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南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着制造业信息化战略的提出，制造设备状态信息的有效采集、存储、传输和 交换是实现制造过程和商务过程并行的关键，也是信息化制造的基础。 o p c 技术的出现为解决信息采集接口标准难以统一的问题带来了曙光。x m l 以易操作、自描述、可扩展、跨平台、低成本等优势脱颖而出，成为新一代数据处 理和数据交换的先进技术，为制造信息的有效存储、传输和交换打下了技术基础。 无线通讯技术对数据发送到小型手持终端设备，实现设备状态远程监视、增强客户 满意都有重要意义。 本文首先分析了信息化制造系统的特征，阐述了制造信息采集单元在信息化制 造系统中的重要地位和作用。然后分析了基于o p c 和x m l 的信息化制造系统体系 结构和信息链，提出了面向信息化制造系统的设备状态信息监视系统的系统结构和 基本功能。详细讨论了o p c 技术在制造设备信息采集中应用的关键技术，为实现 制造信息采集接口标准化、信息采集柔性化打下技术基础。结合x m l 的特点探讨了 实现设备状态信息显示方式柔性化、终端设备选择多样化的途径。并对三种无线发 布解决方案进行了比较分析，实现了基于w a p 方式的移动手持终端对设备状态信 息的查询。最后，通过面向信息化制造的设备状态信息监视原型系统的开发，验证 了本文所提出的技术方案是可行的、有效的。 论文最后对所做工作作： 了总结，并对课题的进一步研究进行了展望。 关键词：信息化制造；o p c ；x m l ：无线通讯；信息采集与监视 。 * 一 第1 页 面向信息化制造的设备状态信息监视系统开发 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c i n gp r o c e s so fi n f o r m a t i o ns t r a t e g yi nt h ef i e l do fm a n u f a c t u r i n g ，i t i so b v i o u st h a te f f e c t i v ed a t a c o l l e c t i n g ，s t o r a g e ，t r a n s m i s s i o n ，a sw e l la se x c h a n g e m e n t o f o n t h e - s p o ts t a t u si n f o r m a t i o nh a v ed e c i s i v ei m p o r t a n c e o nc o n c u r r e n te n g i n e e r i n go f m a n u f a c t u r i n ga n de b u s i n e s s m e a n w h i l e ，t h e ya l s oh a v ef u n d a m e n t a li m p o r t a n c ei nt h e i n f o r m i z a t i o np r o c e s so fm a n u f a c t u r i n g o p c t e c h n o l o g yp r o v i d e san e w s o l u t i o nt os t a n d a r d i z a t i o no fd i f f e r e n th a r d w a r e i n t e r f a c e s x m l ，w i t hi t s g r e a ta d v a n t a g e s l i k e e a s y m a n i p u l a t i n g ，s e l f - d e s c r i p t i o n ， e x t e n s i b i l i t y ，c r o s s p l a t f o r ma n dl o w - c o s t ，i sn o wt h ep r e v a i l i n gt e c h n o l o g yf o r d a t a p r o c e s s i n ga n de x c h a n g e m e n t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi se s s e n t i a lt ot i m e l y d a t ap u b l i s h i n g ，e s p e c i a l l yt ov a r i o u sm o b i l eh a n d s e t s ，w h i c hm a yc o n t r i b u t et ot h e r e a l i z a t i o no f r e m o t em o n i t o r i n ga sw e l la si m p r o v es a t i s f a c t o r i n e s so f c u s t o m e r s