（动力机械及工程专业论文）基于opc和labview的数据采集系统在工业测控中的应用研究.pdf

西华大学硕士学位论文 基于o p c 和l a b v i e w 的数据采集系统在工业测控中的 应用研究 动力机械及工程专业 研究生：毕见卫指导教师：谭善文 虚拟仪器是随着p c 技术的发展而发展的，是计算机技术和仪器测量技术 相结合的产物。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价 格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势。 随着各种新兴技术的不断地融合到监控组态软件中，监控组态软件得到了 逐步的完善，并且可以按照客户的要求订制不同地功能。这样加快了软件的更 新换代以适应市场的需要，使之有了更强的竞争力和更为广阔的市场前景。 在我国的工业控制领域中，主要流行的监控组态软件有i f i x 、w m c c 、组 态王、易控、昆仑工控等，但是由于这些软件要么价格昂贵要么实现的功能有 限。特别在小型系统项目中，要求投入小并且要兼容以前的设备仪器，并且也 要实现定的监控功能，由于上述原因，有的时候就需要寻找其它软件( 如 l a b v i e w ) 来代替匕述监控软件，来实现其监控功能。l a b v i e w 是美国国家 仪器开发的，是目前国际上应用比较广泛的虚拟仪器开发环境之一，已经应用 于故障诊断、过程控制、检测等领域。 本课题首先从理论上分析了在中小型控制系统运用l a b w ，结合先进 的o p c 接口技术、串口通讯技术等实现上位监控功能的可行性。在实际工程 应用中，提出“l a b v i e w + d s c + o p c ”的解决方案，进而利用l a b v i e w 来 实现上层界面的编程，来实现测试系统信息的管理、串口数据采集、测控数据 的存储和查询等功能，以实现使监控软件可以兼容原来的仪器设备和自制的数 据采集设备，以此来降低测试系统搭建的成本。 西华大学硕士学位论文 关键词：虚拟仪器，监控组态软件，串口，o p c 接口技术，l a b v i e w ， d s c 模块 i i 西华大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o ns t u d y o fd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mi n i n d u s t r ym e a s u r i n ga n dc o n t r o lb a s e d0 1 1 o p ca n dl a l ) w p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n gs p e c i a l t y 一 一一 一一 m d c a n d i d a t e ：b 1 j i a n w e i s u p e r v i s o r ：t a n s h a n w e n v i r t u a li n s t r u m e n ti sd e v e l o p e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp ct e c h n o l o g y , a n di s t h ei n t e g r a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n s m m ：l ! e n tm e a s t t r i n gt e c h n o t o g i e s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li n s t n a n e n t , v i r t u a li n s m m a e n th a so b v i o u st e c h n o l o g i c a l a d v a n t a g e s i n i n t e l l i g e n td e g r e e ，p r o c e s s i n ga b i l i t y , p e r f o n m n c ep r i c e r a t i o ， m a n e u v e r a b i l i t y , a n do t h e ra s p e c t w i t ht h ei n t e g r a t i o no fv a r i o u sk i n d so fn e wt e c h n o l o g i e s ，m o n i t o r i n ga n d c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sg r a d u a u yi m p r o v e d , a n dd i f f e r e n tk i n d so ff u n c t i o m o fi tc a nb er e a l i z e da c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so fc u s t o m e r s t h ed e v e l o p m e n ta n d u p g r a d eo ft