（通信与信息系统专业论文）基于bacnet协议的opc服务器设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机和网络技术的发展以及生产规模的不断扩大，应用于工业监控 领域的硬件与软件设备的种类也越来越丰富，系统集成变得越来越复杂和困难。 为解决这个问题，o p c 技术应运而生，它提供了一种标准的数据访问机制，极 大地减少了系统集成过程中的重复工作。一般o p c 服务器与硬件设备的连接采 用现场总线技术，而目前各种现场总线产品由于协议的不同无法协同工作和互 操作。b a c n e t 标准是一种开放式楼宇自控网络数据通信协议，具有很强的通用 性，能实现设备之间的互连互通。因此将b a c n e t 引入到工业监控领域，能有效 地弥补现场总线的不足。 本文在对o p c 标准和b a c n e t 协议进行深入研究的基础上，提出了基于 b a c n e t 协议的o p c 服务器设计方案，解决了监控系统和现场硬件设备的互连和 互操作问题，构造出了一个有效、完整的监控体系。同时针对监控系统网络的 特点，提出了保证m s t p 网络实时性的算法，设计了b a c n e t 底层数据的采集 模块，完成了b a c n e t 协议数据与o p c 数据的转换，并增加了o p c 服务器对人 机交互界面的支持，从而使o p c 服务器具有更强的灵活性。为了向其他工业监 控软件提供数据库接口支持，设计了o p c 服务器的数据库系统，提高了o p c 数 据的访问效率。 对外接口是o p c 服务器对外提供标准o p c 数据的唯一通道，同时也是o p c 服务器开发中最难实现的一个部分。本文基于工业监控领域对o p c 服务器对外 接口的需求，采用t e a r - o f f 技术对接口进行定制开发，只对需要调用的接口进行 实例化，这样不仅缩短了开发时间，而且也节省了系统资源。 最后，从实时性和应用性的角度对开发完成的服务器各项指标进行了测试， 测试结果表明本系统完成了预期设计目标，能够满足面向专业机械设备现场监 控的应用需求。 本o p c 服务器设计完成以后，在广东省科达机电股份有限公司的恩施项目 中得到应用，效果良好。 关键词：b a c n e t 协议；o p c 服务器；工业监控系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g yc o n t i n u i n gt od e v e l o p ，a sw e l la s e x p a n d i n gt h es c a l eo fp r o d u c t i o n ，u s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o lh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea r ei n c r e a s i n g l ym o r ea n dm o r ei nt h et y p eo fe q u i p m e n t ，s y s t e m i n t e g r a t i o ni sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yc o m p l e xa n dd i f f i c u l t t os o l v et h i sp r o b l e m ， o p ct e c h n o l o g yc a m ei n t ob e i n g ，w h i c hp r o v i d e sas t a n d a r dd a t aa c c e s sm e c h a n i s m ， g r e a t l yr e d u c i n gt h es y s t e mi n t e g r a t i o np r o c e s si nt h ed u p l i c a t i o no fw o r k o p c s e r v e ra n dh a r d w a r ed e v i c e sc o n n e c tc o m m o n l yu s e df i e l d b u st e c h n o l o g y , b u tn o w a v a r i e t yo ff i e l d b u sp r o d u c t sd u et ot h ed i f f e r e n c e si nt h ea g r e e m e mc a nn o tb e a c h i e v e dw o r k i n gt o g e t h e ra n di n t e r o p e r a b i l i t y b a c n e ts t a n d a r di sa l lo p e n b u i l d i n g a u t o m a t i o nn e t w o r kd a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，a n dh i 曲l yv e r s a t i l e ，a b l et o r e a l i z ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nd e v i c e s b a c n e tt h e r e f o r ei n t r o d u c e dt ot h ef i e l do f i n d u s t r i a lc o n t r o lc a n e f f e c t i v e l yc o m p e n s a t ef o rt h el a c ko ff i e l d b u s i nt h i sp a p e r , t h es t a n d a r do ft h eo p ca n db a c n e tp r o t o c o l sb a s e do ni n d e p t h s t u d yi sp r o p o s e db a s e do nb a c n e tp r o t o c o lo p cs e r v e rd e s i g np r o g r a m st oa d d r e s s t h em o n i t o r i n gs y s t e ma n do n - s i t eh a r d w a r ei n t e r c o n n e c t i o na n di n t e r o p e r a b i l i t y i s s u e s ，c o n s t r u c t i o no u ta 1 1e f f e c t i v ea n dc o m p l e t em o n i t o r i n gs y s t e m a sf o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r kf o rt h em o n i t o r i n gs y s t e m ，p r o p o s en e wa l g o r i t h mt o e n s u r et h em s t pn e t w o r kf o rr e a l t i m e ，d e s i g nb a c n e tu n d e r l y i n gd a t ac o l l e c t i o n m o d u l e ，a n dt h e nc o m p l e t et h eb a c n e tp r o t o c o ld a t aw i t ht h eo p cd a t ac o n v e r s i o n ， a n di n c r e a s et h es u p p o r to ft h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，s ot h a to p cs e r v e rh a sm o r e f l e x i b i l i t y i no r d e rt op r o v i d et h ed a t a b a s ei n t e r f a c e st oo t h e ri n d u s t r i a lm o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls o f t w a r e ，d e s i g nt h eo p cs e r v e rd a t a b a s es y s t e m ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c y o fo p cd a t aa c c e s s t h ee x t e r n a li n t e r f a c ei sas t a n d a r do p co p cs e r v e rt op r o v i d ed a t ao u t s i d et h e o n l yc h a n n e l ，o p cs e r v e rd e v e l o p m e n ti sa l s oap a r to ft h em o s td i f f i c u l tt oa c h i e v e t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h eo p cs e r v e ri nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1r e q u i r e m e n t s o fe x t e r n a li n t e r f a c e s ，u s i n gt e a r - o f fc u s t o md e v e l o p e di n t e r f a c et e c h n o l o g y , o n l y i i 武汉理工大学硕士学位论文 n e e dt oc a l lt h ei n t e r f a c et oi n s t a n t i a t e ，s on o to n l ys