i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yw e a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so f m o d e m m a n u f a c t u r i n gs y s t e m a sw e l la ss p e c i f yt h ei m p o r t a n c eo f m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gu n i t s ，t h e nw e p u tf o r w a r dt h ea r c h i t e c t u r eo f am o d e r nm a n u f a c t u r i n gs y s t e mb a s e do no p ca n dx m l t e c h n o l o g y ，w ea l s od i s c u s si nd e t a i l st h ek e yp r o c e d u r e si nd a t a c o l l e c t i n gb yu s eo f o p ct e c h n o l o g y ，w h i c hp r o v i d es u p p o r tt ot h es t a n d a r d i z a t i o no fd i f f e r e n th a r d w a r e i n t e r f a c e sa sw e l la sf l e x i b i l i t yo f d a t a - c o l l e c t i n g f u r t h e r m o r e ，w ed i s c u s st h ew a yo f f l e x i b l ed i s p l a y i n ga n d e q u i p m e n t s e l e c t i o nb a s e do nt h ea d v a n t a g e so fx m l t e c h n o l o g y w ep r o p o s et h r e ew i r e l e s st r a n s m i s s i o nm e t h o d sa sw e l la s c o m p a r et h e m ，a n d i m p l e m e n tad e m oi n f o r m a t i o nq u e r ys y s t e mb a s e do nw a pt e c h n o l o g y f i n a l l y ，w e d e v e l o p a p r o t o t y p es y s t e m a i m e da t k e e p i n g s u r v e i l l a n c eo f e q u i p m e n t s t a t u s i n t b r m a t i o n ，w h i c hm a yg i v ee v i d e n c et h a to u rs o l u t i o ni sb o t hf e a s i b l ea n de f f e c t i v e i nt h ee n d ，a f t e rs u m m i n g u pt h ew h o l ep a p e r ，s o m ef u r t h e rr e s e a r c h e sa r ea l s o s u g g e s t e d k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o n i z e dm a n u f a c t u r i n g ；o p c ；x m l ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n g & m o n i t o r i n g 第1 i 页 壹室堕窒堕丕查兰堡主兰垡望苎 一 第一章绪论 i i 信息化制造与制造信息采集 i 1 1 信息化制造及其特征 以计算机技术为核心的信息技术的迅速发展及其在制造业的广泛应用，使制 造业的生产方式发生了深刻的变化，传统的制造业生产方式逐步向信息化制造的 方向发展。 信息化制造是以互联网技术，网络伙伴的合作，电子驱动工作流以及核心制 造能力为杠杆的竞争策略。它对解决目i i $ i 造企业所面临的运作模式效率低、制 造成本高、市场反应速度慢、服务水平低、市场覆盖面窄等问题将起到积极的作 用。 以合作确保制造系统运行 信息化制造高柔性、实时地与合作伙伴共享恰当信息，形成战略信息的透明 度，并以敏捷的反应能力处理涉及企业业务工作流及跨国公司商务工作流。 信息化制造系统为系统内可共享的资产制定标准的运作程序并进行i s 0 认 证。通过共享其它合作伙伴的资产，可避免因生产设备出故障而造成的生产停顿。 通过合作可大大地减少资源协调工作时间和资源的重复采购，同时还可实施资产 的远程监控和维护，最重要的是商务伙伴及供应链伙伴在其内部就能作出正确快 速的反应。 