（机械电子工程专业论文）scada系统中应用opc数据接口技术的研发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 数据采集与监视控制( s c a d a ) 系统是以计算机、通信网络为基础的生 产过程控制与调度自动化系统，在工业自动化领域得到了广泛的应用。工业 生产过程复杂程度的提高，s c a d a 系统需要集成数量和种类不断增多的现 场信息，由此引发的大量的规约转换工作和兼容性问题已经成为实际工程中 的瓶颈，使得s c a d a 系统内的无缝互连变得相当困难。 o p c 技术为工业自动化系统不同应用层之间提供了一种标准的数据交 换机制，使工业控制环境中的各个数据源之间能够灵活地进行数据交换，这 对增强s c a d a 系统的开放性和互操作性，实现不同系统的集成，达到信息 的共享，具有重要作用。 论文从企业的实际需求出发，不仅着眼于o p c 技术的深入研究，而且着 重就工业控制环境下如何在s c a d a 系统中应用o p c 技术，实现不同数据源 之间的数据交换以及s c a d a 系统的互连集成进行了较为深入的研究，设计 了s c a d a 系统引入o p c 技术后的软件集成解决方案以及o p c 服务器内部 结构，并按照o p c 基金会的数据访问规范，结合组件对象模型技术，在v c + + 集成开发环境中开发了o p c 数据访问服务器核心组件程序和服务器界面组 态程序源代码，把各种设备的通信协议转换成o p c 标准，对外提供标准的接 口，为各种带有o p c 客户端的工业监控软件提供数据源，实现了信息的共享， 解决了不同硬件设备以及应用软件的通讯协议兼容性问题，为工业过程控制 级与企业信息管理级通讯打下了坚实的基础，应用效果良好，具有很强的工 程实用价值，达到了理论研究与实践的紧密结合。 关键词：s c a d a ；o p c ；数据接口；研发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h es u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ( s c a d a ) s y s t e mi sa p r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r o l l i n ga n dd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e d o nt h ec o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ，a n di th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e f i e l do fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n a st h ec o m p l e x i t yo fi n d u s t r i a lp r o c e s s e si s i m p r o v i n g ，s c a d as y s t e mn e e d st oi n t e g r a t ea ni n c r e a s i n gn u m b e ra n dr a n g eo f o n s i t ei n f o r m a t i o n s i m u l t a n e o u s l y , al a r g en u m b e ro fp r o t o c o lc o n v e r s i o nw o r k a n dc o m p a t i b i l i t yi s s u e sh a v eb e c o m eab o t t l e n e c ki np r a c t i c a lp r o j e c t s ，s ot h a t s e a m l e s si n t e r c o n n e c t i o ni nt h es c a d a s y s t e mb e c o m e sr a t h e rd i f f i c u l t o p ct e c h n o l o g yp r o v i d e sas t a n d a r dd a t ae x c h a n g em e c h a n i s mf o rt h e d i f f e r e n ti n d u s t r i a la u t o m a t i o ns y s t e ml a y e r s t h i sm a k e st h a te v e r yd a t as o u r c e h a st h ef l e x i b i l i t yt oe x c h a n g ed a t ai nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o le n v i r o n m e n t a n di t h a sp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei ne