（测试计量技术及仪器专业论文）opc技术及其在多控制系统数据集成中的应用.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝盔导师签名：翅咝垒 日期：皇! 竺! ：! ：f 上海大学碗士学位论文 - 摘要 本文深入研究了控制领域最新的开放互连标准o p c 技术，针对不同协议的现 场总线控制系统不能相互访问等问题，设计开发了f fo p c 服务器和m o d b u so p c 服务 器，并将其应用到基于以太网的工业信息监控系统中。大大提高了系统的互操作性和 开放性，有效的实现了f f 控制系统和m o d b u s 现场总线控制系统能够相互访问，进而 实现了监控系统和企业信息系统数据集成的目的。 本文首先探讨了控制系统与企业信息系统集成的意义和模式，并比较其技术特 点，决定采用o p c 技术来实现多控制系统数据集成。在深入研究o p c 技术、学习o p c 规范的基础上，进行了o p c 服务器程序和客户程序的设计和开发，提出了一种服务器 程序的总体设计结构，详细介绍了各部分的功能和相互关系，给出了主要的实现方法 和步骤，同时还就相关组件的安装和注册问题进行了细致的研究。设计的o p c 客户程 序实现了对f fo p c 服务器的远程访问和对m o d b u so p c 服务器的本机访问。 最后本文结合在巴斯夫一扬子石化一体化项目中的工程实践，在监控组态软件 d e l t a v 平台下，给出应用o p c 技术，将底层控制系统与企业信息系统进行融合的具体 通讯网络构建方案。构建的系统对内能够实现f f 控制系统和i h o d b u s 现场总线控制系 统相互通信和参数能相互设定的目的，对外可接入i n t e r n e t ，与全球信息网融为一 体。设计并开发了特殊的o p c 服务器看门狗报警逻辑和监控组态流程画面，实现对多 个o p c 服务器间通讯状态的在线检测，大大确保了生产的安全进行。 关键词：工业信息监控系统现场总线 接1 ：3 o p c 第4 页共8 3 页 圭塑盔兰堡主兰堡鲨奎 a b s t r a c t o p c t e c h n o l o g y ，a l lo p e ns o f t w a r ei n t e r c o l m e c t i n gs t a n d a r di nc o n t r o lf i e l d ，i sd e e p l y s t u d i e d a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n t p r o t o c o li nt h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f fo p c s e r v e r a n dm o d b u so p cs e r v e ra r ed e s i g n e da n da p p l i e di n t ot h ei n d u s t r i a l m o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mb a s e do ne t h e m e t t h e r e f o r e ，a n dt h em o d b u sc o n t r o ls y s t e ma n df f c o n t r o ls y s t e ma r ee f f e c t i v e l yi n t e g r a t e d ，t h e nr e a l i z em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ma n d t h e e n t e r p r i s e i n f o r m a t i o n s y s t e m d a t a i n t e g r a t i o n a l s o t h e i n t e r o p e r a b i l i t y a n d a d a p t a b i l i t yo f t h e s es y s t e m sa r eg r e a t l yi m p r o v e d t h es i g n i f i c a n c ea n dt h em o d e lo f t h ed a t ai n t e g r a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o ls y s t e ma n d t h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e ma r ed i s c u s s e da tf i r s t ，a n da ni n t e g r a t i o nm e t h o db a s e d o n t h eo p c t e c h n o l o g yi sp r e s e n t e d t h eo p c s e r v e ra n dc l i e n ta p p l i c a t i o n sa r ed e s i g