（测试计量技术及仪器专业论文）基于opc标准的现场遥现技术的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 针对更好地设计应用于大规模工业现场的监控软件这一要求，本文着重从 数据通信和图像显示两个方面做了深入的分析与研究。在应用软件和现场设备 的通信方面，课题采用了o p c 这一标准化接口协议，使得软件的数据来源不再 是通过专用硬件驱动程序传递的过程数据，而是具有通用数据接口的o p c 服务 器，从而实现了不同硬件和软件之间的互操作，保证了系统的开放性和灵活性。 在对现场场景的图形显示方面，针对工业现场数据三维可视化的要求，研究了 基于d e l 【p h i 虚拟现场的遥现技术。分析了虚拟场景中，物体运动的实现，并提 出了一种优化三维建模的方法，即利用模型直接载入法简化3 d 建模程序、改善 模型显示效果，从而逼真地再现出真实场景，为虚拟现场遥现的终端显示提供 了一种实现途径。作者还研究了课题的通用性，提出创建三维图形库的想法， 并对创建三维图形控件做了详细的论述。 在课题的研究开发过程中，作者从课题需求出发，对开发工具、开发方法 等进行研究比较，积累了很多的经验与教训，为课题的进一步研究打下了坚实 的基础。 关键字：o p c ，现场遥现，o p e n g l ，d e l p h i 3 d ，建模 基于o p c 标准的现场遥现技术的研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t e l e p r e s e n c eo ft a r g e tf i e l db a s e do no p ct e c h n o l o g yi ss t u d i e d d e e p l yf r o mt w oa s p e c t s - _ d a t aa c c e s sa n dg r a p h i c sv i s u a l i z a t i o n a no p cc l i e n t a p p l i c a t i o ni sd e v e l o p e dt or e c e i v ed a t af r o ml o c a l r e m o t es e r v e r s a c c o r d i n gt ot h e k e yd a t a ，t h ec o m p u t e rp r o d u c e st h ev i r t u a ls c e n es i m i l a rt ot h er e a lo n e o nt h ea s p e c to fd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e na p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n dd e v i c e s ， o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) i su s e dt os t a n d a r d i z et h ei n t e r f a c ep r o t o c 0 1 i nt h i s w a y , a p p l i c a t i o n sa c c e s sd a t af r o mo p cs e r v e r sb yg e n e r a li n t e r f a c e s ，n o tf r o m s p e c i f i e dh a r d w a r ed r i v e r s t h es y s t e mw i t ho p ci n t e r f a c ei sa no p e na n df l e x i b l e s y s t e m o n t h e a s p e c t o fg r a p h i c sv i s u a l i z a t i o n ，t om e e tt h en e e d so fd a t a v i s u a l i z a t i o ni ni n d u s t r i a lf i e l d ，t h r e e d i m e n s i o nc o m p u t e rg r a p h i c sv i s u a l i z a t i o no f t a r g e td e t e c t i o nb a s e do nd e l p h i 3 di ss t u d i e d t h em o v e m e n to fv i r t u a lo b j e c t si s a n a l y z e d ，a n dam e t h o d o l o g yt or e d u c et h ej o bo f3 dm o d e l i n ga n dt oi m p r o v e g r a p h i c a lq u a l i t yi sd e s c r i b e d t h ea b