n h a n c i n gt h eo p e n n e s sa n di n t e r o p e r a b i l i t yo f s c a d a s y s t e m ，a c h i e v i n gt h ei n t e g r a t i o no fd i f f e r e n ts y s t e m sa n ds h a r i n gt h e i n f o r m a t i o n c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ln e e d so fe n t e r p r i s e s ，t h i sp a p e ri sn o to n l yf o c u so n i n - d e p t hs t u d y o fo p c t e c h n o l o g y , b u ta l s of o c u s i n go nr e s e a r c h i n gh o wt oa p p l y o p c t e c h n o l o g yi ns c a d as y s t e ma n da c h i e v ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nd i f f e r e n t d a t as o u r c e sa n dt h ei n t e r c o n n e c ti n t e g r a t i o no fs c a d a s y s t e mi nt h ei n d u s t r i a l c o n t r o le n v i r o n m e n t i ta l s oi n c l u d e st h ed e s i g no fs o f t w a r ei n t e g r a t i o ns o l u t i o n s f o rs c a d as y s t e mw h i c hh a si m p o r t e do p ct e c h n o l o g ya n dt h ei n t e r n a l s t r u c t u r eo f0 p cs e r v e ra c c o r d i n gt od a t aa c c e s s s p e c i f i c a t i o no fo p c f o u n d a t i o na n dc o m b i n i n gc o m p o n e n to b je c tm o d e lt e c h n o l o g y , t h i sp a p e r d e v e l o p e dt h ec o r ec o m p o n e n t sp r o g r a ma n dt h ei n t e r f a c ec o n f i g u r a t i o np r o g r a m s o u r c ec o d eo fo p cd a t aa c c e s ss e r v e ri nt h ev c + + i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 e n v i r o n m e n t ，i na d d i t i o n ，i tc o n v e y sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so fd i f f e r e n t e q u i p m e n t si n t oo p c s t a n d a r d s i tp r o v i d e sas t a n d a r di n t e r f a c et oe x t e r n a la n d p r o v i d e st h ed a t as o u r c et oav a r i f yo fi n d u s t r i a lm o n i t o r i n gs o f t w a r ew i t ho p c c l i e n t a l lo ft h e s et h a ta r ep r o v e dt ob eu s e f u li na p p l i c a t i o ne n a b l ei n f o r m a t i o n s h a r i n ga n ds o l v et h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lc o m p a t i b i l i t yi s s u e sb e t w e e n d i f f e r e n th a r d w a r ed e v i c e sa n da p p l i c a t i o n ss o f t w a r e t h i sl a y sas o l i df o u n d a t i o n f o ri n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o la n de