（机械制造及其自动化专业论文）支持复杂设备运行的协同服务数据采集研究.pdf

摘要 摘要 随着现代科学技术的进步，具有高科技含量的复杂设备要求采用新的协同 服务模式对设备用户进行服务。本课题以嵌入式在线服务体系作为协同服务中 设备控制的信息支撑技术基础，通过设备服务器采集设备数据实现设备的远程 监控和远程维护。本文对底层设备数据采集与上层应用的跨平台集成进行了研 究，并以西门子8 4 0 d 数控系统为对象，开发了基于w e b 的复杂设备数据采集 原型系统，为设备的远程监控和诊断服务提供支持，所做工作概述如下： 1 开发基于o p cx m l - d a 的数据采集中间件。复杂设备的数据采集位于 嵌入式在线服务体系中的设备服务器层次，承担与底层设备和上层查询服务器 等的通信任务。本文针对西门子8 4 0 d 数控系统集成数据存取服务器的特性，按 照o p c 基金会颁布的o p cx m l d a 规范在n e t 平台上将其封装为o p c x m l d a 数据采集中间件服务器，实现设备数据的采集。 2 论证j a v a 语言调用o p cw e b 服务的技术实现路线，设计基于o p c 的 w e b 服务。为方便与采用j 2 e e 构架的嵌入式在线服务体系上层应用进行交互， 将o p cx m l d a 中间件服务器封装为w e b 服务的形式，利用w e bs e r v i c e s 的跨 平台特性实现o p c 服务的j a v a 客户端调用。 3 设计西门子8 4 0 d 数控系统数据采集跨平台方案，开发了实时数据采集 模块和历史报警等非实时数据模块，并对所开发的数据采集系统进行了应用测 试，试验结果验证了所设计的方案。 关键词：协同服务，跨平台数据采集，o p c x m ld a ，w e bs e r v i c e s a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y , c o m p l e xh i g h - t e c he q u i p m e n t s n e e dt ob es e r v e du n d e ran e wc o - o p e r a t i v es e r v i c em o d e l i nt h i sm o d e l ，t h eb a s i c i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yf o rc o n t r o l l i n ge q u i p m e n t si st h ee m b e d e do n l i n es e r v i c e s y s t e m ，o fw h i c ht h ed e v i c es e r v e ra c h i e v e st oc o n t r o la n d m a i n t a i nc o m p l e xd e v i c e s o n l i n ev i ad a t aa c q u i s i t i o n t h ei n t e g r a t i o no fd a t aa c q u t i s i o nf r o md e v i c e sa n di t s a p p l i c a t i o na c r o s sp l a t f o r m si sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r a l s o ，t a k i n gs i e m e n s8 4 0 d n cs y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t ，ad a t aa c q u i s i t i o np r o t o t y p eb a s e do nw e bi s d e v e l o p e dt os u p p o r tf o rc o n t r o la n dd i g n o s i ss e r v i c e so fc o m p l e xe q u i p m e n t s t h e w o r kd o n ei sm a i n l yd e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 t h em i d d l e w a r eo fd a t aa c q u i s i t i o nb a s e do no p cx m l - d ai sd e s i g n e d t h e d a t aa c q u i s i t i o np r o c e s sf r o mc o m p l e xe q u i p m e n t sl o c a t e so nt h ed e v i c es e r v e ro ft h e e m b e d e do n l i n es y s t e ma n dc h a r g e sf