（机械电子工程专业论文）基于xml和opc技术的数据采集与监控技术研究.pdf

南京航空航天人学硕士学位论文 摘要 f 随着现代工业控制过程数据交换越来越频繁，而不同底层设备具有不同的通信 机制，这就造成了工业过程数据采集与系统监控软件开放性、可重用性以及灵活性 差的缺点。本文的研究目的就是为了寻求一条有效的途径，实现工业过程数据采集 与系统监控标准统一、快速准确、易于实现。 当今现场总线技术在工业过程数据采集与系统监控中得到了广泛的应用。o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是基于m i c r o s o f t 的o l e 、c o m d c o m 技术，为解决工业 客户机与各种设备驱动程序i n q 通讯而产生的一项工业技术规范和标准。，笨文以基于 m o d b u s 协议的工业现场总线为研究对象，提出了采用组件设计技术、x m l 和o p c 技 术的数据采集与系统监控解决方案。 本文以m i c r o s o f tc o m d c o m 技术为基础，详细研究了o p c 技术规范以及o p c 数据访问标准在工业应用中的需求，提出了o p c i l l 务器和客户端系统的总体结构方 案和实现的关键技术，成功开发了基于m o d b u s 协议o p c i i i t 务器和o p c 客户端系统， 并将它应用于某齿轮制造企业d n c 系统数据采集与系统监控中。实践证明采用o p c 技术对改善d n c 数据采集和监控系统的开放性、可重用性以及灵活性有明显的效 果。 f 最后，在总结全文的基础上，对有待进一步深入研究和探索的问题提出了建 议。l 皿o 。 ( i 、 、 。， y 。 关键词：厂0 p c ；j 数据采集g 系统监控；、面娆b 现场总线 、7 。 ) 、 f、f ， 上业上曼彳、，荔u ： 一些! 兰塑! 塑q ! ! 塑塑塑墨篓兰些笙垫查堕塞 a b s t r a c t w i t ht h ed a t ae x c h a n g ed u r i n gm o d e mi n d u s t r i a lc o n t r o lb e c o m i n gm o r ea n dm o r e f r e q u e n t ，t h a t d i f f e r e n td e v i c e so nt h e f a c t o r y f l o o rh a v ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s ml e a d st ob a do p e n n e s s ，i n e f f i c i e n tr e u s a b i l i t ya n d p o o rf l e x i b i l i t yo f i n d u s t r i a l p r o c e s sd a t aa c q u i s i t i o na n ds y s t e mc o n t r o ls o f t w a r e t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st o f i n da ne f f e c t i v e w a yt ou n i f y t h es t a n d a r d s ，a n dr e a l i z et h ei n d u s t r i a l p r o c e s s d a t a a c q u i s i t i o na n ds y s t e mc o n t r o lq u i c k l y , a c c u r a t e l ya n d e a s i l y n o w a d a y s ，f i e l d b u st e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r i a lp r o c e s sd a t aa c q u i s i t i o n a n ds y s t e mc o n t r 0 1 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，w h i c hi sb a s e do nm i c r o s o f t so l e ， c o m d c o m t e c h n o l o g i e s ，i s a ni n d u s t r i a l t e c h n o l o g y s p e c i f i c a t i o n a n ds t a n d a r d g e n e r a t e dt o s o l v et h ec o m m u n i c a t i o np r o b l e mb e t w e e ni n d u s t r i a lc l i e n tc o m p u t e r sa n d v a r i o u se q u i p m e n td r i v e r s b yu s i n gt h ei n d u s t r i a lf t e l d b u sb a s e