o v el o g i ci s t od e m o n s t r a t et h er e a ls c e n e r e a l i s t i c a l l yo np ca n dt oo f f e ra na p p r o a c hf o rt e r m i n a ld i s p l a yo ft e l e p r e s e n c e i n a d d i t i o n ，t h ei d e ao fe s t a b l i s h i n gt h r e e d i m e n s i o ng r a p h i cl i b r a r yi sp r e s e n t e d t h e s o f t w a r ei sw r i t t e ni nt h eo p e n g lg r a p h i cl i b r a r yi nd e l l ；i h ie n v i r o n m e n t s t h e g r a p h i cs i m u l a t i o nc a np e r f o r ms p e c i f i e dt a s k si nd a n g e r o u sp l a c e s ( e x n u c l e a r f a c i l i t i e s ) d u r i n gt h ep e r i o do fr e s e a r c h ，t h ea u t h o rh a dc o m p a r e ds e v e r a ld i f f e r e n tt o o l s a n dm e t h o d s t h ee x p e r i e n c ea n dt h em e t h o dh a v ep r o v i d e df o u n d a t i o nf o rf u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：o p c ，t e l e p r e s e n c e ，o p e n g l ，d e l p h i 3 d ，m o d e l i n g 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 基于o p c 标准的现场遥现技术的研究 注释表 符号注释说明 o p c o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l过程控制中的o l e o l e o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g 对象的链接与嵌入 c o m c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 组件对象模型 d c o md i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l 分布式组件对象模型 d c sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 分布式控制系统 o p e n g lo p e ng r a p h i cl i b r a r y 开放性图形库 c s c l i e n t s e r v e r客户服务器模式 o o p o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g 面向对象的程序设计 r c r e n d e r i n gc o n t e x t “绘制描述表”的上下文 d cd e v i c ec o n t e x t “硬件描述表”的上下文 v c lv i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y 可视组件库 南京航空航大人学硕十学付论文 第一章绪论 本章首先介绍了本课题的项目背景，然后详细介绍了基于o p c 标准的现场 遥现系统，最后对本论文的任务进行了陈述。 1 1 问题的提出 随着工业生产规模的扩大和过程复杂程度的提高，以及用户对可视化要求 的提高，工控软件设计面临着巨大的挑战。第一，现场设备的数量和种类不断 增多，由于不同厂家的设备具有不同的通信机制，迫使工控软件中包含了越来 越多的底层通信模块，而且，硬件的改动很可能导致整个软件的改动，给软件 的设计和维护造成了极大的不便。如何更有效地实现软件与多种硬件的通信? 第二，随着图形交互技术的飞速发展，人们希望能以更加直观的方式了解现场 场景，而不是仅仅由些复杂的现场数据分析才能知道，软件如何直观地显示 出现场场景? 本课题的研究正是为了解决以上问题。 1 2 研究背景 1 2 1 利用o p c 技术实现了软件与硬件的高效通信 对于早期的工业现场监控系统，为了实现不同的硬件和软件之间的数据交 换，监控软件必须提供每种相连控制设备的通讯驱动程序，目前流行的现场控 制设备种类繁多，且产品不断升级换代，往往给监控软件的丌发带来了巨大的经 济压力和工作负担。