h i ss o f t w a r ei sa c c e l e r a t e d , w h i c hm a k e si tm o r ec o m p e t i t i v ea n dw i t h m o l ew i d em a r ，k e tf o r e g r o u n d i nd o m e s t i ci n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d , i f i x ，w m c c ，k i n g v i e w , i n s p e c ，k u n l u n g o n g k o n g , a n do t h e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lc o r 懂g u m i o ns o f t w a r ea r ep o p u l a r h o w e v e r , t h e s es o f t w a r ea r ee i t h e rv e r ye x p e n s i v eo rw i t hl i m i t e df u n c t i o m e s p e c i a l l yi n s m a l l - s c a l es y s t e m ，w i t hl o wi n v e s t m e n t , t h er e q u i r e m e n tf o r c o m p a t i b l ew i t hp r e v i o u se q u i p m e n t sa n di n s l n a n e n t sa n dt h er e q u i r e m e n tf o r r e a l i z i n gc e r t a i nm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lf u n c t i o n s ，o t h e rs o f t w a r e ( s u c ha sl a b v m w ) a r es e a r c h e df o rr e p l a c i n gt h ea b o v eo n e st or e a l i z ei t sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l f u n c t i o n s l a b v i e wi sd e v e l o p e db ya m e r i c aa n di so r t eo ft h ew i d e l yu s e dv i r t u a l i i i 西华大学硕士学位论文 i n s t n m a e n td e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ti nt h ew o r l d i th a sb e e nu s e di nf a u l td i a g n o s i s ， p r o c e s sc o n t r o l ，d e t e c t i o n , a n do t h e rf i e l d s t h ea p p l i c a t i o no fl a b v i e wi nm e d i u m - a n ds m a l l - s c a ec o n t r o l s y s t e m si s a n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ef e a s i b i l i t yo fu p p e rs u p e r v i s i o nf u n c t i o nb y c o m b i n i n gw i t ha d v a n c e do p ci n t e r f a c et e c h n o l o g ya n ds e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a l e a n a l y z z x i 。i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h e s o l u t i o ns c h e m eo f l a b v i e w + d s c + o p c ”i sp r o p o s e d b yu s i n gl a b v i e w , t h ep r o g r a m m i n go f u p p e ri n t e r f a c e ，m a n a g e m e n to fm e a s u r i n gs y s t e mi n f o r m a t i o n , d a t ac o l l e c t i o no f s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n , s t o r a g ea n ds e a r c ho fm e a s u r i n ga n dc o n t r o ld a t a , a n d o t h e rf u n