（电气工程专业论文）过程控制的对象链接与嵌入技术在电力监控系统中的应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 在电力系统中，厂( 站) 的监控系统需要与各种测控装置通信，它们各自有 自己的通信协议，导致监控软件需要封装很多通信协议。在一个电厂内，各专业 子系统都有自己的监控系统，它们通常来自不同的厂家，无法相互通信，从而在 电厂内部形成很多信息“孤岛”。电力监控系统的开放性与互操作性是一个迫切需 要解决的问题。 由o p c 基金会提出的o p c ( o l e f o r p r o c e s s c o n t r o l ，过程控制中的对象链接 与嵌入) 规范，是一种通用的技术规范，它提供了访问工业控制网络中各个站的 数据的一种通用方法，在工业控制领域得到广泛的应用。在电力监控系统中采用 o p c 技术，可以提高程序代码的可重用率和可移植性，加快开发速度，增强系统 的稳定性和可靠性，真正实现电力监控系统的开放性与互操作性。本文的主要内 容是o p cd a ( o p c 数据存取) 服务器的开发实现，主要目的是将o p c 技术应用 于电力监控系统中。本文致力于以下几个方面的工作： ( 1 ) 以“o p c 数据存取规范”为基础，对o p c 技术规范进行深入的研究，包 括o p c 的对象模型、逻辑关系、通信机制和“组件对象模型”( c 0 m ) 原理，领 会组件编程技术的思想及其相关编程技术。 ( 2 ) 根据对o p c 规范的理解，提出o p cd a 服务器的整体程序框架结构。 ( 3 ) 针对西门子s 7 3 0 0 4 0 0p l c 的m p i 协议编写了o p cd a 服务器，在实验 室采用亚控公司的组态软件“组态王6 5 ”和西门子的组态软件w m c c5 2 对该服 务器进行测试。 ( 4 ) 在实现o p cd a 服务器的基础上，对o p c 在电力监控系统中的应用作了有 益的探讨，提出在电力监控组态软件中集成o p c 数据存取服务器的技术方案。并 展望了o p c 技术的发展前景。 关键词：电力监控系统，o p c ，服务器，客户机，组件对象模型 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mn e e dc o m m u n i c a t et o v a r i o u se q u i p m e n tf o rm e a s t l r ea n dc o n t r o l ，w h i c hh a sr e s p e c t i v ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，s ot h es u p e r v i s o r yc o n t r o ls o f t w a r en e e dp a c k a g ea l lt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s i np o w e rp l a n t ，e a c hs p e c i a ls u b s y s t e mh a sr e s p e c t i v es u p e r v i s o r yc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hd e v e l o p e db yd i f f e r e n tc o m p a n i e s ，a n dd o n tc o m m u n i c a t ee a c ho t h e r ， c o n s e q u e n t l y ,s o m ei n f o r m a t i o n a li s l a n d sc o m ei n t ob e t a g 1 1 1 eo p e n n e s sa n d i n t e r o p e r a b i l i t yo fs u p e r v i s o r yc o n t r o lf o re l e c t r i cp o w e rs y s t e mm u s tb es e t t l e d u r g e n t l y t h es t a n d a r do fo p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) w a si s s u e db yo p cf o u n d a t i o n o p ci sau n i v e r s a lt e c h n i c a ls t a n d a r d ，w h i c hp r o v i d e sas t a n d a r dm e c h a n i s mf o r c o m m u n i c a t i n gt on u m e r o u sd a t es o u r c