n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tn e w s l e t t e r , h a sas t r o n gp r a c t i c a lv a l u ei ne n g i n e e r i n ga n da c h i e v e sc l o s ei n t e g r a t i o no f t h e o r ya n dp r a c t i c e k e yw o rd s ：s c a d a ；o p c ；d a t ai n t e r f a c e ；r & d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密母使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：徐攀 日期：卅1 2 f 弓 指导老师签名： 日期：卅- f 2 ，弓 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 分析了目前s c a d a 系统解决方案存在的不足，将基于c o m d c o m 技术的o p c 客户机服务器模式引入到一个实际的s c a d a 系统中，开发o p c 数据访问服务器。 ( 2 ) o p c 服务器核心组件采用源码开发方式，节约了购买开发工具包 的资金，可以实现源代码的复用，提高了研究及学术水平，产品完全拥有自 主知识产权。 ( 3 ) 模块化的程序设计思想，将o p c 服务器封装到一个单独的模块中， 减少了模块之间的关联性，便于o p c 服务器的维护和继续开发。 学位论文作者签名：徐攀 日期：叶年f 月侈日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1s c a d a 系统简介 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与 监视控制系统，是以计算机、通信网络为基础的生产过程控制与调度自动化 系统，通过对现场运行的设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、 测量、参数调节及各类信号报警等功能，遥测、遥信、遥控和遥调是s c a d a 系统的基本任务。计算机应用技术飞速发展，s c a d a 系统在电力、钢铁、 给水、石油、化工等工业领域得到了广泛的应用，尤其在电力系统中应用最 为广泛，技术发展也最为成熟【1 】。 为适应信息技术、网络技术与自动化技术的发展，把计算机技术应用到 工业自动化当中去，要求建立新一代工业控制系统方案的模型。现场总线技 术的出现，把系统集成的思想引入到了自动化领域，突破了d c s 系统中依靠 专用网络进行通信的局限性。但现场总线领域的竞争非常激烈，至今还未形 成统一的技术标准，其开放程度也不够。当现场智能设备将现场信息通过通 信网络传送至监控计算机后，又存在着信息共享与交互的问题。监控计算机 内部应用程序需要对现场信息进行处理，企业生产管理层也需要与监控计算 机进行信息沟通。传统的s c a d a 系统设计模式已经成为了工业自动化系统 发展的一个瓶颈，所有这一系列的问题放在一起，构成了s c a d a 系统的基 本模型。典型的s c a d a 系统结构如图1 1 所示，它包括以下四个部分。 ( 1 ) 现场管理( f i e l dm a n a g e m e n t ) - 完成现场仪表设备之间的信息通 信，并为上层信息系统提供访问接口。底层设备通常有p l c 、r t u 等，统称 为智能电子设备( i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c e ，i e d ) ，监控中心操作人员可以 通过操作站端监控软件方便地对控制器进行组态和下载程序，最终实现实时 数据采集、上下限报警、控制算法、现场数据存储和显示等。 ( 2 ) 监控中心( s u p e r v i s o r yc o n t r o lc e n t e r ) ：提供各种人机接口，根据 现场管理平台的设备提供的信息进行监视、控制和逻辑处理，一般由典型的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 监控组态软件对其进行处理，比如：i n f i x ，i n t o u c h ，w i n c c 、组态王、 m c g s 等，这个产业在全球已经得到了蓬勃发展。 ( 3 ) 商业管理( b u s i n e s sm a n a g e m n e t ) ：服务于企业级的信息共享，完 成信息的商业逻辑处理，进行商业决策，典型的系统有e r p 、c r m 、m i s 等。 ( 4 ) 通讯网络( c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ) ：为现场和控制中心以及控制 中心和商业管理层搭建一个通讯的桥梁，通过各种通信方式完成底层设备与 其它高级应用系统之间的数据通信，包括网络资源的申请及释放、数据的发 送和接收、通信参数调整等。 现 场 图形显示 告警查询日志查询第三方应用 通信驱动程序 实时事件处理卜 通信驱动程序 组态操作hi 。i。