制造过程与商务过程并行实施 为了在竞争中立于不败之地，制造商必须拥有清晰的制造信息，以便在制造 过程中达到更加柔性、敏捷的执行计划，而电子商务的目标是获得低成本、高质 量，并快速地满足用户需求。为了满足电子商务用户所期望的市场要求，制造商 与电子商务用户必须参与到这样一种合作环境中去，使他们加强与用户、供应商 之间的信息共享，从而使制造信息随市场变化而相应调整。为了达到此目的。制 造商通过商效的运行方式与合作伙伴紧密集成，并通过扩充供应链来组织他们的 制造系统，以完美地执行每项计划，保证每个生产节点与整个机构协同工作，保 证制造商能与电子商务速度保持一致，更加柔性地响应用户需求，更加精确地操 作他们所做的任何事情。 第l 页 面向信息化制造的设备状态信息监视系统开发 _ ，_ - _ _ _ ，- w 一一 工作流、信息流和物流的相互协调 传统企业采用供应链计划以及采购系统来增强供应链间的关系，它们参与到 买方或卖方市场，两者既不排斥也不易集成。而信息化制造通过网络来反馈实际 需求，而不是预测，从而获得竞争优势。 在信息化制造系统供应网中，合作伙伴均能跨越各组织的界限，分享商业过 程及数据。让上游伙伴充分准备资源以保证下游伙伴有足够的制造周期，下游伙 伴准确知道材料供应的时间及数量。系统能够与真实的制造计划进行相互协调， 从而达到增强制造能力，减少库存，减少辅助时间，并使协调更加柔性，以便快 捷地适应市场的变化。 企q k 问关系链中自动处理商务过程和工作流 在电子商务时代，管理工作是先做出工作计划，然后按计划监督实施，而信 息化制造则是实时地对供需双方的情况快速监测并作出反应，两者具有本质的区 别。前者是对一套预先确定的价值进行实施，没有实时作用，没有自动控制，它 不能动态地重新构建商务操作性内容。而后者能对加工过程实施监管，增减相关 制造价值。在动态的竞争场合中，为了评估和达成新的商务活动，要求在供应链 环内建立工厂动态模型，这就意味着实时地扩充企业范围数据，用于作出决策， 进行有效通信，从而达到制造的敏捷性以及和客户间的有效交互。所以说信息化 制造是横跨价值网的商务自动化，是同步和优化使用共同目标的数据模型，是丌 放的集成系统和加工工作流。 集成所有合作伙伴的设计过程 新产品设计及其加工过程本质上就是合作过程，信息化制造正是基于支持这 些活动而产生。由于制造商必须与生产伙伴合作，他们必须能够对新产品的设计 进行快速而有效的反应。这种设计的合作过程包括管理的标准化、产品数据管理 和多领域制造商的生产过程。它支持装配工艺、有限元设计、加工工艺分工、工 作指南、例行运作时间特性分析和优化，同时还集成企业间的商务系统，这样便 有利于制造商减少资产投资，同时又能柔性地提高其效率，并能使供应商和制造 商在需求和实际能力方面达到默契，开发出一个包括市场、科研、生产合作的共 性方案，以满足其所有特定需求，并最终达到客户满意的目的。 信息的双向传递 随着制造商之州的密切合作和相互影响，在节点上进行双向传递信息便显得 愈加重要。制造质量、适用材料和生产状况信息必须依次传给用户，反之订单、 目录单以及用户的改变信息则需逆向传递。信息制造的杠杆作用就是以集中分配 的方式协调生产和生产过程中原材料的供给，通过高度集中和相互协调的价值链 分享整个价值链和当前企业内部的详细生产信息。 因此，信息化制造具有以下几个重要特征。 第2 页 南京航空航天大学硕士学位论文 速度( s p e e d ) 在! i 三产底层控制和上层企业资源管理系统有机集成的基础上，将供应 商和客户纳入到企业自身的供应链中，及时知道下游客户需求情况，让上 游的供应商及时了解企业原材料的库存情况、配套情况，在供应商、商家、 客户三者之间妻藿蠢形成一个有效的闭路，实现对市场的快速响应。 柔性( f l e x i b i l i t y ) 信息化制造系统将合作伙伴的资产基于一定的运作程序和i s o 认证都 可共享资产、程序和加工方面的信息，使得制造系统更加柔性。 集成( i n t e g r a t i o n ) 利用集成的控制平台实现制造过程与商务过程的并行实施，使工作 流、信息流和物流运作相互协调，增加操作的敏捷性。 可视化( v i s i b i l i t y ) 向客户和供应商提供各种数字和图像信息，实现制造过程可视化。在 增加对企业的了解，提高对企业的信心的同时，加强对企业的监督。 1 1 2 制造信息采集单元信息化制造中的重要地位 在信息化制造引入之前。许多制造业用c i m s 概念改造企业。c i i d s 的主要目 标是以计算机网络和数据库为基础实现c a d c a m 、生产信息管理、质量信息管理 和自动化生产等子系统的信息的集成。但是从前面的分析可以清楚看到c i m s 要 向信息化制造转化还有很长的距离，它不但表现在信息集成的广度，还涉及到信 息传输的实时阼。 从冈i1 表示的信息化制造系统的概念模型。在系统控制结构中，以p i c 控制器为代表的设备控制器是底层：制造( 装配) 单元控制系统、m e s ( m a n u r a c t u r i n gg x e c u t i o r ls y s t e m ) 或其它制造管理系统是中间层：而e r p 的企业应用管理系统是项层，企业门户是实现企业与客户、供应商联系的纽带。 