硬件丌发商和软件丌发商急切需要一种具有高效性、可靠性、 开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序，在这样的大背景下，o p c 工 业标准应运而，土【3 】| 3 “。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是近年来国际上新推出的与厂商无关的软件 数据交换接口标准和规程。其基本思想是：每个硬件生产厂商为其设备丌发一 个通用的数据接口供其它系统读写信息( 作为o p c 服务器) ，应用软件也通过 基丁o p c 标准的现场遥现技术的研究 o p c 接口来读写硬件设备的信息( 作为o p c 客、) 。 早期的o p c 标准是由提供： 业制造软件的5 家公司所组成的o p c 特别工作 小组丌发的。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。1 9 9 6 年9 月，o p c 基金会( o p c f o u n d a t i o n ，o p c f ) 成立，开始了全球范围内的活动。到目前为止，o p c 基金 会成员已经超过4 0 0 家，涵盖了世界上绝大部分的工控设备厂商f 4 ”。 将o p c 技术应用于监控软件的设计，那么软件的数据米源将不再是通过专 用硬件驰动程序传递的过程数据，而是具有通用数据接口的o p c 服务器，从而 实现了软件与硬件在异构环境下的丌放、高效通信”j 。 1 2 2 用三维图像遥现现场场景 在工业现场中，设备往往比较分散，虽然简乖的控制山现场的智能仪器完 成，但是一些现场仪器不能完成的高级控制以及对现场的龄测必须由实现“集 中蠊控”的一k 位机来完成。传统的方法是上位机通过分析现场设备的测试数据 来获取现场的信息。但是，卜位机只能得到各现场设备的一些测试数据，而不 能直观地再现现场的场景。对于非专业人员来说，无法仅仅从现场设备的测试 数据巾分析出现场的状况，叩使是专业人员，要根据多种现场设备的不同测试 数据分析出各个设备的运行状况，也是比较复杂的。 随着图形交互技术的飞速发展，人们希望能够将复杂的数据用图像表示出 来。当前市场上的一些优秀的工控软件已经实现了从数据显示向图形显示的过 渡，但是这些图形仅仅局限于二维图形显示。二维图形显示虽然实现了数据的 可视化，但是仍然存在些难以克服的问题：如对场景巾的个体，无法做到像 三维物体那样平移、旋转、剖面显示、漫游等特殊效果，而且在面而上也不够 逼真。随着计算机图形的发展进入3 d 时代，将3 d 技术运用到工业控制领域已 经成为不可阻挡的趋势j 。 ：爵“遥现”这一新兴技术用于现场监控，形成现场遥现系统。遥现，即由 计算机根据接收到的现场数据，经过分析生成3 d 虚拟【向而，从而使得操作人员 能身临其境，直观地了解真实场景，不必再根据不同的现场设螽对测试数据分 别处理和分析，而直接通过逼真的三维图像观察各个现场的：状况，。丈现实时蠊 划1 。 南京航空航天人学硕十学位论文 1 3 本课题的研究内容与意义 在基于o p c 的现场遥现技术的研究中，作者通过按照o p c 标准丌发出o p c 客户应用程序，由应用程序向硬件或者其他软件( o p cs e r v e r ) 读取数据，将实 时数据经过分析后模拟现场场景并进行三维图形再现，同时并将数据存入历史 数据库( 供r 后分析用) 。 1 3 1o p c 技术 o p c 是针对过程控制领域的基于o l e 技术的规范，它是一种适用于 w i n d o w s 应用程序之问、现场设备和应用系统之问数据交换的标准化接口协议。 采用o p c 技术，可以实现不同硬件产品和软件产品之问的互操作性。目前世界 上大部分的工控软硬件厂商的产品都支持o p c 标准。所以基于o p c 标准的遥现 系统是真正丌放的系统【6 j 。 总之，o p c 技术正在由于其标准性、丌放性和灵活性而逐渐成为过程控制 领域的软硬件接口标准。 o p c 技术在现场遥现系统晌数据交互方面发挥了巨大的作用，所以本论文 的第二、三章着重介绍了o p c 技术以及如何丌发出基于o p c 标准的客户应用软 件。 1 3 2 现场遥现 遥现，是虚拟现实的一个重要研究分支，它的特点在于，计算机产生一种 人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成的三度空阳j ，从而使 得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。应用于工业现场的遥现技术， 继承了虚拟现实技术视觉逼真的特点，计算机根掘接收到的现场数据，经过分 析用三维图形模拟出真实的现场场景，从而达到再现现场场景的效果【1 。 本文研究的现场遥现是以d e l p h i 3 d 为基础，通过调用o p e n g l 三维图形库， 并且结合了3 d m a x 软件开发的。d e l p h i 3 d ，是三维图形丌发的一个新名词，即 以d e l p h i 为丌发平台，通过调用o p e n g l 图形库进行三维图形的快速丌发 2 8 1 。 