e da f t e r t h ep r o f i c i e n tc o m m a n do f t h eo p c s p e c i f i c a t i o n sa n d t h eo p c t e c h n o l o g y a na r c h i t e c t u r e o f0 p cs e r v e ra p p l i c a t i o ni sp r e s e n t e d ，t h ef u n c t i o n sa n di n t e r r e l a t i o n so f i t sd i f f e r e n tp a r t s a r ed i s c u s s e dd e t a i l e d l y t h em a i nm e t h o d sa n dp r o c e s so ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta r e g i v e n t h ei n s t a l l a t i o na r er e g i s t r a t i o no f t h e0 p cs e r v e ra n dt h er a l t i v e c o m p o n e n t sa r e a l s os t u d i e d 0 p cc l i e n ta p p l i c a t i o n sc a nv i s i tm o d b u so p cs e r v e ro nt h es a m ep c ，v i s i t f f0 p cs e r v e rf r o m l o n g d i s t a n c e f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o nm o d e l o fo p c t e c h n o l o g y i nr e a l i z ed a t ai n t e r g r a t i o nb e t w e e n m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ma n dt h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e mi nb a s f 一7 p c i p s p r o j e c t i s g i v e n 。t h i sp r o j e c t u s ed e l t a v c o n f i g u r a t i o ns o , w a r e ，t h r o u g h u s eo p c t e c h n o l o g yr e a l i z et h ed a t ai n t e r g r a t i o nb e t w e e nf fc o n t r o ls y s t e ma n dm o d b u sc o n t r o l s y s t e m s y s t e mi n s t u c t u r ei sb a s e d o nb si n s t r u c t u r e ，c a nl i n kt oi n t e r a c t as p e c i a la l a r m l o g i c a n dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lg r a p h i ci sd e s i g n e df o rm o n i t o rt h e c o m u n i c a t i o n b e t w e e nm u l t i o p cs e r v e r s t h r o u t ht h et e s t ，t w o0 p cs e r v e r sw o r kg o o di np r a c t i c a l p r o j e c t s k e y w o r d s ：i n d u s t r i a li n f o r m a t i o ns u p e r v i s o rs y s t e m f i e l d b u si n t e r f a c eo p c 第5 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 i 1 引言 网络技术的发展，引发了控制领域的深刻技术变革。控制系统结构沿着网络化方 向发展与控制系统体系沿着开放性方向发展将是控制系统技术创新的大潮流，网络 化、开放性是控制技术发展的方向与灵魂“1 。在企业信息集成系统设计过程中，至始 至终贯穿着数据集成、数据管理、数据交互。只有实现了数据在系统内的自由交换， 才能真正实现企业的信息化，为生产管理提供及时、准确、可靠的数据。 1 2 课题的提出和意义 工业监控系统原本是对工业现场数据进行采集、处理、集中显示并能对现场仪表 进行控制的计算机系统。