（通信与信息系统专业论文）opc在现场总线控制系统中的应用研究.pdf

摘要 现场总线控制系统( f c s - - f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是开放系统网络，又是 全分布控制系统。它作为现场设备的联系钮带，可与因特网( i n t e m e t ) 、企业内 部网( i n t r a n e t ) 相连，把总线上作为网络节点的现场设备连接为网络系统，进一 步构成为自动化系统，实现数据采集、监测、控制、优化等一体化的综合功能。 目前现场总线种类繁多，且各自在不同领域得到广泛应用，没有哪种现场总 线能完全适用于所有应用领域。因而，多种现场总线共存的局面将在个很长的 时间内存在。各种现场总线产品由于协议的不同而无法实现互操作，无法协同工 作，严重妨碍了用户的选择。因此，多总线集成已成为必然的趋势。 o p c 即o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，是用于过程控制的o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g ，对象链接与嵌入) 。o p c 规范是由o p c 基金会制定的用于过程控制 和制造业自动化中应用软件开发的一组包括接口、方法和属性的工业标准，其基 础是m i c r o s o f t 的o l e 、c o m d c o m 技术。自o p c 标准提出以后，多总线集成 的问题终于有了解决方法。采用o p c 技术，各现场总线能实现信息共享和无缝 集成，以及现场设备的即插即用( p l u g & p l a y ) ，大大提高了多现场总线控制系统 的互操作性和适应性。 本课题从实际需求和现场总线控制系统的特点出发，选定d e v i c e n e t 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 三种总线对现场总线控制系统进行研究，目标是应用o p c 技术实现多总线的信息集成与互操作。给出了基予o p c 技术的多现场总线控制 系统的结构框图，分析了系统的功能与工作流程。重点研究o p c 技术下d e v i c e n e t 现场总线信息集成的实现方法，分别从数据库子系统、本地监控子系统、远程监 控子系统三部分进行探讨。 采用o p c 技术，为多现场总线控制系统信息集成的实现和优化提供了一个 可行的解决方案，使用户在不同的地点相互协助，大大扩展了现场总线的应用领 域，顺应了现场总线控制系统的发展趋势。 关键词：o p c ，现场总线控制系统，d e v i c e n e t a b s t r a c t f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) i sa l lo p e ns y s t e mn e t w o r k ，a sw e l la saf u l l y d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m f c s ，q u ac o n t a c tt i eo f f i e l d b u se q u i p m e n t ，c a nl i n kw i t h i n t e r n e ta n di n t r a n e t ，a n dj o i nt h ef i e l d b u se q u i p m e n ta sn e t w o r ks y s t e m a c t u a l l y ，t h e e q u i p m e n ti sr e g a r d e da sn e t w o r kn o d eo f f i e l d b u s m o r e o v e r ，f c sf o r m st h e a u t o m a t e ds y s t e mf u r t h e r , a n dr e a l i z e sc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o no f d a t ac o l l e c t i n g ， m o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n g ，o p t i m i z i n ge t c t h ef i e l d b u si sv a r i o u si ns t y l e sa tp r e s e n ta n da p p l i e dw i d e l yi nd i f f e r e n tf i e l d s i n d i v i d u a l n ok i n d so ff i l e d b u sc a nb et o t a l l ys u i t a b l ef o ra l la p p l i c a t i o n s t h u st h e s i t u a t i o nt h a tm a n yk i n d so ff i e l d b u sc o e x i s tw i l le x i s ti nav e r yl o n gt i m e v a r i o u s k i n d