它反映了工厂信息化制造系统的配置，并近似于实时管理和商务处理，从根本上 体现了一个企业自上而下、由里到外的基本商务形式。 电子化制造在强有力的信息采集系统支持下运用 i n t r a n e t i n t e r n e t e x t r a n e t 的数据交换能力，将工厂现场的操作连接到整个 企业的业务系统，乃至整个供应链，使得企业的可达范围以及协作能力得到了很 大的提高。通过i n t e r n e t 接触任何地方的用户，并可以使雇员、供应商和贸易 伙伴之问的关系更加紧密，更容易从他们哪里获得大量的市场和产品反馈信息； 另一方面通过连接工厂现场获得实时的生产信息和设备状态信息。这些数据一方 面保证企业问的正常运行，另一方面它使您更好地决策，创造出更高的生产和服 第3 页 面向信息化制造的设备状态信息监视系统开发 务效a & ，使仓q k 存竞争中处于更加优势的地位。 因此，制造信息的采集是实现制造过程和商务过程并行的关键，也是信息化 制造的基础。只有加强制造信息采集的深度和广度，才能有效满足信息化制造系 统运行对信息的需求。 图1 - 1 信息化制造系统概念模型 1 2 研究目的与内容 1 2 1 研究的目的 虽然随着制造业信息化战略的提出，人们已经清楚地意识到制造信息采集的 重要性。但是面对信息化制造对制造信息采集的高要求，传统的制造信息采集技 术已经远远不能适应，迫切需要寻求解决的途径。主要表现为二个方面。第一， 信息采集接口技术：第二，信息集成技术。 就信息采集接i 一1 技术而占，山于现场设备之间缺乏统一的通信协议造成了以 下信息采集瓶颈。 由于现场各种仪表、p l c 等工业监控设备通过各自的通讯协议与各种应 用通信，因此需要为每种设备编写专用的通信接口函数，使得信息采集 系统包含多种底层通信模块，造成了信息采集效率低下，实时性差。 当底层设备规模的扩大和过程控制复杂程度的提高，现场设备种类越来 第4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 越多，且设备不断地升级，现场信息数量不断上升，给信息采集系统的 丌发，尤其是系统的维护升级带来了巨大的困难。 信息采集系统开发极具针对性，系统的可复用度极低，资源不能共享， 信息采集成本提高。 人们也一直在试图解决这一问题，例如制造自动化协议( m a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o np r o t o c o l ，m a p ) 的提出就是一个证明。但是m a p 技术由于协议多 变、成本难以降低等原因，这样的努力没有能够取得成效。过程控制中的对象链 接与嵌入( o l ei np r o c e s sc o n t r o l ，o p c ) 技术的出现为解决信息采集接口标准 难以统一的问题带来了曙光。 存信息化制造系统中信息技术在制造业的应用开始从以计算与存储为核心 向以传输与交换为核心过渡转换，另外信息传输的环境也发生了巨大的变化。以 往系统的信息源都来自企业内部，常常采用一种系统自定义的数据格式，存放在 数据库中，所有的应用都是直接通过对数据库的操作就可以实现各自的目的。在 信息化制造系统中，信息的交互不只是在一个企业的内部，而且包括不断变化的 联盟企业、客户、和销售商。这样，系统中将出现各种异构信息。无法采用种 标准化的数据形式来表现。 对信息传输环境来说，第一，信息的覆盖面不断扩大。随黄网络通讯技术的 飞速发展，使人们随时随地获取信息和传递信息的愿望变成了现实，无论是在办 公室，还是在飞机场或汽车里，都可以随时随地交流信息。第二，接收信息的工 具发生了巨大的变化，从原先单一的计算机，开始向各种手持终端设备扩展，如 寻呼机、手机、p d a 等。这就要求使用统一的数据源，以不同的通信机制，将 信息正确传输到不同的地点、设备。并且将信息依据不同的设备正确地显示出来。 可扩展胃标语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 它以易操作、自描述、 可扩展、跨平台、低成本等优势脱颖而出，成为新一代数据处理和数据交换的先 进技术，它为制造信息的有效存储、传输和交换打下了技术基础。 本文的研究目的在于研究基于o p c 和x m l 技术的面向制造业信息化的制 造信息采集系统的开发技术。期望制造信息采集系统不但具有统一的信息采集接 f 和灵活的信息集成策略，而且达到客户端设备柔性、信息采集柔性、信息显示 方式柔性。 1 2 2 主要研究范围与研究内容 由于面向制造业信息化的制造信息采集技术的范围非常的广泛，本文的研究 范围主要集中在基于o p c 的制造设备状态信息采集接口开发技术、基于x m l 的制造信息存储、转换与集成技术、无线通信技术在设备状态信息传输中的应用 等。 本文的主要研究内容如下： 第5 页 面向信息化制造的改稀状态信息监视系统j l ：发 本文的主要研究内容如下： 1 分析信息化制造系统的特征，研究基于o p c 干x m l 技术的面向信息化 制造系统的制造设备状态信。t l tj l ( i 视系统总体结构、承小功能心0 ；7 j 案。 