（动力机械及工程专业论文）基于opcxml的工业信息系统数据通道模型.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术、控制技术、网络技术的发展，工业领域包括电力行业的一个趋势就是 要实现整个企业的信息集成。工业控制软件接口标准o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，在 工业控制设备与控制软件之间建立了统一的数据通信标准；而m l ( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ，可扩展置标语言) 作为w e b 数据使用的通用语言为数据信息共享提供了强大的数 据信息定义和交换机制。o p c 和x 札的结合，将能够实现从：f 厂底层的监控平j ；控制系统到较 高级别的企业应用程序整个工业信息系统的纵向信息集成，提供更好的方式将获得的实时生 产数据嵌入到办公自动化信息处理的应用程序中去，进一步满足企业对各种数据信息的需 求。 本系统就是在o p c 和x m l 的基础上，建立了一个工业信息系统数据通道模型。该系统采 用了火多数开放性技术规范，如x m l 、h t t p ，以及m i c r o s o f t 公司的对象连接技术规范，如 o p c 、c 0 m d c 0 m 和w i n d o w sd n a ，利用w e b 浏览器作为瘦客户操作员界面，提供了工业信息 系统不同层之间数据共享和交换的方法。 论文主要分为三个部分。第一部分包括第一、二、三章主要叙述了选题背景以及系统 实现所涉及的技术原理，如o p c 规范、c o w d c o m 以及x m l 相关技术等。第二部分对数据通 道模型的整体结构设计做了简单的介绍。第三部分主要从技术实现的角度对系统的各个部分 的功能做了详尽的解说。 关键词：信息集成o p c x m l c o m d c o m 东南大学硕士学位论义 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r 、c o n t r 0 1 a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y t h ed i r e c t i o n o f1 n d u s t r yf i o l di n e l u d i n gp o w e rp l a n ti st or e a li z ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ni n t h ew h 0 1ee n t e r p r is e o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，r e g a r d e da sa i n t e r f a c es t a n d a r d o ft h ei n d u s t r yc o n t r o ls o f t w a r e ，p r o v i d eag e n e r a ld a t ac o m m u n i e a t i o hs t a n d a r d b e t w e e n i n d u s t r yc o n t r o l d e v i c e sa n dc o n t r o ls o f t w a r e x m l ( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ) ，a s au n i v e r s a l l a n g u a g eu s i n gb yw e bd a t a ，p r o v i d e a p o w e r f u ld a t a d e f l n i t i o na n de x c h a n g em e c h a n i s mf o ri n f o r m a t i o ns h a r i n g 、o p ca n dx m lw i lie a a b l e v e r t ic a li n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n i nt h e i n d u s t r y i n f o r m a t i o ns y s t e mf r o m f a c t o r y f l o o rm o n i t o r i n g a n dc o n t r o l s y s t e m s t oh i g h e r l e v e le n t e r p r i s e a p p i c a t i o o s p r o v i d i n gab e t t e rw a yt of e e dr e a l t i m em a n u f a c t u r i n gd a t ai n t ot h e t r a n s a c t i o n b a s e de n t e r p r i s ea p p li