它于7 0 年代中期兴起并在工业控制中得到广泛应用，其中 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 系统、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 a a c q u i s i t i o n ) 系统便是工业监控系统的典范。3 。 进入新世纪，随着生产规模的不断扩大和企业信息网络( i n t r a n e t ) 等网络技术 的逐渐普及，为了更好实现企业内部的信息共享和及时决策，现代生产企业对监控系 统的要求，已经不仅仅满足于传统意义上的采集和控制输出，而是通过采用计算机技 术、通讯技术、自动化技术及有关生产技术，建立起全企业的包括经营决策、管理信 息、生产调度、监督控制和直接控制在内的管理和控制全部生产活动的综合系统，即 实现企业的管控一体化。因此，将控制网络( i n f r a n e t ) 与i n t r a n e t 进行集成，构 建信息集成系统就成为了最为重要和迫切的任务。 近几年来，现场总线技术得到了迅猛发展，它是数字式、双向传输、多分支结构， 可以实现多个节点共用条物理传输介质的通信网络，成本比较低，可靠性和实时性 都比较好，但由于其标准繁多( 如f f 、p r o f i b u s 、m o d b u s 、c a n 、h a r t 协议等等) ， 而大大影响了它的开放性。随着工业现场智能仪表的发展，智能仪表可以提供不仅包 括现场的温度、压力等参数，还可以提供装置本身的运行状况、组态参数等大量信息。 当大量现场信息由智能仪表通过现场总线传至监控计算机后，存在着计算机内部应用 程序对现场信息的共享与交互问题。因为不同厂商设备间的所遵循的现场总线通讯协 议不同，使得不同协议的现场总线控制系统间的集成工作变得非常复杂，造成互操作 性差、通讯稳定性差、功能受到限制、先进的控制技术和信息技术难以得到充分的发 挥。 因此，使用不同协议的现场总线控制系统间的数据集成将成为信息集成系统开发 第6 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 的一个重要研究内容，这也正是本文着重考虑的内容。基于此，本课题的研究，不仅 满足了当今企业自身发展的现实需要，而且更具理论的先导意义。 1 3 本文所作的主要研究工作 本文根据工业过程控制系统中经常遇到的不同协议的现场总线控制系统间的数 据集成、数据交互问题，运用新兴的o p c 技术，实现了基金会现场总线( f i e l d b u s f o u n d a t i o n ，f f ) 控制系统和m o d b u s 现场总线控制系统能相互通讯的目的。在系统 的设计开发过程中，主要做了以下几方面工作。 结合工业信息监控系统的发展现状，深入探讨了为实现工业信息监控系统数据 集成的目标，几种技术方案、结构方案以及物理集成方式方案的异同及优缺点。 深入研究了o p c 接口规范，尤其是o p c 数据存取规范以及其中的服务器对象、 组对象、数据项对象和接口等穴容。 为使f f 控制系统和m o d b u s 现场总线控制系统进行通信，利用v i s u a lc + + 的c o 4 d c o m 技术，基于组件化程序的设计思想，开发了两种协议的o p c 服务器程序， 即f fo p c 服务器程序和m o d b u s o p c 服务器程序。提出t n 务器程序的总体设计结构， 详细介绍了各部分的功能和相互关系，并给出了主要的实现方法和步骤。在服务器程 序中实现t n 务器对象和组对象的基本接m n - - 些可选接口。f fo p c 服务器程序能 通过以太两和远程的客户端程序通信；m o d b u so p c 服务器能通过r s 4 8 5 采集数据。 开发的o p c 客户端程序能够远程访问f fo p c 服务器和近程访问m o d b u so p c 服务器，能显示实时数据。其系统结构如图卜1 所示。 虚线表示伺接相连m o d b s s 德 、 、 、 、 厂1 厂1 厂矾 ff _ ffhf ) 11 il1il j 王一主一王? l _ j l 一 现场总线仪表 图卜1 现场总线控制系统的结构 第7 页共8 3 页 上海大学硕- b 学位论文 结合在巴斯夫一扬子石化一体化项目中的工程实践，实现多控制系统数据集成 的硬件网络搭建，建立起基于现场智能设备和总线技术的工厂管控网，搭建的网络对 企业内部可以实现信息交流与资源共享，对外可接入i n t e r n e t ，与全球信息网融为一 体。并在监控组态软件d e l t a v 平台下，设计报警逻辑实现多个o p c 服务器间通讯检 测。 本系统在开发的过程中进行了大量的实验和调试，得到了比较满意的结果。 第二章数据集成 2 1 工业信息监控系统概述 工业信息监控系统是以i n t r a n e t 为基础的，对企业信息进行自动采集、处理和 实时发布，并能对工业现场进行远程控制的计算机应用系统，它将企业的各个“自动 化孤岛”连接起来，实现企业生产、控制、管理一体化。它既具有控制系统的实时性、 可靠行，又具有信息系统的开放性和广泛性。 一个完整的工业信息监控系统可划分为三个功能层嘲：设各层、监控层与信息层， 它们通过网络技术和数据交换技术有机的结合起来，构成一个完整的系统。 设备层 设备层是指安装在工业现场的各类数据采集和控制设备，如p l c 、智能仪表、采 集器等。它完成对现场设各的控制及现场数据的采集，并与监控层进行数据交换。