e si ni n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k , a c c o r d i n g l y , o p ci sw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 i ft h eo p ci sa p p l i e di nt h e s u p e r v i s o r yc o n t r o lf o re l e c t r i cp o w e rs y s t e m , t h er e u s a b l ea n dt r a n s p l a n t a b l ew i l lb e a d v a n c e d ，d e v e l o p m e n tt i m ew i l lb er e d u c e d ，s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yw i l lb ee n h a n c e d , t 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 yw i l lb er e a l l yr e a l i z e d n l i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e s o nt h ef o l l o w i n gw o r k ： ( 1 ) g r a s pt h ep r o g r a mt h i n k i n gb a s eo nc o ma n dt h ep r o g r a mm e t h o d ，o nt h e b a s i so fi n v e s t i g a t i o no no p cd a ( o p cd a t aa c c e s s ) s t a n d a r d ，i n c l u d et h eo b j e c t m o d e l ，l o 垂c a lr e l a t i o n ，t h em e c h a n i s mf o rc o m m u n i c a t i o n ( 2 ) p u tf o r w a r dt h ep r o g r a mf x a m eo fo p cd as e r v e rb a s eo i lt h ec o m p r e h e n s i o n 0 f 0 p cs t a n d a r d ( 3 ) p r o g r a mt h eo p c d as e r v e ra i m sa tm p i p r o t o c o lo fs i e m e n ss 7 3 0 0 4 0 0p l c a n dt e s t st h es e r v e rb yk i n g v i e w6 5a n dw m c c5 2 ( 4 ) o nt h eb a s i co fr e a l i z i n gt h eo p cd as e r v e r , t h ea p p l i c a t i o na n dp r o s p e c to f o p ca r ed i s c u s s e de f f e c t i v e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n p u tf o r w a r dt h es c h e m et oi n t e g r a t e t h eo p cd as e r v e r 、i t l ls u p e r v i s o r yc o n t r o lf o re l e c t r i cp o w e rs y s t e m k e yw o r d s ：s u p e r v i s o r yc o n t r o lf o re l e c t r i cp o w e rs y s t e m , o p c ，s e r v e r , c l i e n t ， c o m p o n e n to b j e c tm o d e l i i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 电力监控系统的发展 电力监控系统的发展经历了几个不同的阶段。在早期，调度中心与各厂站之 间依靠电话联系，没有办法及时地了解和监测电力系统各厂站或线路的运行情况， 更谈不上对其进行直接控制。设备的运行情况，各条线路的电流、电压、功率等 参数，调度中心都不能及时掌握，调度员只能获得“历史”信息。一旦发生事故， 也无法及时了解事故情况，并进行事故处理。第二个发展阶段采用了远动技术。 安装于现场的远动装置，采集各种实时数据，借助于远动通道自动传递信息，这 些信息直观地显示在调度台的仪表和调度模拟屏上。