do nm o d b u sp r o t o c o la s t h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ea u t h o rp r e s e n t st h ed a t aa c q u i s i t i o na n ds y s t e mc o n t r o ls o l u t i o n ， w h i c h a d o p t sm o d u l et e c h n o l o g y , x m l a n do p c b a s e do nm i c r o s o f t sc o m d c o m ，t h es p e c i f i c a t i o na n d r e q u i r e m e n to f d a t aa c c e s s s t a n d a r do fo p c t e c h n o l o g yi ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o na l ed i s c u s s e di nd e t a i l t h eg l o b a l a r c h i t e c t u r es c h e m aa n d k e yt e c h n o l o g i e si nr e a l i z i n gt h eo p c s e r v e ra n dc l i e n ts y s t e ma r e a l s op r e s e n t e d t h eo p cs e r v e ra n dc l i e n ts y s t e mb a s e do nm o d b u s p r o t o c o la r ed e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y a n da p p l i e di nt h ed n cd a t a a c q u i s i t i o na n ds y s t e m c o n t r o lo fag e a r m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e i np r a c t i c e ，i th a sb e e np r o v e nt h a to p ct e c h n o l o g yi se f f e c t i v e i ni m p r o v i n gt h eo p e n n e s s ，r e u s a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo fd n cd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o l s y s t e m f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h es u m m a r i z a t i o no f t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o n ， f u r t h e rr e s e a r c ha n d i n v e s t i g a t i o n a b o u ta u t o m a t i o ns o f t w a r ea r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：o p c ；d a t a a c q u i s i t i o n a n d s y s t e mc o n t r o l ；d n c ；f i e l d b u s i i j ! ! i 堂兰堕鲞查堂堡! ：兰垡鲨塞 1 1o p c 技术概述 1 1 1o p c 技术背景 第一章绪论 工业过程控制的信息结构如图1 1 所示，它包含了以下几个层次： 现场设备级：包括大量的现场智能设备。这些设备将产生大量的信息，如 配置参数、设备状态等。所有这些信息必须以致的方式提供给上层用户 及各个应用程序。 过程控制级：获取现场设备信息，并实施对现场设备的控制与监视，确保 生产过程中的有序进行，并对现场数据进行统一的处理。 企业管理级：将过程控制中的数据集成到管理系统，对信息进行统的管 理与优化。 图1 1 过程控制信息结构 要使上述信息系统有效地运行，控制与管理层必须能够实时采集现场设备的数 据，并且将现场数据经过适当的处理集成到企业的管理系统中。目前通常可以利用 现有的工具( s c a d a 系统、数据库、电子表格等) 来达到他们的要求【”。 基于x m l 1 1 0 p c 的数据采集与监控技术研究 在传统的工业过程控制系统中，为了有效实现对底层设备信息采集，都要针对 每一类设备丌发相应的设备驱动程序，并且只能通过该驱动程序访问该设备。而每 个驱动程序连接到不同的应用程序都要有不同的接口。这样使得整个系统开发变的 复杂而低效。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术所要解决的是每一个驱动程序连接到不同 的应用程序都要有不同的接口问题拉j 。