c a t i o n st h a tn e e di t b a s e do no p ca n dx m l ib u i i dad a t ac h a n n e lm o d e lo ft h ei n d u s t r yj n f o r m a t i o n s y s t e m t h i ss y s t e m ，b a s e do nm o s t l yo p e ns p e c i f i c a t i o n ss u c ha s la n dh t t p ，a n d m i c r o s o f t b a s e do b j e c ts p e c i f i c a t i o n ss u c ha so p c 、c o m d c o ma n dw i n d o w sd n a ，u s i n g w e bb r o w s e r sa st h i nc l i e n t sf o ro p e r a t o ri n t e r f a c e s ，p r o v i d ed a t es h a r i n ga n d e x c h a n g eb e t w e e nt h ed i f f e r e n t1 e v e lo ft h ei n d u s t r yi n f o r m a t i o ns y s t e m t h et h e s isi n c l u d e st h r e ep a r t s t h ef i r s t ，w h i c h i sm a d eo ft h e c h a p t e r o n e ，c h a p t e rt w oa n dc h a p t e rt h r e e ，m a k e ss u m m a r y s t a t e m e n ta b o u tb a c k g r o u n da n d i n t r o d u c e ss o m e t e c h n o l o g y u s e di nt h e i m p l e m e n t o fs y s t e m ，s u c ha so p c s p e c i f i c a t i o n 、c o m d c o m 、x m la n ds oo n ，t h es e c o n dp a r ts h o w st h es t r u c t u r eo ft h e d a t ac h a n n e lm o d e l i nt h et h i r dp a r t ，t h e r ea r ed e t a i l e dd e c l a r a t i o n sa b o u tt h e f u n c t i o no fe v e r ym o d u l ef r o mt h ep o i n to fv i e wo ft e c h n o l o g y k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ：o p c ：x m l ：c o m d c o m i 6 9 4 4 2 8 东南大学学位论文独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知t 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 、关于学位论文使h j 授权的说明 签名 日期：芝：! ! ：， 尔南大学、中国科学技术信思研究所、国家图二日馆有权保留本人所交的学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部内容或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名 东南大学硕士学位论文 1 1 论文的选题背景 第一章绪论 随着2 0 世纪9 0 年代计算机技术飞速发展，以计算机技术为基础的控制技术、网络通讯 技术等也得剑了迅猛发展。现代大型火电厂各工艺系统的控制已普遍采用分散控制系统d c s 和p l c 稃控系统，大大提高了机组的自动化水平，但是各控制系统往往不是由一家公司实施， 从而造成各系统相互独立，信息不能共享。同时目前国际上大型的跨国自动控制系统公司， 已不限了二仅仅提供控制硬件、软件和工程，纷纷在向企业信息集成的中上层扩展，以期实现 从：r 厂底层的监控和控制系统到较高级别的企业应用程序整个工业信息系统的纵向信息集 成，能提供更好的方式将获得的实时生产数据嵌入到办公自动化信息处理的应用程序中去， 进一步满足企业对各种数据信息的需求。 在r 业信息系统的工厂底层为了和上位机应用程序进行数据交换，工业控制中各种仪 器、仪表、p l c 等设备都提供了专门与计算机通信的协议。但是，不同厂家提供的协议不同， 甚至同一厂家的不同类型设备与计算机通信的协议也不同，而不同的编程语言对驱动程序的 接口也有不同的要求。