调度员可以随时了解系统的 实时运行参数和运行方式，可以有效地对各厂站的运行状态进行实时监控。在第 三阶段，计算机在电力系统监控中得到了广泛的应用，形成了监视控制与数据采 集系统，又称s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统。随着电力 系统规模的不断扩大，其保护、控制系统越来越复杂，需要对许多参数进行监视、 记录和分析。s c a d a 系统对通过远动装置传来的数据进行组织和分析，然后形象 直观地展现在调度值班员眼前，使值班员可以及时发现事故隐患，做到防患于未 然。当事故发生后也可以迅速找出事故原因，及时处理，缩短停电时间，减少经 济损失。第四阶段【l 】，随电力系统自动化技术的发展，s c a d a 系统与经济调度、 自动发电控制、网络分析、调度员培训模拟系统等结合在一起，形成以计算机为 基础的现代电力综合自动化系统，称为能量管理系统e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e m ) ，主要用于发、输电系统。根据e m s 技术，针对配、用电系统发展起来 的监控系统称为配电管理系统d m s ( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) 。在第五阶 段，计算机网络在电力系统中广泛应用，按照开放原则，基于分布式计算机网络 以及关系数据库技术，实现大范围的s c a d a f e m s 联网，并与管理信息系统m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 集成，形成管理控制一体化。该阶段正处于发 展和成熟的阶段。 1 2 目前电力监控系统存在的问题 电力监控系统中的e m s 与d m s 都是以s c a d a 系统为基础，s c a d a 是电力 系统自动化的重要组成部分【2 】，是电力系统自动化的实时数据源。e m s 、d m s 、 m i s 等系统也需要使用这些实时数据，没有这些实时信息，其它管理、控制系统 都成为“无源之水”。在s c a d a 系统中，最基本的功能就是通常所说的“四遥”。 而这些功能的实现，主要依靠通信处理机与现场的远动终端r t u ( r e m o t et e r m i n a l 重庆大学硕士学位论文1 绪论 u n i t e ) 共同完成。因此，通信处理机是s c a d a 系统信息上传下达的通道，相当 于通信网关的功能，起着非常重要的作用，它不断地采集厂( 站) 端的实时运行 数据，经过处理后送调度工作站和实时数据库、历史数据库；同时将调度工作站 的调度命令根据不同的规约下发给厂( 站) 端【3 】。由于系统中使用的r t u 来自不 同的生产厂家，遵循不同的通信规约，造成电力系统内r t u 通信规约不统一。目 前在s c a d a 系统中流行的通信规约主要有部颁c d t 规约、部颁p o l l i n g 规约、 s c l 8 0 1 规约和d n p 规约。随着s c a d a 系统中的删朝着分布式方向发展，i 唧 逐渐采用了近几年兴起的、有着可靠性高等诸多优点的现场总线技术，所以几种 主流现场总线( 如基金会现场总线f f 、过程现场总线p r o f i b u s ) 的通信规约也 成为厂( 站) 内部的现场级通信标准之一 4 】。也有的厂( 站) 设备采用c a n 总线、 m o d b u s 协议1 1 1 6 1 。 针对上述情况，就要求s c a d a 系统支持多种不同的通信规约，目前s c a d a 商品软件的作法是把它支持的各种通信规约全部封装在通信处理机程序的内部， 由用户通过配置程序选择适当的规约，与不同厂( 站) 的r t u 或设备通信。这样 做有以下几点不足： 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 系统资源的要求，减慢系统的执行速度。 把规约处理程序封装在s c a d a 系统内部，必然加大系统对其提供商的依 赖性，造成系统不太灵活，不能很好地利用外部已有资源，不能动态地加入其他 厂商提供的通信规约处理程序，使系统扩展受到限制。 r t u 上的规约处理程序与通信处理机上的规约处理程序由不同厂家提供， 协调、调试都很困难，产品质量和工期不能得到保证。 系统井级比较困难。当对系统局部某一部份进行改进时，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。 总之，目前的电力监控系统的开放性与互操作性不够完善。全新的开放系统 包括三个方面：应用软件的可移植性、不同系统之间的互操作性和“即插即用” 的可扩展性。电力监控系统是一个完成电力系统远方采集、监视与控制分析的大 型计算机应用系统，随着计算机技术和通信技术的进步，电力监控系统在国内外 已得到了飞速的发展。系统的结构已由最初的布线逻辑系统发展到基于网络技术 的客户服务器模式，使开放式的电力监控系统的实现成为可能【7 】【引。 