o p c 不仅为工厂网络中的设备，而且也为控 制室中的数据库之间大量的数据源通信提供一种标准的通信机制。现在o p c 通过建 立“软件总线”技术，解决了这个问题。应用程序提供了一种通用的方法来访问诸 如设备或数据库等任何数据源。应用程序只需知道怎样从o p c 数据源中读取数据， 因而它们使用较简单容易；而设备驱动器( 服务器) 只需知道怎样以单一的模式 ( o p c 服务器) 提供数据。如图1 2 所示。 图1 2 应刚程序与多个o p c h 务器工作 图1 - 2 中的o p c i & 务器是任何提供o p c 接口服务器的同义词，比如：o p c 数据访 问服务器、o p c 报警事件服务器、o p c 历史数据服务器。在本文中应用的主要是 o p c 数据访问服务器。 1 1 2 传统工业控制软件存在的问题 如前所述，在传统的控制系统中，智能设备之间及智能设备与控制系统软件之 间的信息共享是通过驱动程序来实现的。由于软件开发商对驱动程序的要求各不相 同，网络中需进行数据访问的数据源与智能设备又各不相同，驱动程序的开发大大 加重了软件开发商的负担，使其无法全身心地投入到其核心产品的开发中去。这种 丌发方式主要有以下弊端： 重复开发 南京航空航天大学硕士学位论文 每个软件系统丌发商必须为每个特定的硬件开发一个驱动程序。 不同开发商之间的驱动程序的不一致性 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开发驱动程序， 从而使各开发商之间的驱动程序不一致，并且驱动程序并不支持所有的硬件特性。 不支持硬件特征的变化 由于驱动程序由软件开发商开发，硬件特征的变化将会使有的驱动程序失效， 为适应硬件特征的新变化，软件开发商必须为硬件开发新的驱动程序。 访问冲突 一般来说，两个软件包不能同时访问同设备，因为它们使用不同的驱动程 序。为了解决这问题，硬件供应开发商试图以开发驱动程序的方法来解决这问 题，但由于不同的客户采用的不同的客户协议而无法实现。 o p c 为硬件供应商和软件开发商之间划了一条明确的界限。它为数据源的产生 规定了一种机制，并且为这些数据与任何客户程序之间的通信提供了一种标准的方 式。有了o p c 标准，硬件开发商可以开发出可重用的、高性能的o p c 服务器软件， 并且能与其他数据源以及设备进行可靠有效地通信。有了o p c j 艮务器接口，就允许 任何o p c 客户访问它们的设备。 1 1 3o p c 技术的优点 制订o p c 规范的目的是为了促进o p c 服务器的开发( 以c 和c + 十编写) 和o p c 客 户应用程序的开发( 以其它语言开发) 。而制订o p c 接口的结构和设计也是为了支持 o p c 服务器以其它语言开发。 o p c 技术的应用允许客户程序以一致性方式访问工厂底层数据，工业系统中采 用o p c 技术可以带来许多好处： o p c 规范以o l e c o m 为技术基础，而o l e 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 j i i 务器) 作为一个对象 封装起来，只将接1 ：3 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，使得用户完全从底层的开发中脱离出 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，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，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，便于系统升级与维护。 o p c 规范了接1 ：3 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，易于实现与其它系统的接口。 基于x m l _ 千i i o p c 的数据采集与监控技术研究 同样对于用户和软硬件开发商来说，o p c 也带来了刁i 小的影响： 对用户来讲，o p c 意味着丌放性。只要用户选择了符合o p c 标准的工具 箱，就可以选择最好的设备和软件，集成已经存在的不同的系统将变得非 常容易。大量的3 2 位w i n d o w s 应用程序使得用户有更大的选择余地，以更有 效、快捷的方式构造、定制满足其需要的集成制造系统。 硬件供应商只需开发套通用的驱动程序，并且其驱动程序比以往由软件 开发商开发的驱动程序具有更高的性能。而软件开发商可以免除开发驱动 程序的工作，从而使他们能够把更多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商务 系统和控制系统的集成成为可能，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地集成为一体，大大提高企业的运营效率。1 2 j 1 2x m l 技术简介 1 2 1x m l 的来源 x m l 技术规范由3 w 协会( w 3 c ) 提供。作为一个国际性工业协会组织 f h t t p ：w w w w 3 c o r g ) ，w 3 c 出版并领导了公共性w e b 协议和相应工具的开发，进一步 提高协会各成员相互之间协同工作的能力，同样也为开发者和工业用户提供了有关 w w w 技术信息仓库。