so ff i e l d b u sp r o d u c t sa r eu n a b l et or e a l i z em u t u a lo p e r a t i o na n dc o o p e r a t i n gw o r k b e c a u s eo fd i f f e r e n c eo ft h ep r o t o c 0 1 i nt h i sw a y ，i th i n d e r su s e r s c h o i c es e r i o u s l y t h e r e f o r en m l t i f i e l d b u si n t e g r a t i o na l r e a d yb e c o m e st h ei n e v i t a b l et r e n d o p c ，n a m e l yo l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，i so l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) a p p l i e df o rp r o c e s sc o n t r 0 1 o p cs t a n d a r di s e n a c t e db yo p cf o u n d a t i o na n d d e v e l o p e db yt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h a t si n d u s t r i a ls t a n d a r di n c l u d i n gi n t e r f a c e ， m e t h o da n da t t r i b u t e i ti sa p p l i e di np r o c e s sc o n t r o la n dm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a u t o m a t i o n w i t h a l ，i t sf o u n d a t i o ni so l e ，c o m d c o mt e c h n o l o g yo fm i c r o s o f t s i n c eo p cs t a n d a r di s p r o p o s e d ，t h es o l u t i o ni nt h ep r o b l e mo fm u l t i f i e l d b u s i n t e g r a t i o na p p e a r e da tl a s t t h r o u g ha d o p t i n go p ct e c h n o l o g y ，e v e r yf i e l d b u sc a l l r e a l i z ei n f o r m a t i o ns h a r i n ga n ds e a m l e s si n t e g r a t i o n a sw e l la sp l u g & p l a yo ff i e l d b u s e q u i p m e n t t h em u t u a lo p e r a t i o na n da d a p t a b i l i t yo f m u l t i f i e l d b u si se n h a n c e dg r e a t l y t h i sr e s e a r c hs t a r t sw i t l la c t u a ld e m a n da n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ef i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m a f t e r w a r d ss e l e c t i n gt h r e ek i n d so ff i e l d b u s ，t h a ti sd e v i c e n e t ，l o n w o r k sa n d p r o f i b u s ，t od or e s e a r c ho nf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m t h eg o a li st or e a l i z ei n f o n n a t i o n i n t e g r a t i o na n dm u t u a lo p e r a t i o no f m u l t i f i e l d b u sw i t ho p ct e c h n o l o g y i tp r o v i d e st h e s t r u c t u r eb l o c kd i a g r a mo f m u l t i f i e l d b a sc o n t r o ls y s t e mb a s e do no p c t e c h n o l o g y , a n d a n a l y s e st h ef u n