（计算机应用技术专业论文）opc+xml技术在scada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 o p c 规范( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是o p c 基金会为实现控制系统之间的信息 交换和互操作而制定的。它基于微软的c o m d c o m 和最新的x m l 技术，建立了 一套符合工业控制要求的通信接口规范，使控制软件可以高效、稳定地对硬件设 备进行数据存取操作，系统应用软件之间也可以灵活地进行信息交互，极大提高 了控制系统的互操作性和适应性。o p c x m l - d a 规范是o p c 家族中的最新成员， 它针对跨平台通信和基于互联网的应用而开发，为从生产现场的控制系统到经营 决策层的企业信息管理系统的纵向信息集成提供了实现途径。 s c a d a 系统是功能最基本的自动化系统。因其硬件技术成熟、价格相对低廉， 所以在自动化领域中应用最广泛。文章首先指出了传统封闭的s c a d a 系统在与管 理层集成和系统扩展两方面所存在的问题，然后对o p cx m l 技术进行了详细讨 论。在此基础上提出了采用o p cx m l 技术扩展传统封闭的s c a d a 系统的方案， 并介绍了方案中关键的o p cx m l 服务器的设计方法。采用这种方案可以很好地 解决传统封闭的s c a d a 系统存在的集成与扩展两方面问题。 本文的主要工作和创新点在于： 针对传统封闭的s c a d a 系统存在的问题，提出了采用o p cx m ld a 技 术设计s c a d a 系统的方案，采用这种方案可以很好地解决传统封闭的s c a d a 系 统存在的集成与扩展两方面问题。 开发了o p cx m l - d a 服务器，并成功地将其应用到s c a d a 系统中。本 文讨论了o p cx m l - d a 服务器在s c a d a 系统中的地位和作用，详细分析了o p c 服务器和客户端的结构设计和开发方法。 o p c x m l - d a 服务器为s c a d a 系统提供了与外界相连的标准数据接口， 因此保证服务器数据的安全访问是至关重要的。本文详细讨论了o p cx m l - d a 服 务器设计开发过程中需要考虑的安全问题，并提出了相应的解决方法。本文提出 的方法通过m i c r o s o i t n e tf r a m e w o r k 安全框架和m i c r o s o i ti n t e r a e t 信息服务( i i s ) 的协同工作提供了灵活、可靠的安全验证和授权机制，充分保证了o p c 服务器数 据访问的安全性。 关键词：o p cx m l - d a ，s c a d a ，客户服务器，软件复用，安全访问 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t o p c l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) i sd e s i g n e db yo p cf o u n d a t i o nf o r t h e c o m m u n i c a t i o na n di n t e r o p e r a b i l i t yo f a l lk i n d so f a u t o m a t i o ns y s t e m s i ti sb a s eo nt h e c o h 们d c o ma n dt h ex m lt e c h n o l o g y a n db u i l d sas e to fs t a n d a r d c o r m m m i c a t i o ni n t e r f a c e s w h i c hm a k e sa u t o m a t i o ns y s t e ma b l et oa c c e s sd a t af r o m h a r d w a r em o r eq u i c k l ya n de f f i c i e n t l y i ta l s om a k e sa l lp a r t so ft h es y s t e ma b l et o c o m m u n i c a t et oe a c ho t h e rs e a m l e s s l ya n dg r e a t l yi m p r o v e st h ei n t e r o p e r a b i l i t ya n d f l e x i b i l i t yo fa u t o m a t i o ns y s t e m o p cx m l - d as p e c i f i c a t i o ni st h en e w e s tm e r n b e ro f o p cf a m i l ya n di ti sd e s i g n e df o rc r o s s - p l a f f o r ma p p l i c a t i o n so ni n t e r n e t i tm a k e st h e i n t e g r a t i o n s o fa u t o m a t i o ns y s t e m si np l a n tf l o o rw i t he n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m sp o s s i b l ea n do p e n s ag r e a tn e ws p a c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f o p c s p e c i f i c a t i