h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tt i m e ，b u t a l s os a v e ss y s t e mr e s o u r c e s f i n a l l y , i m p l e m e n tt h ed e s i g no fp a r t so ft h eo p cs e r v e r ，a n dt e s tr e a l t i m ea n d a p p l i e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h ev a r i o u si n d i c a t o r so nt h es e r v e r , t h et e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h es y s t e mt oc o m p l e t et h ed e s i r e dd e s i g ng o a l s ，t om e e tt h es p e c i a l i z e d m a c h i n e r ya n de q u i p m e n tf o ro n s i t em o n i t o r i n go fa p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s t h eo p cs e r v e rd e s i g ni sc o m p l e t e d ，a n dk e d ae l e c t r i cc o ，l t d i ng u a n g d o n g p r o v i n c eh a sa p p l i e di tt ot h ep r o j e c ti ne n s h it og o o de f f e c t k e y w o r d s ：b a c n e ts t a n d a r d ；o p cs e r v e r ；i n d u s t r i a lm o n i t o r i n gs y s t e m i i i 独创性声明 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及 取得的研究成果。尽我所知，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。 签名：盟日期逊咎2 扣勿 学位论文使用授权书 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： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部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 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签鼽鹾彳导师( 签名焉【l - , 期汐哗驯心 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题的研究来源于教育部和广东省共建项目：面向墙材专用机械装备的 现场监控系统。 1 2 本课题研究背景、目的与意义 随着信息技术的不断发展，工业监控软件也取得了长足的进步，引领着自 动化领域的深刻发展。但是，由于过程复杂程序的提高以及生产规模的扩大， 工业监控软件设计面临巨大的挑战。因为对于大部分的工业设备而言，它们来 自不同的厂商，而每个厂商所提供的数据驱动程序都不一样。如果工控软件要 和硬件设备进行数据交互，那么必须为每一个相应的设备开发相应的通信模块， 这不但要求开发者要熟悉各厂商的产品，而且还要花大量的时间和精力来开发 底层通信模块。如果设备数量很多的话，开发者的工作量将会是十分惊人的。 另外，这将导致工业现场的控制数据很难与生产管理层和经营管理层的应用软 件的数据进行交互，形成“信息孤岛”现象i l 引。 在工业信息化高速发展的今天，我们需要解决各离散子系统间的数据交互 和共享，各子系统需要统一和协调的通信规范，再考虑到实时监控系统往往需 要升级和调整，则各子系统需要具备统一的开放接口。o p c 规范正是这一思维 的产物。o p c 是以o l e c o m 机制作为应用程序的通讯标准。o p c 为多种多样 的过程控制设备提供了一个公共的接口，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，可以减化和促进企业内部各系统的集成，更方便地实 现制造企业的“管理和控制一体化”。 b a c n e t 是一种建筑自控领域的数据交换和通讯标准，由于它是基于面向对象 的思想进行设计，因此具有很好的开放性、可拓展性和可复用性。所以b a c n e t 能很好的解决了不同厂商生产的楼宇自控设备间的互联和信息共享，实现了互动 和互操作【3 】。而b a c n e t 所具有的众多优良特性，也使得其能应用于工业监控领域， 从而解决工业监控领域不同现场总线之间数据的不兼容、不能互通的问题。 