o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eb o t t o m d e v i c e sa n dt h eu p p e ra p p l i c a t i o n ，s u c ha sl o o k u ps e r v e r i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt o t h es p e c i f i cf e a t u r e so fs i e m e n s8 4 0 dn cs y s t e m ，t h eo p cd as e r v e ri sw r a p p e dt o am i d d l e w a r ee a l l e do p cx m l d as e r v e rb a s e do nt h eo p cx m l - d a s p e c i f i c a t i o n si s s u e db yo p cf o u n d a t i o n 2 t h er e a l i z a t i o nr o u t eo fi n v o k i n go p cw e bs e r v i c e st h r o u g hj a v ac l i e n t si s d e m o n s t r a t e da n dn e ww e bs e v i c e sb a s e do no p ca r ed e s i g n e d t h em i d d l e w a r e s e r v e ri sw r a p p e da g a i nt ow e bs e r v i c e sf o rt h ec o n v e n i e n c eo fc o m m u n i c a t i o nt ot h e u p p e ra p p l i c a t i o n w h i c hi so nt h eb a s i so ft h ej 2 e ef r a m e w o r k i nt h i sc a s e , t h eo p c w e bs e r v i c e sc o u l db ei n v o k e dt h r o u g haj a v ac l i e n t 3 t h ew h o l es c h e m ao fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma c r o s sp l a t f o r m so ns i e m e n s 8 4 0 di sd e s i g n e d t h er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o nm o d e la n dh i s t o r i cd a t aa c q u i s i t i o n m o d e la r ed e p l o y e d b e s i d e s ，t h ed e v e l o p e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi st e s t e da n dt h e r e s u l t sd e m o n s t r a t et h ed e s i g ns c h e m a k e yw o r d s ：c o - o p e r a t i v es e r v i c e ，d a t aa c q u i s i t i o na c r o s sp l a t f o r m s ，o p c x m ld a ， w e bs e r v i c e s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。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创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。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。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景简介 随着现代科学技术的进步，数控机床等复杂设备日益向高新技术集成和智 能化方向发展，在现代生产中起着关键作用。复杂设备科技古量高结构复杂， 通常集成了多个领域的技术和不同厂家的零部件，使得设备的故障诊断和维修 变得十分复杂。一方面，用户单靠自身的力量很难判断和解决设备运行中出现 的所有问题，所承担的投资风险和生产风险较高。另一方面，设备制造商也面 临着一系列问题：随着零部件供应商的增加，故障的质量追溯、索赔、结算手 续繁多、周期长；客户遍巾世界的各个角落，维修服务人员难以快速、及时获 得所需的现场故障信息，技术服务成本高，难以做到随叫随到服务；制造商和 供应商的设备维修技术人员要求掌握的技术领域跨度大、超出了单个技术人员 或单一企业的能力范围。