o p e n g l ( o p e n g r a p h i c sl a n g u a g e ) 是s g i 公司丌发的、可独立于操作系统和 硬件环境的三维图形库。它作为一种三维工具软件包在交互式三维图形建模能 力和编程方面具有无可比拟的优越性。它具有建模、变换、光线处理、色彩处 丝丁。o p c 标准的现场遥现技术的研究 理、动画以及更先进的功能，如纹理映射、物体运动模糊效果和雾化效果等。 o p e n g l 为实现逼真的三维绘制效果，建立交互的三维场景提供了优秀的软件工 具。而且，o p e n g l 具有强大的图形功能和跨平台的能力，已成为事实上的图形 标准。目前，m i c r o s o f t 、s g i 、i b m 等大公司都采用了o p e n g l 作为三维图形标 准丌发出自己的产品。特别由于微软的加入，使在微机上实现三维真实感图形 的生成与显示成为可能，也为广大用户提供可在微机上使用以前只能在高性能 图形 作站上运行各种软件的机会。 值得一提的是：在课题的研究中，作者花了大量的时间与精力研究了如何 在d e l p h i 中更为方便地、更高质量地显示三维图形( 传统的方法在d e l p h i 中显 示三维图形很繁琐，而且图形质量不高，这将在论文的第四章做详细的论述。) 所谓一份辛劳一份收获，经过多方面的研究，最终在三维模型的构建方面提出 了一种直接在d e l p h i 中载入3 d 模型的方法，我们将它称为模型直接载入法，运 用这种方法，使得三维图形，特别是复杂图形的建模：【作大大减少，而且在三 维图形的显示质量上也有明显提高。这项工作很好地完成了三维对象在高级编 程语占d e l p h i 中的读耿与重现，保证了现场遥现的实现。 本文第四章着重讨论了现场遥现技术，并对三维模型的构建、运动等进行 了详细的论述，并提出了创建三维图形库的思想，最后给出了现场遥现的软件 运行结果及其讨论。 1 33 课题研究的意义 课题所研究的基于o p c 的虚拟现场遥现技术的先进之处在于：其一，采用 了为世界上绝大多数工控软硬件供应商所提倡的o p c 标准。使用o p c 技术第一 次实现了不用考虑驱动程序和接口问题，就可以在自动化控制软、硬件2 _ 1 白j 实 行无缝连接。目前，o p c 技术已经得到工、i k 界的广泛认可。绝大多数的工控商 家为实现系统的丌放性，其监控软件或d c s 、p l c 都提供了o p c 接口。很多硬 件设备厂家也为其硬件驱动程序提供了o p c 服务器，使产品具备兼容性和二次 丌发能力。具备o p c 接口已经成为工控商家提高产品市场竞争力的一个先进技 术手段，这使得丌发基于o p c 技术的客，1 端软件具有广阔的应用基础。用户可 以根掘需要选择最优的软硬件设备，集成j , j 最佳的j f 控系统，从而为各种控制 系统、智能控制仪表的集成和综合运用打下丁准础。i 可以预见，基于o p c 技术 的工控软件由于具箭良好的丌放性和可维护性，将呈现广嗣的应用前景【3 叫 4 3 1 南京航空航天人学硕十学侥论文 其二，将遥现技术用于工业现场监控，从而优化了对工业现场的监控与仿 真。现场遥现技术将虚拟现实和现场监控有机地结合起来，是虚拟现实和现场 监控的进一步发展与扩充。传统的数字显示以及二维图形显示由于它们本身的 局限性将无法在显示效果上和交互性方面与三维图形相媲美。随着迅速发展的 计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，基于大型数据集合的三 维图像遥现成为可能。现场遥现技术的应用，改进了人们利用计算机对工业现 场数掘的描述方式，尤其在需要对大量抽象数据进行处理时。计算机图形技术 的快速发展必将使得高度逼真的虚拟现场遥现技术得到更为广泛的应用。 将o p c 技术和三维技术同时用到现场监控中去，这作为一项崭新的技术具 有很好的发展d 可景。首先，o p c 技术作为一项工业标准，在国际范围内，已经 推出了一系列产品，得到了很好的应用。而且，三维技术由于计算机硬件的发 展也得到了更为广泛的应用，而远不止于军事、医学等一些高端科技的应用。 国内，o p c 技术起步比较晚，但是由于其先进性得到了很好的重视，在国家8 6 3 计划重大目标产品项目“生产过程自动化监控系统”中o p c 已经成为核心技术 之一。三维技术方面，前几年国内的三维技术大多用于军事方面，如空战飞机 的三维飞行轨迹、战损模拟的装备可视化等等，真诈用于工业和民用的几乎没 有。近年来，三维技术丌始逐步应用到工业上来，如数控加工仿真系统、虚拟 检测等。在这种情况下，将o p c 这一工业标准和三维技术有机地结合起来实 现对工业现场更为有效地检测，将是一个非常有意义的课题 j 。 本文以下三章将详细论述基于o p c 技术的现场遥现的实现。 基于o p c 标准的现场遥现技术的研究 第二章o p c 技术及应用 o p c 是o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 的缩写，即把o l e 应用于工业控制领域。 o p c 接口是由o p c 基金会指定的一套标准的o l e c o m 接口协议，目的是为了 实现不同供应厂商的设备和应用程序之削的软件接口标准化，使其间的数据交 换更加简单化。 