武汉理工大学硕士学位论文 本课题研究的目的是将b a c n e t 协议应用于工业监控领域，使b a c n e t 协议 与o p c 标准达到珠联璧合的效果，开发出具有更加通用性的、可扩展性和更加 灵活的o p c 服务器。并将开发出的成果运用于专用机械装备现场监控之中，经 过现场的检验和测试，使研究成果得以应用。这样既可以深入探索b a c n e t 标准 在工业领域的应用，又可以促进我国b a c n e t 技术的发展水平，也同时为o p c 服务器的开发提供了一种新的思路。 1 3 相关领域国内外研究状况 o p c 标准自1 9 9 6 年8 月正式诞生至今，一直都在不断的发展和完善，不断 引入新的理念以适应当今信息化的快速发展。2 0 0 6 年9 月，o p c 基金会公布的 o p c 的新标准o p cu a ( u m f i e da r c h i t e c t u r e ) ，即o p c 统一架构。o p cu a 以现实需求为原动力，依托互联网技术、n e t 通讯架构，采用s o a ( 面向服务 的体系结构) 理念，能够从设备控制、s c a d a 、可视化到资产管理、生产控制、 库存管理进行全方位、立体式的监控h 引。 国外对o p c 的研究及应用非常热门，目前已经有3 0 0 多家公司加入了o p c 基金会，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o p c 基金会发行的o p c 产品目录上。工业领域代表性公司，如g e 、s i e m e n s 、 w o n d e r w a r e 、h o n e y w e l l 等，不但参与了o p c 标准的制定和评议，并积极地将 o p c 一系列的标准推向工业领域【8 】。随着o p c 技术的发展，国内也有众多的自 动化公司已经开始积极探索o p c 技术的应用开发。浙大中控是国内第一批o p c 会员单位，现在已经开发出大量的符合o p c 标准的优秀产品。国内的软件公司 如北京亚控公司的组态王、三维力控等开发出的o p c 产品已经广泛地应用在石 化、电力、港口、钢铁等领域。 从理论研究的角度上看，b a c n e t 自成为国际标准以来，就一致被国内外众 多的研究机构所关注。国外对b a c n e t 标准的研究主要是在韩国汉阳大学电子网 络实验室，该实验室研究主要是研究各种网络通信协议，而b a c n e t 只是其中的 一部分罢了。从目前国内外研究的现状来看，国内研究主要集中在对协议标准 的理解，运用以及协议栈设计，国外研究主要集中在网络协议性能分析以及仿 真实验方面1 6 7 j 。 从b a c n e t 商用的情况上来看，我国与国外的差距非常大。在国外，已有 数十家知名公司在进行b a c n e t 技术研究和产品开发，许多产品已经开始商用。 2 武汉理工大学硕士学位论文 而在国内，b a c n e t 标准的研究还处于起步阶段，虽然已经引起了一些企业的关 注，但是尚未形成能够投向市场的产品【引。究其原因还是由于国内企业目前对标 准的研究不足，而且没有熟悉协议设计的开发团队。国内的楼宇产品，要么就 是采用私有通信协议的产品；要么采用现有专利技术进行二次开发，这类产品 不开放规范，很难和其他厂商的产品相兼容1 9 l 。研究基于开放规范的b a c n e t 产 品对提高我国产品的自主研发能力非常重要。本课题组借助广东省大力发展企 业自主创新科技能力的挈机，把本课题组设计开发的b a c n e t 网络运用于实际“产 学研”合作项目之中。通过实践，来带动b a c n e t 在国内的发展。 1 4 本文主要工作和结构安排 本课题研究的目标是：将b a c n e t 协议标准应用于现场监控网络的现场控制 器和监控服务器，开发出模块化，独立于应用的o p c 服务器，实现面向专用机 械装备的现场网络监控系统。对所设计的o p c 服务器的各项指标进行验证和测 试。本课题主要工作如下： ( 1 ) 深入研究o p c 标准，对o p cd a 规范进行仔细分析，充分理解o p c 服务器存取数据的机制。 ( 2 ) 研究b a c n e t 标准的体系结构，服务模型，对象模型，报文传输规范， 编解码规则，以及各层次的功能。 ( 3 ) 以b a c n e t 协议为标准，设计出o p c 服务器的底层数据采集模块。 ( 4 ) 设计o p c 服务器的主体架构，包括o p c 服务器标签数据的映射功能 以及对外接口设计和对内存数据库的支持。 ( 5 ) 通过工业现场测试，验证o p c 服务器传输数据的实时性，可靠性以及 稳定性等。 本文的结构安排如下： 第一章绪论。简要介绍了本次研究工作的背景、意义和国内外研究现状， 并提出了研究工作的主要内容。 第二章o p c 标准与b a c n e t 协议研究。首先对o p c 标准和b a c n e t 协议进 行了介绍，然后再对二者进行深入了解的基础之上，提出了b a c n e to p c 服务器 的概念，并总结了b a c n e to p c 服务器所具有的特点。 第三章b a c n e to p c 服务器设计。首先设计了o p c 服务器的总体架构，然 后对各个部分分别进行设计，提出相应的方案并进行优化，这里面包括服务器 武汉理工大学硕士学位论文 底层数据采集以及标签设计，内存数据的设计和对外接口的设计。 