因此，传统的售后服务模式已经不能满足用户和企业 的需求，需要一种全新的分稚式多方合作的服务模式。为了达到市场领先的地 位，企业必须构建“双赢”的协同服务模式，将复杂设备本身与必需的技术服 务关联起来，通过相应的销售伙伴、技术服务提供商，乃至其他设备制造商合 作，在合适的通讯和技术支持条件下对用户进行及时的服务。 随着技术进步和核心竞争力的不断增强，国内企业越来越多地参与国际竞 争和国际化进程，实行协同服务正在成为国内复杂设备制造厂家面临的迫切需 要解决的问题。例如，沈阳机床( 集团) 公司出口业务增长迅速，与德国的专 业机床设计公司合作开发新产品，收购了德国的s c h i c s s 机床厂并由s c h i e s s 为 沈阳机床销售到欧洲的机床提供服务。因而在新产品制造过程中出现问题时就 需要相关合作伙伴的协同工作，在使用过程中进行故障诊断和设备维修时迫切 需要在产品上增加远程服务的功能。随着制造技术、信息技术与网络技术的迅 速发展，远程诊断技术应用越来越广泛，在全球范围内提供快速的专业协同服 务己具备了技术基础和实现的可能性。基于这样的背景，中德政府合作项目中 德合作扩展优势：复杂设备运行的协同服务支持签订并启动。协同服务模式 的实现必须要有一个合作网络，其物质技术基础是远程服务和远程解决方案， 而复杂设备的数据采集是实现设备远程监控和远程维护的关键技术之一，因此 第1 章绪论 提出了本课题“支持复杂设备运行的协同服务数据采集研究”。 支持复杂设备运行的协同服务数据采集研究，关键是解抉相关计算机和通 信技术，针对复杂设备开发w e b 数据采集系统，建立复杂设备的网络通信机制， 为复杂设备的运行支持开发特定的设蔷控制和r r 服务支持，建立协同服务的设 备控制与信息支撑技术基础。由于复杂设各种类繁多，协同服务中首先按行业 特点抽象出面向行业设备的服务内容和接口规范，以中间件的形式通过数据传 输阱议或专用接口与具体设备进行信息交换，实现对设备状态监控、系统参数 的传递等功能。本课题旨在针对底层设备数据采集与上层应用集成，以西门予 8 4 0 d 数控系统为对象，对其数据采集系统进行研究开发，为用户通过网络实现 远程监控和诊断提供支持与服务。 1 2 国内外研究现状及综述 l2l 复杂设备协同服务研究现状 根据文献资料检索国内对协同服务模式的研究已经开始，一些研究单位 对设备的远程诊断、远程服务和远程维护以及服务链管理等课题进行了研究， 在电力、能源和化工工业中远程监控技术在一些企业得到应用并取得效果1 2 1 。研 究朝着应用网络技术、信息技术等先进技术的现代服务模式的方向发展。如同 济大学c 1 m s 研究中心对远程服务的应用、技术实现等方面已经有了较深入的研 究口”】。随着网络化制造的发展，国内也出现了数字化、网络化售后服务的母 究。 如南京航空航天大学谢强等提出一种基于w e b 的针对产品故障处理的售后服务 系统模型 5 】，东北大学刘予绪等提出一种基于多a g c a t 采用网络技术和现代通信 技术进行产品售后服务的新型网络化售后服务模式旧。重庆大学刘胜等把售后服 务放在整个太的制造环境中去研究提出了一种面向现代集成制造的网络化售 后服务模式，并对其功能、组织和信息模型进行了研究 7 1 。姜国辉等针对梆同作 业，对构建电子化的协同服务平台进行了研究 a l 。 然而国内的研究和应用大部分仍是对远程故障诊断、远程服务技术实现以 及产品售后服务模式方面的研究基本上还限于对设备层和控制层的研究上， 对于离散制造过程中复杂设备运行支持及与其相关联的嵌入式在线服务体系的 研究还较少。 国外对于工业服务的研究具有一定的历史和研究深度，早己认识到工业服 第1 章绪论 务的巨大意义，对网络化服务【9 1 、服务体系【l o 】等也早已有了研究，关于产品和服 务集成方面的研究成为一种趋势。如p o n t u sj o h a n s s o n 和j a no l h a g e r 认为企业的 整体运营战略不仅包括新产品销售的市场策略，更应该包括对企业竞争力具有 重要影响的服务策略，他们主张产品制造与服务操作管理集成的方法策略【1 1 】【1 2 】。 j c a u r i c h 等认为产品全生命周期中除了完成产品设计，还要进行与产品相关的 服务设计，即建立产品一服务技术系统【1 3 】。 德国学者认为服务已超越设备本身成为保持德国机械设备国际竞争力的一 个主导因素【l 】。随着客户对设备生产率、柔性和过程安全性要求的不断提高，设 备制造商为了保持其在全球竞争中的领先优势，要不断改进面向设备的开发和 生产过程。然而面对错综复杂竞争局面，只关注纯设备领域是一种倒退，还必 须要考虑与生产相关的服务产品。以德国为例，许多设备制造商都在其产品中 增加了远程监控功能，为实施远程服务准备了必要的条件。有些企业还设立了 专门的网上服务中心并将分布在全球的维修中心进行资源整合。但这些公司大 多还是采用制造商一客户直接服务模式，随着产品销量的增加，由于业务地域 分布广泛，他们将面临无法及时提供服务的难题。 在有关制造领域中的服务研究中，德国政府和欧盟资助并组织了相关高等 院校、研究所和企业对此进行合作研究。