（系统工程专业论文）激励式仿真机实时通信研究与实现.pdf

_ 0l 。 t#f；， 冬 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文激励式仿真机实时通信研究与实现， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： e t期：兰丝! 垦塑 一 冬 乜 ， 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文所论述的内容是激励式仿真机实时通信的研究与开发，该实时通信系统是 以激励式仿真机的工作机制为依托并结合o v a t i o n 虚拟d c s 的特点而开发的。对于 数据通信，利用o v a t i o n 提供的o p c 服务器，使用多o p c 客户端异步通信的方法。 对于指令通信，采用网络远程调用o v a t i o na p i 函数的方式。此外，为了满足高校 教师和研究人员的需求，本文还在支撑系统侧开发了功能强大的网络端口及数据采 集客户端。研究人员可以利用这一功能，采集实时数据，对模型参数进行在线寻优。 实时通信系统的开发采用c # 与c + + 混合编程的方法实现的，在开发过程中使用了 c 叫d c o m 、o p c 、t c p i p 、数据库等多项技术，实现了o v a t i o n 虚拟d c s 与支撑系 统的实时通信及外部程序与支撑系统的数据交换。 关键词：o v a t i o n 虚拟d c s ，o p c ，共享内存，网络端口，实时通信 a b s t r a c t t h ec o n t e n to ft h i s p a p e r i st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr e a l t i m e a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nf o rs t i m u l a t i v es i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ew o r k i n g m e c h a n i s mo fs i m u l a t o ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo v a t i o nv i r t u a ld c s f o rt h ed a t a c o m m u n i c a t i o n ，t h ea s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o no fo p cm u l t i - c l i e n t si su s e d f o rt h e c o m m a n dc o m m u n i c a t i o n ，t h ew a yo fc a l l i n go v a t i o nr e m o t ea p if u n c t i o nb yt h e n e t w o r ki su s e d m o r e o v e r ，i no r d e rt om e e tt h eu n i v e r s i t yt e a c h e ma n dr e s e a r c h e r s d e m a n d ，t h ea u t h o ra l s od e v e l o p e dap o w e r f u ln e t w o r kp o r t si nt h es u p p o r ts y s t e ms i d e a n dd a t ac o l l e c t i o nt ot h ec l i e n t r e s e a r c h e r sc a nu s et h i sf e a t u r e ，g a t h e r i n gr e a l - t i m e d a t ao nt h em o d e lp a r a m e t e r so n l i n eo p t i m i z a t i o n t h er e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e di nc 弗a n dc + + m i x e dp r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h ec o m d l c o m ，o p c , t l ：p ，m ， d a t a b a s e ，a n dm a n yo t h e rt e c h n i q u e sa r eu s e d n ep a p e ra c h i e v e