它 是整个系统基础，系统的控制逻辑都集中在该层，因此要求该层具有较高的可靠性、 较好的稳定性及冗余度。 监控层 监控层是实现对采集数据的处理、显示，对设备层的管理、控制。它由多个计算 机子站构成，通过i n t r a n e t 与设备层进行数据交换。具体来说它的主要功能有： 过程数据计算、处理； 实时数据和状态显示，各类流程画面显示； 报警产生和处理； 运行报表打印； 现场数据存储； 对控制设备的管理、控制； 数据转发，将实时数据传送给信息层。 该层用户主要是工程师和技术人员，对数据实时性要求比较高，它要满足系统采 第8 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 样的实时性以及系统对各种操作的响应时间的要求。因此，该层与设备层之间的通信 方式一般采用串口通信、现场总线等方式；各子站计算机采用可靠性高的工控机：另 外，还应有易于与信息层交换的以太网接口。 信息层 信息层可以认为是以监控层数据为基础的信息系统。它对现场数据进行分类，通 过建立实时数据库和历史数据库进行数据管理，并通过i n t r a n e t 发布数据。它对数 据的实时性要求并不是很严格，但要能保证及时的动态显示和响应，以满足生产调度 和管理的需要。该层主要功能如下： 各类生产信息的分类、统计、汇总； 各个生产画面的动态显示； 数据查询，生产调度； 各类生产信息报表打印； 进行一定功能的远程控制，如；控制参数的远程设定、紧急故障的远程处理等。 该层面向各个部门的技术人员和管理人员，用户多而分散，因而必须具有良好的 开放性和通用性。 在工业信息集成系统的这三个功能层中，设备层和监控层在其实现上可以借鉴 d c s 系统、s c a d a 系统等比较成熟的技术，而信息层却没有成熟系统可供参考。因此， 采用什么结构，应用什么技术来实现数据集成、构建信息层是实现整个企业信息集成 系统的关键。 2 2 数据集成的问题和目标 近几年来，工业信息集成系统多是分阶段、分业务开发的，由于其开发时期、开 发环境和开发方法的差异以及遵从的协议规范有所不同，造成各子系统成为一个个 “信息孤岛”。我们经过总结，造成这种局面主要体现在以下几个方面： 遵循不同的通讯协议导致控制系统的异构。就所使用的现场总线种类来说，目 前国际上已有4 0 余种，其中影响最大的有f f 、p r o f i b u s ( 过程现场总线) 、c a n ( 控制 局域网络) 、l o n w o r k s ( 局部操作网络) 、h a r t ( 可寻址远程传感器数据通路) 等，它们 都得到了广泛的应用。 各车n 采i i i n n 类型的控制系统而导致数据源的异构。如不同公司的d c s 和 s c a d a 系统，当前比较流行的有：w o d e r w a r e 公司的i n t o u c h 、e m e r s o n 公司的b e l t a v 、 i n t e l l u t i o n 公司的i f i x 以及国内的组态王等等，这些控制系统自身的实时、历史 第9 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 数据库都不尽相同。 数据库的异构。一是因为采用的数据库管理系统不同而产生数据库系统的异 构。数据库管理系统( d b m s ) 的异构可以是同为关系型数据库系统的o r a c l e 、s q l s e r v e r 、s y sb a s e 、d b 2 等不同厂家的产品，也可以是不同数据模型的数据库，如关 系、模式、层次、网络、面向对象、函数型数据库形成的一个数据库管理系统的异构； 二是集成系统结构的异构产生数据库系统的异构。如体系结构可以是单机模式、主机 终端模式、对等模式、并行模式、c s 模式、b s 模式等，这样不同体系结构的信息 系统也会产生异构的情况。 由上述分析可以看出，以上三种形式的异构大大阻碍了控制系统开放化和网络化 进程，是实现企业数据集成、进而实现工厂管控一体化的主要障碍。 企业信息集成系统的数据集成目标，就是为了实现各个子系统之间的数据共享、 有效地利用资源、提高系统的整体性能。实现各个子系统之间的数据共享主要是要实 现单一数据映像( s i n g l ed a t ai m a g e ，s d i ) 。即对于系统中的任何一个用户，不管 他所需要的数据在什么地方，来自什么形式的数据源，在用户看来，这些数据是完全 透明的，仿佛就是为他自己准备的一样。 2 3 数据集成的实现步骤 数据集成实施过程中应主要遵循以下步骤： 首先确立企业信息集成系统的数据集成目标； 企业数据的合理规划。如企业信息的标准化、统一化和代码化； 结合目标，具体研制数据集成的技术方案： 由确立的技术方案来选择数据集成的网络结构和物理实现方式。 按照上述步骤，针对技术方案、结构方案、物理集成方式的选择，逐步进行讨论。 2 3 1 技术方案选择 为了使使用不同网络平台，不同通信协议、不同厂家产品的多个控制系统之间实 现互联和互操作，从而实现系统的数据集成，所采用的技术手段大致为以下几种： d d e 技术【4 l 【5 】 6 】 动态数据交换( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，d d e ) 是w i n d o w s 所支持的内部通信 机制，它是建立在w i n d o w s 的消息系统上支持应用程序之间数据交换的一种方法，是 应用程序之间通过共享内存进行进程间通信的一种形式。