2 分析设备状态信息采集的核心技术，研究o p c 技术及其在制造设备状 念信息采集t 卜i 的成川。：j f ：结合o p ci ；1 动化接口，通过实际的的应川给 山应川程序访f jo p c 服务器的力法年一般步骤。 3 对x m l 数据操作、存储及转换技术进行具体分析，详细说明利用d o m 和s a x 接口对x m l 文档进行解析的方法，给出解析x m l 文档的具体 方法和步骤；进一步研究x m l 数据源与关系型数据库之间的映剁和转 换关系。 4 通过对现代无线通讯技术传送数据的儿种解决方案分析，比较其优劣。 ，f ：结合设备状态信息发们的需求，给j | j 移动手持设笛务咖设备状念信息 的实际解决方案。 5 完成面向信息化制造的设备状态信息监视原型系统的丌发，并利川 n o k i am o b i l ei n t e r n e tt o o l k i t 模拟开发工具，实现移动手持终端以w a p 方式访问企业门户查询设备状态信息，对本文提到的面向信息化制造系 统设备状态监视的棚关技术的可行性和有效性进行验证。 第6 页 南京航空航天大学硕十学何论文 第二章面向信息化制造的设备状态信息监视系统 2 1 基于0 p c 和x m l 的信息化制造系统体系结构 由于设备状态信息监视系统融合在信息化制造系统的内部，同时为了将 x m l 和o p c 技术作为系统设计的技术基础以达到本文的研究目的，也为了能更 好地对系统进行规划，本文在设备状态信息监视系统设计之前，将首先讨论信息 化制造系统的体系结构及其信息链。 信息化制造的体系结构包含两大部分，一部分是以内部网络为基础，允许雇 员共享公司信息和运算资源。它包含一令公司内部范围所有信息化制造的运用。 另一部分是公司与外部团体进行某些种类的交互的作用，诸如与客户、贸易伙伴 或金融机构之间的信息传递，它主要有两个主类别，企业与客户( b 2 c ) 和企业 对企业( b 2 b ) 。图2 - 1 表示了基于o p c 和x m l 的信息化制造系统的体系结构 及其信息链。 从图2 1 可以清楚地看到，o p c 和x m l 构成了信息化制造系统信息链的技 术基础。整个信息链不但支持底层工厂自动化功能，而且支持企业全程业务管理。 构造支持企业全程业务的电子化制造信息链，是一项复杂的系统工程，相关基于 o p c 和x m l 的信息化制造系统信息链构造，也是本文所要解决的关键技术， 将在后续章节中结合本文的研究主题进行详细讨论。 在基于o p c 和x m l 信息化制造系统信息链中，企业门户起着桥梁和纽带 的作用。企业门户基于网络的应用，它能将内部或外部的信息连接成一个系统运 行的完整信息链。系统信息链将建立商务门户的关键因素，即公司数据、服务和 程序集成到公用的门户框架中，通过i n t e r n e t 和i n t r a n e t 集成提供系统内、外用 户访问功能，并维护不同的访问选项、内容和服务。 在企业门户的制定和应用中，x m l 技术扮演了重要的角色，x m l 是统一的 数据交换格式，企业在他们的应用软件中实现x m l 接口，通过使用x m l 可以 用一种统一的方式从不同种类的应用软件中读取数据。这就允许在很多数据说明 和该信息门户使用的单一的文档类型规定之间进行映射，从而达到i n t e m e t 和 i n t r a n e t 之间的相互信息交互。 从以上分析，我们可以得出以下重要结论： 企j k f 户为形成i n t e r n e t 和i n t r a n e t 一体化的企业信息系统打下了基 础： 基于x m l 技术的信息化制造信息链适用于异构平台。由于采用x m l 作为数据交换媒介，而x m l 内置了w n i c d e ，其内容和元素支持任 第7 页 面向信息化制造的设备状态信息监视系统开发 何一种语言，这样解决了多语言兼容问题，可实现跨国数据交换。另 则x m l 是标准通用标识语言，独立于平台之间信息表达格式：因此 x m l 的平台无关性避免了系统因不同平台引起的二进制格式不兼容 的问题。 支持工厂自动化系统的信息集成：o p c 技术成为底层制造设备信息集 成提供了统一的集成接口。无论底层制造自动化系统有多么复杂，即 使在出现多种现场总线共存的情况下，也为不同类别的现场总线集成 提供了集成方案。 图2 - 1 基丁o p c 和x m l 的信息化制造系统体系结构 2 2 面向信息化制造的设备状态信息监视系统设计 2 2 1 系统设计的基本目标 为了重点探讨面向信息化制造环境的设备状态信息采集系统开发中的相关 技术，同时结合江西齿轮制造企业在实施数字化制造工程中对设备状态信息监视 系统的一些基本需求，本文设计了面向信息化制造的设备状态信息监视系统的框 第8 页 南京航空航天大学硕士学位论文 架模型，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 面向信息化制造的设备状态信息监视系统框架模型 从该框架模型中可以看到，设备状态监视信息系统利用o p c 技术对生产现 场设备状态信息进行采集，这样可以确保设备状态信息采集接口的统一性和数据 采集的柔性。 从系统模型中可以看到，通过o p c 技术采集到的设备状态信息通过设备状 态信息监视系统存储到x m l 数据源中，这样有利于整个信息链系统对数据的存 取、管理和交换。