c t i o n sa l er e a l i z e d t h i sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r ec a nb e c o m p a t i b l e w i t ht h e o r i g i n a li n s t r u m e n ta n de q u i p m e n t w i t hs e l f - m a d ed a t ac o l l e c t i o n e q u i p m e n t , t h ec o s to f e s t a b l i s h i n gt h em e a s u r i n gs y s t e mi sr e d u c e d k e yw o r d s ：v u m a li n s t r u m e n t , m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e , s e r i a lp o r t , o p ci n t e r f a c et e c h n o l o g y , l a b v i e wa n dd s cm o d u l e 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。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，也不包含为获得西华大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论 文成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：举咖卫 翩雠：矸终 口扩年步月叫日 彦年厂月z 乙日 7 6 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及名称 1 1 1 课题来源 本课题来源四川森田消防装备制造有限公司的消防车测试系统改 造。 1 1 2 课题名称 基于o p c 和l a b v i e w 的数据采集系统在工业测控中的应用研究 1 20 p c 概述 随着现代工业的发展，测控现场所要采集的信号种类越来越多，可以 采用的采集设备也越来越丰富。虽然微处理器在工业控制领域得到广泛的 应用，但是，不同厂商所提供的现场过程控制设备和商用应用软件之间相 互不能通讯的矛盾也越来越突出。主要是，一个硬件制造商开发出一个新 型号的硬件设备或是要对原来硬件设备进行升级，都要交给第三方开发相 应的驱动程序，而且还要对不同的商用软件开发不同版本的驱动程序，这 样，极大的增加了企业的成本，造成大量的重复劳动，也增加了控制系统 设计人员的设备选型和系统集成的难度。 o p c 的全称是o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，它是基于w i n d o w s 的o l e 一 对象链接与嵌入( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 、c o i m 一组件对象模型 ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 技术，包括了自动化应用的一整套的接口、 属性和方法的标准。 o p c 规范定义了一个开放的接口，在这个接口基础上，基于p c 的软 件组件能交换数据，也就是使由不同的供应商提供的机器设备无须特别的 软件开发就可以相互连接。这正是o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 本来 的目的所在。 我们可以从下面图看出区别来。在图1 1 所示的是由4 种控制设备和 与其连接的监视应用程序、趋势图应用程序和报表应用程序3 种程序所构 西华大学硕士学位论文 成的系统。必须花费大量时间去开发分别对应设备a 、b 、c 和d 的监视， 趋势图以及报表应用程序的接口软件共计1 2 种驱动。同时由于系统中共 存各种各样的驱动器，也使维护运转环境的稳定性和信赖性更加困难。 o p c 是为了不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化， 使其间的数据交换更加简单化的目的而提出的。作为结果，从而可以向用 户提供不依赖于特定开发语言和开发环境的，可以自由组合使用的过程控 制软件组件产品【lj 。 f i g u r e1 lc o n n e c t i o no fs y s t e mb yu s i n gd r i v e r 图1 1 利用驱动器的系统连接 利用o p c 使接口标准化可以构成如图1 2 所示的系统。用户可以不 依存于设备a 、b 、c 和d 的内部结构及它的供应厂商，选用监视、趋势 图以及报表应用程序。 可以看出与传统的方式相比，o p c 技术具有以下优势： 硬件厂商熟悉自己的硬件设备，因而设备驱动程序性能更可靠、 效率更高； 软件厂商可以减少复杂的设备驱动程序的开发周期，只需一套遵 循o p c 标准的程序就可以实现与硬件设备的通讯，并可以把人力、物力 资源投入到系统功能的完善中； o p c 把软硬件厂商区分开来，使得双方的工作效率有了很大的提 2 西华大学硕士学位论文 高，因此o p c 技术得到了广大软硬件厂商的支持，并迅速发展1 翻。 