1 3 过程控制中的对象链接与嵌入技术的产生 为了解决上述的问题，人们自然会想到制定一种统一的通信规约来通信。国 际上已经制定了两个s c a d a 行业标准规约c 6 0 8 7 0 5 系列和d n p 3 0 1 9 。但 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 是由于企业间的竞争因素，它们各自都在发展自己的通信规约，以使其产品占有 一定的市场份额。 综上所述，迫切需要一种标准的途径从数据源( 服务器) 提取数据，并传输 到应用程序( 客户杌) ，使硬件与软件、软件与软件之问的数据交换按照统一的方 式进行。传统的数据交换或数据存取方式有两种 1 0 i l l ： 驱动程序法。在应用程序中挂接“驱动程序”来存取设备或其它应用程序 的数据。该方法存在以下缺点：一是对于特定的硬件设备或其它应用程序数据源， 必须为每一个需要访问数据源的应用程序编写“驱动程序”；二是多个应用程序不 能同时存取同数据源。 动态数据交换法。动态数据交换d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 是应用程 序间交换数据比较简单的方法。该方法也存在一些缺陷：一是文本传输速度较慢： 二是数据传输不够安全。 随着计算机的发展，计算机在工业控制领域发挥着越来越重要的作用。各种 仪表、p l c 等工业监控设备都提供了计算机通信协议。但是不同厂家产品的协议 互不相同，即使同一厂家的不同设备与计算机之间的通信协议也不同。在计算机 上不同语言对驱动程序的接口有不同要求。这样又产生了新的问题：应用软件需 要为不同的设备编写驱动程序，而计算机硬件厂家要为不同的应用软件编写驱动 程序。这种程序可复用程度低，不符合软件工程的发展趋势，在这种背景下产生 了o p c 技术1 1 “，o p c 是过程控制中的对象链接与嵌入技术( o l ef o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) 的缩写，管理o p c 的国际组织是o p c 基金会。目前，o p c 已经成为工 业互操作的行业标准，各厂商只要将自己的通信规约进行转化( 封装) ，使之满足 o p c 标准，就可以相互通信，实现真正的互操作与无缝连接【1 3 1 【1 4 】。 1 4o p c 技术的国内外应用现状 o p c 标准由来自9 0 多家公司的专家参与制定，并参考了来自2 0 0 多个合作伙 伴的评论意见，所以具有广泛的代表性。一批国际知名的控制类公司( 如a b b ， a s p e n t e c h ，f o x b o r o ，h o n e y w e l l ，n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，s i e m e n s ，g ef a n u c 等) 相继宣布支持o p c 标准。加入o p c 基金会的工业自动化公司达3 0 0 多个，许 多公司正致力于利用o p c 标准开发产品。w o n d e r w a r e 公司原来一直采用n e t d d e ( n e t w o r kd y n a m i cd a t a e x c h a n g e ) 开发其软件产品，并且做得相当成功，但鉴于 o p c 正成为业界的标准，现正逐步转向采用o p c 标准开发其产品。国产工控组态 软件如组态王、力控、开物2 0 0 0 和昆仑组态等都己支持o p c 标准。重庆新世纪 电气有限公司已经加入o p c 基金会( 高校会员) ，他们的调度自动化平台、s c a d a 系统也将增加支持o p c 标准的功能。西安交通大学思源智能电器开发公司的变电 重庆大学硕士学位论文1 绪论 站监控软件a s 2 0 0 0 添加了o p c 技术支持【1 5 】，浙大中控的先进分布式预测控制软 件包( a p c h i e c o n ) 采用了o p c 技术 1 6 】。o p c 给出一个标准，为过程控制和工厂 自动化提供真正的“即插即用”软件技术，使得过程控制和工厂自动化的每个系 统、每个设备都能够自由地连接和通信，真正完全地实现无缝集成，方便地实现 企业级通信1 7 l 。 1 5 课题提出的意义 在电力系统中，厂( 站) 的监控系统需要与各种测控装置。如p l c 、微机保 护、智能控制装置等通信，它们各自有自己的通信协议，导致监控软件需要封装 很多的通信协议。 在一个电厂内，各专业子系统都有自己的监控系统，它们通常来自不同的厂 家，它们的通信问题一直困扰着工程师们，从而在电厂内部形成很多信息“孤岛”。 将企业现场信息用于企业管理、决策，提高企业的竞争力，实现企业管控一 体化势在必行u8 1 。 由o p c 基金会提出的o p c 规范，是一种非专业性的技术规范。o p c 是建立 在o l e c o m 和d c o m 之上的一种专门适用于工业过程控制的标准，它提供了 访问工业控制中的站端数据的一种通用方式。