o n s t h es c a d a s y s t e mi st h ea u t o m a t i o no ft h em o s tb a s i cf u n c t i o n , b e c , a u s et h e h a r d w a r et e c h n i q u eo fi ti sm a t u r ea n dt h ep r i c ei so p p o s i t e l yc h e a p e r , i ti sa p p l i e dt h e m o s te x t e n s i v e l yi na u t o m a t i o ns c o p e s t h ep a p e ra n a l y z e st h es c a d as y s t e mt h a ti s w i d e l yu s e di np r o c e s sm o n i t o r i n g , p o i n t so u tt h a tt h et r a d i t i o n a ls c a d as y s t e mh a s d i s a d v a n t a g ei ne x p a n d i n ge f f i c i e n c ya n di n t e g r a t i n gw i t hm a n a g i n gs y s t e m , t h e n d i s c u s s e st h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i co fo p cx m li nd e t a i l ，t h e r e f o r ep r o p o s e so p c x m lt e c h n o l o g yt oe x p a n dt h ee x i s t i n gs c a d as y s t e m , g i v e st h ed e t a i ld e s i g n i n go f t h ew h o l es y s t e m , d i s c u s s e st h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n to fo p cx m ls e r v 既t h e m e t h o da d o p t e di s q u a l i f i e di ns o l v i n gd i s a d v a n t a g ei ne x p a n d i n ge f f i c i e n c y a n d i n t e g r a t i n gw i t hm a n a g i n gs y s t e m f o l l o w i n g s8 r et h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i s ： t h et h e s i ss t u d i e dt h ep r o b l e m si nt h et r a d i t i o n a ls c a d as y s t e m , a n da p p l i e dt h e o p cx m ld ai nt h ed e s i g no fs c a d as y s t e m ，t h em e t h o da d o p t e di sq u a l i f i e di n s o l v i n gt h ep r o b l e m si ne x p a n d i n ge f f i c i e n c ya n di n t e g r a t i n gw i t h o t h e rs y s t e m w ed e v e l o p e do p cx m l - d as c f v e r , a n da p p l i e di ti nt h es c a d as y s t e m 1 1 l i s t h e s i sd i s c u s s e dt h ea r c h i t e c t u r ea n dd e v e l o p m e n to fo p cs e r v e ra n de l i e n t b yt h e a p p f i c a t i o no f b r i d g ep a t t e r no p c 1 v c rh a sg r e a tr e u s a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y t h es e c u r i t yi so fg r e a ti m p o r t a n c et oo p cs e r v e r , 8 0t h i st h i sd i s c u s 嘣lt h e c l l r i 哆d e s i g no fo p cs e r v e rt h o r o u g h l y , a n db r i n g sf o r w a r das e c u r i t ym e c h a n i s m b a s e do nm i c r o s o f t n e tf r a m e w o r ka n di i s ，w h i c ho f f e r sa g i l ea n dr e l i a b l ev a l i d a t i o n 重庆大学硕士学位论文英文摘要 k e y w o r d s ：o p cx m l - d a , s c a d as y s t e m , r e u s a b l es o f t w a r e , s e c u r ea c c e s s h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文 中个包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 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木 研究所做的仟何贡献均已在论文中作了明确的说明并表j 谢意。 