c t i o na n dw o r kf l o wo ft h es y s t e m t h e n ，i tm a i n l yr e s e a r c ho nt h e r e a l i z a t i o nm e t h o do fd e v i c e n e tf l e l d b u sc o n t r o ls y s t e mw i t ho p ct e c h n o l o g v f u r t h e r m o r e ，d ot h ed i s c u s s i o no ft h r e ep a r t ss e p a r a t e l y ，t h a ti sd a t a b a s es u b s y s t e m ， j o c a lm o n i t o r c o n t r o ls u b s y s t e m ，a n dr e m o t em o n i t o r & c o n t r 0 1s u b s y s t e m t h r o u g ha d o p t i n go p ct e c h n o l o g y ，t h er e s e a r c ho f f e r saf e a s i b l es o l u t i o nf o r r e a l i z a t i o na n do p t i m i z a t i o no f i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no f m u l t i f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m i th e l p su s e r st oc o o p e r a t em u t u a l l yi nd i f f e r e n tp l a c e s w i 也a l ，i th a se x p a n d e dt h e a p p l i c a t i o nr e a l mo ff i e l d b u sg r e a t l y ，a n dc o m p l i e sw i t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h e f i e l d b u sc o n t r o is y s t e m k e y w o r d s ：o p c ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，d e v i c e n e t 1 1 1 独创性声明 y8 6 0 2 4 8 本人声明，所呈交的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。据我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或 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了谢意。 研究生签名：盘壅日期芝厶12 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：盏遣导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章引言 现场总线( f i e l d b u s ) ，根据i r c i l 5 8 定义，可定义为一种“安装在生产过程 区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、 双向传输和多分支结构的通信网络”。或者说，现场总线是以单个分散的、数字 化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，实现信息互换，共同 完成自动控制功能的网络系统与控制系统，是计算机控制与通信技术汇合的产 物，是新一代全数字、全分散和全开放的现场控制系统。其中，“生产过程”包 括断续生产过程和连续生产过程两种；现场设备仪表是指位于生产现场的各种传 感器、驱动器和执行器等设备；现场是指工作环境处于生产设备的- n ；总线是 指传送信息的公共路径，遵循统一技术规范的连续与操作方式，这些遵守相同连 续规范的设备可以通过总线互联为系统，并实现相互操作。因此，现场总线是面 向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。人们把基于这项技术的自动化 系统称为基于现场总线的控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y e t e m ) i l l 。 现场总线控制系统产生于2 0 世纪8 0 年代初，目前主要的f c s 有：f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，基金会现场总线) 、c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ，控制 局域网络) 、l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ，局部操作网络) 、p r o f i b u s ( p r o c e s s f i e l d b u s ，过程现场总线) 和h a r t 总线( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 以及d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 、p n e t 等等。 