sr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h es u p p o r ts y s t e ma n dt h ev i r t u a ld c sa n dt h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h es u p p o r t s y s t e ma n dt h ee x t e r n a lp r o g r a m l i uw e j ( s y s t e me n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f m ay o n g g u a n g k e yw o r d s ：o v a t i o nv i r t u a ld c s ，o p c ，s h a r e dm e m o r y ，n e t w o r kp o r t s ， r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n 一 一 一 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景1 1 2 火电厂仿真机2 1 2 1 仿真机的组成2 1 2 2 仿真机的分类3 1 3 虚拟d c s 4 1 3 1 虚拟d c s 定义4 1 3 2 虚拟d c s 分类5 1 4 艾默生虚拟d c s 系统o v a t i o n3 0 4 介绍5 1 4 1 系统的硬件组成5 1 4 2 系统的软件组成6 1 5 仿真机网络通信系统6 1 6o p c 规范的产生发展和应用7 1 6 1o p c 规范的产生背景7 1 6 2o p c 规范的发展及应用范围8 1 6 3o p c 数据访问规范的应用9 1 7 本课题的主要工作：1 0 第二章o p o 数据访问规范1 1 2 1 组件对象模型( c o m ) 1 1 2 1 1c o m 的结构1 1 2 1 2c o m 的通信机制：1 4 2 2o p cd a 规范1 4 2 2 1o p c 开发方式及接口体系1 5 2 2 2o p c 服务器的组成1 6 2 2 3o p c 的通信方式1 9 2 3 本章小结2 l 第三章支撑系统侧与虚拟d c s 侧实时通信的设计与实现2 2 t 华北电力大学硕十学位论文目录 3 1 多o p c 客户端异步通信的设计2 2 3 1 1 总体设计思想2 2 3 1 2 客户端管理模块的实现2 3 3 1 3 数据对应数据库的设计与实现2 7 3 1 4o p c 客户端异步通信订阅方式的实现2 8 3 1 5 支撑系统侧与o p c 客户端数据交互的实现3 2 3 2 虚拟d c s 与支撑系统同步指令的设计与实现3 6 3 3 本章小结3 8 第四章开发式网络端口的设计与实现3 9 4 1 开放式网络端口及客户端的设计与实现3 9 4 1 1 支撑系统侧网络端口的设计与实现3 9 4 1 2 数据采集客户端的设计与实现4 4 4 2 总结4 7 第五章结论4 8 参考文献5 0 致谢5 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 4 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 随着火电机组装机容量的不断增大，大容量机组的增多，在电站普遍应用的集 散控制系统( d c s ) 的功能更加强大和复杂，逻辑保护越来越多，电力生产的安全性 是我们面临的重要问题之一。电站的仿真系统为电厂的安全运行提供了重要的保 障。火电站仿真机提供了一个连续的实时运行环境。它能正确的反应锅炉、汽机发 电设备、励磁系统、厂用电系统、网络控制系统、热控系统、就地设备操作系统的 静态与动态过程，实现在多种工况下的机组起动、停机和正常运行的监控及操作【1 1 。 电站d c s 仿真技术正在飞速发展，进入了一个崭新的时期。电站d c s 仿真技 术的更新，一方面来自于实际生产的强烈需求，生产实际需求，仿真系统不但能 够对现场操作人员进行培训而且能够热工人员进行组态培训；研究人员的需求， 高校教师和热工研究人员能够利用仿真系统进行d c s 的组态验证、研究控制策略， 优化控制器参数和运行规程，还能够实现对新的控制、保护算法的研究和开发，例 如：采用基于神经网络、模糊控制、自适应控制、最优控制等先进控制理论的算法 在仿真控制系统中进行各种实验，验证其控制效果【2 圳。热工自动化专业的学生 的需求，一套高逼真度的热工控制系统有助于对电站实际生产过程、设备原理进行 更加深刻的认识。另一方面，计算机技术、通信技术、网络技术、可视化技术、多 媒体技术、虚拟现实技术、分布处理技术和高性能数据库技术等现代信息技术的迅 猛发展，为电站d c s 仿真技术的更新提供了丰富的实现手段和强有力的支持1 5 。们。 