第四章b a c n e to p c 服务器的实现。首先通过相应的开发工具对o p c 服务 器的各个部分进行实现，然后通过地开发完成的服务器进行测试，找出存在的 问题，然后进行改正。 第五章总结了本文的主要工作，并对后续工作做了展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章o p c 标准和b a c n e t 协议研究 2 1o p c 标准 2 1 1o p c 技术概述 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 标准是一组以组件对象模型和分布式组件对 象模型( c o m d c o m ) 技术为基础定义的独立于厂商产品的接口规范，是由微软 与世界领先的自动化厂商合作制定的一项工业标准，它为工业自动化领域和自 动控制提供一个灵活的、开放的、即插即用的工业数据通信规范【l 。目前，o p c 基金会发布的o p c 规范有二十多种，其中常用的有以下几种：数据访问规范 ( o p cd a t aa c c e s s ) 、报警及事件处理规范( o p ca l a r m sa n de v e n t s ) 、历史数据 访问规范( o p ch i s t o r i c a ld a t aa c c e s s ) 。o p c 标准要求所有硬件供应商将硬件设 备驱动程序封装成独立的o p c 服务器，而上层应用作为o p c 客户端，也不必考 虑软硬件如何通信，不必关心底层的硬件设备的实现，只要遵循o p c 规范就可 以进行通信，从而实现多种系统之间真正的集成【1 3 1 。因此，上层的信息集成系 统就与自动控制系统相脱离而成为o p c 的客户程序，来读写o p c 服务器的数据。 o p c 采用c s ( 客户服务器) 模式，定义了一组c o m 对象及其接e l 规范。o p c 规范定义了服务器程序与客户程序进行交互的方法，但并没有对规定进行具体 的实现，因此o p c 服务器可由不同供应商提供，其代码决定了服务器访问物理 设备的方法、数据交互等细节i l 引。但这些对o p c 客户程序而言都是透明的，只 需要遵循相同的方法或规范就能读取服务器中的数据。通过c o m 接口，一个 o p c 客户程序可以和一个或多个提供商的o p c 服务器连接，而同时一个o p c 服务器也可以和多个客户程序相连，形成多对多的关系。任何支持o p c 的产品 都可以无缝地实现系统集成，达到数据共享的目的。由于o p c 技术基于d c o m 技术，所以服务器程序和客户可以分布在不同的主机上，从而形成网络化的监 控系统【1 6 1 。 o p c 技术从一出现就开始受到各大厂商的广泛关注，发展十分迅速。国内 外许多公司纷纷在自己的产品中增加对o p c 服务器或接口的支持。很多软件厂 商开始推出o p c 客户程序和o p c 服务器的快速开发工具包，从而使厂商和客户 武汉理工大学硕士学位论文 不用关心c o m 技术复杂的实现细节，很方便定制开发自己的o p c 程序。o p c 技术己经成为工业控制领域中的一项核心技术，它必将为该领域带来重大变革， 并在其他很多领域得到广泛应用。 2 1 2c o m c o m 原理 o p c 的底层技术细节是由c o m d c o m 技术来实现。虽然现在市场上有很 多o p c 的快速开发工具包，能够屏蔽c o m 技术细节，但是这并不意味着开发 者就不用关心c o m 技术。因为理解c o m 技术是理解o p c 技术的关键所在， 只有深入理解了c o m 技术，才能开发出高质量的o p c 产品。 c o m 标准包括规范和实现两个部分，规范定义了组件与组件之间通信的机 制，这些规范能够用任何一种语言来实现，也能在任何一个操作系统上运行； 实现部分则是c o m 库，c o m 库为c o m 规范的具体实现提供必要的服务，目 前c o m 库只在w i n d o w s 系统进行了实现。 c o m 不仅提供了组件之间的接口标准，而且还引入了面向对象思想。在 c o m 规范中，对象是一个非常关键的元素，常被人们称之为c o m 对象。组件 为c o m 对象提供活动空间，c o m 对象以接口的形式对外提供服务，这个接口 被称之为c o m 接口。c o m 组件、c o m 对象以及c o m 接1 ：3 - - - 者之间的关系如 图2 1 所示f 2 2 1 。 c o m 组件 对象l 对象2 图2 1c o m 组件、对象、接口关系 一个组件程序可以包含多个c o m 对象，而一个c o m 对象也能实现多个接 口。当客户程序需要调用组件的功能时，它必须先要创建一个c o m 对象或者通 过其他方法来获得c o m 对象，然后通过该对象所提供的c o m 接口来调用服务。 当服务完成以后，客户程序要释放该对象。 ( 1 ) c o m 对象 c o m 是基于面向对象思想而构建的软件模型，c o m 组件提供给客户的是 以对象形式封装的软件实体。c o m 组件和客户程序通过对象进行信息交互，组 6 武汉理工大学硕士学位论文 件的模块名称和位置对客户而言是透明的。