从o p c 技术的发展看，未来的o p c 服务器可以直接提供x m l 格式的状态信息文件，o p c 基金会2 0 0 2 年中已经颁布了o p c x m l 规范第一版。 本文也将在后续章节中作简要的介绍。 由于设备状态信息监视系统采用x m l 作为数据陈述的媒介，因此，确保了 各种状态信息可以跨平台传输，同时也可以使同一数据源在不同的数据终端、以 不同的显示方式实现。 由于实施信息化制造的企业通常有企业信息化的基础，这就是说在原先已经 有一些应用系统，而这些应用系统的数据源来自非x m l 数据库，而它们也需要 相关的设备状态信息，所以在系统模型中保留了非x m l 数据库，对非x m l 数 据库信息的存取通过中间转换接口来实现。 系统内、外设备状态信息的交互基于企业门户来实现，在企业门户中设计了 第9 页 面向信息化制造的设备状态信息监视系统开发 无线数据交互服务器，这样利用无线通讯技术可以实现将设备的状态信息发送到 手持终端设备中，使相关管理者、维修人员或特定客户随时随地了解和掌握设备 的运行情况。 2 2 2 系统的基本功能 面向信息话制造的设备状态信息监视系统的基本功能包括两大部分：设备状 态信息监视系统和移动手持终端设备状态信息查询。 ( 1 ) 设备状态信息监视系统基本功能。 系统用户管理： 设备状态信息采集： 设备状态信息显示； 设备状态短消息发送； 设备管理人员及维修值班人员管理； 将查询结果转存为l o g 文件； 设备状态历史信息查看等。 ( 2 ) 移动手持终端设备状态信息查询功能。 第1 0 页 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章基于o p t 的设备信息状态采集技术 3 1 o p c 技术概述 3 1 1o p c 结构、对象与属性 o p c 表示为应用于过程控制的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 ) ，它是 o p c 基金会1 9 9 6 年推出的一套基于微软的0 l e c o m 标准接口协议，其目的在 于建立一个有效实现数据交换的接口，提高制造业和过程控制工业的各种自动化 应用。自o p c 基金会颁布o p cv e r s i o n1 0 以来，会员总数已经超过2 0 0 个，底 层设备控制器的o e m 厂商都能提供o p c 产品，已经成为得到大家共同认同的 工业标准。 o p c 技术采用客户，服务器的通信模式，其结构如图3 1 所示。o p cs e r v e r 服务器是一个典型的现场数据源程序，它采集现场设备数据信息，通过标准的 o p c 接口传送给o p c 客户端应用；o p cc l i e n t 是一个典型的数据接收程序，如 h m i 、s c a d a 等。o p c 客户应用通过o p c 提供的标准接口与o p c 服务器通信， 获取o p c 服务器的各种信息，符合o p c 标准的客户应用可以访问来自任何生产 厂商的o p c 服务器。一个o p c 客户可以同时与多个o p c 服务器“对话”。标 准接口保证了互操作性，使得所以支持o p c 的客户能够以一致的方式访问所有 o p c 服务器。 i 划3 io p c 的c l i e n t s e r v e r 结构 o p c 定义了一套应用于支持过程数据访问、报警、事件，以及过程历史数据 访问等功能的c o m 接口。o p c 服务器逻辑对象模型如图3 - 2 所示，它包含三个 核心对象：o p c s e r v e r 、o p c g r o u p 和o p c i t e m 。o p c s e r v e r 和o p c g r o u p 都是 第l i 页 面向信息化制造的设备状态信息监视系统开发 应用程序可以直接连接的c o m 的对象，从服务器的有效性和复杂性考虑， o p c i t e m 不作为c o m 的对象，不能直接提供与客户的应用接口，因此应用程序 要访问o p c i t e m 必须通过它所属的o p c g r o u p 对象。 图3 - 2o p c s e r v e r 逻辑对象模型 o p c s e r v e r 对象位于模型的顶层，它包含o p d g r o u p 对象的集合o p c g r o u p s ， 并创建了o p c b r o w s e r 对象。o p c b r o w s e r 仅仅是存在于每个o p c s e r v e r 中的浏 览器，它用于浏览当前o p c s e r v e r 连接的硬件设备的物理层次结构。但不能浏览 o p c g r o u p 和o p c i t e m 的结构，因为o p c g r o u p 和o p c i t e m 是一种组织数据的 方法而与物理的连接没有直接的关系。 o p c g r o u p 对象分为公有( p u b l i c ) 和私有( p r i v a t e ) 两类。