、 。i1 l l 史数据库l1 日志数据库il 主控单元 i。 告警数据库一 ir 实时内存数据缓冲区k i i t 7 通信驱动程序 弋。 7 通信控制器通信控制器 il 1 p l ci i 哪i 卜c | i r t u 1 图1 1典型的s c a d a 系统结构图 商业管理 监控中心 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 问题的提出 随着工业生产的不断发展，生产规模的扩大和过程复杂程度的提高， s c a d a 系统中的监控软件设计面临着巨大的挑战，那就是要集成数量和种 类不断增多的现场信息。在传统的s c a d a 系统中，智能电子设备与控制软 件之间的信息共享是通过通信驱动程序来实现的，不同厂家的设备又使用不 同的通信规约，使得s c a d a 系统内的无缝互连变得相当困难，大量的规约 转换工作不可避免，互操作性问题日益突出。对于监控软件的开发人员来说， 有2 0 一3 0 的精力被用来重复开发通信驱动程序和处理规约转换的问题【2 】， 不仅需要消耗大量的人力成本而且占用了那些本来可以用来增强系统性能的 资源。每当一个供应商将个新的智能电子设备投入市场销售时，所有需要 集成该设备的软件供应商就不得不重新编写一个新的通信驱动程序，迫使 s c a d a 系统中的监控软件包含了越来越多的底层通信模块，这种设计方式 有以下几点不足： ( 1 ) 程序执行效率问题。把与当前不相关的规约都封装在一起，必然使 程序体积增大，增加程序对系统资源的消耗，减慢系统的执行效率。 ( 2 ) 系统兼容性和可移植性问题。s c a d a 系统会随生产及市场的发展 变化做出修改，当选择新系统、更新设备时，就面临着硬件通信驱动程序和 新系统的兼容性问题，若不兼容就意味着要更换整个系统。用户的选择受到 限制，不能根据系统的要求选择最佳的集成方案和最经济的投资方案。 ( 3 ) 系统的稳定性问题。s c a d a 系统中商业管理软件、监控软件一般 由不同的供应商开发，他们通过各自的通信驱动程序同时对同一个硬件设备 操作时，常常会由于相互之间的不协调、不兼容造成系统的崩溃，影响系统 安全、稳定运行。 ( 4 ) 系统升级比较困难。当对系统某一局部部份进行改进时，要求对整 个系统进行重新组织，不能灵活地对某一局部进行单独升级。 ( 5 ) 异构网络系统集成问题。随着s c a d a 系统网络化趋势的增强，必 须解决现场设备、控制网络、监视网络、企业管理网络和局域网络等异构网 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 络的互联问题。 s c a d a 系统由早期的集中式监控向分布式的方向发展，开放性和互操 作性成为发展的趋势，为了解决这个控制系统软件开发中的瓶颈问题，迫切 需要一个为业界所公认的能有效进行数据访问和管理的开放标准，使工业控 制环境中的各个数据源之间能够灵活地进行数据交换，o p c 技术作为硬件与 软件之间的个中间件解决了这个问题。 1 3o p c 技术及其发展现状 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，面向过程控制的o l e ) 技术为工业监控 系统的开发提供了统一的标准，这个标准定义了应用微软的操作系统在基于 p c 的客户机之间交换自动化实时数据的方法，支持分布式应用和异构环境下 软件的无缝集成【3 】。供应商可以开发个高度优化的、可重用的o p c 服务器 访问底层的硬件，并将数据以o p c 接口的形式提供给任何支持o p c 规范的 客户端软件，客户就可以按照统一的数据访问标准访问不同供应商的硬件产 品。这种软件组件技术支持软件开发的可重用性、可扩展性、可移植性、易 维护性和高可靠性【4 j ，实现工控设备及其管理的横向、纵向两个信息流的无 缝耦合，解决了模块与模块、层与层之间的通信问题，恰好为s c a d a 系统 的开放性提供了契机。 1 3 1o p c 规范简介 o p c 规范的制定与管理由o p c 基金会负责，它的前身是一个由f i s h e r r o s e m e n t 、i n t e l l u t i o n 、r o c k w e l ls o f t w a r e 、i n t u i t i v et e c h n o l o g y 以及o p t 0 2 2 等五家公司组成的一个特别工作组，早在1 9 9 5 年就制定了原始的o p c 规范， 微软同时作为术顾问给予了支持。o p c 基金会致力于自动化领域的互用性， 它是一个非盈利性的组织，为了普及并进一步改进o p c 技术，o p c 基金会 开始了全球范围内的活动，1 9 9 7 年在德国法兰克福成立了o p c 基金会下属 的o p c 欧洲委员会，负责欧洲地区的技术支持、产品兼容测试等工作，随后 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 成立了o p c 日本委员会，o p c 中国基金会。 o p c 规范是一个工业标准，它以微软的o l e c o m d c o m 技术为基础， 是微软公司的对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用，现已形成了一个 体系标准，这个标准是开发o p c 服务器与o p c 客户端软件之间数据传输的 规范。