o p c 技术在遥现系统的软硬件数据交互方面发挥了重要的作用，所以本章 将详细介绍这一技术。 2 1o p c 技术的先进性 随着工业生产规模的扩大和过程复杂程度的提高，工控系统需要集成数量 和种类不断增多的现场信息，这已经成为必然的趋势。传统控制系统中，智能 设备之间及控制系统软件之间的信息共享是通过驱动程序来实现的。由于软件 丌发商对驱动程序的要求各不相同，硬件供货商不可能为所有的软件丌发商提 供驱动程序，所以这项工作主要是由控制系统的软件开发商承担口】。传统的过程 控制体系结构如图2 1 所示。 l ! 互蓬季耄 幽21 传统的过程控制体系结构 随着过程控制系统功能不断完善与加强，一方而，网络中需进行数据访问 的智能设备不断增新i ，而且即使是原有设备也存存着升级问题，软件丌发者必 须花火量的精力为每一个设备丌发相应驱动氍序：月一方面，愈束愈多的p c 通 南京航空航天人学硕+ 学位论文 过网络或者总线访问数据，使得驱动程序继续增加。这种开发方式对于软件开 发商来说，无疑是一个沉重的负担。主要存在以下几个弊端： 1 ) 重复开发 为了与硬件进行数据交换，每个软件系统开发商必须为每个特定的硬件开 发一个驱动程序，由于设备多样性，使得应用程序开发者必须花大量的精力丌 发各设备的驱动接口。 2 ) 不支持硬件设备的改动 由于驱动程序由软件丌发者丌发，硬件设备的改动很可能导致整个软件的 改动，为适应硬件特性的新变化，软件丌发者必须为新硬件丌发新的驱动程序。 3 ) 不同丌发商驱动程序的不兼容性 软件开发商各自从自己的需要出发，采用不同的数据交换协议丌发驱动程 序，使得不同丌发商的驱动程序不兼容，因而造成了软件相互之问不能通信， 软件资源不能共享，与高层的管理软件之间又缺乏有效的通信接口，使得通信 规范问题成为了制约控制系统突破“信息孤岛”的瓶颈。 4 ) 访问冲突 一般说来，两个软件包不能同时访问同一设备，原因在于它们使用不同的 驱动程序。为了解决这一问题，硬件开发商试图通过丌发驱动程序的方法来解 决这一问题，但由于不同的客户采用不同的客户协议而无法实现。 由此可见，使用传统的丌发方式，控制系统软件供应商需要丌发数量庞大 的驱动程序，严重制约了控制系统软件的丌发。 为了解决这一控制系统软件丌发中的瓶颈问题，急需要一项为业界所公认 的数据交换标准来规范驱动程序的丌发。在这种背景下，o p c 技术诞生了。 o p c 技术基于微软现有的o l e 、组件对象模型c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) 、分布式组件对象模型d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m ) 技术，根据易于扩展性 而设计的。o p c 以o l e c o m 技术为基础，但又不同于o l e 。o p c 定义了一套 适于过程控制应用、支持过程数据访问、报警、事件与历史数据访问等功能接 口。而常规应用中的o l e c o m 只是支持复合文档、数据传递等功能。o p c 为 现场设备、自动控制应用、企业管理应用软件之日j 提供丌放、一致的接口规范， 为来自不同供应商的软硬件提供“即插即用( p l u ga n dp l a y ) ”的连接。 o p c 技术建立了一组符合工业控制要求的接口规范，将现场信号按照统一 的标准与s c a d a 、h m i 等软件无缝连接起来，同时将硬件和应用软件有效地分 基于o p c 标准的现场遥现技术的研究 离丌。基于o p c 技术的过程控制体系如图2 2 所示。当各现场设备、应用软件 都具备有标准的o p c 接口时，便可集成来自不同数据源的数据，使运行在不用 平台上、用不同语言编写的各种应用软件顺利集成。只要硬件开发商提供带有 o p c 接口的服务器，任何支持o p c 接口的客户程序均可采用统一的方式对不同 硬件厂商的设备进行存取，无须重复开发驱动程序，使得软件开发者完全从低 层的开发中脱离出来【4 】。o p c 技术将成为工业管理控制中系统集成与数据交换 的重要工具。 将传统的过程控制体系结构( 图2 1 ) 和基于o p c 技术的过程控制体系( 图 2 2 ) 作比较，系统构建完成后的特点如表2 1 。 图22 基了o p c 技术的过程控制体系结构 表2 1 两种控制体系结构的特点 测试条件传统过程控制体系结构 基于o p c 技术的过程控制体系机构 1 种软件使用n 需j r 发n 个驱动程序需丌发n 个驱动程序 类硬件设备 m 种软件使用n需丌发m * n 个驱动程 需开发n 个驱动程序 类硬件设备序 每增加1 个新的另外开发n 个硬件设备 应用软件 的驱动程序 不需要丌发驱动程序 i 每增加1 个新的为m 个软件丌发m 个设 l 硬件设备备驱动程芋 需丌发1 个设备驱动程序 由图2 1 、2 ：2 ，从表21 可以得到如下结论 - ，对于传统的过程控制体系结构 南京航空航犬人学硕十学位论文 针对3 种控制设备所完成的2 个应用系统一共需要丌发2 + 3 = 6 种驱动程序。 新增应用软件或者硬件设备带来的只会是驱动程序种类的迅速增长。 