1 9 9 8 年，w 3 c 采用了x m l 技术规范，并将其作为一种标准。 从此，众多工业团体组织已经宣布并计划定义工业标准化x m l 技术规范，用于进一 步描述在b 2 b 电子商务应用中的数据信息交换，同时致力于开发基于x m l 的软件产 品和工具。一种中立于独立软件开发商的工业化标准诞生了，x m l 由w 3 c 定义并负 责解释，确保结构化数据信息将是统一的，并且能够不受任何限制地满足各种工业 应用。 1 2 2x m l 的含义 x m l 是标准化通用标记语言( s g m l ) 的- - 个有限子集，于1 9 8 6 年首次公布，并成 为圉际性标准。s g m l 为一个电子文档中嵌入式描述性标记定义了一种标准化格 式，同时为一个文档结构和版面的描述也确定了标准的方式。事实上，标记通常被 应用于描述性注解，或者一个文本中的其他标记，这就好比要求一个打字员怎样将 文档进行归档或者打印一样。s g m l 语法格式包括采用波浪下划线表示黑体、某些 特殊符号表示删除，以及其他标点符号等。由于文档的格式化和显示是自动进行 的，相关术语会被扩展，以便将各种类型的特殊标记符代码插入到电子文档中去， 南京航空航天大学硕士学位论文 完成相应的格式化和文档显示。般情况下，其相关术语的标记符与使用特殊编码 电子文档的描述是同义的。 x m l 是w e b 数据使用的通用语言，它具有结构化、规范化、简洁化和可扩展性 等特点。x m l 能够让软件开发人员将来自于各种应用程序的结构化数据传送给操作 员站桌面，以便在本地计算机上进行计算和显示。x m l 允许为特殊应用程序创建独 特的数据格式，同时它也是结构化数据从服务器到服务器传输的理想格式。x m l 是 超级分布式过程控制系统之间实现多种数据集传输的一种手段。另外，x m l 可以让 软件开发人员能够以更具价值的新型方式聚集和组合各种来源的数据信息。x m l 必 将成为i n t e m e t 上最重要的基础性语言。 x m l 已经被广泛应用于出版行业的专业电子文档中，这些电子文档的特点是大 型而且复杂，格式化电子文档通常应用于办公信息处理，以便形成正式的文档报 告、技术手册、分类目录、设计技术规范说明书、报告、标题以及备忘录等。x m l 所建立的电子文档独立于任何计算机的硬件和软件。自从x m l 文档成为国际性标准 以后，可以允许用户与其他具有不同文档处理系统的用户很好地进行文档交换1 3 5 j 。 1 2 3x m l 扩展了o p c 的应用范围 采用x m l 可以扩展o p c 访问数据信息平台。o p c x m l 工作组的基本出发点就是 定义套基于x m l 的面向工厂自动化和过程控制领域的数据信息交换接口，以便让 这一领域的自动化过程控制设备横跨i n t e m e t 而工作。与o p c 数据访问自动化接口相 类似，o p c 。x m l 很可能也将被定义成为一种数据信息访问方式，使其非常方便地成 为基于c o m 的o p c 数据访问接口之上的一套工具性外壳而被引用。 因此，软件开发商也有能力独立地编写一套o p c x m l 数据访问服务器驱动程 序，也就是说，在现有o p c 数据访问服务器上不存在任何驱动程序外壳。o p c - x m l 工作组还将定义相应数据信息传输协议，用于在一个网络系统中通过o p c - x m l 来进 行数据信息的交换和处理。最初所采用的数据传输协议是h t t p ，但o p c x m l 工作 组也将进一步评估s o a p 数据传输协议的性能和特性。 软件开发商主动采用o p c x m l 可以取得以下三方面的好处： o p c 基金会将为希望从工厂底层访问o p c 数据信息的应用程序定义一种工 业化标准方式。 o p c x m l 将提供一种比较容易的方式用于通过i n t e r n e t 发布o p c 数据信息， 为企业自动化过程控制系统集成提供广泛的连接特性。 o p c x m l 将为非m i c r o s o f l 操作系统平台发布o p c 数据信息提供一种数据信 息转换机制，这些平台包括l i n u x 、u n i x 、c o r b a 等。 基于x m l 和o p c 的数据采集与监控技术研究 1 3 数据采集与系统监控技术o “8 i 1 3 1 数据采集与系统监控的发展历程 数据采集与系统监控从产生到现在已经经历了四个发展阶段。第一代是基于专 用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统，这阶段是从计算机运用至i j s c a d a 系统 时开始到7 0 年代。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，在第= 代中，广泛采用v a x 等 其它计算机以及其它工作站，操作系统一般是通用的u n i x 操作系统。第一代和第二 代s c a d a 系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而 对系统维护、升级以及与其它联网构成很大困难。 