由于现场总线种类繁多，且各自在不同领域得到广泛应用，没有哪种现场总 线能完全适用于所有应用领域。因而，多种现场总线共存的局面将在一个很长的 时间内存在。各种现场总线产品由于协议的不同而无法实现互操作，无法协同工 作，严重妨碍了用户的选择。因此，多现场总线控制系统的实现已成为一个现实 的问题。 基于此目的，本课题通过引入o p c ( 0 l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，即用于过程 控制的对象链接与嵌入技术，建立一套符合工业要求的接口规范，使不同总线通 过标准接口访问现场数据，能实现不同现场总线之间的数据传输。不管现场总线 以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证多现场总线控制系统中， 武汉理工大学硕士学位论文 不同总线子网的匹配与连接，不同现场总线信息的共享，用户在同一台监控机上 可对各类现场总线的信息进行监控，大大提高了多现场总线控制系统的互操作性 和适应性。 1 2 现场总线的发展现状 现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 点的数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。这种 网络具有结构简单，执行协议直观，价格低廉等优点，同时性能又能令人满意。 现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是 用新一代的现场总线控制系统f c s 代替传统的集散控制系统d c s ，实现现场通 信网络与控制系统的集成。 现场总线技术的特点概括起来有：系统的开放性：互可操作性和互用性：系 统结构的高度分散性；对现场环境的适应性。 现场总线的国际标准虽然制订出来了，但是，由于采用了不同的网络技术， 现场总线技术不能实现统一。因此，现场总线今后的发展将呈以下趋势： 1 进一步改善网络性能。 众多厂家在保证数据传输高可靠性的基础上尽量简化网络协议，在保证较高 性能价格比的基础上不断增加网络的传输带宽，加大传输的距离，网络的结构由 单一主从式向多主式进化，并采用同一根传输电缆实现数据传送和向现场设备供 电。 2 多种总线并存。 现场总线国际标准i e c l l 5 8 中采用的8 种类型，以及其他一些现场总线，将 在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外，国际跨国公司除 了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其它总线的应用。 3 每种现场总线将形成其特定的应用领域。 目前全球用于连接分散的i o 产品和控制器的总线和网络产品多种多样，但 未来将会有越来越多的市场份额集中在越来越少的总线和网络产品上，随之会产 生新的市场领导者。随着时间的推移，占有市场8 0 左右的总线将只有六七种， 而且其应用领域比较明确【2 】。 4 多总线集成已成为必然的趋势。 由于现场总线种类繁多，且各自在不同领域得到了广泛应用。各种现场总线 2 武汉理工大学硕士学位论文 代表着不同公司多年的研发投资和市场利益不同总线的技术侧重不同，各有特 色。就目前各种现场总线技术来看，没有哪种现场总线能够完全适用于所有的应 用领域。尽管工业以太网因其无可比拟的优势进入现场控制级已成为发展趋势； 但至少现在看来，它难以完全取代现场总线而成为实时控制通信的单一标准。因 此，多种现场总线共存的局面将在一个很长的时间内存在。在由多种不同类型的 现场总线构成的系统中，各种现场总线产品由于协议的不同而无法相互通信。实 际应用中，一个用户任务可能需要两种或以上总线来完成，因此多总线信息集成 的研究是必要的。 1 3o p c 的发展现状 1 9 9 5 年夏由来自i n t e l l u t i o n 、f i s h e r - r o s e m o u n t 、i n t u i t i v et e c h n o l o g y 、o p t 0 2 2 、 r o c k w e l ls o f t w a r e 等5 家控制类公司及它们的技术顾问微软公司共同发起成立了 o p c 标准化组织o p ct a s kf o r c e ，标准的制定工作即全面展开。 为进一步扩大o p c 标准的影响，1 9 9 6 年在芝加哥举行的i s a 9 6 会议上成立 了o p c 基金会( o p cf o u n d a t i o n ) ，接替o p ct a s kf o r c e 的工作，以吸收更多的 会员单位参加，使其真正成为了一项为各方所接受的、开放的规范。o p c 规范的 发展历史如图1 1 所示。 耕。