根据开发的软件功能的不同，o p c 制定了以下领域的单独规范： ( 1 ) o p c 数据访问规范( d a t a a c c e s ss t a n d a r d ) p j 数据访问规范简称d a 规范，它定义了o p c 服务器中组c o m 对象及 其接口，并规定了客户程序对服务器程序进行数据存取时需要遵循的标准。 该规范分为定制接口规范和自动化接口规范两部分。它是o p c 系列规范的核 心，是其它规范的基础。 ( 2 ) o p c 报警与事件处理规范( a l a r m s e v e n t ss p e c i f i c a t i o n ) 6 提供一种服务器程序将现场报警和事件通知客户程序的机制，使工控软 件可以按照统一的标准处理现场的各种报警事件。 ( 3 ) o p c 历史数据访问规范( h i s t o r i c a ld a t a a c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) 【7 j 提供一种通用的历史数据引擎，可以向感兴趣的用户和客户程序提供额 外的数据信息。o p c 历史数据访问规范将历史信息看成某种类型的数据，用 统一的标准把不同应用层次的数据集成起来。 ( 4 ) o p c 批量过程规范( b a t c hs p e c i f i c a t i o n ) 例 基于o p c 数据访问规范和i e c 6 1 5 1 2 1 国际批量控制标准( 对应的美国 标准为i s a 8 8 ) 制定，它提供了一种存取实时批量数据和设备信息的方法。 该规范的目的不但为批量过程控制提供某种解决方案，而且使异构计算环境 下不同的生产控制方案能有效地协同工作。 ( 5 ) o p c 安全性规范( s e c u r i t ys p e c i f i c a t i o n ) 1 9 o p c 服务器为客户程序提供了重要的现场数据，如果这些参数被误修改 将会产生无法预料的后果，因此需要防止未授权的操作。o p c 安全性规范就 提供了这样一种专门的机制来保护这些敏感数据。 ( 6 ) o p c 可扩展标记语言一数据访问规范( o p cx m l d as p e c i f i c a t i o n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 o p cx m l d a 规范使用x m l 对厂级数据采用灵活的、一致的规范和格 式自我描述，建立了一组关键字和属性，用于描述工业设备、控制系统等方 面的特性和操作，从而使整个企业环境下的应用程序能够共享控制系统和现 场设备的信息。 1 3 20 p g 技术解决的问题 o p c 技术建立了一组符合工业控制要求的接口规范，将现场信号按照统 一的标准与监控软件、商业管理软件无缝连接起来，同时将硬件和软件有效 地分离开。只要硬件开发商提供带有o p c 接口的服务器，任何支持o p c 规 范的客户程序均可按照统一的方式对不同硬件供应商的设备进行存取，无须 重复开发通信驱动程序。 最初提出o p c 技术是为了简化了传统的i o 驱动开发方式，现在o p c 技术的发展己经超出了原来取代驱动程序的初衷，o p c 服务器能够直接连接 现场的p l c 、r t u 、数据采集和w i n d o w s c e 设备，通过快速有效的方式从 现场获得实时数据。而各种监视应用、控制应用、管理应用等程序按照o p c 规范进行通信，它们可以通过o p c 技术获取现场的实时数据，也可以通过 o p c 技术彼此交换信息，所以o p c 技术为企业内部的信息交换提供了一个 开放平台。任何应用程序只要能够支持o p c 规范就可以即插即用。o p c 技 术将硬件供应商与软件开发商之间的关系规定为o p c 服务器程序与o p c 客 户程序之间的关系，硬件供应商与软件开发商之间的责任与关系就以o p c 接 口的形式标准化了，只要遵守o p c 接口的约束，双方的数据交换就是透明的， 硬件供应商无需考虑应用程序的多种要求和协议，软件开发商也无需了解硬 件的底层信息。o p c 就是通过这样一种“软件总线 技术，解决了硬件和软 件之间数据交换的问题。对用户来说，o p c 技术意味着开放性，只要用户选 择了符合o p c 规范的工具箱，就可以任意选择支持o p c 技术的设备和软件， 集成己经存在的不同系统将变得非常容易。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 。3 30 p 0 技术的优势 通过图1 2 和图1 3 的对比，可以很清晰地看出把o p c 技术引入到 s c a d a 系统对整个过程控制系统的结构带来的革命性的影响，大大降低了 对系统协议兼容性的要求，简化了系统结构，增强了系统的通用性和开放性。 图1 。2 传统的过程控制系统结构图 传统的过程控制系统如图1 2 所示，是一对一的系统，任何一种上位监 控软件或其它商业管理软件在使用某种硬件设备时都需要开发专用的通信驱 动程序。基于o p c 技术的过程控制系统则可以完美地解决传统方式中的上述 问题，每个应用程序针对任何设备只需编写唯一的一组接口访问代码，每 一个设备针对任何应用程序也只需编写唯一的一组接口代码，其基本系统结 构如图1 3 所示。 