这样又产生了新的问题：应用软件需要为不同的设备编写人量的驱动 程序而硬什设备的些许更改就可能导致原先驱动程序的失效从而只能重新编写程序，这往 得程序的可复用程度低，不符合软件工程的发展趋势。o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 基 金会提出了工业控制软件接口标准o p c ，在工业控制设备与控制软件之间建立了统一的数据 通信标准，解决了大量不同的设备、协议、工业网络标准的互操作性，采用o p c 规范来标准 化数据读写的接口，可以实现与现场设备的数据交换，使得系统具有良好的通用性和可扩展 性。口前o p c 已被确定为全球事实性的工业标准。 现在一r 业过程自动化控制领域正在积极容纳电子商务的管理和应用模式，以便更好 的将r 厂现场的自动化过程与企业办公自动化集成在一起。而x m l ( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ，可扩展置标语言) 作为w e b 数据使用的通用语言为数据信息共享提供了强人 的数据信息定义和交换机制。利用i n t e r n e t 技术，它可以实现对数据信息的再使用、搜 索和i 交换，同时在工厂自动化和企业解决方案上能够获得较高的集成度。o p cx m l 工作 小期设计了x m l 纲要( x m ls c h e m a ) ，用于将o p c 数据向i n t e r n e t 上的应用程序开放， o p cx m l 建立了描述1 二业设备、控制系统的o p c 数据项及其他方面特性的关键字及属性， 从而提供与整个企业环境下应用程序共享生产过程实时数据的能力。这种标准化x m i ，词 汇使得工业的应用得到保障，所有过程控制系统将会采用相同的语言进行数据信息交换， 因而从根本上减少或者根除任何通信缺陷。x m l 将成为各种过程控制系统应用程序所必 须通行的标准化过程控制语言。x m l 和o p c 的进步结合，并应用于从工厂底层到企业 办公l ：| | 动化的控制系统集成也将成为必然。 住这种火趋势r 卜，本文提出了基于o p c x m l 的工业信息系统数据通道模型，之所以 称之为模型，是因为该系统是完成从工厂底层的现场设备到i n t e r n e t 上的企业应用程序 的数据传输的基础，它主要提供了在工业信息系统不同层之间数据共享和交换的方法。 基于这个模型，用户可以根据需要进行扩展，建立自己的系统，完成不同的任务。上层 可以连接到m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，管理信息系统) 或e r p ( e n t e r p r i s e r e s o u r c ep a n n i n g 企业资源计划) 等企业应用，下层可以连接现场的p l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n f r 0 1 l e r ，可编程逻辑控制器) 、d c s ( d i s t r i b u t ec o n t r 0 1s y s t e m ，分布式控 东南大学硕士学位论文 制系统) 、现场总线或实时数据库等。 该模型采用了大多数开放性技术规范，如x m l 、h t t p ，以及m i c r o s o f t 公司的对象 连接技术规范，如o p c 、c o m d c o m ，基于w i n d o w sd n a 策略建立了一个分布式数据通道 系统，该系统结合了w e b 技术和分布式对象技术的优点，具有可伸缩性、可配箕性、安 全性、网络协议无关性和平台无关性等一系列特点。利用w e b 浏览器作为瘦客户操作员 界面，工业用户能够通过x m l 获取他们所关心的实时数据。而不论其来自数据库、应崩 程序或是现场设备，同时也不必局限于某一特定平台，最大限度地实现了跨平台管理的 功能。 采用基于o p c x m l 的工业信息系统数据通道这一模型建立的信息控制系统可以使得厂 级数据采用灵活的、一致的规范和格式自我描述，提高自动化系统和企业系统之间应用的互 操作性以及数据的麸享能力；在配置过程控制的硬件、软件时，只要硬件制造商采用符合 o p c 规范的驱动程序( 即服务器) ，就能为所有支持o p c 标准的客户软件所用，使传统复杂 配置变的简单；可以实现企业的监控系统信息的采集、分析、统计、存储让管理层和全厂 各部fj 都能看到过去只有操作人员才能看到的生产现场的实时状况，为决策、调度、检修等 提供_ 参考数据，确保了设备安全、经济地运行，从而进一步提高企业经济效益和竞争能力。 这些都是很有意义的。 1 2 论文的主要内容 本论文在介绍模型系统具体实现之前，先介绍了一些必要的准备知识。这主要包括： 1 、关0 p c 规范。介绍了制订o p c 规范的o p c 基金会、已发布的o p c 规范、o p c 给工业 控制领域带米的好处以及o p c 的体系结构，并详细介绍了几个规范的内容。 2 、有关c o m 原理。包括c o m 的起源、特性等等。 3 、有关d c o m 分布式技术。介绍了分布式计算的发展过程，剖析了d c o m 的基本结构及 其特性。 4 、有关x m l 技术。