p ciopc槲opc解opci996 1 9 9 81 9 9 8 2；0081 21 年l1年i1年 j2 0 0 0 年 月i月l 1 0 月 o p c x m l d a 2 0 0 2 缸 3 月 o p c d x 2 0 0 3 正 3 月 o p c 规范的发展历史 图1 1o p c 规范的发展历史 7 1 9 9 6 年8 月o p c 基金会完成了最初的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 0 a 版，并改名为数据存取规范1 0 a 版( d a t aa c c e s s s p e c i f i c a t i o n ) 。1 9 9 8 年1 0 月发布数据存取规范2 o 版。1 9 9 9 年5 月数据存取规 范升级n t2 0 2 版。2 0 0 0 年9 月数据存取规范升级到了2 0 4 版。2 0 0 1 年5 月数 据存取规范升级到了2 0 5 版。该规范现已升级到了3 0 版。在本课题中主要应用 此规范，后面将会详细介绍其对象及接口。 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 & e v e n ts 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。 武汉理工大学硕士学位论文 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 i c a ld a t aa c c e s s s p e c i f i c a t i o n ) 。 2 0 0 0 年1 月发布了批量过程规范1 0 版( b a t c h s p e c i f i c a t i o n ) 。 2 0 0 0 年1 0 月发布了安全性规范1 0 版( s e c u r i t ys p e c i f i c a t i o n ) 。 2 0 0 2 年3 月发布了x m l 数据存取规范1 0 版( x m l d a t a a c c e s s s p e c i f i c a t i o n ) ， 并将陆续发布其他基于x m l 的o p c 规范。 2 0 0 3 年3 月发布了o p c 数据交换规范1 0 版( d a t ae x c h a n g es p e d f i c a f i o n ) 。 o p c 规范采用客户端h a 务器模型，建立了一套在硬件供应商和软件开发商 之间相互遵循的规则。只要遵循这套规则，数据交换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。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。 自o p c 规范提出以后，多总线集成的问题终于有望得到解决。采用o p c 技 术，各现场总线能实现信息共享和无缝集成，以及现场设备的即插即用大大提 高了多现场总线控制系统的互操作性和适应性。o p c 技术的实现包括两个组成部 分，o p c 服务器及o p c 客户端。o p c 服务器收集现场设备数据信息，通过标准 o p c 接口传给o p c 客户端。o p c 客户端通过o p c 接口与o p c 服务器通信，获 取o p c 服务器的各种信息。o p c 技术在现场总线下的应用模式如图1 2 所示， 每个o p c 客户端可访问多个o p c 服务器，获取不同现场总线下的各个设备信息， 同时每个o p c 服务器也可为多个o p c 客户端服务。 1 # o p ci 应用程序 客户端1 0 p c 接口 2 # o p cl 应用程序 客户端i o p c 接口 o p c 服务器a i】o p c 服务器b ll o p c 服务器c 现场总线l a现场总线l b现场总线l c 圈固囱囱囱匾 在现场总线控制系统的研究中，各服务器以及各个设备的数据交换均采用 o p c 规范有以下好处【3 】： 1 o p c 规范以o l e d 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 4 武汉理工大学硕士学位论文 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。 2 o p c 按照面向对象的原则，将一个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，客户端以统一的方式去调用，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。 3 o p c 技术实现了远程调用，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。 4 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。 5 o p c 规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户端都以统一 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。 设计o p c 服务器主要是为实现客户端用致的方式从现场设备读取数据。 