f i g u r e1 - 2c o m p o s i t i o no fc o n t r o ls y s t e mb yu s i n go p c 图1 2 利用o p c 的控制系统构成 1 3l a b e w 概述 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验 室虚拟仪器工程平台) 是美国n i 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y ) 推 出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器 软件开发工具。 与传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺 序的特点相比，则l a b v i e w 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之 间的数据流决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数，用连线表示数据 流向。 l a b v i e w 提供很多外观与传统仪器( 如示波器、万用表) 类似的控 件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在l a b v i e w 中被称为前面板。 使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形 化源代码，又称g ( g r a p h i c s ) 代码。l a b v i e w 的图形化源代码在某种程 度上类似于数据流流程图，因此又被称作程序框图代码。 由于l a b v i e w 可以用来创建通用的应用程序，因此被称为一种通用 的编程语言。但是它在测试、测量和自动化等领域具有更大的优势，因为 西华大学硕士学位论文 l a b v i e w 提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示和存储。 同时它还提供了大量常用于自动化测试测量领域的图形控件。这使得用户 可以在数分钟内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存 储的自动化测试测量系统。因此它被广泛地应用于汽车、通讯、航空、半 导体、电子设计生产、过程控制和生物医学等各个领域，涵盖了从研发、 测试、生产到服务的产品开发所有阶段【3 1 。 l a b v i e w 不仅可以用来快速搭建小型自动化测试测量系统，还可以 用来开发大型的分布数据采集与控制系统。 l a b v i e w 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。利 用它，设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统和构建自己的仪 器表面，而无需进行任何烦琐的计算机代码的编写。 用l a b v i e w 设计的虚拟仪器可以脱离l a b v i e w 开发环境，最终用 户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。 1 4 论文的背景 课题来源于四川森田消防厂消防车测试系统的改造，在改造的过程中 由于受到软件的限制，单位原来许多m c g s 组态软件不支持的数字仪表 不能用。为了把这些仪表派上用场，节省一定的设备采购经费，也为以后 消防车测试系统的改造不受组态软件的限制，可以较大范围的选择仪器设 备。决定选择利用o p c 技术和l a b v i e w 图形化界面编程的优点来实现上 述目的。 1 5 论文的内容简介 本论文的题目是基于o p c 和l a b v i e w 的数据采集系统在工业测控中 的应用研究。共分七章来详细的进行研究，各章的主要内容如下： 第一章：总体概述的介绍了课题来源及名称、o p c 和l a b v i e w 的基 本情况和优点，然后又介绍了论文的背景和论文的内容。 第二章：介绍组态软件的历史、优点和l a b v i e w 的优点，以及o p c 技术发展的历史、优点。在本章也简单的介绍了组态软件和o p c 之间的 4 西华大学硕士学位论文 关系。 第三章：对o p c 服务器的结构进行介绍，并着重对o p c 服务器对象 ( o p cs e r v e ro b j e c t ) 和o p c 客户对象( o p c g r o u pa n do p cc l i n e t ) 介 绍。 第四章：对l a b v l e wd s c 模块功能和o p c 在l a b v i e w 中的应用进 行介绍。 第五章：对r s - 2 3 2 和r s 一4 8 5 的通讯协议，以及r s 2 3 2 r s 一4 8 5 之间 的通讯进行介绍。 第六章：这章主要介绍实际的应用例子，介绍在消防车测试系统中的 应用。分别对消防车的测试环境、需要测试的信号变量、开发的图形测试 界面等进行介绍。 第七章：对本论文作了一个总结。指出t - r 作中的些不足，并提出 一些对后续工作的想法和建议。 5 西华大学硕士学位论文 第二章监控组态软件与o p c 的关系 由于计算机的发展日新月异，传统基础工业的现代化改造步伐的加 快。