该协议允许应用程序之间利 用w i n d o w s 的消息处理机制来进行数据交换和远程命令的执行。d d e 是支持客p n 第1 0 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 务器( c l i e n t s e r v e r ) 计算模式的重要技术，也是支持多种平台软件集成与互访的 重要技术。 目前，各种较先进的工控软件都提供了d d e 接口。许多软件开发平台，如v b 、 v c 、d e l p h i 等也都提供了相应的开发d d e 的控件。这都为d d e 技术的广泛使用提供 了可能。 n e t d d e 技术是d d e 技术的一个扩展。即所谓的网络动态数据交换( n e t w o r kd d e ， n e t d d e ) 是工作于网络上的特殊形式的d d e ，它用来实现不同计算机上w i n d o w s 以应 用程序之间的实时数据交换。其原理是通过操作系统在后台运行的内置模块进行网络 映射，将本机上d d e 交谈所需的数据重新映射到网络上的其它工作站上，从而实现不 同计算机上应用程序的通信。 通过应用，发现d d e 及n e t d d e 实现简单且效率高，交换数据双方无需知道对方 的系统的运行机制，因此是应用最为广泛的数据交换技术。目前几乎所有w i n d o w s 环境下的工控软件都支持d d e 。尤其是当信息集成系统的两个子站处在同一局域网 内，或者是相同的控制系统之间需要进行数据交互时，采用d d e 或n e t d d e 技术是一 种比较好的选择。这种技术对网络底层的操作是由操作系统自动完成，所以编制的程 序比较简单，但也存在着一些不足之处： ( 互) n e t d d e 主要是针对w f w ( w i n d o w sf o rw o r k g r o u p s ) 开发的，进行n e t d d e 数 据交换的双方要在同一局域网内，这限制了它在i n t e r n e t i n t r a n e t 环境下的应用； 当系统利用v b 实现n e td d e 应用时，只能在n e td d e 的服务器和客户之间以 字符串的方式交换数据，所以当交换数值型信息时，会给网络增加许多额外通信流量， 这对交换数据量大，网络相对拥挤的系统是难以承受的。同时若客户端或服务器端中 的一方用v c 实现n e td d e 技术应用时，在进行数据交换前，还需进行相应的数据类 型转换，这种复杂性在浮点型数据交换时尤其明显。 w i n d o w ss o c k e t s 技术1 7 】 w i n d o w ss o c k e t s 简称为w i n s o c k ，是一个基于s o c k e t 模型的a p i ，是微软的 窗口系统结构( w o s a ) 的一部分。它是起源于u n i x 上的b e r k e l e ys o f t w a r e d i s t r i b u t i o n ( b s d ) 版本的套接字，并为w i n d o w s 进行了专门的扩展。套接字可以看 作网络通信的一个端点，其实质是通信端点的一种抽象，它提供了一种发送和接收数 据的机制。 最初的w i n s o c k1 1 版是专门为t c p i p 协议设计的，现在的2 x 版已经不再限 第】页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 于t c p i p 协议，它通过提供扩展的s p i 编程接口，把自己的应用范围扩大到现存的 和正在出现的各种网络和协议，包括p s t n 、i s d n 、无线网、所有的局域网协议、异 步传输模式a t m 等等，并且允许应用程序对所建立链接的可靠性、冗余度和带宽进行 控制。并且w i n s o c k 技术在编程手段上也多种多样，可采用标准的w i n s o c k d l l 函 数、o o p 的方法、或者采用j a v a 语言进行开发。由此可见，w i n s o c k 技术也有着广泛 的应用吼 结合w i n s o c k 的技术特点和应用实例，当控制系统位于不同的局域网内，或者是 在异种控制系统之问进行信息集成、数据交换时，采用w i n s o c ka p i 这个方便的网络 接口，就可以根据用户的需求，选择熟悉、高效的开发工具，根据相应的规范，开发 出满足生产要求的w i n s o c k 应用程序。 o d b c 技术 9 1 u o 开放数据库互连的标准( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，o d b c ) ，是种可以用 来在不同数据库系统中存取数据的标准接口，它要求应用程序通过标准的s q l 语言访 问数据库。o d b c 的工作原理是任何s q b 应用程序必须通过o d b c 驱动管理器，使用特 定的o d b c 驱动程序，访问相应的数据库。