c o m 对象也包含属性和方法，也被 称之为状态和操作。对象的属性反映了对象的特点和数据，而对象的方法大多 是对象提供给外界的接1 2 1 ，客户程序只有通过接1 2 1 才能获得对象服务【2 5 1 。 在c o m 规范中，c o m 对象对于客户来说是不可见的，客户只能通过接口 来请求服务，也只能通过接口来查询c o m 对象。每个c o m 对象都有一个1 2 8 位的g u i d ( g l o b a l l yu n i q u ei d e n t i f i e r ，全局唯一标识符) 标识符来标识自己的 存在。g u i d 是一个随机数，可以通过m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 o 提供的g u i d 生 成工具u u i d g e n l e x e 来生成【z 引。 ( 2 ) c o m 接口 接口的定义是c o m 规范的核心内容，接口其实就是包含了一组函数的数据 结构，客户程序通过这组数据结构来调用组件对象的功能。接口定义了一组成 员函数，这些函数对于客户来说是可见的，客户通过调用这些函数来获得所需 要的服务。 为了适应c o m 规范以及应对软件的升级，c o m 接口应具有以下特性【2 9 】： 1 ) 二进制特性。即接口规范是独立于任何一种编程语言的，是一种建立在 二进制一级上的标准。 2 ) 接口不变性。无论客户程序和服务器程序内部发生了什么样的变化，但 是接口应保持不变，从而保证客户程序与服务器程序的相对独立。 3 ) 可扩展性。c o m 接口虽然具有不变性，但是还是可以扩展的。c o m 接 口通过继承原有的接口而进行扩展，但是与面向对象中的继承不一样的是，c o m 接口只继承说明，并不能继承接口的实现。 c o m 接口和c o m 对象一样也是采用g u i d 来标识自身，它被称之为接口 标识符。客户成功地创建了c o m 对象以后，将会得到个指向该对象某个接口 的指针，客户程序可以通过这个指针来访问这个接口，从而得到想要的服务。 c o m 规范规定如果一个c o m 对象实现了多个接口，那么可以从任意某一个接 口来得到其他的接口【3 2 1 。所以，只要客户成功地创建了对象，那么它就可以获 得该对象提供的所有的服务。 ( 3 ) c o m 库 c o m 库是c o m 规范中唯一实现的部分，它的存在使得对象和客户程序能 够在二进制代码级进行交互。这些实现在w i n d o w s 系统中以d l l 文件的形式 存在。c o m 库负责组件程序的定位。当客户在创建组件对象时，c o m 库负责 7 武汉理工大学硕士学位论文 启动组件进程或装入组件模块，为c o m 对象创建做好前期的准备工作【3 3 。3 5 1 。如 果客户是在另一台机器上创建对象，则两台机器上的c o m 库会协同完成c o m 对象的创建工作，并在客户进程中创建一个代理对象，客户程序直接与代理对 象进行交互。所以，客户程序独立于组件对象的进程模型，即使组件进程模型 发生了变化，客户程序也不用重新编译就可以照常使用。 2 1 3o p c 标准总体分析 o p c 数据存取规范描述了由o p c 服务器实现的o p cc o m 对象及相应接口 的定义。规范指出多个o p c 客户程序可以同时连接到一个o p c 服务器上，一个 o p c 客户程序也可以连接多个不同厂商生产的o p c 服务器程序。o p c 服务器虽 然可以有不同的厂商提供，但是他们的接口都是统一的，所不同的是服务器要 访问的设备和数据的名称以及服务器程序如何访问这些数据的细节。 由o p c 标准可知，o p c 服务器是由服务器( s e r v e r ) 对象、组( g r o u p ) 对象和 项( i t e m ) 对象组成。o p c 服务器对象除了包含服务器的信息还作为组对象的容器 而存在，组对象不仅要包含其自身的信息还要为项对象的存在提供逻辑组织。 o p c 组对象的主要作用是为客户程序提供一种数据的组织方式【3 6 。 在每一个组对象中可以定义一个或多个o p c 项。o p c 项描述了服务器中数 据源的连接，是o p c 从硬件设备上读取到的数据的存放处。从自定义接口的角 度看，o p c 客户程序不能直接访问o p c 项数据的。因此，没有为o p c 项定义 引岛( e x t e r n a l ) 接口，所有对o p c 项对象的访问其所在的o p c 组对象完成。与 o p c 项相关的信息有值( v a l u e ) ，品质( q u a l i t y ) 和时间戳( t i m es t a m p ) 3 7 o 值是 v a r i a n t 类型，这是w i n d o w s 系统定义的一种数据结构，品质指的是项的 内在属性，如数据是否有效等，时间戳则指明了项值产生的时间。 o p c 规范只规定了c o m 接口的名称和接口向o p c 客户程序提供的行为， 但并没有具体的去实现它。o p c 体系结构是客户n 务器模式，o p c 服务器组件 通过提供o p c 对象接口向o p c 客户端提供服务。 要实现一个o p c 服务器，从物理设备或其它数据源获取数据的速率一般来 讲比现场总线要慢，所以o p c 服务器最好设计成一个本地服务器，这样可有效 收集物理设备或数据库中的数据。