目前在工业及控制领域得到极其广 泛的应用，在后台监控程序中集成o p c 技术，可以大大提高程序员的编程效率， 提高代码的可重用率和可移植性，使程序员从原来较为烦琐的硬件接口编程中脱 离出来。在电力监控系统中融入o p c 技术，可以大大提高开发进度，增强系统稳 定性和可靠性i 聆】【2 0 1 ，按照这种标准设计电力监控系统，可以使不同厂家的产品实 现通用化，使系统能真正实现“开放”。对o p c 技术及其应用进行研究，解决电 力系统中信息“孤岛”问题，实现监控系统软件与设备间的灵活通信，最终实现 电力企业管控体化，都有定的现实意义。同时也可以推动o p c 技术在中国的 应用。 1 6 本论文的主要工作 本论文对目前电力监控系统存在的不足进行研究，提出采用o p c 标准解决“开 放性”与“互操作”的不足。通过对o p c 原理及开发技术的研究，实现一个o p c 数据存取服务器，并为电力监控组态软件添加o p c 功能提出集成方案。本文的主 要工作有以下几点： 分析与理解o p c 数据存取技术规范及其技术基础c o m 。 针对o p cd a 规范对o p c 技术进行研究，包括o p c 服务器与客户机通信 机制，各对象模型的关系。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 学习掌握o p c 开发编程技术基础，包括动态链按库技术、多线程技术。 设计实现西门子s 7 3 0 0 4 0 0p l c 的o p c 数据存取服务器，并在实验室进 行测试。 提出在电力监控组态软件中集成o p c 数据存取服务器的技术方案。 5 重庆大学硕士学位论文 2 o p c 技术规范及其技术基础 2o p c 技术规范及其技术基础 随着过程自动化的发展，自动化系统厂商希望能够集成不同厂家的不同硬件 设备和软件产品，实现互操作；希望工业现场数据能从车间级汇入到整个企业信 息系统，在此背景下产生了o p c 。o p c 是世界上领先的跨国自动化公司和软硬件 供应商合作开发的一套工业标准【2 l 】。o p c 技术规范是o p c 基金会组织倡导和制定 的一个非赢利性技术规范。它定义了一套基于m i c r o s o f t 的o l e c o m 技术的标准 接口，采用服务器客户机模式，从而提供自动化和控制应用、设备管理和设备之 间的软件应用互操作性和设备的互换性。 2 1 概述 2 1 1o p c 基金会组织 最早的o p c 标准是由提供工业制造软件的5 家公司( 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 和o p t 0 2 2 ) 组成的o p c 任务 组( o p ct a s kg r o u p ) 开发的，微软作为技术顾问给予支持。o p c 基金会组织的 前身就是成立于1 9 9 5 年的o p c 任务组，o p c 基金会的主要任务是负责o p c 技术 规范的制定与发布。在1 9 9 6 年的芝加哥i s a 博览会上，o p c 基金会首次露面。在 这次会上来自几家公司的o p c 服务器在m i c r o s o f t 公司的展位上进行展示，o p c 成员公司召开了第一次全体成员会议。此后在世界主要展览会上都进行了o p c 的 联合展示。 1 9 9 7 年2 月6 日，在德国法兰克福成立了o p c ( 欧洲) 基金会。随后成立了 o p c ( 日本) 基金会。2 0 0 0 年1 2 月在中国北京成立了o p c ( 中国) 基金会，目前 中国的o p c 会员单位有：北京华控技术有限公司，北京华富惠通技术有限公司， 浙江中控科技集团有限公司，北京中瑞泰科技有限公司。还有一些高校也加入了 o p c 基金会( 高校会员) 。o p c 技术在国际上得到广泛的支持，目前会员单位已经 超过3 0 0 家，世界上几乎所有的工业自动化设备、仪表及控制系统厂商都是o p c 成员；在o p c 基金会发布的产品目录中，o p c 服务器产品和o p c 应用程序产品 有6 0 0 多种。o p c 将为全球工业控制带来一场新的革命。 2 1 2o p c 产生的背景2 2 】 o p c 规范的目的是提供一个与工厂底层设备或控制室监控系统数据库的大量 数据源进行通信的标准机制。工业过程控制系统的信息结构体系如图2 1 所示：它 由以下三层组成： 现场管理层 6 重庆大学硕士学位论文 2o p c 技术规范及其技术基础 随着大量智能设备的出现，以前无法获取的现场设备数据，现在可以传送给 过程管理层。这些数据提供的信息包括设备状况和组态参数等。所有这些信息必 须采用统一的方式传送给使用它的用户和应用程序。 过程管理层 这一层用分布式控制系统( 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 ) 和s c a d a 系统 葚尚黧v i l a d o w s n t 三 厘圈挚h p r 哪o c e s st 南 f i e l lb 擎e s n a g e m e n t dm 钟。