由于o d b c 驱动程序是一个可被应用程序调 用的动态链接库，因此用户应用程序可以存取由o d b c 驱动程序支持的任何数据源a 自1 9 9 2 年诞生以来，o d b c 得到了数据库产业界的广泛支持。如今，在w i n d o w s 、 u n i x 等平台上都有o d b c 驱动程序和开发工具；各大数据库和工具厂商，包括o r a c l e 、 s y b a s e 、i n f o r m i x 、i b m 、p o w e rs o f t 、b o r l a n d 、m i c r o s o f t 以及1 4 0 多家应用软件 开发商，都在他们的产品中提供对o d b c 的支持。 概括起来，o d b c 具有以下特点： 使应用程序具有很高的互操作性，相同的代码适用于不同的数据库系统； 由于o d b c 的开放性，它为程序集成提供了便利，为“客户服务器”结构提 供了技术支持； 它实现了应用程序和数据库系统逻辑上的分离，增强了数据库的独立性。 o p c 技术 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 一对象连接和嵌入( o b j e c t l i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 应用于工业控制领域。它基于w i n d o w s 的o l e 、c o m 一部件 对象模型( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 和d c 0 哺一分布式c o m ( d i s t r i b u t e dc o m ) 技 术，提供了一种标准的软件接口规范，即o p c 规范，解决了应用软件与过程控制设备 第j 2 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 之间通信的标准化问题。在统一的0 p c 环境下，各应用程序可以直接读取现场设备的 数据，不再需要一个一个地编制专用的硬件驱动程序，各现场设备也可直接与不同应 用软件互连，从而使使用不同网络平台，不同通信协议、不同厂家产品的控制系统方 便地实现互联和互操作。0 p c 技术的发展开创了多控制系统数据集成的新途径。 概括起来，0 p c 技术具有以下特点： 标准化 0 p c 是专门为过程控制而设计的基于o l e 技术的标准。它将访问现场设备的开发 任务以标准接口服务器形式透明地提供给用户，使得用户从底层的通讯模块中解放出 来，而专注工控软件的功能。 0 p c 标准的关键在于它提供了一种高效的通信机制，它所关心的是现场数据的存 取方式而不是实际的数据类型，它给工控软件提供了一致的存取现场设备数据的方 法。借助于0 p c 技术，很容易实现异构系统的数据集成。 分布式 各个厂商提供的o p c 服务器都以同一种方式工作，这使得用户只要学会一种服 务器的使用，便掌握了所有的使用。这不仅大大节省了用户的时间，也节省了用户的 培训费用的开支。 对一个工业现场，如果增加或改变测量点和控制点，对原来的系统来说，所需要 的工作量很大。而符合o p c 规范的控制系统则可以很容易实现。尤其是大的工业现 场，对系统进行长期监控、配置优化以及节省维护费用的优势更为突出。 开放性 由于采用o p c 标准开发的软件之间具有良好的通信能力，这样就使原先相互分 割的控制系统之间，以及商务系统和控制系统之间的集成变为可能。把企业的商务系 统、控制执行系统、监视系统和控制系统无缝的集成为一体，构造成一个两层的工业 自动化体系。如图2 1 所示，大大提高企业的运营效率，实现了工厂的管控一体化。 l商务系统 l 控制执行系统 l监控系统 i控制系统 图2 1 两层工业自动化体系 基于以上的分析，我们可以将o p c 与d d e 做个比较。d d e 是一种简单的客户 第1 3 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 机朋良务器结构数据交换协议，主要用于w i n d o w s 应用程序之间的信息传递。o p c 服务器可以设置为本地或远程，传送的数据量更大、传输速率更快。与o p c 通讯方 式相比，d d e 协议存在着一些缺点： 对实时陛要求越来越高的工业控制软件来说，d d e 协议的通讯速度显得比较 慢； 进行数据交换的两个应用程序都必须提供一个专用的d d e 连接，且接口须一 致，否则不能进行数据交换： d d e 是w i n d o w s 中占用系统资源较多的数据交换方式； 若要在很短的时间内进行大量的数据交换，有可能产生不良的后果。 综上所述，o p c 技术是一种通讯快捷，安插容易的通讯方式，具有良好的开发 前景。特别适用于大量、高速、精确的数据传输，但开发周期较长，成本相对较高。 上述技术总的来说各有所长，在进行信息系统集成的时候采用何种技术，不仅要 考虑下层的控制系统支持何种技术接口，还要考虑各种技术在不同系统中所具有的传 输效率是否满足工业生产实时性的要求。多种技术的融合与补充，将会加快系统数据 集成技术的发展。 2 3 2 结构方案选择1 1 】 随着网络技术的发展，c l i e n t s e r v e r 结构的网络和b r o w s e r s e r v e r 结构的网络并 存，两者都得到了很好的应用，下面就这两种网络结构进行分析。 