基于o p c 技术的过程控制体系机构 任何一种设备只需要提供一种驱动就可以供任何软件系统使用。针对3 种控 制设备所完成的2 个应用系统一共仅需要开发3 种驱动程序。新增应用软件或 者硬件设各可以轻松的扩展系统。 2 2o p c 的适用范围及影响 2 , 2 1o p c 的适用范固 o p c 是为了连接数据源( o p c 服务器) 和数据的使用者( o p c 应用程序) 之阳j 的软件接口标准。 o p c 接口是适用于很多系统的具有高度柔软性的接口标准1 5j 。这个接口标准 不但能够应用于应用程序和物理设备的直接连接，而且可以支持网络上分布式 应用程序之间的通讯，以及不同平台上应用程序之间的通讯。 作为数掘源的o p c 服务器，可以是p l c ，d c s ，条形码读取器等控制设备， 也可以是某一个应用程序( 实时数据库等) 。随控制系统构成的不同，o p c 服 务器既可以是和o p c 应用程序在同一台计算机上运行的本地o p c 服务器，也可 以是在另外的计算机上运行的远程o p c 服务器。 o p c 是针对过程控制领域的基于o l e 技术的规范，它是种适用于w i n d o w s 应用程序之间、现场设备和应用系统之唰数据交换的标准化接口协议。o p c 的 出现给过程控制系统应用程序之间的数据通讯建立了一个接口标准。这种标准 极大地提高了自动化系统、现场设备系统、商业办公应用系统之f b j 的互操作性。 o p c 是种开放的标准，最终用户可自由选择能满足所需的硬件和软件， 而不用考虑专用驱动器的可用性。o p c 的出现，使得硬件开发商只需要为其产 品提供一套软件组件，软件组件封装了对设备复杂的数据访问。丌发商业应用 程序时，只需要知道o p c 对象的接口，就可以编写访问和使用现场数据的应用 程序。 2 2 2o p c 标准带来的影响 9 基丁q ! ! 堡堡塑墨垫堡翌垫查塑婴塞一 一 一 o p c 所具有的灵活性和高水平的机动性，对于软硬件厂商和用户来说分另日 可以从o p c 得到实惠 3 】。 1 1 对硬件设备厂商 可以使设备驱动程序开发的单一化成为可能。 对于硬件设备厂商来说，他们只需开发一套通用的驱动程序，并且其驱动 程序往往比以往由软件丌发商7 1 ：发的驱动程序具有更高的性能。 2 ) 对应用程序软件开发者 o p c 接口使得软件开发者可以免除开发驱动程序的工作，从而使他们能够 把更大的精力投入到其核心产品的开发上，充分发挥他们的特长，使其核心产 品具有更高的性能。 同时，由于采用o p c 标准丌发的软件之间具有良好的通信能力，这样就使 原先相互分割的管理系统和控制系统的集成成为可能。把管理系统、监控系统 和控制系统无缝地集成为一体，构造一个两层的工业自动化体系。如图2 3 所示。 3 1 对用户 对于用户来说，o p c 意味着开放性。用户可以自由选用各种各样的带o p c 接口的软件包，使得系统构成的成本大为降低，同时可以更加容易地实现由不 同供应厂商提供的设备混合构成的工业控制系统。 蚓2 3 两层i ：业f l 动化体系 管理级 分站级 现场级 南京航空航天人学硕+ 学位论文 2 3o p c 技术在国内外的应用及其展望 o p c 技术作为一项工业标准，在国际范围内，工业领域通过采用o p c 技术， 推出了一系列产品，己经取得了显著的效益。在国内，o p c 技术起步比较晚， 为了在国内推广o p c ，以消除我们与其他发达国家的信息差距，成立了o p c 中 国基金会，以本地化的形式加强与国际o p c 基金会的联系。 目前，国内有许多单位( 浙江大学、中科院自动化研究所，华东理工大学、 清华大学等) 进行了o p c 技术的研究和丌发工作，已经取得了一定的成果，用 o p c 丌发出来的产品在工控领域得到了很好的应用，并且在国家8 6 3 计划重大 目标产品项目“生产过程自动化监控系统”中o p c 已经成为核心技术之一p j 。 虽然，在我国有越来越多的厂商推出了采用o p c 技术的产品，但其兼容性 和操作性还有待提高。因此，作为国内工业自动化领域的科研机构高校和 研究所等以及制造厂商应加强合作，紧紧把握这个新技术，推动我国自动控制 系统及仪器仪表水平的发展。 2 4 0 p c 技术规范 o p c 技术是以o l e c o m 技术为基础定义的一组接口规范。它由o p c f o u n d a t i o n 机构维护和管理，目前已经推出了一系列的规范，如表2 2 所示。 表2 2 己开发的o p c 协议规范的主要内容 规范内容版本 o p c 数据访问规范 数据访问标准 1 o a ( d a t aa c c e s s ) 2 0 4 o p c 报警与事件规范 开发和标准化报警和事件的接口1 0 ( a l a r m & e v e n t s ) o p c 历史数据访问规范提供一套标准的接口使客户端能以统 1 o ( h i s t o r i c a ld a t aa c c e s s )一的方式来存取历史文档 o p c 批处理规范 为了批处理工业设计丌发的产品不断 1 0 ( b a t c h ) 增多 2 o 基丁o p c 标准的现场遥现技术的研究 续表2 2 规范内容版本 为使用x m l 发布数据开发的一套有弹性 o p c x m l即将发布 的，统一的规则和格式 o p c 数据交换规范为o p c 数据访问服务器间的数据交换 即将发布 ( o p cd a t ae x c h a n g e ) 提供一个工业标准 2 4 1o p c 数据规范的发展 o p c 规范最初的目标是尽快制定一个工业标准，因此最初版本侧重于在线 数掘存驳、报警事件处理和历史数据存取等方面。