德国教育与研究部目前拥有“集成生 产和服务”和“生产系统可用性的服务 2 个科研招标征集项目。在欧盟第七项 框架的制造领域项目中从2 0 0 7 年起，在其5 个研究领域中有关服务和新的服务 模式研究就占了2 项。在基础理论研究领域，德国波鸿鲁尔大学与柏林工业大 学等多个研究所对全生命周期的服务与设备的捆绑课题进行研究，研究目的是 创建创新型面向应用的设备和服务理念，全盘考虑设备和服务的集成及相互影 响，通过设备与服务的集成使用户最优地使用它们【1 4 】。 1 2 2 复杂设备的数据采集 复杂设备数据的采集和通信在国内外已经具有一定历史，并形成了较多的 理论和实际成果。尤其在远程监控、远程服务领域应用较多。目前，工业现场 设备一般处于分布式控制系统( 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 ) 中，设备的数 据采集往往通过供应厂商开发的接口传送至上层应用系统，采集方法主要有p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，可编程序逻辑控制器) 采集数据和微机配置采 集卡采集数据等【1 5 1 。随着科学技术的进步，复杂设备一般都能提供底层硬件接 3 第1 章绪论 口和通讯方式，对于数控机床等复杂设备，由于本身功能强大，通常采用自带 通信接口进行数据采集，如r s 一2 3 2 串口、d n c 接口和网络接口等【1 6 1 。但是， 在工业领域中接口和通讯方式很多，各大生产商都有自己的一套标准和规范， 这使得设备之间不具备可相互兼容的软硬件环境，硬件的驱动器和与其连接的 应用程序之间的接口并没有统一的标准。 目前数据采集接口规范目前应用较多的主要是d d e ( d y n a m i cd a t a e x c h a n g e ) 规范和o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 规范，尤其o p c 规范的颁布 以致力于统一底层设备工业通信标准为目标。d d e 是m i c r o s o f tw i n d o w s 提供的 一项数据共享技术，其实质是一种w i n d o w s 平台上应用程序之间的数据交换协 议，通过这种基于消息的动态数据交换协议，应用程序之间可以进行各种类型 的数据交换，这些数据可以是从一个应用程序传输到另一应用程序中的信息， 也可以是传递给其他应用程序进行处理的命令或键盘指令【1 7 】。o p c 技术作为新 一代工业自动化控制软件部件，被称为控制系统“中间件技术”，是专为在现场 设备、自控应用、企业管理应用软件之前实现系统无缝集成而设计的接口规范， 目前已得到了自动化企业的广泛接受和应用。它在各种不同的现场设备和应用 程序之间提供了统一而规范的数据访问接口，并且对通信协议等与设备有关的 细节加以屏蔽。目前的o p c 规范对i n t e r n e t 和其他操作系统进行了支持，可以 扩展到整个网络，实现全网络的远程工程服务和支持【1 8 】【1 9 1 。本课题开发的系统 采用o p c 规范实现复杂设备的数据采集。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本课题在协同服务模式的嵌入式在线服务( e o s ，e m b e d d e do n l i n es e r v i c e ) 体系框架下，以西门子8 4 0 d 数控系统为研究对象，开发数据采集系统，实现数 控系统的实时数据采集和历史报警日志读取功能，为设备的远程监控和诊断服 务提供支持。本文的工作内容包括： 1 ) 数据采集方法及o p cx m l - d a 规范研究。通过对复杂设备数据采集方 法的比较，本课题选择o p c 规范作为数据采集系统开发的主体依据，开发o p c x m l - d a 服务器，从数控系统采集数据并作为中间件的主体部分。 2 ) 开发实时数据采集模块，将8 4 0 d 数控系统原有的o p cd a 服务器封装 4 第1 章绪论 为o p cx m l - d a 服务器，实时采集当前执行加工程序段、当前加工零件信息、 主轴转速和进给速度等当前数控系统信息，实现i n t e m e t 上o p c 服务的远程访 问。 3 ) 非实时数据远程读取。主要包括数控系统历史报警日志以及包括数控系 统配置数据在内的8 4 0 d 自带存储设备上保存的文件内容等。 4 ) 对m i c r o s o f t n e t 平台和j 2 e e 平台之间的数据采集系统跨平台集成方案 研究，实现o p cw e b 服务的j a v a 客户端访问。本课题中，无论数控系统实时数 据的采集，还是非实时数据的获取，皆以w e bs e r v i c e s 技术为基础，沟通下层基 于m i c r o s o f t n e t 的数据获取和基于j 2 e e 架构的上层应用，最终采用纯面向对 象语言j a v a 以j s p 方式实现数据的用户端显示。 1 3 2 技术路线 本课题开发的重点是利用s i n u m e r i k8 4 0 d 数控系统本身集成数据存取服 务器，实现协同服务e o s ( e m b e d e do n l i n es e r v i c e ，嵌入式在线服务) 体系中 所需数据的采集，故而在整个研究过程中是最为关键的一环。