分析了x m l 的产生原因、特点和前景展望；对x m l 技术做了简单的 介纠：并针对工业信息系统中o p c 和x m l 的结合做丁进一步的讨论。 我们要实现的数据通道模型系统，则主要包括以下几个部分： 1 、建立一个基于w i n d o w sd n a 策略的数据通道模型。 2 、o p c c o m 服务器。一方面用以和工厂底层设备通信，读取实时数据( 本系统中该服 务器术实现这个功能，而是模拟了数据) ；另一方面通过和0 p c - x m l 组件的通信将数据向上 层传递。 3 、o p c x m l 组件。该组件可以说是基于c o m 的0 p c 数据存取接口之上的一套工具性外 壳。该组件有两个功能：一是不断从o p c c o m 服务器读取数据；另一个就是用于打包和解包 x m l 格式的文档。 4 、w e b 页面。包容o p c - x m l 组件，解析客户请求，调用组件方法：根据0 p cx m l - d a 规范定义的x m l 数据纲要，动态建立描述工业设备、所需数据信息的x m l 文档。并针 对相同的响应x m l 文档，利用不同的x s l ( 可扩展样式表) 产生不同的显示界面。 论文中对以上所说的每一个部分的功能都做了具体的介绍，同时还介绍了相应的技术实 现。 2 东南大学硕士学位论文 第二章o p c 规范 2 1 o p c 规范的产生和意义 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，用于过程控制的o l e ) 是一个工业标准，它是由 一些世界上著名的自动化系统和硬件、软件公司与m i c r o s o f t 紧密合作而建立的。0 ( o l e 对象链接和嵌入) ，p ( p r o c e s s 过程) ，c ( c o n t r o l 控制) 。o p c 规范基于微软的o l e ( 现 在的a c t i v e x ) 、c o m ( 组件对象模型) 和d c o m ( 分布式组件对象模型) 技术，包括一整套 接口、属性和方法的标准集。不论过程中采用什么软件或设备，o p c 为多种多样的过程 控制设备之间进行通信提供了公用的接口，允许在自动化控制应用、现场设备和商业 办公室应用之间进行简明的、标准化的数据交换。 2 1 1o p c 基金会 早期的o p c 标准是由提供工业制造软件的5 家公司所组成的o p c 特别： 作小组所开 发的。f is h e r r o s e m e n t ，i n t e l l u t i o n ，r o c k w e l ls o f t w a r e ，i n t u i t i v et e c h n o l o g y 以及o p t 0 2 2 早在1 9 9 5 年开发了原始的o p c 标准，m i c r o s o f t 作为技术顾问给予了支持。 o p c 基金会( o p cf o u n d a t i o n ，其网址为：h t t p ：w w o p c f o u n d a t i o r o r g ) ，是 一个1 f 盈利性的国际组织，其目标是制订一套针对于控制对象和设备的公共接口标准， 它可以l 止任何o p c 客户机去请求和获取o p c 服务器的数据。这里的o p c 客户机和服务器 可以是任何厂商的任何产品，通过这种方式。繁杂的各类设备驱动程序问题可以消除， 同时也加速了数据的传输。 目前，o p c 基金会的会员已经超过2 2 0 家，世界上各主要的 二业自动化仪表、控制 系统厂商都是该组织的成员。o p c 基金会的工作比其他许多标准化集团能够更高速运转。 原因十分简单，这是因为o p c 是建立在已普遍使用的m i c r o s o f t 标准基础上。而其他标 准化集团必须完全从最基本开始定义标准，因此在其工作范围内达成一致的意见往往是 费时费力，其工作效率自然是不能和o p c 基金会相比的。 日前，负责制定o p c 规范的技术小组分为：d a t aa c c e s s ( 数据存取) ，h is t o r i c a l a c c e s s ( 历史数据存取) ，a l a r m sa n de v e n t s ( 报警和事件) ，s e c u r i t y ( 安全性) 和 b a t c h ( 批处理) ，o p c 和x m l 小组等。 2 1 2 已制订的o p c 规范 l 、o p t 数据存取规范( o p cd a t aa c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) 数据存取规范是o p c 基金会最初制定的1 个工业标准，其重点是对现场设备的在线 数据进行存取。定义了o p c 服务器中一组c o m 对象及其接e l ，并规定了客户程序对服务 器程序进行数据存取时需要遵循的标准。 2 、o p c 报警与事件处理规范( o p ca l a r m s e v e n tss p e c i f i c a t i o n ) 报警与事件处理规范提供一种由服务器程序将现场报警和事件通知客户程序的机制 使：控软件可以按照统一的标准处理现场的各种报警事件。 