h 图2 1 工业过程控制系统的信息结构体系 f i g2 1p r o c e s s c o n t r o li n f o r m a t i o na r c h i t e c t u r e 对工厂生产过程数据进行监控。以前需要手工搜集的数据现在可以直接采集。 商务管理层 将控制系统从过程控制层采集到的信息与商务管理系统( 与生产费用相关) 集成，可以给企业带来巨大的利益。采用统一的数据传送方式为客户应用提供信 息，可以使得这种系统集成变得很容易。 为了有效完成从工厂底层获取数据并与现有的商务系统集成，关键是系统的 开放性和有效的数据访问通信体系，面不是数据的类型。 2 1 _ 3 传统的数据访问方式及其存在的问趔2 3 】 在传统的过程控制系统中，针对每个设备，s c a d a ( 这里指广义上的监控与 数据采集系统，而非特指电力系统专用s c a d a 系统) 系统中的应用程序都要开发 相应的设备驱动程序，并且只能通过该驱动程序访问该设备。传统数据访问结构 体系如图2 2 。每次一个新的控制设备投入市场，应用软件开发人员为了使自己的 软件适用范围不受限制，就不得不编写一个新的驱动程序，从某种意义上讲，用 户被它们的软件提供者所控制。 7 重庆大学硕士学位论文 20 p c 技术规范及其技术基础 在传统的控制系统中，智能设备之间及智能设备与监控系统软件之间的信息 共享是通过驱动程序来实现。由于软件开发商对驱动程序的要求各不相同，硬件 供应商不可能为所有的监控软件开发商提供驱动程序，所以这项工作主要由监控 软件开发商承担。这样存在以下问题： 驱动程序重复开发。每个监控软件开发商必须为某个特定的硬件开发一个 驱动程序，硬件设备厂家为了使自己的设备被广泛应用，要针对一些有名的监控 软件开发相应的驱动程序。 灵活性差。当硬件设备有了新的功能或特性变化时，监控软件的开发商必 须开发新的驱动程序。 兼容性差。两个不同商家的监控软件同时访问同一设备时，因为它们的通 信协议不完全相同，采用不同的驱动程序，将会发生访问冲突。 图2 2 传统数据访问结构体系 f i 9 2 2t h ec o n v e n t i o n a l a r c h i t e c t l l r eo f d a t a a c c e s s 2 i 40 p c 的数据访问体系 由图2 2 可见，每一驱动程序要求有一个唯一的设备驱动代码，以连接到相应 的设备或网络。o p c 技术通过建立“软件总线”，解决每一个驱动程序连接到不同 应用程序都要编写不同接口代码问题，每一个应用程序针对任何设备只需编写唯 一的一组接口代码，每一设备针对任何应用程序也只需编写唯一的一组接口代码， 其工作模式如图2 3 所示。 图2 3o p c 数据访问结构体系 f i 9 2 3o p cd a t a a c c e s s a r c h i t e c t u r e 8 重庆大学硕士学位论文20 p c 技术规范及其技术基础 o p c 为客户应用程序提供一种通用的方法来访问设备或数据库等数据源，相 当于“客户机”，只需知道如何从o p c 数据源读写数据就可以了。o p c 设备相当 于“服务器”，用统一的o p c 方式为客户机提供数据。这样为了完成数据交换， 硬件开发商与软件开发商进行分工，硬件开发商对自己的设备特征了如指掌，可 以最大限度地挖掘硬件的潜力，提高驱动程序的性能，且其通信协议对外是不可 见的，也可达到保护知识产权的目的；因为使用了相同的接口，软件开发商不用 考虑与什么设备交换数据，可以把更多的精力放在提高软件性能上，避免了重复 开发，大大降低开发费用。这样可以比较灵活地选择设备和监控软件，同时监控 软件中o p c 客户机接口开发很容易，缩短了软件开发周期，增强了软件的稳定性、 可靠性和可扩展性畔1 1 2 ”。 2 1 5o p c 技术带来的好处1 2 6 j o p c 技术的设计允许客户程序以一致性方式访问工厂底层数据，在监控系统 中采用o p c 技术可以带来许多好处： o p c 规范以o l e c o m 为技术基础，o l e c o m 支持t c p , q p 等网络协议， 因此可以将各子系统从物理上分开，分布在网络的不同节点上。 o p c 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，只将接口方法暴露给客户，客户以统一的方式去调用，保证软件对客 户的透明性，使得用户( 客户端) 完全从底层的开发中脱离出来。 o p c 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。 o p c 规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都用统一的方 式去访问，从而实现系统的开放性，易于实现与其它系统集成( 互访 ， 设备硬件厂商只需写一套驱动程序就可以满足不同用户的需要：应用程序 开发商只需编写一套o p c 客户端接口，只要满足o p c 服务器规范，便可以与不同 的设备通信。 