围绕着工控计算机的自动化集成系统新产品新技术的推阵出新，其中 监控组态软件在扮演越来越重要的角色。 2 1 监控组态软件 2 1 1 监控组态软件成长的历史背景 监控组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式 灵活，功能强大。 监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。在早期的 时候，虽然集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 技术得到 了发展，但是软件是专用和封闭的，软件成本一直居高不下，造成d c s 在中小型项目上的单位成本过高，限制了d c s 在中小型项目上的使用。 到了8 0 年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统( o p e ns y s t e m ) 概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。组 态软件作为个人计算机监控系统的重要组成部分，比p c 监控的硬件系统 具有更为广阔的发展空间。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，由 p c 构建的工业控制系统业的成本也越来越低，p c 的软件资源和硬件资源 也越来越丰富，且基于p c 的控制系统操作简单，容易掌握。在p c 技术 向工业控制领域的渗透中，组态软件的地位也越来越重要【4 矧。 2 1 2 监控组态软件的技术特点 监控组态软件的使用者是自动化工程设计人员，主要目的是使使用者 在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码。监控组 态软件一般由下列组件组成：图形界面系统、实时数据库系统、第三方程 序接口组件和控制功能组件。最突出的特点就是实时多任务，解决的问题 6 西华大学硕士学位论文 是： 如何与采集、控制设备间进行数据交换； 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来； 处理数据报警和系统报警； 存储历史数据并支持历史数据的查询； 各类报表的生成和打印输出； 为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的 需求； 最终生成的应用系统运行稳定可靠： 具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 自动化工程设计技术人员在组态软件中只需要填写一些事先设计的 表格，再利用图形功能把被控对象( 如反应罐、温度计、锅炉、趋势陆线、 报表等) 形象地显示出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与i o 设 备的实时数据进行逻辑连接。在系统运行的时候，与被控对象相连的i o 设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性变化1 4 1 7 锄。 2 1 3l a b v 疋w 的技术特点 虽然工业控制领域流行的监控组态软件有许多，但是由于这些大型软 件价格昂贵，很难适合中小型系统。所以要寻求一种新的软件来代替，以 适合应用于中小型系统。如l a b v i e w 监控软件。 l a b v i e w 是由美国m 公司开发的、优秀的图形化编程开发平台，是 l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的简称，即实验室虚 拟仪器工程平台，是目前应用范围最广、功能最为强大的虚拟仪器开发平 台。其主要技术特点是： 高的编程效率：l a b v i e w 具有一个高效的图形化程序设计环境， 结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的g 编程语言。它提供了 一个直觉式的编程环境，与测量紧密结合，能让工程师与科学家们迅速开 发出有关数据采集、分析及显示的解决方案。现今数以万计的工程师、科 学家以及技术人员在使用l a n v i e w 来构建测量与自动化系统； 7 西华大学硕士学位论文 开发完整的测试系统：l a b v i e w 提供了一种全新的程序编程方 法，即对称之为虚拟仪器的软件对象进行图形化组合操作；全面兼容n i 公司的所有数据采集、信号调理和仪器控制等硬件产品。包括g p 毋、p 、 v x i 、v m e 、串口、f i e l d p o i n t 、p l c 、c a n 及插入式数据采集板卡：数 据类型众多，还可以通过网络、a c t i v e x 共享数据库和结构化查询语言 ( s q l ) 等方式与其他的数据源相连；c i n 节点和m a t l a b 节点用于连 接外部代码i 3 】。 2 2o p c 2 2 1o p c 成长的历史背景【i 】 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 别小组所开发的。