遵循o p c 标准，软件开发商可以集中精力提高软件性能和增加新功能，而不必 耗费资源去开发大量支持各种硬件的驱动程序，更不必因为硬件特性的修改或增 加重写驱动程序；硬件厂商只需要为客户提供自己产品在应用中使用的软件组件 集：而用户则可获得结构模块化的可复用的产品，即专业厂商提供的、由各种特 定领域专家用c 和c + + 编写的软件组件。用户只需利用d e l p h i 或其它语言将这些 组件封装起来，就能得到满足特定要求的应用软件，而不必关心获取某个具体的 硬件数据的技术细节。此外，采用o p c 技术，在异构计算机环境，实现控制系 统的集成也变得更简单。 1 4 课题的任务和目标 本课题是由武汉理工大学与“湖北永鼎红旗电气有限公司( 宜昌湖北开关 厂) ”联合负责的湖北省重大科技攻关项目“基于现场总线的自动控制技术”。本 项目在已有现场总线的研究基础上，结合国家实施和推广的g b t1 8 8 5 8 2 。2 0 0 2 标准，选定d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 三种总线对现场总线控制系统进行 研究，目标是应用o p c 技术实现多总线的信息集成与互操作。此系统既能实现 基于i n t r a n e t 的本地监控，同时又能实现i n t e m e t 扩展的远程监控。基于这个目的， 本课题进行了以下研究工作： 对目前现有的几种常见的现场总线d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 的特 点及其协议进行了比较，并分析了现场总线目前的应用现状和发展趋势。 熟悉o p c 技术的基本概念、相关技术和规范。 武汉理工大学硕士学位论文 研究o p c 技术在现场总线控制系统中的应用，结合基于o p c 技术实现的 d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 及p r o f i b u s 的多现场总线控制系统的结构框图，分析系统 的功能与工作流程。 在此基础上，重点探讨d c v i c e n e t 现场总线控制系统的实现方案。从数据 库子系统、本地监控子系统、远程监控子系统三部分详细分析其技术实现过程。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1o p c 技术基础 第2 章0 p 0 技术 o p c 即o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，是用于过程控制的o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g ，对象链接与嵌入) 。o p c 规范是由o p c 基金会制定的用于过程控制 和制造业自动化中应用软件开发的一组包括接口、方法和属性的工业标准，其基 础是m i c r o s o t l 的o l e 、c o m d c o m 技术。 2 1 1o l e 技术 o l e 原意是对象链接与嵌入，随着o l e 2 的发行，其范围已远远超出了这个 概念。现在的o l e 包含了许多新的特征，如统一数据传输、结构化存储和自动 化等，已经成为独立于计算机语言、操作系统甚至硬件平台的一种规范，是面向 对象程序设计概念的进一步推广。 2 1 2c o m d c o m 技术 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) 是一种通用的与语言无关 的二进制标准。它提供组件之间通信的标准接口，是一种跨平台的开放结构，用 于开发基于面向对象技术的客户端用务器应用程序。 c o m 标准包括规范和实现两大部分，规范部分定义了组件和组件之间通信 的机制，这些规范不依赖于任何特定的语言和操作系统，只要按照该规范，任何 语言都可以使用。 c o m 主要是由对象和接1 2 1 两部分组成。对象是某个类( c l a s s ) 的一个实例； 而类则是一组相关的数据和功能组合在一起的定义。使用对象的应用( 或另一个 对象) 称为客户，有时也称为对象的客户。接口是组公用功能定义，是一组逻 辑上相关的函数集合，其函数称为接口成员函数。 一个组件程序可包含多个c o m 对象，每个c o m 对象可实现多个接口。当 另外的组件或普通程序( 即组件的客户端) 调用组件的功能时，它首先创建一个 c o m 对象或者通过该对象所实现的c o m 接口调用它所提供的服务。当所有的服 务结束后，如果客户端不再需要该c o m 对象，那么应释放对象所占资源，包括 7 武汉理工大学硕士学位论文 对象自身。 c o m 技术具有如下特点： 1 。c o m 并不是一种计算机语言。它与运行的机器( 只要互相连接) ，机器 的操作系统( 只要支持c o m ) 以及软件开发语言无关，是在任意的两个软件组 件之间都可以相互通信的二进制和网络标准。 2 c o m 服务器是根据c o m 客户端的要求提供c o m 服务的可执行程序， 作为w i n 3 2 上可执行的文件发布。 3 c o m 客户程序和c o m 服务器程序可以用完全不同的语言开发。利用 c 十+ ，v i s u a lb a s i c ，d e l p h i 以及e x c e l 所开发的程序可以相互连接。 4 c o m 组件可以以二进制形式发布给用户。 5 与过去d l l 版本管理非常困难的问题相比，c o m 技术可以提供不同版 本的c o m 服务器和c o m 客户端之间的最大兼容性。 