另外，由于e o s 体系中底层设备的数据采集部分和上层应用部分处于m i c r o s o f t n e t 和j 2 e e 两， 个不同的平台，因而跨平台方案设计决定了数据采集系统在异构平台中的最终 实现。因此，课题中所涉及的关键技术包括： 1 ) o p cd as e r v e r 按照o p cx m l - d a 规范向o p c x m ld as e r v e r 的转化。 2 ) 采用w e bs e r v i c e s 技术对中间件服务器的封装。 3 ) j a v a 调用o p cw 曲服务的实现技术。 在本课题的研究过程中，首先需要对复杂设备数据采集方法、规范及常用 技术进行研究并比较，作为课题研究的理论基础。其次，本文对j a v a 语言调 用n e t 平台的o p cw e b 服务的实现方法进行了研究，通过程序测试给出具体的 实现技术路线。从而确立课题研究对象8 4 0 d 数控系统的数据采集跨平台方案， 即设备服务器采用o p c 规范作为主要的采集数据方法，客户端则采用具有跨平 台特性的j a v a 语言编写。第三，以西门子8 4 0 d 数控系统作为开发对象，对数 据采集系统中的实时数据采集模块和历史报警等非实时数据采集模块进行开 发。其中实时数据采集模块采用j a v a 客户端调用o p cx m ld a 服务器中的w e b s e r v i c e s ，实现j 2 e e 和n e t 异构平台间的跨平台调用，而非实时数据读取则直 接采用j a v aw e bp r o j e c t 的方式进行开发。最后，将所开发的数据采集系统集成 5 第1 章绪论 到e o s 中，并在西门子8 4 0 d 数控系统上进行部署和测试。课题的研究技术路 线如图1 1 。 问题提出 数据采集方法、规范及技术研究 j a v a 调用o p c w e b 服务 的实现技术研究 确立8 4 0 d 数控系统数据 采集跨平台方案 基于o p c x m l d a 的 实时数据采集模块开发 历史报警日志等非实时数 据采集模块开发 数据采集系统跨平台测试 资料汇总 图1 1 研究技术路线 1 4 章节安排 本文共分六章： 第一章绪论。介绍课题的提出背景，综述复杂设备协同服务模式以及数据 采集的国内外研究现状，确定本课题的研究内容及技术路线，对本文后面的内 容进行章节安排。 第二章数据采集系统相关技术的应用。讨论本课题所涉及的主要知识和相 关技术，作为开发工作的理论基础。介绍协同服务嵌入式在线服务体系结构和 复杂设备数据采集的常用技术，比较分析o p cd a 和o p cx m l d a 规范以及 w e bs e r v i c e s 等技术，并对这些技术在本课题中的应用进行可行性分析。 6 第l 章绪论 第三章j a v a 调用o p cw e b 服务的实现。论述课题采用w e b 服务互操作性 的起因及w e b 服务的样式，编写j a v a 程序调用n e t 平台的w e bs e r v i c e s 进行代 码测试，针对本课题中使用j a v a 程序编写客户端调用o p cx m l - d a 规范的w e b 服务的可行性进行分析，并给出具体的实现技术路线。 第四章s i e m e n s8 4 0 d 数据采集系统总体设计。对具体的设备西门子 8 4 0 d 数控系统的数据采集实现构架进行论述，针对数控系统的实时数据和报警 日志的特性，讨论并比较j a v ac l i e n t 与o p cs e r v e r 跨平台通信的实现方案，设 计实时数据和报警日志两个功能模块的实现路线，最后确定所要开发的框架结 构和所需的开发环境。 第五章s i e m e n s8 4 0 d 数据采集系统的开发和应用。根据数控系统数据采 集跨平台实现方案，详细描述实时数据采集模块中间件服务器的开发和j a v a 客 户端的实现步骤，介绍历史报警日志获取程序的两种实现方式。最后，使用第 三方o p c 服务器对n e t 平台的中间件服务器以及j a v a 客户端程序进行测试， 保证软件程序的可靠性。 7 第2 章数据采集系统中相关技术的应用 第2 章数据采集系统中相关技术的应用 复杂设备协同服务运行的关键技术之一是设备控制与信息支撑技术，其主 要研究内容是建立嵌入式在线服务体系规范。其中数据采集作为底层基础部分， 构建在体系中的设备服务器层次，为设备的远程诊断和维护提供支持，所涉及 的关键技术主要包括o p c 规范和w e bs e r v i c e s 跨平台应用技术等。 2 1 嵌入式在线服务系统简述 由于目前尚无统一的设备接入规范，而设备种类繁多，不同的设备有不同 的接口，因此接入网络的设备，只能通过编写专用的软件才能实现，带来兼容 性问题。为解决此问题协同服务中引入嵌入式在线服务标准e o s ( e m b e d d e d o n l i n es e r v i c e ) ，利用e o s 为复杂设备接入网络提供的一个开放接口，通过这个 开放性的接口，既可从机床设备中获取现有的数据( 机床参数、设置参数、报 警信息、记录信息等) ，也可根据需要直接对设备进行操作和控制，从而使机床 更好的接受远程服务。 