c s 结构 在c s 结构模式下，一个或更多的客户机与一个或更多的服务器相连，组成一个 分布式的网络系统。结构设计为两层模式，显示逻辑和事务处理部分均被放在客户端， 数据处理逻辑和数据库放在服务器端。客户端负责执行前台功能，如管理用户接口、 数据处理和报告请求等。而服务器端执行后台服务，如管理共享外设、控制对共享数 据库的操作、接受并应答客户机的请求等。客户端既要完成用户交互和数据表示，又 要处理应用逻辑及与数据库系统的交互，因此这是种“胖客户机度服务器”的方 式。 c s 结构具有以下优点：交互性强，具有专用的前端应用程序，可以提供强大 的在线帮助，出错处理等功能。可靠性高，在基于c s 结构的系统中，各种应用逻 辑必须通过相应的前端应用程序完成，系统可靠性强。事务数据处理能力强，c s 结构目前已经非常成熟，有大量的优秀开发工具支持。随着应用系统的大型化，c s 第1 4 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 结构也暴露出许多缺点，如程序开发量大，客户端维护困难，客户端负担重等。 b s 结构 b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构是由c s 结构发展而来的三层c s 结构在w e b 上的应 用特例。在这种体系结构下，表示层( p r e s e n t a t i o n ) 、功能层( b u s i n e s sl o g i c ) 、数据 层( d a t as e r v i c e ) 放在三个独立的单元：w e b 浏览器、w e b 服务器和数据库服务器。 表示层位于客户端，它的任务是通过w e b 浏览器向w e b 服务器提出数据请求和接受 w e b 服务器传送过来的页面进行显示；功能层由w e b 服务器来实现，它的任务具有 双重角色，它即是b r o w s e r 的s e r v e r ，又是d b m s 的c l i e n t 。当b r o w s e 发出访问数 据的请求时，w e b 服务器会通过中间件向数据库服务器提出数据访问请求，一方面 d b m s 将w e b 服务器传来的数据写入数据库，另一方面，d b m s 将检索到的结果传 给中间件，并通过中间件形成动态h t m l 页面，传给w e b 服务器，再通过h t t p 交 给b r o w s e r ，显示在用户的浏览器窗口上；数据层位于数据库服务器端，其任务是接 受w e b 服务器对数据库操纵的请求，实现对数据库查询、修改、更新等功能，把运 行结果提交借给w e b 服务器。这是一种“庾客户机胖服务器”模式【1 2 1 。 具体到工业控制信息集成系统时，是在原有的结构上增加了一层数据采集层，它 实际上包括了工业信息集成系统的设备层和监控层，负责将现场数据进行处理后写入 数据库。作为整个系统的基础，它必须具有强大的数据交换能力，提供开放的软件接 口，既能与现场控制设备通信，又能实现对数据库的存取。数据库服务器上应安装通 用的数据库管理系统，既要方便于w e b 服务器进行数据交换，又要快速存储数据层 数据。在数据库服务器上建有两种类型的数据库：实时数据库和历史数据库。前者用 来存储实时数据，以供w e b 服务器进行动态显示，要求有较高的存取速度；后者用 来存储每一时段的历史数据，以供用户查询，要求有较大的数据容量。w e b 服务器是 整个系统中任务最繁重的设备，一般采用高档服务器来配置。如图2 2 所示。 图2 - 2b r o w s e r s e r v e r 结构 数据 第1 5 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 这种b s 结构的特点是将应用系统的程序代码、数据及支撑软件全部集中在服务 器端，而客户端不必加载更多的应用程序，仅通过一个随处可见的浏览器就可以访问 数据库中的信息，因而对客户端几乎没有要求，不仅使用方便，而且容易维护。 b s 结构与c s 结构相比具有以下优点：简化了客户端，在基于b s 结构的系 统中，用户只需通过浏览器便可进行各种信息处理，而不需安装专用的前端应用程序； 可跨平台操作，在基于b s 结构的系统中，各种平台上的用户均可以通过浏览器访 问相应的信息；延伸了客户与服务器的物理距离；系统的安全性、可扩展性更好 1 3 1 。 根据上述分析，在具体的应用系统实现过程中，若对系统安全性和交互性要求高、 专业性强、数据处理量大，贸应采用c s 结构；而对功能变动频繁、信息交互量要求 较低、物理距离较大的系统则应使用b s 结构。 2 3 3 物理集成方式选择 工业信息集成系统的网络是i n f r a n e t 和i n t r a n e t 的集成。根据两者连接方式的不 同，系统的集成方式可分为两种：网关集成和工作站集成。 网关集成 网关集成方式的网络结构如图2 - 3 所示。这种方式实际上是按功能层的不同采用 了不同的通信方式：工作站与工作站之阅以及与数据库服务器之间使以太网 ( e t h e r n e t ) 通信；w e b 服务器放置在i n t r a n e t 上，它通过网关与数据库服务器及各个 工作站通信，i n t r a n e t 上的用户访问w e b 服务器进行监控。