但是，传统电站仿真机只能对现场操作人员进行培训对热工人员的培训无能为 力，另一方面，传统的全范围仿真( 即所谓仿真方式) ，是用软、硬件替代的方式， 仿真其人机界面，而不必复制其所有功能。这种仿真方法是按d c s 外部可见功能 重新开发一套d c s 软件，所以其缺点是所仿真的控制系统通常与实际机组间存在 差异，其仿真的功能仅限于实际d c s 操作员站上的表现形式，而且控制环节与模 型关联在一起，修改控制组态困难，软件维护费用较高r 7 1 。而基于d c s 的激励式仿 真机能够很好的弥补这一缺点。激励式仿真机将d c s 与火电厂热力设备和机组模 型直接对接。基于虚拟d p u 的全激励式仿真机，能够实现d c s 的全部功能，能够 对运行人员进行培训、对现场热工人员进行d c s 组态、调试、维护等培训，以及对 控制系统的分析、研究、测试等【引。同时，基于虚拟d c s 的激励式仿真机具有极高 的软件逼近度，以软件代替硬件，极大的降低了成本。因此激励式仿真机的研究与 应用是火电厂仿真机发展趋势之一p j 。 评价仿真机性能优劣的指标之一是仿真机的实时性，影响仿真机实时性主要有 1 华北电力大学硕士学位论文 两个因素：模型运算和数据通信。随着计算机技术的发展，模型的运算已经能够满 足实时性。在仿真机的开发及运行过程中，一个高速、可靠、连接方便的数据通道 对整个仿真机系统起着至关重要地支撑作用。特别是操作员站与仿真机服务器的通 讯上，通讯速度的好坏将会直接影响操作的灵敏性和仿真机的逼真程度。而随着机 组容量的增大，通信点数也越来越多，以某电厂6 0 0 m w 激励式仿真机为例，支撑 系统与d c s 之间要进行8 0 0 0 多个点的实时数据通讯，仿真点数持续增加使传统的 d d e 通信不能满足实际的需求，支撑系统与d c s 操作员站之间的通信已经成为影 响仿真机实时性的瓶颈之一。 此外，d c s 及智能仪表之间的信息交互是靠传统的驱动程序部分来完成的。硬 件的驱动程序与其连接的应用程序之间的接口没有统一的标准，开发起来要浪费了 很多时间和劳动，而且这些程序还不一定能够完全支持硬件特性，一旦硬件特性需 要改变或升级时还需要重新开发驱动程序。另外这些控制设备系统也是不同厂商开 发的专用的系统，与不同的客户管理软件也很难连接，集成就更困难了【1 0 】。 而基于c o m d c o m 技术的o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术，提供了一个统 一的通讯标准，不同厂商只要遵循o p c 技术标准就可以实现软硬件的互操作 性，o p c 数据存取访问技术的传输速率能够达到1 0 0 0 点秒以上，而且十分可靠，还 能与多个不同的客户程序迅速相连接。 无论是传统的全范围仿真机还是激励式仿真机，面对的应用对象始终是培训人 员，并没有提供灵活的网络接口及控制方式供外部调用，科研人员运用新的建模寻 优方法对控制参数进行整定只能离线进行。本课题的主要内容便是研究o p c 通讯 技术，并利用o v a t i o n 虚拟d c s 已有的o p c 服务器开发符合o p c 数据存储访问 规范的o p c 客户端来进行数据通信，采用t c p i p 远程调用o v a t i o na p i 函数的 形式来进行指令交互实现指令的实时性与一致性，此外，本文还开发了一个灵活的 网络端口来供高校教师及科研人员用智能算法如神经网络、遗传算法来进行在线参 数寻优。 1 2 火电厂仿真机 1 2 1 仿真机的组成 仿真机由三个基本的主要部分组成：操作员站、计算机系统和教练员站，如图 1 1 所示。 操作员站用于仿真火电厂控制室内所有的监视和操作设备，如各种显示仪表、 操作键盘、运行监视器及光字牌等。计算机系统包括i o 接口、通信接口、主计算 机、模型软件、支撑系统软件以及数据记录。i o 接e 1 及通信接口用于沟通操作员 2 华北电力大学硕士学位论文 站、计算机系统以及教练员站之间的信号联系，在w i n d o w s 环境下的网络通信目前 有以下几种方法：w n e t a p i 、n e t d d e 、共享内存、w i n s o c k a p i 、o p c 等。教练员 站是多用途、多功能的培训控制中心。教练员台通过它控制整个仿真机工作，其主 要功能为：给教练员提供一套全面的控制培训工具；教练员能够容易的完成各项控 制任务：程序的运行及相应的结果必须是完全可以重复的。 1 2 2 仿真机的分类m 1 图1 - 1 仿真机的组成原理框图 火电站仿真机从使用的目的和仿真范围考虑可以分为7 类。 ( 1 ) 部分任务型仿真机，仅仅模拟电站中的部分设备和系统，如，磨煤机及其一 次风、二次风系统的仿真机。 ( 2 ) 基本原理型仿真机，对火电站运行操作的基本概念提供一个有效的基本训 练，这种仿真机对电站的主要设备和热力过程进行了简化。 ( 3 ) 通用型仿真机，用来说明运行操作的基本规则，它对电站的复制系统进行了 简化，这种类型的仿真机由一至三个控制台组成，因为它没包括电站中所有系统和控 制的模型。 ( 4 ) 全范围仿真机，当被指定仿真电站的控制室及其电站本体结构设计完成后， 根据具体的设备型号、特性、热力过程建立的仿真模型。这种仿真机的操作员台完 全复制了现场实际电站的各种操作及反应。这种仿真机能够模拟电站机组运行过程 3 华北电力大学硕士学位论文 中的各种正常与不正常的操作。 ( 5 ) 精确复制型仿真机，把被仿真电站控制室完全复制，它的各种显示仪表与实 际操作台完全一致。在同等的操作条件下，在仿真机上的操作及反应与被仿电站的 操作及反应没有任何差别。 ( 6 ) 基于c r t 的仿真机，操作员站的所有操作都是通过触摸屏或操作键盘组成。 控制室中的各种显示、仪表及设备都是用软件设计其图案，然后显示在c r t 上。 ( 7 ) 激励式仿真机，将d c s 与火电厂热力设备和机组模型直接对接构成的仿真 系统，全激励模式保留原有d c s 系统的软件和硬件，接入一个只用于实现热力设 备和机组模型仿真的支撑系统软件，它保留了分散控制系统的全部功能，但是软件 费用很高。基于虚拟d p u 的激励式仿真机使用虚拟d c s 复制实际d c s 的全部功能， 具有极大高的软件逼近度，同时以软件代替硬件极大的降低了成本。基于虚拟d p u 的激励式仿真机系统结构图如图1 2 所示。 1 3 虚拟d c s 操作员站撮作员蛄 图卜2 基于虚拟d p u 的激励式仿真机系统结构图 1 3 1 虚拟d c s 定义 “虚拟”技术一种是建立在当今高性能的计算机软硬件和网络系统上并被广泛使 用的高新技术，是如实现视景模拟的“虚拟现实”，采用c r t 交互的“虚拟仪表”、构 建远程多媒体双向通信的“虚拟会议”等1 1 3 l 。 在实际应用中，根据真实d c s 生命周期在非d c s 计算机系统中再现的阶段不 同，可以分为三种形式：激励d c s 、仿真d c s 、虚拟d c s 。虚拟d c s 技术是相对 于工业过程控制系统中的真实d c s 而言的，它其实是现场真实d c s 在一套非实时 控制的网络系统上的转移和再现，是现场d c s 的一套拷贝。从本质上说，虚拟d c s 系统是一套没有运行于现场的d c s 系统，其i o 交互对象是支撑系统运算的仿真模 型，而不是现场的数据采集器采集的设备数据。它不但吸收了传统仿真的特点，而 4 凰一 华北电力大学硕士学位论文 且吸收了控制工程技术近年来在采用图形图像技术和网络技术上发展出的图形组 态和分散计算功能，利用先进的控制技术有效的推进了仿真技术的进步。 虚拟d c s 技术的最大优点在于保持了d c s 的封装性，在控制系统的特性不受 影响的同时实现了仿真系统与控制系统真正意义上的无缝连接，在d c s 的架构上 构造出虚拟的工业环境，使实际现场的控制系统可以直接应用于仿真机。其控制逻 辑和操作员画面均来自现场真实d c s 的拷贝，这样不仅减少了建模的工作量，改 善了仿真系统的动态特性，同时当实际控制系统维护或升级时可方便的实现仿真系 统的同步升级，使仿真系统具有了更强的生命力。 同时，通过把基于虚拟d c s 技术的仿真系统与控制系统的结合，将先进的图形 化建模技术和在工业控制软件领域普及的模块化建模手段等一系列先进技术手段 融入到仿真系统中，更简洁和直观的方式面向用户，为模型的搭建和维护提供了更 加方便灵活的手段。与d c s 一体化的软硬件架构也使虚拟d c s 技术具备了控制系 统的另一特色，即分布式的计算模式。虚拟d c s 技术采用了协调一致的结构、标 准、协议和数据库，通过实时全局性数据网络将分散配置的软硬件连接成为各节点 共同参与交互的仿真环境，各节点在独立计算的同时通过实时数据网络交互，实现 计算分散的目的，节点间的相互平等也降低了系统对单一节点的依赖i l 刖。 基于虚拟d c s 技术的仿真系统结构简单，系统配置灵活，仿真模型的搭建和 维护升级方便，与现场实际更加逼近，与d c s 一体化的设计更增强了仿真的效果。 是仿真技术未来发展的一个重要方向i l 列。 1 3 2 虚拟d o s 分类n 们 h | 由于d c s 主要由分散处理单元( d p u ) 和操作员站人机界面( h m i ) 构成，相应虚 拟d c s 就有“虚拟d p u ”和“虚拟h m i ”。目前由虚拟d p u 、虚拟h m i 及部分虚拟的 多种不同的组合构成了6 类虚拟d c s ：最小配置d p u + 真实h m i ：最小配置d p u + 仿真h m i ；虚拟d p u + 真实h m i ：虚拟d p u + 虚拟h m i ：虚拟d p u + 仿真h m i ：组 态图虚拟d p u + 真实h m i 。 各类虚拟d c s 分类处于全激励d c s 和全仿真d c s 之间，虚拟d c s 以其接近 激励d c s 的逼真度、接近仿真d c s 的应用功能和最节省的投资表现出相对的优势。 1 4 艾默生虚拟d o s 系统0 v a ti 洲3 0 4 介绍刀 1 4 1 系统的硬件组成 系统由一台服务器和四台工程师站组成，服务器同时可以作为工程师站使用， 每个微机上带4 个虚拟d p u ，工程师站的控制逻辑和操作员站的监控画面由电站现 场直接获得，组态中各个站之间的传输方式如图1 3 所示。 