应用程序1应用程序2应用程序3 ( o p c 客户1 )( o p c 客户2 )( o p c 客户3 ) i f l o p c i 艮务器1 o p cj 报务器2 o p c j 艮务器3 设备1设备2设备3 图1 - 3基于o p c 的过程控制系统结构图 因此可以总结出应用o p c 技术的优势： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 1 ) 硬件供应商可以只为它的所有客户仅提供一套软件( o p c 服务器) ， 软件供应商也仅需要开发一套通信接口访问程序( o p c 客户端) 。当硬件的 新版本出现时，软件开发商不用重写o p c 客户端程序。 ( 2 ) o p c 技术按照面向对象的原则，将一个应用程序( 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面，客户以统一的方式去调 用这个接口，从而保证了应用程序对客户的透明性，使得客户完全从底层的 开发中脱离出来。 ( 3 ) 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 实现了系统的开放性，易于实现与其它系统的集成。 ( 4 ) o p c 规范以o l e c o m d c o m 技术为基础，而o l e d c o m 支持 t c p i p 等网络协议，方便地将应用系统扩展到网络环境下( 从l a n 到 i n t e m e t ) ，这样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。 ( 5 ) c o m 技术提供了一种通用的编程模型，定义了软件组件对象相互 交互的一种二迸制标准，软件组件的编写可以使用任何符合c o m 规范的程 序设计语言实现，这种与语言平台无关的特性使所有的程序员均可充分发挥 自己的才智与专长在不同的编程语言环境下实现o p c 技术。 ( 6 ) 采用o p c 规范，便于系统的组态，简化系统的复杂性，大大缩短 软件开发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，易于系统的维护与升级。 1 3 40 p c 技术的研究和应用现状 目前，o p c 基金会的会员已经超过3 0 0 家，世界上各主要的工业自动化 仪表、控制系统供应商都是该组织的成员，由于o p c 技术的采用，使得以更 简单的系统结构、更长的寿命、更低的价格解决工业控制问题成为可能，同 时现场设备与系统的连接也更加简单、灵活f 】，因此o p c 规范事实上已成 为工业监控领域公认的标准并且在业界形成了一个共识：不提供o p c 技术支 持，必将限制其市场。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 o p c 中国促进会是o p c 基金会中国分会常设机构，自成立以来一直以 本地化的形式加强中国与o p c 国际基金会的联系以及信息技术的传播，推广 o p c 技术在工业及商用领域的应用。虽然国内起步较晚，但鉴于o p c 巨大 的技术和经济优势，越来越多的企业和科研院所投入到o p c 技术的研究和应 用中，特别是近年来发展速度非常快，对o p c 的研究已经进入深入阶段。总 结起来，有以下几个方面： ( 1 ) 将o p c 技术应用到通用监控组态软件中，比如北京亚控科技的系 列产品“组态王 从5 1 开始即支持o p c 技术，北京三维力控的p c a u t o 也 支持了这项功能，还有昆仑通态m c g s 、i f i x 等产品也都支持o p c 技术。 ( 2 ) 将o p c 技术应用到电网s c a d a 系统中。因为s c a d a 系统在电 力系统中应用最为广泛，技术发展最为成熟，o p c 技术在电网s c a d a 系统 中有着广泛的应用，比如南瑞、南自、许继电气等等企业都在自己的产品中 实现了对o p c 技术的支持。 ( 3 ) o p c 服务器快速开发工具包的设计方面。这方面的文章较少，但 是应用实例非常多。例如上海林坷公司的o p c 客户服务器快速开发包 k o s r d k ，中科院沈阳自动化研究所的s m a r t o p c 快速开发工具包等。o p c 服务器端开发困难，入门门槛高的现实促成了这一应用领域的繁荣。 1 4 课题的背景、意义及任务 s c a d a 系统在工业领域得到了广泛的应用，尤其在电力系统中应用最 为广泛。电力系统中，现场数据不仅有电压、电流、功率等模拟量( 遥测y c ) ； 断路器、继电保护设备和自动装置等的状态信息( 遥信y x ) ；电能累计量数 据( d d ) ，还有分合闸、过流、速断等操作及事故所产生的事件数据( s o e ) ； 当发生事故而导致跳闸时，还要记录现场的故障录波数据；当监控中心有控 制命令、设定命令( 遥控y k 、遥调y t ) 需要发送时，这些命令以数据帧的 形式传输，可见电力系统需要交互的数据量是一般工业控制领域所无法比拟 的，同时还由于电力系统现场数据的交化非常快，命令的下发必须及时准确。