利用基于e o s 的服务系统可以方便快捷的获得设备的运行状态等信息，对 出现的问题实时的进行解决。特别是对记录信息( 报警、理论值、设备运行状 态等) 和历史信息的使用，并快捷的对设备故障进行分析，以及对设备的加工 性能进行评价。e o s 不仅有助于对设备故障的快速排除，还可以进行加工过程 监控和加工过程优化，从而降低了对设备层的管理需求。 e o s 体系结构包括远程用户端、查询服务器、设备服务器和现场设备四层 体系结构，如图2 1 。系统用户有设备制造商、零部件供应商、设备用户以及服 务商等组成，可通过企业内部网络和w e b 浏览器两种方式访问查询服务器 ( l o o k u p s e r v e r ) ，实时读取设备相关信息，监控整个企业内部的设备运行状态。 查询服务器周期性的搜索网络和连接根据数码型号铭牌发现的机器，存储记录 设备的相关信息和为设备提供各种服务，主要提供搜索注册、用户身份认证、 用户导航及用户管理等功能。设备服务器实现底层设备数据采集与存储、报警 记录及故障诊断结果显示、报表的生成和各种参数的设置，一方面实现数据采 集和设备控制接口，另一方面响应查询服务器的请求，包括读写设备运行信息、 8 第2 章数据采集系统c l ，相关技术的麻川 参数和捧! 制操作等。现场设备主要指，取载设备服务器的并种复杂设备是整个 系统的基础 1 ”。 ：静 酲璺 圈21e o s 体系结构 本课题所要，i ：发的复杂殴蔷数据采集系统处于e o s 体系结构巾设备服务器 层次，包括设备服务器和数控系统等现场设备之间以及设备服务器和查询服务 器之问的通信。体系上层的应用请求被抽象成巾唰什的形式，通过w e b 服务的 方式进行信息交换，完成对设备状卷的崎控、系统参数的传递等功能。凼此， 用户获取设备数据时，虽然旨先请求访问食询服务器，但蛙终返回的数据显示 页面等均由设备服务器处理完成。 22 常用数据采集通信方法 为了使得设备软件丌发共有统的标准，软什接l 趋于标准化，目前工业 设备实时数摧采集应片j 较多的通信方法主要有d d e 方式和o p c 方式口，备自 有不同的特点和适用场合，两者的m 蚬和应用为不同的臼动化程序系统之- ，j 能 够实现无缝集成做出了巨大贡献。 22 1d d e 技术简述 第2 章数据采集系统中相关技术的应用 d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e 动态数据交换) 是为在同一台计算机或不 同计算机上运行的程序提供动态数据交换，最早由m i c r o s o f t 公司提出的。动态 数据交换( d d e ) 技术由于其具有实时性好、网络通信连接实现方便等待点， 在控制软件与信息网络集成中得到了广泛应用。 d d e 基于w i n d o w s 消息机制，各应用程序间通过传递消息进行对话交换信 息。一般情况下，d d e 采用c l i e n t s e r v e r 模式，接受数据的一方为客户( c l i e n t ) ， 提供数据的一方为服务器( s e r v e r ) ，两者之间通过请求、应答、传输三个步骤来 完成数据的传送。d d e 应用程序采用应用程序名、主题名以及项目名辨认其他 的应用程序，每次对话都是由客户启动，建立起一个对话之后，客户应用程序 能创建与服务器相连的一条或多条永久性数据链路进行数据交换。d d e 通信有 两种应用方式，一是在本机的不同应用程序或进程之间进行通信。其原理是进 程间调用，它使用共享存储作为交换区域，并用一系列命令和协议提供了相应 的应用程序。第二种是网络形式n e t d d e ，允许不同及其的应用程序之间通过网 络交换数据。如果网络种的两个结点都安装了d d e ，当一方数据发生改变时， 另一方的数据也随即被更新【2 l 】。 目前，d d e 正逐渐被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 ) 技术取代，但 其作为一种应用程序之间的数据通信的方式，仍然收到广泛的使用和支持。相 比之下，o l e 方式需要服务程序嵌入到客户程序中来为其提供服务，激活速度 往往比较慢，在某些情况下仍然无法取代d d e 。 2 2 2o p c 技术简述 o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术作为新一代工业自动化控制软件部件，是 o l e 技术在过程控制中的应用，专为在现场设备、自控应用、企业管理应用软 件之间实现系统无缝集成而设计的接口规范，它为开发应用程序的不同厂商提 供了一项共同遵循的通信标准，从而大大减少了在系统集成过程中的重复开发， 提高了控制系统的性能1 2 2 】。 o p c 技术定义了一组与设备制造商无关的开放式接口，实现了自动化控制 软、硬件之间不用考虑程序和接口问题情况下的无缝连接。以往的应用软件与 应用设备的通信，需要开发驱动程序，由于没有统一的标准，设备供应商不得 不各自开发自己的专用硬件和软件解决方法。