可以通过o p c 客户端来对o p c 服务器作远程 访问，从而弥补o p c 服务器不能作远程服务器的缺陷。 o p c 数据访问规范规定o p c 数据访问服务器必须要实现两个c o m 对象是： 武汉理工大学硕士学位论文 服务器对象和组对象。因为这两个对象能够被o p c 客户端所识别，如果没有这 两个对象，o p c 服务器就没有存在的必要了。通过实现这两种标准的c o m 对象 及相应接口，我们可以完成o p c 数据访问服务器的开发。 o p c 服务器对象是客户端需要访问的第一个对象。客户端通过访问服务器 对象的接口与之进行交互。一个服务器对象里可以包含一个以上的组对象。o p c 服务器对象的主要功能为是管理服务器内部的状态信息，并且创建和管理组对 象，浏览服务器内部的数据组织结构，将服务器的错误代码翻译成描述性语句， 同步读写数据等。 组对象的主要作用是组织和管理服务器内部的实时数据信息，它作为o p c 项对象的容器而存在。正因为有了组对象，o p c 应用程序就大批量地对所需要 的数据同时进行访问，提高数据的访问效率，当然也可以以组为单位启动或停 止数据访问。其主要功能为：管理组对象内部的状态信息，创建和管理项对象， 进行数据访问等。 o p c 的数据访问方式有同步、异步和订阅三种方式【3 9 1 。 ( 1 ) 同步访问方式，o p c 客户端向服务器发送访问请求，然后一直阻塞等 待结果，而服务器接收到请求以后，将数据访问的结果作为函数方法的参数返回 给o p c 客户端。客户端得到数据以后才能去做其他事，否则一直等待直至超时。 ( 2 ) 异步访问方式，o p c 客户端向服务器发送访问请求，但是客户端不用 等待，方法将会立即返回，此时客户端可以做其他的事。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，此时客户端才开始接收数据 的工作。接收完成以后访问结束。 ( 3 ) 订阅访问方式，订阅不同于同步和异步访问，因为这两者都需要o p c 客户端发送访问请求，而订阅方式则是客户端自动接收服务器送来变化数据的 通知。o p c 服务器会按一定的更新周期来更新缓冲区的数值，一旦发现缓冲区 的数值有变化，就会向客户端发送一个数据有变化的通知，然后客户端开始做 数据接收的准备工作。 2 2b a c n e t 协议分析 b a c n e t ( ad a t ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rb u i l d i n ga u t o m a t i o na n dc o n t r o l n e t w o r k ) ，是由a s h r a e 资助制定的开放楼宇自控网络数据通信协议，原本是 为制冷设备、暖通空调之间制定的一种统一数据通信协议标准【l o 】。其主要作用 9 武汉理工大学硕士学位论文 是将各不同厂商的楼宇自控设备集成为一个高效、统和具有开放性和可扩展 性的自控网络系统。b a c n e t 协议不仅可以应用于楼宇自控系统，而且鉴于其优 良的特性，现在也开始向工业监控领域延伸。 2 2 1b a c n e t 协议体系结构 基于b a c n e t 网络的独特特征和要求的考虑，以及尽可能少的协议开销原 则，b a c n e t 协议以四个层次的简化分层作为其协议的主要体系结构，这四层相 当于o s i 模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层，如图2 2 所示。b a c n e t 标准只定义了自己的应用层和精简的网络层，对于其数据链路层和物理层，则 采用了已经存在的五种网络协议，这样的话就为其协议的底层实现提供了很大 的灵活性【1 2 1 4j 。 b a c n e t 协议层次o s i 层次 b a c n e t 应用层 b a c n e t 网络层 i s 08 8 0 2 - 2lm s t pl p t p 8 8 i o s 2 0 一3 a r c n e t e i a - 4 8 5i e i a 一2 3 2 l o n t a l k 应用层 网络层 数据链路 层 物理层 图2 2b a c n e t 体系结构 ( 1 ) b a c n e t 应用层。应用层是b a c n e t 协议的最具特色的一部分，也是 b a c n e t 协议定义最丰富，最难于实现的一层。该层的协议以面向对象的思来设 计，包含应用层服务，对象模型，应用层状态机等。与o s i r m 的应用层相比， 它综合了更多的功能，将o s i r m 的传输层，会话层，表示层和应用层四个层 次概括为一个应用层。b a c n e t 标准应用层的功能是根据楼宇自控网络的特点对 o s i r m 中传输层、会话层、表示层和应用层中定义的功能进行定制，删除不必 要的功能并将保留的功能进行重新合理安排。这样b a c n e t 标准应用层的功能主 要是可靠性传输及有关规程协议的定义以及互操作信息抽象语法与传输语法的 定义，为应用服务提供明确的服务指向。 ( 2 ) b a c n e t 网络层。