d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m ) 技术是c o m 技术的扩展，使其能够支持在局域 网、广域网甚至i n t e m e t 上不同计算机对象之间的通讯。对于c o m 客户端来说， 连接远程计算机上的c o m 服务器就像连接本地计算机上的c o m 服务器样， 除了通信的速度不一样。使用d c o m ，应用程序可以分布到网络上不同的位置， 从而满足客户和系统的需求 4 】。 d c o m 使得组件的位置对客户端来说完全透明，无论是位于客户端的同一进 程中或是在地球的另一端，客户端连接组件和调用组件的方式都是一样的。 d c o m 不仅无需改变源码，而且无需重新编译程序。个简单的再配置动作就能 改变组件之间相互连接的方式。d c o m 的位置独立性极大简化了应用组件分布化 的任务，使其能够达到最合适的执行效果。 在设计和实现分布式应用系统时，一个普遍的问题就是为开发一个特定的组 件而选择语言以及工具。作为c o m 的扩展，d c o m 具有语言独立性。任何语言 都可以用来创建c o m 组件，并且这些组件可以使用更多的语言和工具，例如 d e l p h i ，v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，j a v a 和p o w e r b u i l d e r 都能够使用d c o m 组件 进行开发。 c o m d c o m 提供了一种软件架构，而o p c 为工业控制系统中各种不同的现 场设备之间的通信提供了一个公共接口。如图2 1 所示，o p c 采用客户端月务器 结构，作为中心数据源的o p c 服务器负责向各种客户端提供来自现场设备的数 据。 3 武汉理上大学硕士学位论文 图2 - 1o p c 客户端朋务器结构 2 2o p c 接口方式 o p c 规范提供了两套接口方案，即定制接口( 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 ) ，以方便开发者设计和实现o p c 服务器程序或客户端 程序。 定制接口是o p c 服务器的必选接口，描述了o p c 组件对象的接口和方法， 主要针对c c + + 、p a s c a l 等使用c o m 接i = 1 的语言设计。定制接口数据传输效率 高，通过该接口，客户端能发挥o p c 服务器的最佳性能；但它没有项对象，对 项的操作都是通过包容此项的组对象进行。 自动化接口是可选接口，是对定制接1 2 1 的进一步封装，实际上是屏蔽了定制 接1 3 的虚函数表，使定制的c o m 接口转换为自动化的o l e 接口，主要针对 d e l p h i 、v i s u a lb a s i c 等使用o l e 接1 3 的高级语言设计。相对定制接口而言，自动 化接口数据传输效率相对较低。如图2 2 所示，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 r d l l ) ，方便了自动化接口和定制接口之间的转化，使采用 自动化接口的客户端也能访问仅实现了定制接口的服务器【5 】。 d e l p h i 、v b 客户程序 c ，c + + 、p a s c a l 客户程序 o p c 自动化接1 2 自动化接 口封装器 o p c 定制接口 图2 - 2o p c 接口示意图 本地或远程 竺曼墅箜墨 服务器数据缓冲区 物理设备 ( 数据源) 数据 对客户端的开发可以选择访问两种接口的任意一种。一般来说，定制接口的 功能比较强大，但开发难度也大一些，需用到较深的c o m d c o m 知识。而运用 9 武汉理工大学硕士学位论文 自动化接口则有以下优点：客户端可以很容易的应用接口，无需了解接口的详细 内部机理；可以运用事件触发机制；可以生成通用的动态链接库或控件供所有客 户端使用。另外，从定制接口观点来看，o p c 项对象没有对外的接口定义，所有 对o p c 项对象的访问需经由包容它的o p c 组对象来完成。而对自动化接口而言， 由于封装的动态链接库解决了项对象的接口定义问题，所有项对象的访问相对来 说容易些。本课题中的现场总线控制系统是基于自动化接口的，重点研究其通信 机制和自动化对象模型。 2 2 1自动化接口的通信机制 如图2 3 所示，客户端通过封装的o p c 自动化接口动态链接库访问o p c 数 据服务器。该动态链接库将o p c 数据访问服务器的定制接口翻译成客户端希望 的自动化接口，以供客户端调用。客户端和动态链接库是进程内通信，而动态链 接库和o p c 数据访问服务器的通信则基于c o m d c o m ，既可以是进程内或本地 的连接，又可以是远程连接。封装的动态链接库解决了定制接口的解释和二者的 通信，从而大大简化了客户端的程序开发。 匪孕 0 进程内通信 o p c 自动4 l g k n c o m ，d c o io p c 定制接口l o p c 数据访问服务 图2 - 3 客户端和数据服务器间的通信 2 2 2 自动化对象模型 客户端的开发关键在于搞清楚该动态链接库的封装结构，即自动化接口标 准。该标准可以用如图2 - 4 所示的自动化对象模型表示。它主要由6 类对象组成， 每个对象都封装了一些属性、方法和事件。 1 o p c s e r v e r ：提供o p c 服务器的一个实例，它是创建其它对象的基础， 是客户端必须首先实例化的对象。