在设备选型上有更多的自由度，不需考虑软件是否支持该硬件，只要符合 o p c 标准，就可以相互支持。 o p c 技术把硬件厂商与应用软件开发商相分离，使得双方的工作效率都有了 很大的提高，因此o p c 技术在很短的时间内取得了飞速的发展。现在，国内外的 监控软件商都在作这方面的开发研究，同时也推动了o p c 技术的应用与推广。 2 2o p c 技术规范的种类 o p c 规范最初的目的是尽快制定一个工业标准，由于o p c 是建立在已成为软 件模型标准的c o m 技术之上，因此该标准更容易为各工控软件、硬件厂商所接受。 随着o p c 的应用日益广泛，o p c 技术本身也有了很大的发展和进步，自1 9 9 6 年8 9 重庆大学硕士学位论文 2 o p c 技术规范及其技术基础 月发布了o p c 规范1 0 版，1 9 9 7 年9 月发布了o p c 规范1 0 a 版，并改名为o p c 数据存取( o p cd a t a a c c e s s ) 规范，该规范现在已经升级到3 0 版。现在已经发展 为有好几个适合不同需要的o p c 标准，且每一类标准也在不断地完善和增添新功 能。下面简介o p c 的各类技术规范 2 7 1 丝1 1 2 9 1 0 0 j ： o p c 数据存取( o p cd a t aa c c e s s ) ：简称o p cd a ，实现应用程序和工业 控制设备之间的高效的、灵活的、实时的数据读写。 o p c 报警与事件处理( o p c a l a r m sa n de v e n t s ) ：1 9 9 8 年1 2 月发布1 0 版， 2 0 0 2 年1 0 月升级到1 1 0 版。该规范提供一种通知机制，即提供一种由服务器将 现场报警和事件通知客户程序的机制，使监控软件可以按照统一的标准处理现场 的各种报警和事件。 o p c 历史数据存取( o p ch i s t o r i c a id a t a a c c e s s ) ：1 9 9 8 年发布1 0 版本， 2 0 0 3 年1 2 月已升级到1 2 0 版。由于现在大部分历史数据系统采用专用接口分发 数据，因此无法提供即插即用功能。为此，历史数据存取规范提供一种通用的历 史数据引擎，用统一的标准把不同应用层次的历史数据集成起来。 o p c 批处理( o p cb a t c h ) ：2 0 0 0 年1 月发布了1 0 版，2 0 0 1 年已升级到 2 0 版。它基于o p cd a t a a c c e s s 和i e c 6 1 5 1 2 1 国际批量控制标准制定，提供一种 存取实时批量信息和设备信息的方法，使异构计算环境下不同生产控制方案能有 效地协调。 o p c 安全性( o p cs e c u r i t y ) ：2 0 0 0 年1 0 月发布了1 0 版。重要的现场数 据，如果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。 o p c 可扩展标准语言数据访问( o p c x m l d a t a a c c e s s ) ：简称x m l d a ， 2 0 0 3 年7 月发布1 0 版。它基于o p cd a t a a c c e s s 的x m l 定制方案，包括读、写、 订阅、浏览等4 种数据共享和访问模式，使w e bs e r v e r w e bb r o w s e 可以逐渐成为 实现人机界面的主流。 o p c 数据交换( o p cd a t ae x c h a n g e ，简称o p cd x ) ：2 0 0 3 年3 月发布1 0 版。o p cd x 相对于o p cd a t aa c c e s s 的c l i e n t s e r v e r 通信模式的s e r v e r - s e r v e r 通 信模式的实现。 o p c 复杂数据与指令( o p cc o m p l e xd a t a c o m m a n d s ) ：该规范是伴随 o p c d a 3 0 和x m l d a 的发布产生的，2 0 0 3 年1 2 月发布了o p c c o m p l e x d a t a l 0 版，c o m m a n d s 规范还在制定过程中。 2 。3o p c 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 1 0 重庆大学硕士学位论文 2o p c 技术规范及其技术基础 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， 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、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 cl 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 n to b j e c tm o d e l ) 口”。