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 电力系统的这些特殊的情况直接推动了作为监视控制与数据采集的s c a d a 系统在电力系统自动化领域的广泛应用，并引领着s c a d a 系统技术的发展。 1 4 1 课题的工程背景 电网s c a d a 系统中存在着种类繁多的通信规约，以生产现场的智能电 子设备和监控中心之间的站内通信为例，既有标准通信规约，比如 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 、i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 2 、d n p 3 0 、m o d b u s 规约等，也有设备供应 商自己制定的非标准通信规约，即使是标准的通信规约，其传输格式也会因 不同国家、不同设备供应商而不同。成都某电气有限公司是一家电网s c a d a 系统解决方案供应商，其主要产品包括微机监控保护设备、智能数显仪表以 及用于监控中心的组态软件等，组态软件中已经封装了针对自家下位机设备 的通信驱动程序和一些常用的标准通信规约的驱动程序，但是当某个用户的 工程需要集成其它供应商的产品时，若是标准的通信规约，监控中心的组态 软件可能已经集成了这些标准的通信规约而只需进行规约的细节调试和测试 工作，若是非标准的通信规约，必须在组态软件上进行二次开发，重新编写 新的通信支持模块，这种重复开发通信程序和处理规约转换的问题引起的软 件编程成为实际工程调试最大的项目，既耗费人力物力，运行维护也很不方 便。事实上这是工业控制系统软件开发中经常遇到的问题。 对于用户和供应商来说，产品的开放性和互操作性都是非常重要和有利 的，可以克服各个供应商的产品无法互连和互换的弊端，o p c 技术根据易于 扩展性设计而成，具有统一的接口，彻底解决了横纵向高速，安全的信息传 递，并降低开发和用户使用成本。本课题从企业的需求入手，在深入理解电 网s c a d a 系统数据通信以及多个通信规约驱动模块项目开发实践后，力图 将o p c 技术引入该公司的电网s c a d a 系统，开发出o p c 数据访问( d a t a a c c e s s ) 服务器。 1 4 2 课题的任务 西南交通大学硕士研究生学位论文第tf 页 目前带有o p c 接口的硬件设备很少，针对这一情况，本课题所研究开发 的o p c 数据访问服务器是基于p c 机的，在w i n d o w s 环境下运行，具体地说 是在该公司s c a d a 系统产品中处于监控中心的软件平台工具组态软件上开 发o p c 数据访问服务器模块，此组态软件已经封装了一些与下位机硬件设备 通信的驱动模块，支持一些标准和非标准的通信协议，开发的o p c 数据访问 服务器就间接和这些硬件设备相连，把各种不同协议转换成o p c 标准，形成 一个开放的接口，为各种带有o p c 客户端的工业监控软件或商业管理软件提 供数据源，实现信息的共享。本课题开发的o p c 数据访问服务器将大大增强 该公司产品的可连接性和互操作性，提高产品在市场上的竞争力。 综上所述，本课题的任务包括以下几个方面： ( 1 ) 分析该公司目前s c a d a 系统解决方案存在的不足，将基于 c o m d c o m 技术的o p c 客户机服务器模式引入其中。 ( 2 ) o p c 技术与o p c 规范的研究。在对c o m 的工作模型，以及d c o m 的工作原理深入学习探讨的基础上，通过查阅国内外有关o p c 的技术资料， 分析o p c 技术在工业自动化领域的应用，特别是在s c a d a 系统中的应用， 掌握o p c 数据访问规范的体系结构并研究o p c 数据访问规范所定义的对象 和接口及其实现方法。 ( 3 ) o p c 数据访问服务器的研究与开发。o p c 服务器作为现场实时数 据与o p c 客户端之间的桥梁，起到了一个传输中介的作用。利用v i s u a lc + + 2 0 0 5 工具开发出一个基于o p cd a t aa c c e s sc u s t o mi n t e r f a c e2 0 5 a 规范、具 有友好界面，支持灵活、方便组态功能，提供定制接口的o p c 服务器。 ( 4 ) 在此s c a d a 系统中将开发的o p cd a 服务器与o p cd a 客户端 工具进行互联互通测试，测试跨进程、跨网络( d c o m ) 的访问能力，同时 检测服务器是否能够与多个客户端同时进行数据交互，实现多用户的数据访 问。最终目的是要使开发的o p cd a 服务器具有满足面向市场的能力， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第2 章o p g 技术的基础一一c o m d c o m o p c 技术的本质是采用了微软的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的复用和互操作，并且为基于 w i n d o w s 的程序提供了统一的、可扩充的、面向对象的通信协议；d c o m 是 c o m 技术在分布式计算领域的扩展，使c o m 支持在局域网、广域网甚至 i n t e r a c t 上不同计算机对象之间通信。c o m 是基于客户机服务器( c s ) 模 型，基于c o m 的o p c 技术同样是以客户机服务器的形式来实现的。 