f i s 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，微 软同时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 ，o p c - f ) ，是在1 9 9 6 年9 月2 4 日在美 国达拉斯举行了第一次理事会，并在同年l o 月7 日在美国芝加哥举行的 第一次全体大会上宣告正式成立，之后为了普及和进一步改进于1 9 9 6 年 8 月完成的o p c 数据访问标准版本1 0 ，开始了全球范围的活动，现在的 o p c 基金会的理事会是由f i s h e r - r o s e m e n t ，h o n e y w e l l ，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 ，n a t i o n a li n s t r u m e n t 以及欧洲代表的s i e m e n s 和远东代 表的东芝所组成。 在曰本，为响应以美国为中心的国际标准活动，由1 1 家公司作为发 起人，于1 9 9 6 年6 月开始基金会成立的准备活动，并于1 9 9 6 年l o 月1 7 日正式成立了日本o p c 协会( o p c j ) 。几乎于此同时欧洲o p c 协会 ( o p c e ) 也正式成立。在中国，也由5 家公司作为发起人于2 0 0 1 年1 2 月正式成立了中国o p c 促进会( o p c c ) 。 o p c 基金会从成立开始会员逐年增加，到目前为止在全球范围内已 有近3 0 0 家公司加入了这个国际标准组织。同时由控制设备厂商和控制软 西华大学硕士学位论文 件供应商提供的o p c 产品也日益增加，目前已有6 0 0 种以上的o p c 服务 器产品和o p c 应用程序产品出现在由o p c 基金会发行的o p c 产品目录 上。 2 2 2o p c 的技术特点, 1 1 0 , 1 1 1 o p c 技术被越来越的采用，应用范围也越来越广泛，采用其设计系 统的好处如下： 7 o p c 规范以o l e 巾c o m 为技术基础，而o l e d c o m 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上分开，分布于网络的不同节 点上； o p c 按照面向对象的原则，将一个应用程序( o p c 服务器) 作为 一个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用 这个方法，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的开发中 脱离出来； o p c 实现了远程调用，使得应用程序的分布与系统硬件的分布无 关，便于系统硬件配置以及使得系统的应用范围更广： 采用o p c 规范，便于系统的组态化，将系统复杂性大大简化，可 以大大缩短软件开发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，便于系统的 升级与维护： o p c 规范了接口函数，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，从而实现系统的开放性，易于实现与其他系统的接口。 2 2 3o p c 技术的应用 由于o p c 技术的采用，解决了设备驱动程序开发中的异构问题。使 得可以以更简单的系统结构、更长的寿命、更低的价格解决工业控制成为 可能。同时现场设备与系统的连接也更加简单、灵活、方便。因此o p c 技术在国内的工业控制领域得到了广泛的应用，主要应用领域如下 1 0 , n 】： 数据采集技术。o p c 技术通常在数据采集软件中广泛应用，现在 9 西华大学硕士学位论文 众多硬件厂商提供的产品均带有标准的o p c 接口，o p c 实现了应用程序 和工业控制设备之间高效、灵活的数据读写，可以编制符合标准o p c 接 口的客户端应用软件完成数据的采集任务。 历史数据访问。o p c 提供了读取存储在过程数据存档文件、数据 库或远程终端设备中的历史数据以及对其操作、编辑的方法； 报警和事件处理。o p c 提供了o p c 服务器发生异常时，以及o p c 服务器设定事件到来时向o p c 客户发送通知的一种机制，通过使用o p c 技术，能够更好的捕捉控制过程忠的各种报警和事件并给予相应得处理； 数据冗余技术。工程软件开发中，冗余技术是一项最为重要的技 术，它是系统长期稳定工作的保障。o p c 技术的使用可以更加方便的实 现软件冗余，而且具有较好的开放性和可互操作性； 远程数据访问。借助m i c r o s o f t 的d c o m ( 分散式组件对象模型) 技术，o p c 实现了高性能的远程数据访问能力，从而使得工业控制软件 之间的数据交换更加方便。 2 3 监控组态软件与o p c 之间的关系 虽然监控组态软件在工业自动化领域得到了广泛的应用和发展，但是 随着新型控制设备的不断出现，上层的监控组态软件与下层现场工业设备 之间、各种不同的监控组态软件之间、甚至是基于不同工业协议的工业设 备之间的数据交互是系统运行的核心。这就对监控组态软件的硬件设备驱 动能力提出了更高的要求，如何使不同硬件方便的接入已有的监控组态软 件就成了目前组态软件接口设计的重要问题。 o p c 规范正是在这种情形下提出的，o p c 是将o l e 应用于过程控制 ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 的一种技术。