但是，由于设备的类型和软件需 求不尽相同，所开发的驱动程序的种类和数量迅速的增长，使得不同设备之间 1 0 第2 章数据采集系统中相关技术的应用 不具备可相互兼容的通信环境，硬件驱动和与其相连接的应用程序之间的接口 没有统一的标准，从而带来了一系列弊端导致软件的可扩展性几乎无法实现， 如驱动程序不能适应升级后的硬件以及发生存取冲突等。o p c 技术无疑从本质 上解决了这个问题。它基于o l e c o m d c o m 技术，由一系列用于过程控制和 制造业自动化应用领域的标准接口、属性及方法组成，可以以一种标准的方式 将这些数据传送到任意客户端应用软件。由于o p c 为多种多样的过程控制设备 提供了公共的接口，为过程控制和工厂自动化提供正的即插即用软件技术，使 得过程控制和工厂自动化的每一系统、每一设备、每一驱动器能够自由地连接 和通信，而与过程中地控制软件或设备无关。这样，基于o p c 标准，开发人员 可以开发可复用的、高度优化的软件程序，如硬件设备制造厂商只需要编写一 套符合o p cs e r v e 规范的程序组，就可以满足不同用户的需要，而应用程序开 发者只需要编写一个符合o p c 标准的接口便可以连接不同的设备【2 3 】【2 4 】。 随着o p c 技术的推广和应用，o p c 的开放性和标准性正得到越来越多的国一 内外生产厂商的认可，许多公司都在原来产品的基础上增加了对o p c 的支持。 目前，o p c 技术在工业控制领域得到了广泛的应用，主要应用领域包括数据采 集技术、历史数据访问、报警和事件处理、数据冗余技术和远程数据访问掣2 5 】b 由于统一了数据访问接口，使控制系统进一步走向开放，实现信息的集成和共 享，o p c 技术代表了今后一段时间内过程控制系统通信标准的发展方向。 2 2 3 两者的比较与选择 在o p c 技术出现以前，d d e 技术是绝大多数控制系统都支持和采用的数据 交换方式。经常使用的软件如w i n d o w s 、w o r d 、e x c e l 等都设计有d d e 接口， 而大多数工控组态软件也都有d d e 接口，通过d d e 很容易实现微软产品与监 控组态软件的数据交换。使用d d e 的优点是绝大多数软件都有d d e 接口，支 持d d e 协议，故而使用方便。 但是，由于d d e 是基于w i n d o w s 信息传递而建立的技术，与o p c 通讯方 式相比，d d e 主要存在如下缺点【2 6 】： 1 ) 对实时性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。 2 ) 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 口必须一致，否则不能进行数据交换； 第2 章数据采集系统中相关技术的应用 3 ) 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。 4 ) 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。当 通信量较大时，就会出现数据刷新速度慢、安全性管理机制差、可靠性能低等 现象，从而就有可能致使d d e 客户程序在较长时间内得不到回应。 因此，d d e 在数据较少时比较实用。而和d d e 技术相比，o p c 技术具有 数据传送性能高、安全性管理性能好、开发成本低等特点，是一种通讯快捷、 安插容易的通讯方式，是实现网络集成的较好方法。 2 3o p cx m l d a 规范简介 到目前为止，o p c 基金会已经制定并先后颁布三大类规范：o p cc o m 规范、 o p cx m l - d a 规范和o p cu a 规范。o p cc o m 规范基于w i n d o w s 的c o m 技 术，包括o p cd a ( d a t aa c e s s ，数据存取) 规范、o p cd x ( d a t ae x c h a n g e ， 数据交换) 规范、o p ch d a ( h i s t o t yd a t a a c c e s s ，历史数据存取) 规范和o p c a e ( a l a r m sa n de v e n t s ，报警和事件) 规范等。o p cx m l - d a 规范是基于x m l 技术和w e b 服务的数据存取规范，o p cu a ( u n i f i e da r c h i t e c t u r e ) 规范对o p c 规范进行全新的定义，是新一代的o p c 技术。 2 3 1o p cd a 规范简介 o p cd a 规范是o p c 基金会最先制定和公布的规范，也是目前应用最广泛 的规范，主要实现针对现场设备的实时数据的存取功能。该规范分为定制接口 规范( 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 ) 规范两部分，定 制接口规范针对c 卜 语言进行设计，而自动化接口规范针对v b 、d e l p h i 语言进 行设计，是对定制接口的封装，降低了o p c 服务器和客户端开发的难度。