3 、o p c 历史数据存取规范( o p ch i s t o r yd a t aa c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) 历史数据存取规范提供一种通用的历史数据引擎，可以向感兴趣的用户和客户程序 提供额外的数据信息。目前大多数历史数据系统采用专削接口分发数据这样无法在即 3 东南大学硕士学位论文 插即硝的环境中增加或使用已有的历史数据解决方案，限制了其应用的范围和功能。o p c 历史数据存取规范将历史信息看成某种类型的数据，用统一的标准把不同应用层次的数 据集成起来。 4 、o p c 批量过程规范( o p cb a t c hs p e c i f i c a t i o n ) 批量过程规范基于o p c 数据存取规范和i e c6 1 5 1 2 1 国际批量控制标准( 对应的美 国标准为1 f s a - 8 8 ) 制定的，它提供了一种存取实时批量数据和设备信息的方法。该规范 的目的不是为批量过程控制提供某种解决方案，而是使异构计算环境下不同的生产控制 方案能有效地协同工作。 5 、o p c 安全性规范( o p cs e c u r i t ys p e c i f i c a t i o n ) o p c 服务器为应用提供了重要的现场数据，如果这些参数被误修改将会产生无法预 料的后果，冈此需要防止未授权的操作。o p c 安全性规范就提供了这样一种专门的机制来 保护这些敏感数据。 6 、o p c 数据交换规范( o p cd a t ae x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) o p cd x 技术可使穿过以太网的现场总线网络进行服务器到服务器的通信，进行远程 组态配置和管理服务，它延伸了o p cd a 标准，而并不影响现有的现场总线规范。这一技 术不但为自动化用户提供一套开放性的标准，把各家以太网上的设备和控制器的数据进 行交换并予以集成，而且实现了自动化设备供应商期望提供符合开放性工业标准的产品， 使之能互操作以及进行数据交换的愿望。 7 、o p c 可扩展置标语言一数据存取规范( o p cx m l d as p e c i f i c a t i o n ) o p cx m l d a 规范使用x m l 对厂级数据采用灵活的、一致的规范和格式自我描述，建 立了一组关键字和属性，用于描述工业设备、控制系统等方面的特性和操作，从而使整 个企业环境下的应用程序能够共享控制系统和现场设备的信息。 2 1 3o p c 规范的意义 在o p c 规范出现之前，工业控制软件缺乏统一的工业标准，不同厂家的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，监控和数据采集) 、d c s 、h m i ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，人机接口) 软件之间进行通信是非常麻烦的一件事，设备供应商不 得不各自开发自己专用的硬件和软件解决方案。这样的传统控制软件与硬件设各之间的 通信如图2 一l 所示。 圈2 - l ：传统控制软件与硬件设备之间的通信 所有过程控制系统和信息系统有其专用的技术和接口以及a p i ( 应用程序接口) ， 目的都在于存取所包含的信息。为了实现不同系统之间的集成以及长期维护和支持集成 环境等所需的费用是昂贵的。尽管可以编写定制的驱动程序和接口程序，但冈为上千个 4 东南大学颂士学位论义 不同类型的控制设备和软件包需要互相通信，使得程序的种类迅速的增长。驱动程序数 量的激增加深了解扶己存在问题的困难程度。如不同设备供应商的驱动程序之间的不 致；硬件性能不能得到广泛支持：驱动程序不能适应升级后的硬件以及发生存取冲突。 在晟后一种情况下，两个应用系统因为使用相互独立的驱动程序，因而通常不能同时访 问统一的设备。更糟糕的可能是，驱动程序不适用于特定设各的应用程序或内部应用程 序的纲台，这就限制了晟终用户的选择或迫使他们不得不编写自己的驱动程序( 以及调 试) 。 对丁开发典型监控程序软件的技术人员来说有2 0 一3 0 的时间是用于编写通讯驱 动程序。每次，一个供应商需要将一个新的控制器投入市场销售时，所有的软件开发入 员就不得不重新编写一个新的驱动程序。应用软件的提供者花费太多的资金开发和维护 专用接口。这不仅增加了用户的负担，而且在实际上并不能真正解决不同系统的互操作 性。在某神意义上，用户被他们的软件提供者所控制。 问题的解决方案是给出一个标准，这个标准为过程控制和工厂自动化提供真止的 即插即硐( p l u ga n dp l a y ) 软件技术，使得过程控制和工厂自动化的每系统、每一设 备、每一驱动器能够自由的连接和通信。有了这样一个标准，使得系统及设备之间，包 括从下间级到m i s 平更远距离，完全无缝地、真正开放和方便地进行企业级的通信成为 可能。而o p c 规范就是这样个标准。采用0 p c 规范的控制软件与硬件设备之间的通信 如图2 2 所示。 图2 - 2 ：基于0 p c 规范的控制软件与硬件设备之间的通信 o p c 规范使设备软硬件提供商和用户都受益匪浅。