p u b l i c 类型不需 要客户自己加入到o p c g r o u p s 中，它是预先就存在与o p c g r o u p s 集合中的 o p c g r o u p 对象。p r i v a t e 类型的o p c g r o u p 需要用户舔加进来的对象。o p c g r o u p 对象起到了状态信息维护的作用，并提供了一套信息获取服务的机制。通过这个 对象，应用程序可以根据实际应用的需要决定o p c g r o u p 的内容和所包含的 o p c i t e m 对象，这样使得应用程序可以按照实际需求重组现场数据，但不影响底 层现场数据的组织。o p c i t e m s 是o p c g r o u p 对象所包含的o p c i t e m 对象集合。 o p c i t e m 对象提供了直接与现场设备的一个数据相连接，即每个o p c i t e m 与控 制设备的一个信号变量对应。它包括对象的定义，当前数值、状态信息和最后更 新时间的记录等。 o p c s e r v e r 的类型包括“i n - - p r o c e s s ”、“l o c a l ”和“r e m o t e ”三种方式，采 用那种方式取决于系统软硬件和网络系统的配置。因此o p c 客户可以访问本机 的o p c s e r v e r ，也可以通过网络访问远程计算机上的o p c s e r v e r ，在远程访问的 情况下要通过使用d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m ) 来提供网络支持。 o p c 标准协议定义了自定义接口和自动化接口两套接口标准，o p c 客户端 应用程序与o p c s e r v e r 通信既可以通过自定义接口，也可以通过自动化接口。每 个o p c s e r v e r 必须提供自定义接口，同时基金会也对自动化接口定义了标准。通 常客户端应用程序采用脚本语言如v b 等通常使用自动化接口；而客户端采用 c + + 通常采用自定义接口，这样可以最大限度地实现系统的性能。 第1 2 页 南京航空航天大学硕士学位论文 应用程序可以通过创建对象命令实现与o p c s e r v e r 连接，并得到正在运行的 o p c s en ，e r 对象。如果安装了多个o p c s e r v e r 那么返回值就是一个数组，列出了 所有可用的o p c s e r v e r 。这个返回值作为o p c s e r v e r 对象c o n n e c t 的参数。其中 参数n o d e 是可选的，如果要连接本机的o p c s e r v e r 则可以省略，如果要连接远 程主机的o p c s e 删则需要给出这个参数，参数可以是出主机名( u n c ) ，也可 以是主机的域名( d n s ) ，或者是主机的i p 地址。 o p c s e r v e r 成功连接后可以通过一个变量来指向o p c s e r v e r 对象的缺省接 口，并通过该变量来访问与此接口相关的所以属性( p r o p e r t i e s ) 、方法( m e t h o d s ) 和事件( e v e n t s ) ，详细的内容可参考相关文献。 3 1 2o p c 规范 自1 9 9 6 年o p c i 0 版规范诞生以来，1 9 9 7 年o p c 规范1 0 a 版发布，并正 式改称为数据存取规范( o p cd a t a a c c e s s ) 1 0 a 版。1 9 9 8 年数据存取规范升级 到2 0 版，同年还发布报警与事件( o p ca l a r m s & e v e n t s ) 规范1 0 。1 9 9 9 年数据 存取规范升级到2 0 2 版。2 0 0 0 年发布o p c 历史数据存取规范( o p ch i s t o r i c a ld a t a a c c e s s ) 、o p c 批量过程规范( o p cb a t c h ) 及o p c 安全性规范( o p c s e c u r i t y ) 。 2 0 0 1 1 4 1 充了o p c 历史数据存取规范中的自动化接口规范，同年批量过程规范 升级至2 0 版本。2 0 0 2 年在德国汉诺威展览会上展示了o p c 的数据交换技术 ( o p cd a t ae x c h a n g e ) 。 3 1 3o p c 的技术优势 o p c 技术规范已经是国际上通用的一个工业标准，它定义了应用微软操作 系统在基于p c 的客户机之间交换自动化实时数据的方法。o p c 的出现为基于 w i n d o w s 的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。它以o l e c o m d c o m 机制作为应用程序级的通信标准，采用客户服务器模式，把开发访问接f 的任 务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以o p c 服务器的形式提供给用户，从而为 上层的应用软件开发者提供了一套标准的接口，很好地解决了软、硬件厂商的矛 盾，完成了系统的集成。只要符合o p c 规范的现场设备可无缝地集成在一个系 统中。