两种 接口的关系是：对于服务器端开发，o p c 技术规范规定o p c 服务器必须提供自 定义接口，而自动化接口不一定提供；对于客户端开发，可以选择访问两种接 口的任意一种【2 7 1 。 o p cd a 技术的本质是微软的c o m d c o m ( 组件对象模型分布式组件对象 模型) 技术。c o m 主要是为了实现软件复用和互操作性，并且为基于w i n d o w s 的程序提供统一的、可扩充的、面向对象的通讯协议，d c o m 是把c o m 技术 扩展到网络，使c o m 支持在局域网、广域网甚至i n t e m e t 上不同计算机的对象 之间的通讯。o p c 数据存取服务器主要由以下几个对象组成：服务器对象 1 2 第2 章数据采集系统中相关技术的应用 ( s e r v e r ) ，组对象( ? g r o u p ) 和项对象( i t e m ) ，依次呈包含关系：s e r v e r 对象是 服务器程序对外暴露的主要对象，是获得其他对象和服务的起始类，并用于返 回g r o u p 类对象。g r o u p 对象存储若干o p ci t e m 组成的g r o u p 信息，并用于返 回i t e m 类对象。i t e m 表示了与o p c 服务器中数据的连接，包括值( v a l u e ) 、品 质( q u a l i t y ) 和时间戳( t i m e s t a m p ) 三个基本属性。值即是指实际的数据数值， 品质表示数据是否有效，时间戳反映了从设备读取数据或者刷新其数据存储区 的时间【2 8 】【2 9 1 。 然而，正是由于o p cd a 采用了c o m d c o m 技术，虽然它在生产现场范 围内的局域网中表现良好，但当与企业上层应用系统相集成时，却暴露出了严 重的缺陷，主要有如下几点： 1 ) 不能实现跨平台。虽然微软已经将c o m d c o m 技术向其他执行程序开 放，但并没有真正运行在非微软环境之中，一般非微软平台不支持该技术。这 就导致了o p c 服务器和客户端通常都必须在w i n d o w s 平台上才能正常运行。赫? 2 ) 不能穿越防火墙。由于d c o m 技术与w i n d o w s 的安全注册机制紧密绑 定，使得这一技术一般无法穿越企业的防火墙。当o p c 应用在局域网时，上述 缺陷不会造成影响，但当企业信息系统需要远程获取现场数据时，必定经过防 火墙从而影响数据的获取。 3 ) 现在比较流行的j 2 e e 企业上层应用系统访问依赖于w i n d o w s 的o p cd a 获取数据的实现过程比较复杂，两者之间的集成也比较困难。而且，在这种跨 w i n d o w s 域的应用情况下，数据传输的速度比较慢。 2 3 20 p cx m l d a 规范 正是由于o p cd a 规范存在的不足，o p c 基金会于2 0 0 4 年1 2 月份推出了 基于具有平台无关性的x m l 技术的o p cx m l - d a 规范。该规范的目的是为了 继续o p c 的目标，即提升应用程序间的互操作性。基于x m l d a 的接口将简化 企业各级平台( 下至现场设备上至企业系统) 间的o p c 数据共享和交换并将之提 升到一个更广泛的平台范围。 o p cx m l - d a 规范采用基于x m l 的w e b 服务的概念，用s o a p ( 简单对象 访问协议) 作为对应用程序共享消息进行包装的标准协议，使用w s d l ( w e b 服 务描述语言) 对w 曲服务进行描述。o p c 客户端和服务器之间通过x m l 协议传 输w e b 服务。o p cx m i d a 规范的主要组成部分是x m ld as c h e m a ，其中定义 1 3 第2 章数据采集系统中相关技术的应用 了构成o p cx m l w e b 服务的数据类型、结构和方法等，此外规范还对通信协议、 发现机制、错误处理、互操作性等底层细节进行了规定。o p cx m l d a 数据类 型从高到低依次分为r e q u e s t 、l i s t 和i t e m3 个等级，较低的数据类型属性可以 涵盖较高数据类型属性。基本的数据类型有：s t r i n g 、b o o l e a n 、f l o a t 等2 0 种简 单类型以及枚举类型和数组类型。其中的简单类型是x m l 数据类型的一个子集。 此外，规范还规定了些复合类型( c o m p l e x t y p e ) ，主要包括：r e q u e s t l i s t 、 r e q u e s t i t e m 、i t e m v a l u e ，r e q u e s t o p t i o n s ，s e r v e r s t a t e 、r e p l y b a s e ，o p c e r r o r ， i t e m p r o p e r t y 等。o p cx m l - d a 规范的所有接口都基于这些数据类型定义，规范 同时支持空参数【3 0 3 2 1 。 o p c x m l d a 支持8 种服务，每种服务都包括一个请求( r e q u e s t ) 和一个