主要是为了解决应用程序在与不 同设备驱动程序通讯产生的问题。o p c 技术的产生为其提供了一套规范 的接口、属性和方法标准，使得上下层或者同一层之间的数据通讯对设备 或者进程之间的依赖性降到最低。其在监控组态软件中的应用前景主 要取决于以下方面： o p c 国际基金会成员的不断增加，使得o p c 技术规范的被接纳程 1 0 西华大学硕士学位论文 度也不断提升，这意味着各个硬件厂商在开发硬件设备的同时，也会相应 提供可以该硬件设备的接口o p c 服务器。而组态软件公司只需要开发标 准的o p c 接口，不用关心下层的硬件设备； o p c 通讯性能的不断提高也是保障其能否在组态软件通讯协议中 长期立足的重要因素 1 2 - 1 4 】。 2 4 本章小结； o p c 接口技术提供了一种开放、高效的通信机制，它给工业监控软件 提供了一种一致的存取现场设备数据的方法。方便了控制系统的开发与集 成。利用基于o p c 技术的设计分布式工业监控系统，利用该方法可以设 计出功能强大，具有很好的开放性、伸缩性和可靠性的通用工业自动化监 控软件。 西华大学硕士学位论文 第三章o p c 规范介绍 o p c 规范是由非盈利性的国际组织o p c 基金会提出并制定的一项工 业标准，规范中详细的定义了三个基本o p c 对象( o p cs e r v e r 、o p cg r o u p 和o p ci t e m ) ，规范中也详细的定义了o p c 服务器程序与客户机程序进 行通讯的接口以及通讯的方法。 3 1o p c 服务器的组成 一个o p c 服务器由三个对象组成：o p c 服务器( o p cs e r v e r ) 、o p c 组( o p cg r o u p ) 和o p c 标签( o p ci t e m ) 。o p c 服务器对象用来提供关 于服务器对象自身的相关信息，并且作为o p c 组对象的容器。o p c 组对 象用来提供关于组对象自身的相关信息，并提供组织和管理项的机制【。 o p c 数据访问对象的分层结构如图3 一l 所示。 服务器( o p cs e r v e r ) 组集合( o p cg r o u p g ) 组( o v cc r o u p ) 项组合( o p ci t s m s ) 项( o p ci t e m ) f i g u r e3 - 1h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fo p c d a t av i s i t e do b j e c t s 图3 1o p c 数据访问对象的分层结构 1 2 西华大学硕士学位论文 一个o p cs e r v e r 具有一个作为子对象的o p c 组集合对象( o p c g r o u p s ) 。在这个o p cg r o u p s 里面可以添加多个的o p cg r o u p 。各个o p c g r o u p 都具有一个作为子对象的o p c 标签集合对象( o p ci t e m s ) 。在这 个o p ci t e m s 里面可以添加多个的o p ci t e m 。其中o p cs e r v e r 还可以包 括一个o p c 浏览器对象( o p cb r o w s e r ) ，o p cb r o w s e r 是o p cs e r v e r 名 称空间的枝和叶( 标签) 的集合。浏览功能是选用功能，o p cs e r v e r 不支 持浏览的时候，即使执行c r e a t eb r o w s e r 也不会生成这个对象。 o p c 规范由两套接口组成：自定义接口( t h eo p cc u s t o mi n t e r f a c e s ) 和自动化接口( t h eo p ca u t o m a t i o ni n t e r f a c e s ) 。o p c 服务器必须实现定 制接口，可以选择实现自动化接口。这两套标准接口的定制极大地方便了 服务器和用不同语言开发的客户应用之间的通讯，使得用户对开发工具的 选择有了较大的自由。o p c 接口关系如图3 2 所示【1 , 1 5 - 1 8 j 。 l 一软件l 洲接口 o p c i 务器 潺商徽罨 iv b 等应用软件i f i g u r e3 - 2o p ci n t e r f a c e 图3 2o p c 接口 用c 或c + + 编写o p c 客户应用程序时可以使用定制接口，也可以使 用自动化接口。由于定制接口具有更高的性能，建议尽可能使用定制接口。 o p cs e r v e r 对象是o p cg r o u p 对象的容器，提供管理o p cg r o u p 对 象的接口和方法；o p cg r o u p 对象是o p ci t e m 对象的容器，提供管理o p c i t e m 对象的接口和方法；o p ci t e m 对象没有对外接口，因为o p cg r o u p 对象的接口已经具备了与客户端交互的能力。 它们依次呈包含关系，如图3 3 所示。 1 3 西华大学硕士学位论文 f i g u r e3 - 3c l a s sp a t t e mo f o p cc u s t o m i z e di n t e r f a c e 图3 - 3o p c 定制接口的类模式 3 2o p c 服务器对象( o p cs e r v e ro b j e c t ) 介绍 o p cs e r v e r 即o p c 启动服务器，通过它获得其他对象和服务的起始 类，并用于返回o p cg r o u p 类对象。