安全性、批处理等附加的功 能则在随后的版本中定义。 o p c 基金会成立于1 9 9 5 年，经过不到一年的高效工作，o p c 基金会于1 9 9 6 年8 月完成了最初的o p c 规范，即1 0 版。后来于1 9 9 7 年9 月发布了o p c 规 范1 o a 版，并改名为数据存取规范1 o a 版( d a t aa c c e s ss t a n d a r d ) 。该规范现已 升级到2 0 4 版。数据存取规范定义了o p c 服务器中一组c o m 对象及其接口， 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。 1 9 9 8 年1 2 月发布了报警事件规范1 0 版( a l a r m s & e v e n t ss p e c i f i c a t i o n ) 。 1 9 9 9 年1 2 月升级到1 0 1 版。该规范提供了一种通知机制，即在指定事件或报 警条件发生时o p c 服务器能够主动通知客户程序。 1 9 9 8 年还发布了历史数据存取规范1 0 版( h i s t o r yd a t a a c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) 。 由于现在大部分历史数据系统采用专用接口分发数据，因此无法提供即插即用 的功能。为此，浚规范提供一种通用历史数据引擎，可以向感兴趣的用户和客 户程序提供数据汇总和数据分析等额外的信息。 2 0 0 0 年1 月发布了批量过程规范1 0 版( b a t c hs p e c i f i c a t i o n l 。该规范基于 o p c 数据存取规范和i s a 一8 8 系列批量控制标准，提供了一种存取实时批量数据 和设备信息的方法。 2 0 0 0 年1 0 月发布了安全性舰范i 0 版( s 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，因此需要防l 未授权的操作。o p c 安全性规范就提供了这样一种争门的机 制米保护这些敏感数据。 南京航空航大人学硕十学位论文 现在网络技术已经进入社会生活的各个方面，并得到了迅猛发展。新技术 之一的可扩展标记语- 言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 具有自描述性，非常适 合不用应用间的数据交换。由于这种交换不需要预先定义一组数据结构，因此 具有很强的丌放性，已经成为新一代的i n t e r n e t 数据交换标准，有着广阔的应用 前景。o p c 基金会紧随网络发展的最新趋势，并利用这些新技术来增强o p c 技 术，使其更适合于i n t e r n e t 应用。因此，1 9 9 9 年1 0 月在美国费城举行的i s a t e c h 9 9 会议上，o p c 基金会宣布将发布于微软的b i z t a l k 体系结构相兼容的x m l 纲要， 该纲要是基于o p c 规范的。o p cx m l 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【4 1 。 2 4 2o p c 数据存取规范( d a t aa c c e s s ) 幽2 4 臼动化对象模刑 目前得到广泛应用的是o p c 数据访问规范，它主要解决服务器端和客户端 的实时数据存取问题。o p c 数据访问规范是本课题中丌发o p c 客户应用程序的 标准，所以下面将对该规范作详细讨论。 o p c 的数据访问规范包含3 类对象，相当于三种层次上的接口：服务器 基丁o p c 标准的现场遥现技术的研究 ( s e r v e r ) 、组( g r o u p ) 和数据项( i t e m ) ，层次模型如图2 4 。 2 4 2 1 服务器对象( s e r v e r ) o p cs e r v e r 对象位于模型的最顶层，它是客户应用最先能连接到的c o m 对 象。o p cs e r v e r 对象提供了一种访问数据源的方法，并且充当着o p cg r o u p 对 象的“容器”。o p cs e r v e r 对象向o p c 客户提供创建操纵o p cg r o u p 对象的功 能，它通过i o p c s e r v e r 或者i o p c b r o w s e s e r v e r a d d r e s s s p a c e 等向客户提供接口。 o p cs e i l l e r 拥有服务器的所有信息，同时也是组对象( g r o u p ) 的容器，一 个服务器对应于一个o p cs e r v e r ，即一种设备的驱动程序。