这种网络结构的特点在于 不仅满足了数据传输的可靠性而且保证了整个控制系统的安全。在底层r s 一4 8 5 串口 通信或现场总线使得各工作站间数据快速交互，再通过网关向信息层集成。信息层则 建立在e t h e m e t 上，通信速度完全可以满足工业对数据实时性的要求。 另外，i n t r a n e t 与i n f r a n e t 通过网关连接，此种接口采用双网卡和不同的i p 地址 段，令自动化监控系统以太网和厂内管理系统分别登录到不同的域，从而将两个网隔 开，保证生产的安全进行。其特点是既能实现资源共享，又能保证两网互不干扰，确 保网络安全。缺陷是这种结构可能会在网关上产生瓶颈，影响w e b 服务器与i n f r a n e t 的之间快速数据传输。所以，主要适用于已建有控制局域网的企业。 第1 6 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 图2 - 3 网关集成方式的网络结构 工作站集成 工作站集成方式实际是网关集成方式的一种简化：它将各个工作站直接挂在 i n t r a n e t 上，省去了e t h e m e t ，如图2 - 4 所示。工作站集成将各工作站与设备层之间的 通信采用串口通信或现场总线，数据库服务器和各工作子站都连接在i n t r a n e t 上，直 接与w e b 服务器在i n t r a n e t 上通信。它传输的大多是短数据流，具有高连接频率、短 暂持续时间的特点。如果没有足够的带宽，在数据高峰期就可能造成工作站与数据库 之间、w e b 服务器与数据库之间及w e b 服务器与工作站之间数据传输不畅，引起数 据丢失，而且由于没有采用双卡隔离，对于计算机网络病毒的预防不如网关集成。为 了安全起见，需要在各工作站上建立小型的本地数据库，以便必要的时候向数据库服 务器恢复历史数据。 工作站集成方式实现了i n t r a n e t 和i n f r a n e t 的无缝连接，具有网络结构简单，便 于维护的优点，一般适用于建有高速i n t r a n e t 的中小型企业。 图2 - 4 工作站集成方式的网络结构 2 4 本章小结 工业信息监控系统向着网络化、开放化的发展，迫切需要实现监控层和信息层的 数据集成，本章详细讨论了在实现数据集成的过程中所选用的技术方案、结构方案、 物理集成方案，并对此展开讨论，比较几种方案的异同。 第1 7 页共8 3 页 l 毪 | 一 一 面 早上! l 。l l 讹。生凰面鲁 上海大学硕士学位论文 第三章o p c 技术 o p t 技术规范了过程控制和生产自动化软件与用o p c 服务器实现的硬件驱动程序 之间的接口，提供了工业自动化应用的统一数据传输平台，使异构系统之间的数据交 换更加方便，从而使工控系统更具开放性，现已成为工业信息系统发展的一个趋势。 3 1o p c 技术的出现及其意义 o p c 技术是为了实现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 其之间的数据交换更加简单化而提出的。它可以向用户提供不依靠于特定开发语言和 开发环境的可以自由组合使用的过程控制软件组件产品。o p c 规范采用客户丑匣务器 模型，基于c o m d c 嘣技术，其实质是在硬件供应商和软件供应商之间建立一套规则， 只要遵循这套规则，数据交互对两者来说都是透明的，硬件供应商无需考虑应用程序 的多种需求和传输协议，软件开发商也无需了解硬件的实质和操作过程，实现不依存 于硬件的系统构成。同时利用一种叫做v a r i a n t 的数据类型，可以不依存于硬件中固 有数据类型，可以按照应用程序的要求提供数据格式。这样可以灵活而有效地在应用 和过程控制设备之间读写数据。 在使用o p c 标准的数据访问方式之前，传统的数据访问需要为每个服务器和应用 程序都独立开发一种驱动程序。如图3 1 所示： 图3 - 1 使用o p c 前传统的数据访问方式 由上图可以看出，传统的过程控制系统是一对的系统，任何一种h m i 等上位监 控软件或其它应用软件( 如趋势图软件、数据报表与分析等) 在使用某种硬件设备时， 都需要开发专用的驱动程序。系统构建完成后的最终结果是： 1 种软件要使用n 类硬件设备需要开发n 个驱动程序； m 类软件要使用n 类硬件设备需要开发m * n 个驱动程序； 每增加1 个额的应用软件需要另夕b j i - 发n 个硬件设备的驱动程序； 每增加1 个新的硬件设备需要为m 个软件开发新的设备驱动程序； 第1 8 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 在上图所示的例子中，针对4 种控制设备所完成的3 个应用系统一共需要开发 3 4 = 1 2 种驱动程序。由此可见，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。另据某调查结果显示【1 ”，在控制系统软件开发的所需费用中，各种 各样设备的应用程序设计约占费用的7 成，而开发设备间的应用程序接口约占3 成。 在p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 领域，当把d c s 中的过程数据传送到生产管理系统时， 必须按照各个硬件