9 0 年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库的技术，使得 能够实现大范围联网的s c a d a 系统称为第三代。这阶段，将计算机技术、数据库 技术、通信技术应用于工业控制系统中，使s c a d a 系统得到了飞速的发展。 第四代s c a d a 系统的主要特征是采用i n t e m e t 技术、面向对象技术、神经网络技 术以及j a 、，a 等技术，继续扩大s c a d a 系统与其它系统的集成，综合安全经济运行 以及商业化运营的需要。 1 3 2 数据采集与系统监控的功能要求 数据采集与系统监控从传统用户的角度来讲，主要解决三个问题。 ( 1 ) 设备参数状态数据的采集和控制信息的发送 这部分涉及两个含义：一是怎样采集设备参数状态数据。它通常由智能设备 生产厂家解决，即作为下位机在市场中出售，并提供可编程的通讯协议和协议 处理芯片；二是设备生产状态数据如何传递到上位机系统处理。目前上位机通 常通过标准串口或i 0 卡运行专用的上层采集模块，从下位机中实时地采集设备 各种参数的数据和发送控制信息：解决问题效率的高低表现在采集周期的长短 上，这也是衡量一个系统是否适合于某个行业的一个重要指标。目前上位机系 统可以达到平均毫秒级的采集周期。 ( 2 ) 参数状态的表达和报警处理 报警作为监控的一个重要目的，是所有上位机系统必须解决的问题。如果说 各种图形、图像、动画、声音等方式用于表达设备的各种参数运行状态是必不 可少的话，那么如果上位机系统不能有效的处理设备的报警状态，所有的表现 形式都是多余的。评价上位机系统可靠性和高效性的一个重要指标是看它能否 不遗漏地处理多点同时报警。 6 南京航空航天火学硕士学位论文 ( 3 ) 事故追忆和趋势分析 监控的另外一个目的是评价生产设备的运转情况和预测系统可能发生的事 故。在发生事故时能快速地找到事故的原因，并找到恢复生产的最佳方案。从 这个意义出发，实时历史数据的保留和系统操作情况记录就变得非常重要，因 而评价一个s c a d a 系统功能强弱最为重要的指标之一就是对实时历史数据记录 和查询的准确和高效上面。 为了满足以上要求，从计算机软硬件技术要求来看，s c a d a 系统作为一个应用 软件系统，它涉及到i t 技术的方方面面，集中强调以下几种技术的综合运用： 通信技术：面临多种通信协议模式，如：a s c i i 、r t u 、p l c 等，通信方式 表现为同步、异步等，通信媒体包括有线和无线方式。 计算机网络技术：应用表现为标准局域网、广域网、拨号网络、串口组网 等，协议包括t c p f l p 、专用协议等，系统结构包括点对点、客户服务器等 方式。 分布式数据库技术：强调实时高性能数据库的应用和与通用数据库的开放 接口等等。 编译技术：由于s c a d a 系统应用领域的特殊性，不同的应用对监控各方面 的要求均不一样，因而，s c a d a 系统通常提供可编程功能，由于效率要求 和保护二次开发知识产权的关系，设计一个好的专用语言，并提供一个好 的编译系统将是至关重要的。 多媒体技术：需要结合动画、声音、图形图像等多媒体技术的综合应用， 以便真实客观地反映设备生产过程的状态和方便事务管理的要求。 图形用户界面技术：由于s c a d a 系统面临的用户的计算机应用能力参差不 齐，方便易学的图形用户界面是极为必要的。 1 3 3 数据采集与系统监控的现状和主要问题 基于微机w i n d o w s 平台的s c a d a 上位机系统是目前发展的趋势，特别是基于 w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 平台的s c a d a 系统。目前，国际和国内市场上基于以上平 台，应用比较广泛的s c a d a 上位机系统有i n t o u c h 、f i x 、r s v i e w 3 2 、c i m p l i s i t y 、 c i t e c t 等，这些系统较好地解决了传统s c a d a 上位机系统的功能，主要有： 数据采集与控制信息发送： 提供基于进程间通讯的数据采集方法，并且已开发了常用的多种智能数据 采集设备的服务程序： 具有多点同时报警处理功能，提供报警信息的显示、登录，部分提供用户 应答功能； 历史趋势显示与记录； 基于x m l n o p c 的数据采集与监控技术研究 提供基于专用数据库的监控点数据的记录、查询和图形曲线显示。 同时，针对管理和控制的需要，这些系统还提供以下工业控制中相当有帮助的 功能： 网络通讯功能：提供非透明网络通讯机制，可以构筑上位机的分布式监控 处理功能： 开放系统功能：提供基t d d e 数据交换机制与其它应用程序交换数据，提 供o d b c 与其它系统数据库系统连接。 但是随着工厂自动化控制要求的提高以及管理系统网络化的发展，工控软件制 造商已逐渐意识到传统的s c a d a 系统还存在着明显的缺陷，主要表现在： 开放性差，较难与企业m i s 系统、g i s 系统等管理系统相结合： 网络通讯不透明，不适合开发现代企业基于局域网或专线网的网状层次结 构监控管理系统： 数据采集速度有待进一步提高； 系统事故追忆能力差； 缺乏高性能的控制任务调度算法的支持，系统实时性差。 为了解决以上缺陷，工业控制软件制造商都在寻找着一种新的s c a d a 模式，它 将更适合现代控制系统管理控制一体化的模式。