其表现为： 1 、对软硬件设备提供商的利益 1 ) 节锕时间( 减少了驱动程序的开发) 对于硬件设备提供商只需要开发一个版本的0 p c 服务器程序，使之能与所有其它0 p c 客户机应州程序通信。本质上讲昂贵的i 0 驱动程序的开发不复存在，硬件设备提供 商能将它们的开发资源集中在与虽终设备的通信上，而不是与不同客户的通信上。对于 软件开发商米说，也只需要开发一套0 p c 客户端程序，就可以访问硬件设备提供商提供 的0 p c 服务器，而不需要考虑与具体硬件设备通信的细节，这大大节约了开发时间，降 低了开发成本。 2 ) 增强的连接性和互操作性带动了增长的服务市场 产品将更容易地插装在一起。i 0 制造商将更容易地销售它们的硬件( 一个0 p ci o 服务器将取代许多专用的驱动器，且能与不同的产品进行通信) 。 3 ) 聚焦于增值的活动 软件提供商能将糖力投入到为其s c a d a 、i n i 和b a t c h 增加新功能。还允许第三方的 东南大学硕士学位论文 应j _ l j 程序提供商( 如性能优越的商品软件包、先进的功能模块) 更容易地与其它的软件 提供商的产品进行数据通信。 2 、列用户的利益 1 ) 自由的进行系统集成 o p c 提供的开放性和互操作性，使最终用户在设计自动化系统时，选用最优化的、 独立丁二软硬件厂商的组件成为可能。这与以前必须调整需求以满足系统的方法形成了鲜 明的对比。 2 ) 降低了系统集成费用，节省了时间 o p c 减少了对集成昂贵的客户软件的需要。o p c 提供了来自不同的自动化软件、设备 和系统供应商的即插即用的软件和硬件组件。o p c 兼容组件大大降低了系统的集成费用， 因为所有的软件和硬件组件遵守一个单一的、标准的接口。该接口正在世界范围内使用。 自动化设备供应商提供集成了能替代专用设备驱动器软件的o p c 服务器，解决了来自不 同销售商的硬、软什之间的驱动连接的问题，缩短了应用程序的开发周期。这使得自动 化项日能更快的完成，因而节省了系统集成的时间。 3 ) 即插即用( 连接性) 使系统的集成变得轻而易举 席j _ | jo p c 规范，d c s 、s c a d a 、h m i 、工厂生产计划、维护以及其它生产制造应用之间 就能够进行开放的信息交换。这种信息交换是在全厂互连的协同应用程序间实现的。这 样就允许用户把它的精力集中在通过系统集成而增值的商业活动上。 4 ) 简单、方便地实现客户应用程序的连接性和互操作性 川户可以开发简单的v i s u a lb a s i c 程序来与其它的o p c 服务器交换数据，或使用他 们熟悉的客户应用程序来与其它的o p c 服务器交换数据。同时，不需要具备很多工业网 络知识的人员也能够利用客户应用程序实现数据的存取。o p c 标准提供了应用程序必需 的稳定性，并且鼓励范围更广的软件和服务提供商提供应用程序。 5 ) 降低了故障诊断和维护费用 o p c 规范提供了一个标准，一旦掌握了这个标准，就等于学会了所有服从o p c 协议 的0 p c 服务器应用。 6 ) 具有较强的兼容性 由于采用c o m 、d c o m 、a c t i v e x 技术，当o p c 服务器加入新的功能时，当前的o p c 客户机程序不会被淘汰，通过只增加新的c o m 接口，而保留全部现有的、向下兼容的c o m 接口，就能存易的扩展0 p c 服务器。这特性对最终用户是非常重要的。 2 。2 0 p c 体系结构 o p c 采用客户n 务器体系结构。o p c 技术的实现由两部分组成：o p c 服务器部分和o p c 客户廊用部分。一个o p c 服务器可以为多个o p c 客户机提供数据服务。同样的，一个o p c 客户机也可以连接多个制造商提供的o p c 服务器。o p c 客户与服务器的关系如图2 - 3 所示： 6 东南大学硕士学位论义 图2 3 ：o p c 客户和服务器关系 o p c 规范描述了o p c 服务器需要实现的c o m 对象及其接口，定义了两类接口集台： 定制接口( c u s t o mi n t e r f a c e ) 和自动化接口( a u t o m a t i o ni n t e r f a c e ) ，如图2 - 4 所 示。o p c 客户程序通过接口与o p c 服务器通信，间接地对现场数据进行存取。o p c 服务器 既可以是本地的又可以是远程的可执行程序。一般来说，自动化接口能为v b 等高级语言 客户删序提供极大的便利，但数据传输效率较低；而定制接口则为用c c + + 语言编写的 客户群序带来灵活高效的调用手段。在有些情况下，o p c 基金会提供了标准的自动化接 口封装器( w r a p p e rd l l ) ，以方便自动化接口和定制接口之间的转换，使采用自动化接 口的客户程序也可以访问只实现了定制接口的服务器。 j 应南磊序k ：! ! 室型塑 j - 。一_ i f o p c b 务器 r ，1 、 ( 进程内，本地，远程) 。音笔。 7 0 菘百i 萌e 磊 应用程序卜。：! 竺竺三： ， 图2 - 4 ：o p c 自动化接口与定制接口 o p c 规范仅仅定义了c o m 接口，规定了服务器程序和客户程序通过接口交互的标准， 但并没有说明具体实现的方法。