5 华北电力大学硕士学位论文 图卜3 组态中各个站之间的传输方式 1 4 2 系统的软件组成 o v a t i o n 系统基本软件包括：( 1 ) o v a t i o n 系统组态软件包：( 2 ) o r a c l e8 关系 数据库；( 3 ) a u t o c a d 软件包；( 4 ) a p p l i x 报表软件包；( 5 ) o p c 服务器系统。 1 5 仿真机网络通信系统 由于电站仿真系统相当复杂，所有功能需要在多台计算机上共同实现，这就需 要网络通信系统进行数据交换，目前经常使用的集中方法：使用w i n d o w s 网络应 用程序接口( w n e ta p i ) ；使用w i n d o w s 网络动态数据交换( n e t d d e ) ；使用共享内 存( s h a r ef i l e ) ；使用w i n d o w ss o c k e t s 应用程序接口( w i n s o c ka p i ) ；使用o p c 进行 通信。此外，对于有硬件盘台的仿真系统，还需开发硬件驱动程序。 为了保证通信的实时性，仿真机开发机构都结合电厂实际情况，提出了自己的 方案。文献1 1 8 1 通过分析需求采用分布式网络计算结构，按照系统任务的划分，采 用多计算机分布式并行处理，各计算机分别承担相应的实时处理任务，实现相应的 功能。各计算任务从各宿主机通过网络交换实时数据和信息。文献1 1 9 在某5 0 m w 热电厂仿真机中采用w i n d o w s 提供的一种更先进的d d e 方案，动态数据交换管理 库d d e m l 解决了实时仿真软件进程间庞大的数据交换问题。达拉特电厂1 号机组 3 3 0 m w 仿真机采用的是华仿科技的s t a r 9 0 ，在s t a r 9 0 和i n f i 9 0 的数据传送 过程中使用了d e c n e t v a x 并依照d n a 规范，使用了非透明通讯方法，来进行 实时通信l z o j 。在浙江嘉兴发电厂二期( 4 * 6 0 0 m w ) 仿真机开发过程q 了( s t a r 9 0 ) ，依 照d c s 特点采用了o p c 方式和i c i + s e m a p i 方式相结合的通信方式【2 1 1 ，文献【1 0 1 通 过研究o p c 规范使用a t l 开发出o p c 服务器与客户端实现实时通信各项指标均满 足现场仿真的实际。 6 多工作的重复性。 图i - 4 传统监控软件与设备之间的通信 o p c 是为了不同供应厂家的设备和应用程序之间的软件标准化，使其间的数据 交换更加简单化提出来的。把硬件设备的信息以o p c 接口的形式发布出去，o p c 服务器作为现场设备和应用程序通信的载体，采用o p c 规范的控制软件与设备之 间的通信如图1 5 所示【3 们。 应用程序应用程序 j o p c 客户铡i o p c 客户萄；i ：工 工工工 l d p c 服务别i o p c 服务别1 0 p c 服务器 设备a设备a 设备a 图i - 5 采用o p c 规范的控制软件与硬件设备通信 利用o p c 的系统，是由按照客户程序要求提供数据采集服务的o p c 服务器， 7 华北电力大学硕士学位论文 o p c 接口，以及接受服务的o p c 客户端组成。o p c 扩展了设备的概念，只要符合 o p c 规范，o p c 客户端与服务器之间就能进行数据交换，而无需关心硬件的细节 问题。同时o p c 提供一种v a r i a n t 的数据类型，可以不依存于硬件固有的数据类型， 按照应用程序的要求提供数据格式。 针对于硬件开发商来说，再也不需要针对不同的硬件设备开发驱动程序，只需 按照o p c 标准提供一个o p c 服务器，就能满足不同用户的需求，此外，硬件厂商 更加了解硬件的相关信息，由他提供的驱动程序也更能充分发掘硬件的功能。 对于软件开发者来说，再也不需要了解不同硬件的具体信息，只需依照o p c 标准开发客户端，就能访问到被o p c 服务器封装起来的信息，这样不但减少了开 发时间和降低了开发成本，而且开发和维护起来也更加方便了，任何支持c o m 的 高级语言都能用来开发o p c 客户端。 对于用户来说，可以选用各种各样的商业软件包，使得系统构成的成本大大降 低。同时可以更加容易的实现由不同厂商提供的设备所混合构成的工业控制系统。 在o p c 技术出现之前，d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 技术对过程控制做出了巨 大贡献。d d e 是o l e 技术的前身，用于应用程序之间的动态数据交换。但是d d e 是建立在w i n 3 2a p i 基础上的，是基于w i n d o w s 的消息( m e s s a g e ) 机制的。