融合微软的领先技术，是解决这些 缺陷的根本：a c t i v e x 技术扩展了控件的应用范围：v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ( v b a l 技术增强了s c a d a 系统编程组态的功能；d i s t r i b u t e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ( d n a ) 技 术构建了开放、灵活的网络体系结构：o p c 技术为众多硬件设备、管理系统、网络 系统等之间的通讯提供了快速、可靠的方法。 1 4 本课题的研究意义和目标 随着工业生产的飞速发展，生产规模的不断扩大和过程复杂程度的提高，工业 过程控制中需要越来越多的数据交换，特别是在联网的现代企业，数据访问要有统 一的标准，需快速准确，易于实现。因此工控软件设计面临着巨大的挑战，那就是 集成数量和种类不断增多的现场信息。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有越来越多的底层通信模块，而不同工控软件中的通信模块访 问接口的方式不尽相同，因而造成了工控软件之间不能通信，软件资源不能共享， 这样就给工业现场的信息传输造成了很大的障碍。 很多厂家都致力于不同现场设备的互操作和使他们的数据能够被商业系统以一 种安全、标准的方式进行访问。但由于没有一个统一、有效可遵循的国际标准而最 终未能实现。 o p c 基金会建立了一套标准的o l e 、c o m d c o m 接口协议，该协议主要是为了 促进自动化和控制系统、i 0 设备，以及工厂过程控制中的事务系统更好地进行交互 南京航空航天大学硕士学位论文 操作。这个标准直接建立在o l e 、c o m d c o m 的技术之上，称为o l ef o rp r o c e s s c o n t r o l p , i _ 】o p c 。o p c , 眼务器就是o l e 、c o m d c o m h 务器在工业控制协议接口上的 具体实现。 o p c 的关键在于它提供了一种开放、高效的通信机制。它是专为过程控制而设 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的形式放到设 备生产厂商或第三方，并将该接口以服务器的形式透明的提供给用户( 工控软件开 发人员) 。使得用户从底层的通信模块开发中解放出来，而专注于用户软件的功能。 有了标准的通信机制以后，对于从底层设备获得的数据信息就存在一个信息发 布的问题，可扩展标记语言x m l 的出现给数据信息的发布提供了一种规范。o p c 基 会会在x m l 的基础上指定了o p c x m l 规范，该规范将提供一种比较容易的方式用 于通过i n t e m e t 发布o p c 数据信息。 本课题将通过对o p c 规范以及o p c 。x m l 规范的研究，使原先相互分割的商务系 统和控制系统的集成成为可能，把企业的商务系统、控制执行系统、监视系统和控 制系统无缝地集成为一体，大大提高企业的运营效率。同时为企业自动化过程控制 系统集成提供广泛的连接特性。o p c 技术为众多硬件设备、管理系统、网络系统等 之间的通讯提供了快速、可靠的方法。 1 5 本文的主要研究内容及安排 本论文主要研究基于m o d b u s 协议0 p c 服务器实现的关键技术及其具体实现方 法。各章节安排如下： 第一章分析了o p c 技术的背景、传统工业控制软件存在的问题。简要介绍了可 扩展标记语言x m l 的作用，接着论述了数据采集与系统监控的发展历程和现状。最 后指出了o p c x m l 对于数据采集与系统j l 矗控技术的重要意义。 第二章在阐述现场总线技术的基础上，研究了针对串口协议的m o d b u s 总线通信 规约。 第三章在大量查阅了国内外关于o p c 的文献的基础上，研究了o p c 的发展动态 ； h o p c 数据访问标准在工业中的应用需求。本章首先分析了o p c 技术基础，简要介 绍t o p c 技术规范，接着重点介绍t o p c 的对象和接口，最后概要介绍t o p c x m l 草案。 第四章在上一章的基础上，详细介绍了基于m o d b u s 协议o p c 数据服务器对象接 口实现的关键技术。 第五章通过在江西某齿轮制造企业d n c 系统数据采集系统的实际应用。验证自 行开发的基于m o d b u s 协议o p c j 艮务器的有效性和可行性。 第六章对本课题的相关研究进行总结，并对进一步的研究提出了建议。 基于x m ， f l o p c 的数据采集与监控技术研究 第二章基于m o d b u s 协议的现场总线 2 1 现场总线技术概述 2 1 1 现场总线技术的产生 计算机以及相关技术如自动控制技术、通信技术、网络技术、微电子技术的发 展带来了制造自动化系统和过程控制系统技术的革命。人类历史自从工业革命兴起 以来，生产过程的自动化技术就处在不断的发展中，工业过程控制经历了气动控 制、电动控制、计算机集中控制和计算机集散式控制等几个阶段。现代电子与计算 机技术出现之前的工业过程控制基本上处于手动和半自动方式，在电动控制阶段， 采用的控制方法基本上是模拟控制，而模拟信号具有误差大、信号处理不方便等缺 点，控制的稳定性和精度都比较低，但当时的工业精密性就比较差，因此，模拟控 制系统基本上也能满足一定的要求。 