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。为此基于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 j e c tr e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e ) 和c o m 标准，目前c o 砌璩模型主要应用于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 ，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。o p c 是建立在微软的o l e c o m 基础之上的，本节简介o l e c o m 原理。 2 - 3 1o l e 的演变p 叫 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 e1 0 规 范，基本上是一种处理复合文件的方法，复合文件是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。当时，面向对象是热门技术，因 此o l e1 0 规范也努力向面向对象模型靠近，它是朝着以文件为中心的方向发展， 而不是以应用为中心方向发展，且组件程序与客户程序之间的通信并没有采用 c o m 规范，而是采用了d d e 的机制。d d e 的最大缺点是效率低，稳定性差，使 用不方便，这也限制了o l e1 0 的发展。 1 9 9 3 年微软发布了o l e2 0 规范，它对1 0 版进行了全新的改进，推出了一 个完全基于组件对象模型的服务体系。各服务模块形成了一种建立在c o m 基础上 重庆大学硕士学位论文 2 0 p c 技术规范及其技术基础 的相互依赖的积木式体系结构，是第一个用c o m 架构的软件体系。o l e2 0 由于 采用了c o m 技术，每一个底层模块可以单独升级，而且在原来模块的基础上可以 添加新的组件模块，而不改变原来的组件模块，因此o l e2 0 之后本身的含义也 不仅仅局限于“对象链接与嵌入”，不再局限于复合文档，而变成了在桌面系统上 进行通信的一个技术统称。 2 3 2c o m 对象p 副 c o m 提供的是面向对象的组件模型，c o m 组件提供给客户的是以对象形式 封装起来的实体。与c + + 中的对象一样，c o m 对象是某个类( c l a s s ) 的实例，而 类则是一组相关的数据和功能组合在一起的一个定义。使用对象的应用或另一个 对象称为客户。因此c o m 对象也包括属性和方法，属性是对象的变量，方法是对 象提供给外界的接口，客户必须通过接口才能获得对象的服务。对于c o m 对象， 接口是它与外界进行交互的唯一途径。 c o m 对象的标识_ c l s i d c o m 规范采用1 2 8 位全局唯一标识符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 ) 来 标识一个c o m 对象，c l s i d ( c l a s si d e n t i f i e r ，类标识或类i d ) 就是用来标识c o m 对象的g u i d 。g u i d 是一个随机数，不能绝对保证唯一性，但发生标识符相重的 可能性相当小。g u i d 的随机性有两个方面的特性保证：一方面是空间，对于网络 中的计算机，通常取网络适配器的地址值，没有网络适配器的计算机用其他的随 机数生成算法产生；另一方面是时间值，同一计算机不同时间产生的标识符总不 相同。实际使用过程不用担心g u i d 的冲突危险。m i c m s o r v i s u a l c + + 提供两个工 具产生g u i d ：u u d g e n e x e 和g u i d g e r i e x e ；c o m 库也提供a p i 函数i - i r e s u l t c o c r e a t e g u i d ( g u i d4 p g u i d ) 来产生g u i d 。 g u 工d 并不是专门用来定义c o m 对象的标识，也用于其他实体的标识，后面 将要讨论的c o m 接口也是用g u i d 标识。 c o m 对象与c 抖对象的比较 c o m 对象与c + + 对象相比，有下列的不同之处。 1 ) 数据封装特性的实现形式不同。在c o m 对象中，数据是完全封装在对象 内部，外部不可能直接访问对象的数据属性，因为c o m 对象和客户程序可能在不 同的模块中，甚至不同的进程中或不同的机器上，因此客户直接访问c o m 属性不 仅不合理，有时也不太可能。c + + 对象的使用者与对象往往在同一个程序模块( 至 少在同一进程中) ，所以使用者有可能直接访问对象的数据成员。c o m 对象的数 据成员的封装是以组件模块为最终边界，对于对象用户是不可见的；而c + + 对象 的