因此d d e 存在无安全机制，可靠性差、数据传输较慢、开发困难、功能缺乏柔软性等缺点。 与d d e 相比较，基于c o m o l e 的o p c 技术具有数据传输速率高、基于c o m 的安全管理机制、开发成本低、可靠性高等优点。 1 6 20 p 0 规范的发展及应用范围 o p c 标准是在m i c r o s o f t 的领导下由o p c 基金会组织倡导的，由全世界范围内自 动化领域中处于领导地位的厂商协作制定的自动化领域软件的接口标准i l 刀。o p c 基金会于1 9 9 6 年8 月完成了最初的o p c 规范，即1 0 版。数据访问规范已经升级 到3 o 版。1 9 9 8 年1 2 月发布了报警事件规范1 0 版( a l a r m s & e v e n t ss p e c i f i c a t i o n ) 。 1 9 9 9 年1 2 月升级到1 0 2 版。1 9 9 8 年还发布了历史数据访问规范1 0 版( h i s t o r yd a t a a c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) 。2 0 0 0 年1 月发布了批量过程规范1 o 版( b a t c hs p e c i f i c a t i o n ) 。 2 0 0 0 年1 0 月发布了安全性规范1 0 版( s e c u r i t ys p e c i f i c a t i o n ) 。2 0 0 2 年7 月发布了 o p cx m l - d a 规范r c l 8 版( o p cx m l - a ds p e c i f i c a t i o n ) 3 l - 弼l 。目前，正在研发的 规范有：o p cc o m m o ni o 、o p cc o m p l e xd a t a 、o p cu p n p ! j 。 o p c 规范的核心是实时数据访问( o p cd a t aa c c e s s ) 接口规范，它面向实时数 据处理。对于高敏感度的实时数据，o p c 将其从普通实时数据中分离出来，提出报 警事件的概念，制定了专门的o p c 报警事件( o p c a l a r ma n de v e n t s ) 接口规范：对 于面向趋势显示、历史分析、报表的数据，o p c 制定了历史数据访问( o p ch i s t o r i c a l 8 华北电力大学硕士学位论文 d a t aa c c e s s ) 接口规范。其他的o p c 规范还包括o p c 安全处理( o p cs e c u r i t y ) 接口 规范、o p c 批处理( o p cb a t c h ) 接口规范、x m l 数据访f 司( x m l d a ) 规范和o p c 数 据交换( o p cd x ) 规范等。在过程控制系统的架构中，整个系统以o p cd a 服务器 为中心，o p ca e 服务器从o p cd a 服务器上得到实时数据，并根据客户的设置进 行逻辑分析，产生相应的事件和报警信息发送到客户端；o p ch d 服务器将从o p c d a 服务器上获得的数据并根据客户要求进行保存，便于客户端进行查询和分析数 据的变化情况；o p cd x 服务器将多个o p cd a 服务器的数据组织起来，根据需 要进行各个o p c d a 服务器之间的数据交换；x m l d a 服务器将o p cd a 服务器 上的数据转换成x m l 文本，并发布到互联网上，实现数据更大范围内的共享：o p c s e c u r i t y 服务器则对整个数据层的数据加上了一层安全保护。 1 6 30 p c 数据访问规范的应用 o p c 标准提供了两种接口：通用接口和自动化接口，通用接口只能由c + + 访问。 对于v b 、v b a 、e x c e l 、d e l p h i 等编程软件和工具只能访问自动化接口。文献 f 4 0 4 3 分别介绍了c + + 、c 撑、d e l p h i 开发o p c 客户端的方法。 - ， 在其他的系统仿真方面，文献 4 4 1 把o p c 技术应用于在船舶机舱仿真监测系 统，实现了实船报警的部分功能。文献1 4 5 1 在东江深圳梯级泵站供水工程的泵站系 统仿真中应用了o p c 技术直接从p l c 中读取数据，在水利服务器上进行模型运算。 在和激励式仿真机类似的通信结构的工业软件和设备中，即不同的硬件之间的 通信。o p c 得到了广泛的应用。在过程设备的监控和管理方面，o p c 数据标准能 够解码任何测量数据和控制指令，使生产中各个车间的控制系统和自动化设备很容 易的通过网络通信1 4 们。m r a a f a y a n w a r 等1 4 7 】在一个用于现场智能设备和p l c 的 监控系统中应用了o p c 通信，避免了很多重复工作和访问的冲突，支撑硬件设备 的变化。在d c s 监控中，利用o p c 技术完成数据的采集后，通过界面组态显示出 来。