2 1 组件化编程思想 一个应用程序通常是由单个的二进制文件组成，当编译器生成此应用程 序之后，在对下一版本重新编译并发行新生成的版本之前，应用程序一般不 会发生任何变化，整个软件日益“老化。 人们认识到应用程序在发行之后不应该保持静止状态，需要不断地注入 新的活力。解决方法是将单个的应用程序分隔成多个独立的部分，即组件， 然后将各组件组装起来，利用基于c o m 的组件技术，实现组件化编程思想。 c o m 作为一种软件模型，不仅提供了程序与程序之间的通信标准以实现互操 作，更大的贡献是对程序设计方法的变革组件化程序设计。c o m 结合了 对象技术和组件技术，对象技术使应用系统的设计和实现更符合现实世界的 面貌；组件技术使应用系统可以充分发挥组件的优势，以适应现代应用的需 要。一个组件同一个微型应用程序类似，都是已经编译、链接好并可以使用 的程序，应用程序就是由多个这样的组件打包而得到的，在需要对应用程序 进行修改或改进时，只需将构成此应用程序的某个组件用新的版本替换即可。 组件化编程技术也是一种面向对象的编程技术，它继承并发展了面向对 象程序设计方法，将对象技术应用于系统设计，对面向对象程序设计的实现 过程作了进步抽象。常规的面向对象编程技术只能实现源代码一级的复用， 组件技术解决了真正的软件复用问题和高度的互操作性。采用组件化编程思 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 想有以下一些优点： ( 1 ) 组件的复用技术可以实现应用程序的快速开发，应用程序大部分可 以利用现有的组件构建，减少了开发工作量，缩短了开发周期，降低了开发 成本。 ( 2 ) 组件技术自身的特点决定了应用程序的升级维护更加灵活方便。 ( 3 ) 组件技术可以简化分布式应用程序的实现。 ( 4 ) 组件技术使得可以用户定制。根据用户的不同需要，选用不同的组 件组合。 2 2o p o 技术基础 2 0 世纪9 0 年代末，从早期的面向对象语言到面向对象设计，面向对象 的思想已经渗入计算机软件科学的各个领域。随着这几年i n t r a n e t i n t e m e t 的 飞速发展，传统的面向对象的思想很难适应分布式软件模型。现代编程思想 是希望把程序分成很多积木块，发布应用程序就像搭积木块一样简单，这些 积木块是可重用的部件或模块，编程人员关注的是这些模块是否符合一定的 标准，是否满足需要，而不在乎它的源代码是用什么编程语言编写的。满足 这种需要的积木块有两类：动态链接库d l l ( d y n a m i c l i n kl i b r a r y ) 和组件 对象模型c o m ( c o m p o n e mo b j e c tm o d e l ) 1 2 1 。d l l 与c o m 相比存在以下 不足：函数名重复，编译器对函数的名称修饰不兼容，d l l 对e x e 文件的 依赖，c o m 是通过制定交互协议，改变代码的重用方法，通过一种新的方法 利用d l l ，克服d l l 固有的缺陷，从而实现更高一级的代码重用，因此基 于c o m 的组件化程序设计思想得到了迅速发展。 按照组件化程序设计的思想，复杂的应用程序被设计成一些小的、功能 单一的组件模块，每一个模块保持一定的功能独立性，在协同工作时，通过 相互间的接口完成实际的任务。这些组件模块可以单独开发，单独编译，甚 至单独调试、测试，当所有组件开发完成后，把它们组合到一起就可以得到 完整的应用系统。当系统需要升级时，只需对受影响的组件进行修改，然后 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 重新组合得到新的升级软件。为了实现这样的应用软件，组件程序与组件程 序之间必须遵守一定的规范约定，软件系统才可以正常运行。为此，对象管 理组织o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 和m i c r o s o f t 分别提出了公共对象 请求中介体系c o r b a ( c o m m o no b je c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 和c o m 标准，目前c o r b a 模型主要应用于u n i x 操作系统平台，c o m 则主要应用 于m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统平台。c o m 是m i c r o s o f t 推出的各种新技术的 核心，m i c r o s o f t 在它的应用程序、工具和操作系统里广泛使用了c o m 技术， 并且w i n d o w s 中的大量新功能都是作为一套c o m 组件互相传递，而不是一 系列a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用编程接口) 来调用。 2 。2 。1o l e 的演变 o l e 是o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g 的缩写，1 9 9 1 年微软开发了o l e 1 0 规范，基本上是一种处理复合文件的方法，复合文件是一种在单个文件 中以文本、图形、视频和声音等多种格式存储数据的方法。当