在一个s e r v e r 中， 可以有若干个组。o p c 服务器对象模型如图2 5 所示。 | ! ：一 窭际c s 系境中的控制点 厩 e 接口 鬻i c l o ； 一厅兰寻tc,： u0 9 。6 。”j ， 引 二三一兰 自动化包装d l l ：一般说来，为了达到数据传送的最高性能，o p c 服务器 用c + + 开发，并大多只提供定制接口。而用d e l p h i 等高级编程软件开发的 o p c 应用程序支持自动化接口。为了满足客户应用程序用d e l p h i 开发的要 求，使用o p c 自动化包装将o p c 定制接口变换成自动化接口 3 ”。 o p c 应用程序：对o p c 服务器进行数据访问，实现用户的特定目的而开发 的应用程序。 本地训算机 本地计算机 远程甜算机 代理一占位d l l 0 p c 服务器 ( a ) 客户与本地服务器的通信( b ) 客户与远程服务器的通信 2 5 本章小节 l 鹫2 6 窍户氍序与本地远程数据访问服务器的通信 本章对应用于现场遥现的o p c 技术作了详细介绍与分析，包括o p c 技术与 传统方法相比的先进性、o p c 带来的影响以及o p c 技术在国内外的应用，并且 界 南京航空航天人学硕十学位论文 重点论述了在课题研究中应用到的o p c 规范主要内容，包括o p c 数据存取规范、 o p c 的数据访问方法以及o p c 支持的两种接口：定制接口和自动化接口。这些 知识是第三章论述o p c 客户应用程序开发的基础，有了对o p c 规范的分析与理 解，第三章的重点将放在o p c 客户应用程序的开发方法上面，对有关o p c 的基 本知识不再专门论述。 基于o p c 标准的现场遥现技术的研究 第三章o p c 客户应用程序的设计与开发 o p c 客户端解决了应用软件如何与采用o p c 规范的设备 “运行”，输入”d c o m c n f g , 然后回车，启动d c o m 配置。 2 ) 常规页面中，双击应用服务器，打开应用服务器的d c o m 属性设置。 3 ) 将常规页面中的身份验证级别改为“无”。 4 ) 身份标识页面中，选择“交互式用户”。 5 ) 位罱页面中，选择“在这台计算机上运行应用程序”。 6 ) 进入d c o m 的总体默认属性页面，将“在这台计算机上启用分布式c o m ” 打上勾，将默认身份级别改为“无”。 远程计算机( o p c 服务器) 的设置如下： 1 ) 运行服务器上的d c o m c n f g 程序，进行d c o m 配置。 2 ) 进入d c o m 的总体默认属性页面，将“在这台计算机上启用分布式c o m ” 扣上勾，将默认身份级别改为“无”( 经过实验，设为连接也行) 。 3 ) 进入d c o m 的总体默认安全机制页面，确认默认访问权限和默认启动权限 中的默认值无e v e r y o n e ，如果不去掉e v e r y o n e ，应用服务器不能f 卜常启动。 4 ) 在常规页面中，双击应用服务器，打开应用服务器d c o m 属性设置。 5 ) 将常规页面中的身份验证级别改为“无”。 6 ) 位置页而中选上“在这台计算机上运行应用程序”。 7 ) 将安全性页面设置中，均选择“使用自定义访问权限”，编辑每一个权限， 南京航空航犬人学硕十学位论文 将e v e r y o n e 加入用户列表中。 8 ) 身份标识页面中，选择“交互式用户”。 幽3 3 0 p c 服务器端d c o m 殴置 幽34 0 p c 客户端d c o m 设置 上文是作者在课题研究中所做的设置，作为参考。如果系统要求安全性机制， 客户端计算机的设置相同，不同的是在设置服务器端计算机时，将“启动权限” 和“访问权限”设为o p c 专用用户。 3 3 3 3 实验结果及总结 在课题研究中，o p c 的远程访问是在实验室局域网中实现的，o p c 服务器 程序和作者丌发的o p c 客户应用程序分别位于不用的计算机上，并按照3 3 3 2 的方法设置使得服务器p c 机和客户机的d c o m 安全性机制无效，实验表明作 者丌发的o p c 客户应用程序成功实现了对远程o p c 服务器的访问，现将实验中 的问题与结果总结如下： i ) 在客户程序中可以选择能够访问的o p c 服务器( 本地或者远程) 。o p c 应用 程序在本地机上访问o p c 服务器时，可以自动启动服务器程序。在远程访问o p c 服务器时，需要将s e r v e r 应用程序手工启动后，o p c 客户应用程序才能和远程 o p c 服务器创建连接。 2 ) 在访问远程服务器时，本地客户机不需要先从网络邻居访问远程计算机。而 基于o p c 标准的现场遥现技术的研究 可以直接访问。 3 ) 在输入远程计算机名的的时候，可以有两种输入方法：远程计算机名称或者 是远程计算机的口地址，如在课题中访问o p c 服务器可以输入服务器计算机名 “n o l ”或者“2 0 21 1 9 6 8 1 3 5 ”。 3 3 4 注册o p c 服务器和o p c 自动化接h ( a u t o m a t i o n