通过对数据的控制组态，用户可以根据应用对象及控制任务的要求，以“搭积 木式”的方式灵活配置、组合各功能模块，同时，在系统中提供第三方组件引入接 口，提高系统的灵活性和扩展性【4 引。越来越多的电力监控系统也开始应用o p c 技 术，文献【4 9 】在详细分析了传统的变电站监控主站软件设计方法的基础上，针对其存 在的问题。提出了一种基于o p c 技术的监控主站软件的设计思想。利用该方法把整 个监控主站软件设计成o p c 的一个客户端的方式独立运行，从而使整个监控主站 软件的设计和应用可以完全脱离下层接口硬件。上海槽径热电有限责任公司的蒸汽 燃气联合循环系统中使用了o p c ，实现了d c s 与p l c 之间的通信，可以在d c s 集控室完成对b o p 的监控和b o p 无人值班1 5 0 l 。胡敦利【5 1 l 利用o p c 快速开发工具 实现了o p c 接口，提高了通信的实时性，使o p c 技术与c a n 总线结合应用，实 9 华北电力大学硕士学位论文 时、高效、准确的采集现场设备数据。韩国的v uv a nt a n 把o p c x m l - d a ( o p cx m l d a t aa c c e s s ) a n do p cc o m p l e xd a t a 标准和网络技术结合提出了一种机制来处理复 杂控制系统中的复杂数据，减少了冗余数据的传递【5 御。 1 7 本课题的主要工作 本文针对火电机组仿真机系统中操作员站与支撑系统通讯部分中的数据通道 的实现进行研究，利用已有虚拟d c s 软件o v a t i o n 3 0 4 自有的o p c 服务器，在 深刻学习o p c 存取访问规范的基础上开发o p c 客户端，并实现系统指令的一致性， 同时在支撑系统上开发了网络端口和灵活的运行方式，供高校教师和科研人员对参 数进行在线的寻优。本文主要做了一下工作： ( 1 ) 支撑系统实时数据库数据结构的设计。 ( 2 ) o p c 客户端的开发，通过学习研究c o m d c o m 技术以及o p c 存取访问规 范采用c + + 开发o p c 客户端。 ( 3 ) o p c 客户端与支撑系统之间的数据交换，二者采用共享内存的方式进行数 据交换，点表数据库采用a c c e s s 数据库。 ( 4 ) 整个系统命令的实时性和一致性，通过研究o v a t i o na p i 函数，采用远程 调用a p i 函数的形式实现支撑系统之间，运行、冻结、加载和保存条件等指令的一 致性。 ( 5 ) 网络端口的开发，在支撑系统内部开发了一个网络端口，并设计了灵活的模 型运行冻结方式，在模型外部使用其他软件如c + + 、m a t l a b 、j a v a 等编写智能算法， 寻优结果可直接通过网络端口传递给支撑系统，稳定后的运行结果返回给外部软 件，继续寻优。 本文除第一章绪论外，第二章为课题研究的基础知识，主要对o p c 技术的基 础c o m d c o m 及o p cd a 规范做了论述，学习了c o m 的结构、开发方法及通信 机制、o p cd a 规范、o p c 服务器的组成和o p c 的通信方式等。第三章详细阐述 了d c s 侧与支撑系统侧实时通信的开发方案及实现步骤，包括数据通信和指令通 信两部分。第四章详细介绍了支撑系统侧网络端口及数据采集客户端的开发方法， 分别从支撑系统侧网络端口的开发，数据组的定义及实现、稳定规则定义及实现、 数据采集客户端的开发等几方面做了详细说明。第五章为全文总结，总结了本文所 做的所有工作，并指出了本文的不足之处。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第二章o p c 数据访问规范 o p c 技术是指过程控制中的o l e 技术，o l e 技术采用的就是以c o m 作为其 底层结构，其技术本质是采用了m i c r o s o f t 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，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、面向对象的通讯协议，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 可以支持在局域网、广域网甚至i n t e m e t 上不同计 算机上的对象之间的通讯。 2 1 组件对象模型( c o m ) 组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c tm d o e l ) 是m i c r o s o f t 公司基于组件化程序设计 方法而提出的一种以组件为发布单元的对象模型，这种模型提供了一些基本的原则 使不同的软件组件可以使用统一的方式进行交互。c o m 既提供了组件之间进行交 互的规范，也提供了实现交互的环境。 “ c o m 技术具有以下优点： ( 1 )c o m 并不是一种计算机语言，而是与运行的电脑( 相互连接的) 、计算 机操作系统( 只要支持c o m 即可) 及开发语言无关，符合c o m 规范的 任意两个组件之间都可以相互通信的二进制和网络标准【2 2 1 。 ( 2 )c o m 技术可以提供不同版本的服务器和客户端，解决了过去d l l 的版 本管理困难的问题。 ( 3 )c o m 服务器是根据c o m 客户的要求提供c o m 服务的可执行程序。 ( 4 )c o m 客户程序和c o m 服务器可以用完全不同的语言开发。 ( 5 ) d c o m 技术作为c o m 技术的扩展，可以使c o m 组件分布于不同的计 算机上，并通过网络交换数据。因此对于c o m 客户程序来说连接远程 计算机上的c o m 服务器与连接本地计算机上的服务器相同，不必对服 务器程序做任何修改。 在工业领域，c o m d c o m 技术主要应用自动化软件编写和o p c 技术，可把整 个软件分成几个功能组件，比如实时数据库组件、趋势显示组件、报表组件、报警 组件，数据库管理组件等1 2 3 1 。 2 1 1c o m 的结构 c o m 标准包括规范和实现两部分，规范部分定义了组件之间的通信机制。只 要依照该规范，任何语言在任何操作系统中都能够使用：c o m 标准的实现部分是 c o m 库，c o m 库为c o m 规范的具体实现提供了一些核心的服务1 2 4 1 。在w i n d o w s 1 1 华北电力大学硕士学位论文 系统环境下，c o m 库主要包括： ( 1 )提供a p l 函数实现服务器和客户端应用程序的创建。 ( 2 )通过注册表查找本地服务器、程序名与c l s i d 转换等。 ( 3 )提供了一种标准的内存控制管理机制，使应用程序控制进程中的内存分 配。 c o m 技术不但提供了组件之间的通信及接口的标准，而且引入了面向对象的 思想。c o m 对象是c o m 中十分活跃的元素，而c o m 组件为c o m 对象提供了活 动的空间，c o m 对象以接口的形式提供服务，我们把这种接口称之为c o m 接口。 图2 1 为c o m 组件、c o m 对象和c o m 接口之间的关系。 图2 1c o m 组件、c o m 对象和c o m 接口之间的关系 如图所示一个组件能够包含多个对象，并且每个对象可以实现一个或多个接 口。当外部的组件或客户程序调用组件时，它首先创建或获得一个c o m 对象，然 后通过该对象实现c o m 接口调用它所提供的服务。当外部组件或客户程序不再需 要改c o m 对象时，它要释放该对象所占用的资源。 c o m 组件有三种开发方式： ( 1 )用c o ms d k 开发c o m 组件； ( 2 )用m f c 开发c o m 组件； ( 3 )用a t l 开发c o m 组件； c o m 对象是c o m 基本要素之一，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的形式封装起来的实体。客户程序只需知道自身与哪个 c o m 对象进行交互即可，并不需要知道组件模型的名称和位置。类似于c + + 中的 类，c o m 对象也包含属性和方法。属性反映了对象的客观存在，也是区别其他对 象的要素；方法是对象的接口，客户程序必须通过接口才能获得对象的服务。在 c o m 模型中，对象本身对于客户程序来说是不可见的，接口是对象与服务程序交 互的唯一途径，封装性是对象的基本特性。 c o m 规范的核心内容就是关于接口的定义，接口是包含一组函数的数据结构， 12 华北电力大学硕士学位论文 客户程序通过这组数据结构调用组件对象的功能。接口定义了一组成员函数，这组 成员函数是对象暴露出来的所有信息，客户程序利用这组函数获得对象的服务。接 口结构图如图2 2 所示。 p t a b l e v t a b l e l。l 一 】日t l指针函敦l 指针函致2 对象实现 指针函戮3 图2 - 2 接口结构图 客户程序用一个指向接口数据结构的指针来调用接口的成员函数。实际上接口 的指针又指向另外一个指针，第二个指针指向一组函数，称之为接口函数表，接口 函数表中的每一项为4 个字节的函数指针，每个函数指针与对象的具体实现连接起 来。通过这种方式，客户只要获得接口指针就能够调用到对象的实际功能1 2 5 j 。接口 函数表还称为虚函数表( v t a b l e ) ，指向v ，r a b l e 的指针为p v a b l e ，对于一个接1 3 来说， 它的v t a b l e 是确定的，即成员函数的个数和顺序都是不变的。在接口的定义中， 所有的信息以二迸制的形式定义，因此无论任何平台和编程语言，只要支持这种内 存结构描述，就能定义接口。需要注意的是在接口成员函数中，字符串变量必须用 u n i c o d e 字符指针，c o m 规范要求使用u n i c o d e 字符，而且c o m 库中提供的c o m a p 函数也使用u n i c o d