由于互联网的庞大和复杂，o s i r m 网络层中的路由 和流量控制是非常复杂。而楼宇自控网络首先是一个局域网，不需要这么复杂 的控制，甚至通过公用数据网或i n t e r n e t 连接的楼宇自控网络，可以看成一个局 域网络。其次，楼宇自控网络一般都是比较固定的，一旦施工完成，很少会发 l o 武汉理工大学硕士学位论文 生变化，这样楼宇自控网络的路由设计可以得到极大简化。再次，楼宇自控网 络中传输大多是开关量等非常少的数据量，因此是“短消息 ，即使传输“长消 息 ，也可由b a c n e t 标准应用层的分段机制来完成，而不需要网络层再做任何 工作。最后，楼字自控网络是一个控制网络，信息的传输方式以广播为主，这 就决定了b a c n e t 是一个面向无连接的通信模型，因此不用设置流量控制功能。 综上所述，b a c n e t 标准网络层功能可以得到极大的简化。 ( 3 ) 物理层和数据链路层。b a c n e t 标准的数据链路层和物理层与o s i r m 中的两层无论是在功能上还是在实现上都是匹配的。物理层传输无结构的比特 流，链路层实现无差错的帧传输，并为网络层提供服务。b a c n e t 标准定义了5 种具体的物理层和相应的数据链路层，以适应不同性能价格比的要求【1 7 l 引。基 于要将b a c n e t 协议推广到工业领域的考虑，在设计方案时将选择m s t p 加上 e i a 4 8 5 协议作为b a c n e t 协议的物理层和数据链路层，因为m s t p 在实时性和 低成本上有很好的优势。 2 2 2m s t p 协议实时性的保证 在工业现场监控系统中，实时性无疑是衡量监控系统性能指标的一个重要 因素，而个网络的实时性能主要由两个方面来决定。( 1 ) 信号的传输时间， 如帧的格式、传输的速率、编码、检错功能等。即在物理层上要有保证。( 2 ) 传输介质的接入延迟，具体的说就是数据链路层的控制问题，即m a c 层协议的 效率问题【1 9 】。而m s t p 协议在五种网络协议中的实时性能是最好的。但是，还 不能适应工业控制领域的要求。本文在总结前人研究的基础之上，针对工业现 场监控网络的特点，提出了一种新的算法，来保证m s t p 网络的实时性。 ( 1 ) 前人研究总结 其实m s t p 链路层协议的调度机制比较简单，一般是通过控制节点握有令 牌的时间来改变每个节点分配的带宽。其中令牌握有时间主要是由参数 m 蛾i n f o(一次最大发送报文个数)来控制。因此人们自然会想到通过改变_mrne m 惚i n f o的值来动态地分配节点带宽，从而提高网络的传输效率忙。该算法rarne 的基础是单个节点已知全网各数据节点的负载，从而动态调整m 甜i n f o参数，_tame 但是网络中节点之间并不能获知其他节点的负载。因此网络节点是无法获知其 他节点的报文请求队列负载值，所以实际上通过计算其他节点负载比值方式来 动态改变本节点的带宽大小是不可能做到的。因此该算法不能够应用于实际工 武汉理工大学硕士学位论文 程当中，只能作为实验室骓网络性能的一种手段【2 0 1 。 ( 2 ) 监控网络系统数据报文特点 在现场控制系统中，报文可分为周期性报文，突发性报文和随机性报文。 其中周期性报文是最多、最常见的报文，占所有报文的比例达一半以上，主要 用于数据采集和控制信号，数据通信量一般，其优先级较高，数据长度固定而 且较短；突发性报文在发生时间上不可预知，主要是异常事件通知、报警信息 等，这类报文数据量最小，实时性要求最高，优先级最高；随机性报文主要用 于程序的上传和下载，数据库管理等，这类报文虽然数据量比较大，但是属于 非实时报文，而且网络中传送此报文的比例很低【2 1 1 。 经过分析可以看出，在实际工业现场中需要传送的报文比较复杂，其实时 性要求，数据通信量大小，优先级高低等方面各不相同。要想保证整个网络的 实时性，就要对不同的报文类型进行区别传送，对优先级较高的报文要优先进 行传送，优先级较低的报文要推后传送【2 2 1 。 ( 3 ) 实时性算法的要求 对于实时性算法，若要其能够应用于实际，就必须满足以下情况： 1 ) 根据优先队列的思想，要将优先级高的突发性报文放在队列的最前端发 送，其后依次是周期报文，随机性报文。 2 ) 能控制周期性报文在预先定义的时间基准点发送，并可根据用户需求计 算周期性报文的发送周期。 3 ) 任何算法的提出都必须保证符合m s t p 协议规范，即必须保证不能破坏 协议的一致性，否则将影响协议的正常运行。 4 ) 假设整个网络负载为l o a d ，表达式如下： 1nr l o a d = 二y 兰( 2 1 ) b 笥2 ： 其中，b 是数据传输速率( b i t s s ) ，n 是网络中节点数，厶是节点f 的平均 报文产生长度，乃是节点对艮文产生间隔，这是一个对网络负载性能进行评估的 公式。 5 ) b a c n e t 报文中，用于监控系统的大部分是应答型的服务报文，即报文 必须等待回复，所以本系统算法设计主要是针对此种报文。 ( 4 ) 实时性保证算法的描述 已知，表示第f 个节点的证实服务请求中周期报文的最大允许延迟，不同 武汉理工大学硕士学位论文 节点的延迟要求不同( 净lt 0 ) ，为满足周期报文的延迟限制，则乃必须小于 少。即请求的周期必须小于最大延迟值，否则不满足节点的采样