o p c 服务器供应商必须根据各自硬件特性实现这些接口 的成员函数。不论定制接口还是自动化接口都可分为必选接口和可选接口。必选接口包 括了客户程序与服务器进行交互的最基本功能，因此必须实现；可选接口则规定了一些 额外的高级功能，可根据需要有选择地实现。客户程序应通过查询接口的方式来判断服 务器程序是否实现了可选择接口的功能。 2 3 o p c 规范主要内容 住本文中所涉及的o p c 规范包括o p cd a t aa c c e s s 规范和o p cx m l d a 规范，下面将 分别介缁。 2 3 1o p cd a t aa c c e s s 规范 7 东南大学硕士学位论文 】、概述 o p c 数据存取规范规定了客户程序对服务器程序进行数据存取时需要遵循的标准。该规 范分为定制接口( c u s t o mi n t e r f a c e ) 规范和自动化接口( a u t o m a t i o ni n t e r f a c e ) 规范二部 分。r 面土要介绍定制接口规范中基本的对象和接口功能。 o p c 数据存取服务器主要由以下几个对象组成，服务器对象( s e r v e r ) ，组对象( g r o u p ) 以及数据项对象( i t e m ) 。 o p c b 务器对象负责维护有关服务器的信息并作为o p c 组对象的包容器可以动态地创 建或释放绸对象：而o p c 组对象除了维护自身信息，还提供了包容o p c 数据项的机制， 逻辑上管理o p c 数据项；o p c 数据项代表了与服务器中的数据的连接，图2 5 示意了这 几个剥象的相互关系以及它们和o p c 客户程序的关系。 图2 - 5 ：o p c 数据存取服务器对象及o p c 客户的相互关系 从定制接口的角度看，o p c 数据项不能被客户作为一个对象进行操作，所有对o p c 项的操作都是通过包容此项的o p c 组对象进行的。而o p c 服务器对象和组对象是聚合关 系，即o p c 服务器对象创建o p c 组后，将组对象的指针传递给客户，由客户直接操纵组 对象。这样既提高了数据存取的速度，也易于功能扩展，体系了组件软件的重用性。 o p t 数据存取规范详细规定了客户程序和服务器程序进行数据通信的机制。其它类 型的o p c 服务器往往是在数据存取服务器的基础上通过增加对象、扩展接口而来的。所 以该规范也是其它o p c 规范的基础。o p c 数据存取规范本身也在根据实际情况不断地进 行升级利功能扩展。本文所采用的是2 0 0 0 年9 月发布的数据存取规范2 0 4 版( o p cd a t a a c c e s sc u s t o mi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o nv e r s i o n2 0 4 ) 。 2 、o p c 数据服务器对象及接口 1 ) o p c 服务器对象 o p c 服务器对象是o p c 服务器程序暴露的主要对象，客户程序首先刨建该对象话通过其 接口完成所需功能。图2 - 6 示意了标准o p c 服务器对象及其定制接口( 其中带 的为任选 接口，服务器可以不实现这些接口) 。 8 东南大学硕士学位论文 i u n k n o w n 图2 - 6 ：标准o p t 服务器对象及其定制接口 u n k n o w n 接口是所有c o m 组件都必须实现的个基本的标准接口，它为客户程序提 供了q u e r y i n t e r f a c e 的方法进行接口查询，并且引用计数的方法决定c o m 对象的生存周 期。 r o p c c o m m o n 接口是各类o p c 服务器都使用的接口，通过该接口可为某个特定的客户 服务器对话设置和查询本地标识( l o c a l e l d ) 。这样，一个客户程序的操作将不会影响 其它客户程序。 i o p c s e r v e r 接口是o p c 服务器对象的主要接口，客户程序可通过该接口创建、查询 和删除组对象，并了解o p c 服务器自身的信息，这些信息包括服务器创建时间、运行状 态、绢对象的个数和版本号等。 i c o n n e c t i o n p o i n t c o n t a i n e r 接口是c o m 规范中的标准接口，用于实现服务器程序 向客户程序发送通知或时间。当o p c 服务器关闭时需要通知所有的客户程序释放o p c 组 对象雨i 其中的o p c 数据项，此时可利用该接口调用客户程序方的l o p c s h u t d o w n 接口实现 服务器的正常关闭。 i o p c i t e m p r o p e r t i e s 接口为客户程序提供了一种方便浏览服务器存储区中数据项 属性的方法。这种属性包括工程量、设定值、高限报警值、低限报警值和注释等，通过 该接口，o p c 客户无需创建和管理组就能直接得到这些信息，简化了操作。 o p c 规范中组对象可分为公共组( p u b l i cg r o u p ) 和局部组( 1 0 c a lg r o u p ) 。公共 组可以被多个客户共享，而局部组只能被一个客户使用。