该对象具有如下属性：版本信息、连接点数、 o p c g r o u p s 等。方法包括获取指定服务器内的服务器列表、建立与服务器的连 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 接断开、获得指定服务器的g r o u p 列表、创建服务器的捌形浏览对象 ( o p c b r o w s e r ) 以及得到指定项的属性列表。如果服务器关闭，则 o p c s e r v e r ：s h u t d o w n 事件将激活。 图2 - 4 自动化对象模型 2 o p c g r o u p s ：o p c g r o u p 的集合，可以通过o p c s e r v e r 获得。它主要用来 创建、删除和维护组别。除了计数属性外，它包含组的默认属性设曼方法包括添 加删除组别，获取指定组别及服务器公共组别的管理。 3 o p c g r o u p ：主要用于客户程序组织管理数据项。它的属性包括名称、数 据刷新率、客户端句柄、激活状态以及包含的o p c k e m s 等。方法主要为同步，异 步读写操作和数据刷新。异步数据对象完成与否或者指定项的数据改变将触发事 件，通过检测这些事件可以提高数据访问的效率。 4 o p c r e m s ：项的集合，它是o p c g r o u p 的属性之一。当新添一个项时将 被赋予一个默认的属性，这个默认的属性由该对象给出。方法包括获取指定项， 添加删除项、禁止使能对一个或多个项的访问等。 5 o p c r e m ：描述客户和事件服务器的一个连接它的属性包括访问句柄、 值、品质、时间戳等。方法为读写数据。 6 o p c b r o w s e r ：提供一个可以浏览指定服务器中各组别和项的树形分支结 构的工具。它由o p c s e m 创建。属性包括组织结构、过滤器、数据类型、当前 位置、计数器等。方法有：展开分支、展开叶子、向上向下展- 丌、回到根结点、 获取项名称及其相应属性。该对象是可选组件。 2 3o p c 数据访问方式 o p c 的数据访问方式主要有同步、异步和订阅三种访问方式。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 同步访问方式 o p c 服务器接到o p c 客户端的请求后，将得到的数据访问结果作为方法的参 数返回给o p c 客户端。o p c 客户端则处于等待状态，直到o p c 服务器将数据访 问结果返回给o p c 客户端。数据访问处理过程见图2 5 。 2 3 2 异步访问方式 图2 - 5 同步访问处理 o p c 服务器接到o p c 客户端的请求后，立即将方法返回给o p c 客户端。o p c 客户端随后可进行其它处理。当o p c 服务器完成数据访问时，触发o p c 客户端 的异步访问完成事件，将数据访问结果传送给o p c 客户端。o p c 客户端在d e l p h i ( 或v b 等) 的事件处理程序中接受从o p c 服务器传送来的数据。数据访问处理 过程见图2 - 6 。 图2 - 6 异步访问方式 2 3 3 订阅访问方式 同步和异步访问方式都需要o p c 客户端向o p c 服务器请求，而订阅 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( s u b s c r i p t i o n ) 访问方式可以自动接收从o p c 服务器送来的变化通知。o p c 服 务器会按一定的更新周期( u p d a t e r a t e ) 更新数据缓冲器的数值，如果发现数值 有变化，就以数据变化事件( d a t a c h a n g e ) 通知o p c 客户端。如果o p c 服务器 支持不敏感带( d e a d b a n d ) ，而且o p c 项的数据类型是模拟量时，只有时间戳( 当 前值与前次值的差) 的绝对值超过一定限度时，才更新缓冲器数据并通知o p c 客户端。这样可忽略模拟值的微小变化，减轻o p c 服务器和o p c 客户端的负荷。 数据访问处理过程见图2 7 。 f 事件发到f 事件处理结刻i 事件发生jl 要件处理结束f 心 厂厂。蝴o p c 客户端 其它处理1 i 7 l 7 通知其它处理通知其它处理 数据变化事件数据变化事件 ( d a t a c h a n g e )( d a t a c h a n g e ) o p c 服务器 i j 时间 采样周期 2 4o p c 技术规范 图2 7 订阅访问方式 o p c 基金会制定了各类o p c 规范，并不断地进行升级和功能扩展以适应工 业自动化领域的发展与变化。在设计相应的o p c 服务器或客户程序时需要以这 些规范为基础，以保证互操作性。o p c 规范的组成结构如图2 8 所示。 o p c 规范概观 0 p cs e c u r i t y 定制接口 o p c 公共接口 蜜内掣o p c d a 掣筚 i 自动化接口厂面蔺k 鬲搁斥o p c 。h d a 广j 1i 自动化接口il 自动化接口il 自动化接口 o p cb a t c hi “l jl 一 i 自动化接口j 图2 - 8o p c 规范组成结构图 1 3 o p c x m l d a 武汉理 = 大学硕士学位论文 2 4 1o p c 数据存取规范