o p cs e r v e r 级别有多种属性，其中 包含一个o p c 服务器对象的状态和版本等信息。 一个标准o p cs e r v e r o b j e c t 的接口主要包括6 个接口，如图3 4 所示。 f i g u r e3 - 4s t a n d a r do p c s e r v e ro b j e c ti n t e r f a c e 图3 - 4 标准的o p cs e r v e r 对象接口 1 4 一 一 一 一 极- 露蜘砒ao 西华大学硕士学位论文 o p cs e r v e ro b j e c t 部分接口功能如下： i o p c s e r v e r 接口包含管理o p cg r o u p 级别中的对象的方法。如将 组加入服务器或从服务器中删除组的方法( “a d d g r o u p ”， “r e m o v e g r o u p ”1 o i o p c c o m m o n 接口方法用于通知服务器语言的设置和客户机的 名称。 o p cs e r v e ro b j e c t 提供连接数据源( o p c 定制接口服务器) 或者数 据访问( 读取，写入) 的一种方法，所以在建立o p cg r o u p 和o p ci t e m 以前必须建立o p cs e r v e ro b j e c t ，然后使用o p c 数据访问自动化接口的 “c o n n e c t ”方法和数据源连接。 o p cs e r v e ro b j e c t 的功能主要表现为： 创建和管理o p cg r o u p 对象； 管理服务器内部的状态信息，将服务器的错误代码翻译成描述性 语句； 浏览o p c 服务器内部的数据组织结构。 从o p cs e r v e ro b j e c t 的功能可以看出，该对象面向o p c 服务器对客 户端的信息服务，基本独立于实时数据源，可以统一实现；其中数据的组 织结构与具体数据源有关，需要从用户处获取信息【1 1 1 1 6 - 1 7 】。 o p c 规范对s e r v e r 对象所支持的每个接口都有详细的定义。o p c s e r v e r 对象通过对接口的操作，可以实现服务器启动、关闭及维护、地址 空间映射等功能。 3 3o p c 组对象( o p cg r o u po b j e c t ) 介绍 o p cg r o u p 存储由若干o p ci t e m 组成的g r o u p 信息，并用于返回o p c i t e m 类对象。o p cg r o u p 级别管理被称为o p ci t e m 的各个过程变量。 一个标准o p cg r o u po b j e c t 的接口主要包括1 0 个接口，如图3 5 所 示。 o p c g r o u po b j e c t 部分接口功能如下 i o p c i t e m m g t 接口提供将项加入组或从组中删除项的方法 西华大学硕士学位论文 ( “a d d i t e m ”，“r e m o v e l t e m ) 。 i o p c g r o u p s t a t e m g t 接口的方法用于处理组专用的参数或复制组。 i o p c s y n c l o 接口的方法用于进行数据的访问。 o p cg r o u p 为客户提供数据服务，可以实现建立和管理i t e m 对象。 o p cg r o u po b j e c t 的功能主要表现为： 创建和管理i t e m 对象； 管理o p cg r o u p 对象的内部状态信息； o p cs e r v e r 内部的实时数据存取服务( 同步与异步方式) 。 i o p c i t e m m 蓼 砌p c g 糟i ，p s t 蹴m 蓼 z o p c 国o u p s 啪煳贮 i o p c s y a e l o i o p c s y 北1 0 2 1 0 p c 勘：3 r n c l 0 2 i o p c a s y a e l 0 3 l o 嗽t e m d 咤皇d b 叠n d m g | p c 轨m 鼬揶恤g 碉 f i g u r e3 - 5s t a n d a r do p cg r o u po b j e c ti n t e r f a c e 图3 - 5 标准的o p cg r o u p 对象接口 从o p cg r o u po b j e c t 的功能可以看出，该对象面向o p cs e r v e r 对底 层设备的信息存取，对实时数据源的依赖性很强，需要从用户数据源处获 取信息【1 , 1 6 - 1 7 】。 3 4o p c 项对象( o p ci t e mo b j e c t ) 介绍 o p c 规范中没有明确的定义i t e m 对象，目的是使开发在实现底层连 1 6 西华大学硕士学位论文 接时相对灵活一些。i t e m 对象描述的是服务器到数据源的连接。从自定义 接口看，i t e m 对象是不能由客户程序直接访问的，对i t e m 对象的访问都 是通过含有该i t e m 的g r o u p 对象来实现的，因而只有i t e m 对象的定义， 没有对i t e m 对象定义对外的接口。每