因此可采用特定的 1 0 p c s e r v e r p u b l i c g r o u p s 可选接口来管理公共组。公共组可以由o p c 服务器程序或客户 程序创建。 可选接口i o p c b r 0 w s e s e r v e r a d d r e s s s p a c e 为o p c 客户程序提供了浏览器服务器中有 效数据项的机制。这些数据项往往和现场设备相关连，代表某个现场信息。o p c 服务器 总是先浏览这些数据项，然后将需要的数据项作为o p c 项添加到o p c 组对象当中进行数 据存取。如果没有实现该可选接口，客户程序添加o p c 项时必须知道服务器中数据项的 确切名称才能建立起与数据源的正确连接。 可选接口i p e r s i s t f i l e 也是标准的c o m 接口。该接口允许客户程序调入或存储服务 器的改置。这些设置包括服务器通信的波特率、现场设备的地址和名称等。这样，当系 统重新启动时不需要再对服务器进行设置。需要注意的是客户程序创建的组对象名称、 项对象名称等信息应该由客户程序存储，与该接口无关。 2 ) o p c 组对象 o p c 组提供了一种让客户组织数据的方法，用户可以将逻辑相关的- - 2 e t 数据作为o p c 数据项添加到同一个组当中，例如同一个反应器的各点温度等。客户程序可创建多个组对象， 9 - 东南大学硕士学位论文 并分刖设置其属性。客户程序对服务器进行数据存取时是以组对象为单位进行的，即客户程 序对组内感兴趣的o p c 数据项进行统一的读写操作，这样无疑提高了数据通信的效率。图 2 7 示意了标准o p c 组对象及其定制接口( 其中带 的为任选接口，服务器可以不实现这 些接口) 。 j o p c i t e m m g t l o f c g r o u p s t m e m g t 【i o p c p u b l i c g m u p s t a t e m g i 】 i o p c s v n c l o 1 0 p c a s y n e l 0 2 i c o n n e c n o n p o i n t c o n t a i n e r f j o p ( ：a s v n c l o o l d 【i d a t a o b j e c t lo l d 图2 7 ：标准o p c 组对象及其定制接口 i o p c i t e 础i g t 接口允许客户程序组对象添加、删除和管理其包容的o p c 数据项，例如设 置o p c 数据项的激活状态和数据类型等属性。 客户程序通过i o p c g r o u p s t a t e m g t 接口来管理整个组对象的状态。主要是设置组对象向 客户程序提交数据变化的刷新速率、激活状态等等。i o p c p u b l i c g r o u p s t a t e m g t 可选接口则 允许客户程序将局部组转化为公共组。 o p c 客户程序对o p c 服务器中数据的存取方式分为同步读写方式和异步通报方式。客户 程序可按照一定的周期调用i o p c s y n c l o 接口对服务器程序进行数据同步存取操作，此时客 户方的调用函数一直运行到所有数据读写完成。i o p c a s y n c l 0 2 和1 0 p c a s y n c l o 是异步通报 方式中使用的接口。其中前者是在2 0 版本中新定义的，并与i c o n n e c t i o n p o i n t c o n t a i n e r 接口一起使用，具有更高的通信性能：后者则是和i d a t a o b j e c t 接口结合使用。在异步通报 方式f ，服务器程序定期刷新o p c 数据项并判断其数值或品质是否变化，如果有变化，则调 用客户群序方的l o p c d a t a c a l l b a c k 接口，将变化后的数据发送给客户程序。异步方式中允 许服务器将读写操作排队，使客户方的调用函数可立即返回。当服务器读写操作完成后再通 知客户程序。异步通报方式的通信效率高于同步读写方式，但有多个客户程序与服务器相连 时，同步读写方式更具时效性。对于每个组对象，客户程序可根据需要采用其中一种数据存 取方式，而不能两者都使用。 3 ) o p c 数据项对象 o p c 数据项表示了与o p c 服务器中数据的连接，包括值( v a l u e ) 、品质( q u a l i t y ) 和刚间戳( t i m es t a m p ) 三个基本属性。值的数据类型为v a r i a n t ，表示实际的数值； 品质则标识数值是否有效；时间戳则反映了从设备读取数据的时间和服务器刷新其数据 存储区的时间。 o p c 数据项并不是实际的数据源，只是表示与数据源的连接。0 p c 规范中定义了两种 数据源，即内存数据( c a c h ed a t a ) 和设备数据( d e v i c ed a t a ) 。每个o p c 服务器都有 存储区，存放着值、品质、时间戳以及相关设备信息，这些数据称为内存数据。而现场 设备中的数据则是设备数据。o p c 服务器总是按照一定的刷新频率通过相应驱动程序访 问各个硬什设备将现场数据