随着工业生产的不断发展，高精密产品对生产设备的要求以及人们对工厂运作 的整体协调的要求，使得分离的单元控制系统不能适合生产要求，因此集成自动化 控制思想便应运而生。工厂集成自动化思想不仅要求单元设备的自动化，而且更要 求生产设备单元的协作运行，以便整个自动化生产线效率达到最优。解决这一问题 的关键是工业设备级信息的传输与共享问题。 在过程控制领域中，从六十年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是 4 2 0 m a 电流环的模拟信号标准。七十年代，数字式计算机引入了测控系统中，而此 时的计算机提供的是集中式控制处理。八十年代微处理器在控制领域得到应用，微 处理器被嵌入到各种仪器设备之中，形成了分布式控制系统，在分布式控制系统 中，各微处理器被指定一组特定任务，通讯则由一个带附属“网关”的专有网络提 供，网关的程序大部分是由用户编写的。 随着基于微处理器的智能设备的发展和广泛采用，使用数字信号代替4 2 0 m a 的 模拟信号进行传输就成为必然，同时还有一种日趋紧迫的要求，那就是为充分利用 现场网络，需要把各种各样的基于微处理器的智能设备集成在一起，于是就有了现 场总线的概念。现场总线是控制系统和其附属的数字设备之间的数字通信链路1 9 j 。 现场总线不是对4 2 0 m a 电流环标准的简单替换，而是一种全新的体系结构与控 制思想。在这种自动化系统中，现场总线连接工厂的底层设备( 如传感器、控制 器、执行器和调节器) 与车间控制室，在车间控制室与这些设备之间提供一种全双 工的串行数字通信链路。这些传统的非智能设备，现在及将来都将嵌入微处理控制 器，成为智能现场设备，通过现场总线的连接，进行交互式通信，形成工厂的网络 南京航空航天大学硕士学位论文 分布控制系统。 2 1 2 现场总线技术的发展现状1 0 早在1 9 8 5 年，国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，1 e c ) 就首先提出现场总线这一概念，1 e c 对现场总线的定义如下：现场总线是为最低层次 的工业数据而建立的总线，其目的在于为工厂中的测量与控制设备提供一条可靠的 串行数据通信链路。随后，国际上的许多国际组织和国家组织都对其标准化和产品 丌发方面做出了巨大的贡献，主要的现场总线标准有以下几个： ( 1 ) 1 s a s p 5 0 1 9 8 4 年，美国仪表协会( i n s t r u m e n ts o c i e t yo fa m e r i c a ，i s a ) 下属的标准实施 ( s t a n d a r da n dp r a c t i c e ) 第5 0 组，简称i s as p 5 0 开始制定现场总线标准。1 9 9 2 年， i e c 批准了物理层标准。 ( 2 ) p r o f i b u s 1 9 8 7 年，德国联邦科技部集中了1 3 家公司和5 个研究所的力量，按照i s o o s i 参 考模型制订现场总线的德国国家标准，经过2 年多的努力，完成了p r o f i b u s $ l j 订工 作。于1 9 9 1 年4 , q 在d i n l 9 2 4 5 中发表，正式成为德国现场总线的国家标准，同样， 在欧洲又通过投票，成为欧洲的标准e n 5 0 1 7 0 ，它由p r o f i b u sd p 、p r o f i b u sf m s 组 成。d p 型用于分散外设闻的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。f m s 意为现 场信息规范，p r o f i b u sf m s 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等 一般自动化。在过程控制方面，由于缺乏适用于防爆区的解决方案和过程自动化的 标准功能模块，p r o f i b u s 的应用与推广迄今为止一直受阻。拥有4 0 0 多个公司成员的 p r o f i b u s 用户组织( p n o ) 于1 9 9 4 年为填补以上空缺，推出了用于过程自动化的现场总 线( p r o f i b u sp r o c e s s a u t o m a t i o n ，p r o f i b u sp a ) o ( 3 ) c 。a n c a n 是控制网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) ，最早由德国b o s c h 公司推出， 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被i s o 制订为国际标 准，彳导至u t m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p 、s i e m e n s 、n e c 等公司的支持，并广泛应用在离 散控制领域。 ( 4 ) i s p 和i s p f 1 9 9 2 1 z ，由s i e m e n s 、f o x b o r o 、r o s e m o u n t 、f i s h e r 、y o k o g a w a 、a b b 等公司成 立了可互操作系统规划( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o j e c t ，i s p ) 组织，以德国标准 p r o f i b u s 为基础制定现场总线标准。1 9 9 3 年，成立i s p 基金会i s p f ( i s p f o u n d a t i o n ， i s p f ) 。 基y x m l i i o p c 的数据采集与监控技术研究 ( 5 ) w o r l d f i p 1 9 9 3 年，由h o n e y w e l l 、b a i l e y 等公司牵头，成立了w o r l d f l p ，约有1 2 0 多个公司 加盟，以法国标准f i p ( f a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 为基础制定现场总线标 准。 ( 6 ) h a r t 和h c f 1 9 8 6 年，f l j r o s e m o u n t 提出h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 通 信协议，它是在4 2 0 m ad c 模拟信号上迭加f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 数字信 号，既可用作4 2 0 m ad c 模拟仪表，也可用作数字通信仪表。其特点是在现有模拟 信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统数字系统转变过程中工业过程控制的过 渡性协议。 19 9 3 年，成立了h a r t 通信基金会h c f ( h a r tc o m m u n i c a t i o nf o u n d a t i o n ) ，约 有7 0 多个公司加盟，如s i e m e n s 、y o k o g a w a 、e + h 、f i s h e r 、r o s e m o u n t 等。 ( 7 ) 现场总线基金会 1 9 9 4 年，i s p f 和w o r l d f i p 联合成立了现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ， f f ) ，总部设在美i 虱t e x a s ) 、h 的a u s t i n 。该基金会聚集了世界著名仪表、d c s 和自动化 设备制造商、研究机构和最终用户，现有基金会成员1 2 0 余家，以及几十家最终用户 组成的顾问委员会。f f 成立以来的工作进展较快，推动了现场总线的研究和产品开 发。在现场总线物理层已获i e c 的批准，于1 9 9 6 年一季度完成了物理层的低速总线 h 1 的最后工作。 目前，国外各大仪表公司都已经按照f f 协议开发了自己的产品。如巴西s m a r 公 司已经推出现场总线产品，包括仪表、变送器、p c 接口卡以及相应的软件工具，主 要应用于过程控制领域，并且在中国大陆有了用户。 根据国际上现场总线的发展状况，我国也制定了相应的发展策略，来发展我国 的民族过程工业，以使我国工业自动化的技术水平赶上世界技术发展的潮流。为 此，国家制定了两步发展计划，第一阶段是完成现场仪表的数字化和智能化的设计 丌发和商品化工作。第二阶段是完成符合f f 协议的设备的开发和商品化工作。 为此，由国家计委投资，原机械部主持实施现场总线的九五规划，正在实施的 现场总线项目有“现场总线智能仪表研究开发”( 编号9 7 7 5 5 ) ，“新一代控制系统的 研究”( 编号9 7 7 5 6 ) 课题。 2 1 3 现场总线控制系统在工业过程控制中的优势1 1 1 1 3 2 6 舶 现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 与传统的集散控制系统 ( 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 ) 相比，具有不同的特点和许多优势，主要表现在 以下几个方面。 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 1 ) 全数字化 f c s 的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网 络，逐层向上直至最高层均为通信网络互联。 在d c s 中，有许多i o 组件，用来接收和发送4 2 0 m a 模拟信号。即使是采用了智 能变送器这样的现场仪表，往往也需要将其测量到的原始数字信号，在送入d c s 之 前转换成模拟信号。因此，d c s 实际上是“半数字”系统；而在f c s 中，信号一直 保持着数字特性，所以f c s 是一个“全数字”系统。 全数字化通信可以实现更复杂、更精确的信号处理。用数字信号取代模拟信 号，就减少了信号传输过程中的重复a d 和d a 转换，及模拟信号放大环节，克服了 模拟信号传输过程中受外界电磁干扰的影响，提高数据传输质量，从而提高信号传 输精度。同时数字通信的检错功能，可以检测出数字信号在传输中出现的误码。所 以，数字信号在传输抗干扰能力强、精度高、可靠性高，而且无需采用抗干扰和提 高精度的措施