较为普遍的， 因此，两者有效融合的关键就是网络传输的实时性和可靠性问题。 要形成柴油机测控系统网络化所面临的一个最大的问题就是异构网络之 间的互联与集成，以及异构系统接口协议。异构系统接口协议是实现各智能 节点间数据传输与通讯的标准，为了适应异构系统，使协议达到通用的目的， 需要研究各异构系统的信息需求，利用一些完备、复杂的技术来制订规范的、 通用的接口协议，从而实现异构系统的无缝集成。 2 2 异构网络间互联与集成方法 异构系统的集成最终目标就是最大限度的统一自动化各层次上复杂程度 各异的连接，以跨越不同的总线技术，并借助某种网络直接建立统一的通信。 通过网关技术和o p c 技术均可实现异构网络间的集成和互联，实现多现场总 线对等的接入以太网的要求。采用网关技术就是通过公共网络进行间接协议 转换的方法，而采用o p c 技术，是基于多公共网络的多o p c 服务器的方法。 哈尔滨t 程人产硕十学伊论文 2 2 1 网关技术 网关根据应用环境不同，可以由微处理器和相应的网络接口电路构成， 也可以由p c 机和相应网络适配卡及其驱动构成。其转换方法是由硬件系统 实现底层现场总线互联，依靠其中运行软件完成数据包的识别、解释和转换， 实现高层互联。网关实现现场总线集成一般应用两种方式： ( 1 ) 对多种网络协议进行直接转换 这种方式是在多种网络中采用一个网关互联，该网关提供多种网络接口， 除进行各网络之间的协议转换之外，更主要的工作是实现协议转换的协调调 度，从而保证协议转换的实时性和可靠性。这种方式要求网关的中央控制器 要具有良好的性能，通常是采用p c 机或工控机作为网关的中央控制器。但 是，在互联的设备或网络数量较多时，中央控制器的负担很重，很难保证实 时性，而且所有网络都要通过同一网关实现互联与集成，故障风险集中，可 靠性较低。另外网关的开发不仅要了解各种网络协议，还要有良好的调度算 法，开发难度很大。通常很少采用这种方式进行网络互联。 ( 2 ) 通过公共网络进行间接协议转换 是将需要互联的两个异构网络分别与第三个网络相连，将第三个网络的 协议作为公共协议，利用公共协议实现互联与集成。每增加一个需要互联的 网络，就增加一个与网关，刀个异构网络互联就需要采用甩个网关。如果做 为公共协议的网络也有互联需求，则n 个网络互联需要n 1 个网关。 2 2 2 基于公共网络的多o p c 服务器实现异构网络的互联与集成 基于公共网络的多o p c 服务器实现异构网络的互联与集成是将每种异 构网络通过适配卡分别连接到一台计算机上，在每台计算机上每种网络提供 各自的o p c 服务器和客户端，所用的计算机通过以太网构成公共网络，在公 共网络中任一o p c 客户端软件都可以通过一致的o p c 接口访问这些o p c 服 务器，获取各个网络中的数据，形成了一种在多数据源和多客户之间通信和 交换数据的方式，从而实现了异构网络的互联与集成【2 0 】。这种方式在开发时 1 2 哈尔滨l ：秤人硕十学佗论文 iiii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 不用关心各异构网络协议如何转换，只需按照o p c 规范进行软件设计，开发 难度较小；任何网络只要通过各自的适配卡与计算机连接就可以实现与其它 异构网络的互联，具有较好的灵活性和扩展性；在需要大量数据交换和处理 时，各节点都具有较高的实时性；当其中某种网络的协议做了升级，也只需 对相应的网络中的服务器程序升级修改，本身的客户端和其它o p c 服务器及 客户端不需要做任何改动。另外，利用o p c 数据交换规范，可以通过t c p i p 通信协议实现以太网上服务器之间的横向数据访问，使得服务器可以直接访 问其他服务器的数据，而不需要客户端软件的参与。 采用网关技术和o p c 技术均可以实现异构系统网络的集成，从网络的无 缝互联与集成的要求上讲，网关需要将异构网络间的各层协议全部进行转换， 包括应用层数据和所涉及到的相关服务等，在异构网络问除了可以进行数据 交换，还可以传递故障探测信息等网络内部的控制信息，实现全面的集成， 比较彻底地消除异构网络之间的差异。这种网关的开发需要深入了解网络的 协议，其开发难度很大，很难实现。通常设计的网关只是为满足数据交换的 需要，实现应用层的协议转换，网关功能的实现还只是局部性的。而o p c 技 术则通过o p c 规范封装了底层功能的实现