因此o p c 技术可为制造信息信息集成带来以下优点： 现场设备供应商只需要提供一个符合o p c 规范的o p c 服务器，就可以 满足不同用户的需要； 简单、方便地实现应用程序的连接性和互操作性。应用程序只需编写一 个通用的接口便可实现不同设备的连接； 高层用户可以有更多的选择，可使用不同设备集成的系统以达到系统功 能最好、价格最优，而不必担心系统运转、维护、升级时的设备兼容性 第1 3 页 面向信息化制造的设备状态信息监视系统开发 问题。 降低系统集成成本，缩短集成周期； 具有即插即用( p l u ga n dp l a y ) 的连接性； 方便地将微软的基础平台与其它应用软件及产品集成到自动化解决方案 中； 使用同一应用软件界面程序： 不受传统设备供应商遗留的专用性限制，自由选择“最好产品”： 降低故障诊断和系统维护费用。 3 20 p c 技术在设备状态信息采集中的应用研究 3 2 10 p c 应用原理 通过o p c 接口，各o p c 客户与o p c 服务器之间形成即插即用的链接关系， 而不依赖于软件和设备的特定属性，客户与服务器可无缝隙地交换数据。o p c 服务器并不关心具体某个客户，而o p c 客户根据需要，接通或断丌与o p c 服 务器的链接。一个设备或应用软件，只要符合o p c 规范，可以很容易地加入系 统，立即投入使用。通过o p c 接口，可以在设备与应用软件之间建立开放的、 具有可互操作性的联接；用户不必再关心集成不同部件的接口问题，可以自由地 选择合适的软件和设备，如d c s 、p l c 、s c a d a 、变频器；各种类型的硬件设 备，只要具有o p c 接口，可以任意更换和增加。o p c 技术是解决应用程序及设 备问的通讯的理想手段。在信息采集系统开发中具有广阔的应用前景。 在线设备数据监测。o p c 实现了应用程序和制造设备之间高效、灵活的 数据读写。 报警和事件处理。o p c 提供了o p c 服务器发生异常时，以及o p c 服务 器设定事件到来时向o p c 客户端发送消息机制。 历史数据访问。o p c 实现了对历史数据库的读取、操作、编辑。 远程数据访问。借助m i c r o s o f t 的d c o m 技术，o p c 实现了高性能的远 程数掘访问能力。 3 2 2 基于0 p c 的设备状态信息采集 现代通信技术，特别是现场总线技术使底层制造设备具有了通信能力，并以 底层设备为网络节点形成了开放式数字通信网络，使自动化领域步入了数字通信 时代。但是在制造系统中，设备的通信接口通常由不同的制造商依据自身的协议 制定的，因此存在设备状态信息采集接v i 不统一的问题，从前面的分析可以认为 第1 4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 这个问题已经成为制造设备信息采集的瓶颈。 o p c 技术为我们解决这个瓶颈提供了技术基础，无论是一个简单的制造系 统，还是一个复杂的系统都可以通过统一的解决方案来解决。例如，在一个制造 系统中出现多种现场总线共存的情况，o p c 技术也可为不同类别现场总线的集 成提供了集成方案，只要为不同类型的现场总线网段上的现场设备提供 o p c s e r v e r ，然后利用o p c s e r v e r 对外接口的一致性，可实现服务器之间的信息 集成，图3 3 是利用o p c 技术实现不同类型现场总线集成的技术方案。下面利 用r o c w e l l a u t o m a t i o n 公司的o p cs e r v e r r s l i n x ，以o p c 自动化接口为例介绍 基于o p c 的设备状态信息采集技术。 现场总线i 设备 现场总线n i 5 各现场总线1 设备 现场总线n 设各 图3 - 3 不同类型现场总线集成方案 ( 1 ) o p c s e r v e r 的设置、连接与撤销 图3 4 是r s l i n x o p c s e r v e r ，利用它可以进行o p c s e r v e r 相关通信路径的 设置。图3 5 是利用r s l i n x o p c s e r v e r 配置o p c s e r v e r 数据源，这里的 o p c s e r v e r 数据源是“a s s e m b l y ”。如果应用系统需要，o p c s e r v e r 可配置多个 数据源。 第1 5 页 面向信息化制造的设备状态信息监视系统开发 图3 4r s li n xo p c r p p r 涌住脓辑沿晋 图3 - - 5o p c s e r v e r 数据源配置 一旦建立了o p c s e r v e r ，任何客户端的应用程序都可以通过它采集到用户所 需的数据。数据采集通常首先需要建立o p c s e r v e r 的连接。当不需要采集的时候， 第1 6 页 南京航空航天大学硕士学位论文 客户端应用程序可以断开o p c s e r v e r 连接。下面是采用自动化接口的o p c s e r v e r 连接与撤销的应用程序。 川i t i i 川t t 川 川川川i 川川i - 建立0 p c s e r v e r 连接 d i mg g o p c s e r