学位论文作者签名：髟跑噬 签字口期： 扫。7 年钼7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借蒯。本人授权重丛太堂_ 口j 以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩e 1 j 或扫描等复制r 段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 奉学位论文属于， 彳i 保密( ) 。 ( 请只在上述一个括弓内打“”) 学位论文作者签名：跷世勉 签字日期：孔田年石月7 r i 导师签名：，召锣 签字日期：j 叼年石月7 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 s c a d a 系统全称s u p e w 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 ，即数据采集与监 视控制系统。s c a d a 系统在工业生产过程和事物管理自动化等领域得到了广泛的 应用。s c a d a 系统功能主要是对远方数量众多的分散的运行设备进行监视和控 制。 s c a d a 系统，从传统用户的角度来讲主要解决以下三个问题： 设备各种参数状态数据的采集和控制信号的发送( 设置设备的参数或开关设 备) ：采集设备的参数状态数据通常由智能设备完成，智能设备一般提供有可编程的 通讯协议和协议处理芯片。数据采集周期的长短是衡量一个系统一个重要指标。 监控参数的图形动画表达和报警处理：这两种工作是监控中心解决的。 事故追忆和趋势分析：这个主要是通过历史数据的查询和处理来实现的。 s c a d a 系统构成：监控层、通信网络、控制层组成。 监控层：至少一个监控中心组成。监控中心一般由微机或工控机加监控软件 组成，也可以是安装了监控软件的手机，掌上电脑。 网络层：包括有线和无线通信网络以及网络接入设备与通讯控制设备。从范围 上说有局域网，广域网，i n t e r n e t 。 控制层；现场监控终端、传感器及仪表等被监控设备。 s c a d a 系统可作为楼宇设备运行与管理子系统，监控房屋设施的各项设备事 务，如门警、电梯运营、消防系统、照明系统、空调系统、水工、备用电力系统 等等的自动化管理。比如学校可以用s c a d a 系统来对分散在多个校区的办公楼， 实验楼的大量运行设备进行监控。企业则可以用s c a d a 系统对分布在不同地点的 办公大楼的大量设备进行监控。 1 1 1 问题的提出 目前许多企业提出管控一体化的目标，即要把企业的生产现场监控和企业管理 这两个系统结合起 1 1 ，使企业管理人员也可以随时了解到生产现场实时的和以往的 运行情况。这就要求完成现场监控的s c a d a 系统能和企业的g i s 系统【2 】、m i s 系 统【3 】、e r p 能方便地进行数据共享。另外企业生产的监控系统随着生产规模的不断 扩大以及对其功能要求的增多，需要在不影响原有系统运行的情况下添加一些新的 功能模块，这就要求新加进来的模块和原有的系统都具有一种行业统一的标准接口 才能实现两者方便的连接。 在实现上述功能时传统s c a d a 系统存在以下三方面问题： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 通用性差：因为现在控制层多采用基于c o m d c o m 的o p cd a 技术进行集 成，c o m ，d c o m 在微软以外的平台得不到支持。在多种平台间，如采用l i n u x 平台与微软的w i n d o w 平台的微机系统之间以c o m 方式交换实时数据很困难。 开放性差：控制层设备有时候工作在不同的总线上，采用不同网络协议来工 作，因此控制层不能为监控层与管理层提供统一格式的数据。 连通性差：如果你希望通过在广域网采用d c o m 进行通讯，会遇上极大的 麻烦。d c o m 是同微软的w i n d o w s 平台的安全注册机制紧密绑定的，并且它采用 动态分配t c p i p 端口，一般无法穿越企业局域网的防火墙 4 】。而且你无法在i n t e m e t 上以o p c d a 方式来通讯。 1 1 2 研究的意义 解决以上问题具有重要意义：开放性，通用性的解决对用户来说将可以降低系 统建设初期的经济投入。对系统供应商来说可以提高系统开发效率。连通性的解 决可以方便系统的维护。s c a d a 系统供应商或企业技术部门可以借助i n t e m e t 在 远方的监控中心对监控设备进行快速诊断并且在设备出现故障时可以进行快速的 修复。如果设备故障严重，无法通过监控中心解决故障时，再派人到现场更换设 备。这样做既提高了系统维护的效率又节省了技术人员使用数量。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外s c a d a 系统实际工程中主要是采用下面手段解决系统开放性差， 连通性与通用性问题。通常用o p cd a 技术解决控制层开放性不足的问题。通过 建立w e b 服务器来满足远程监控中心和管理系统对实时数据库的访问请求。 在国内还没有s c a d a 系统采用o p c x m l 技术来实现，也没有学者系统研究 o p cx m l 在s c a d a 系统中应用。国内已发表的研究成果主要是有关o p cx m l 技术本身的研究。0 5 年重庆大学廖国富有一篇基于o p cx m l 的建筑智能化系 统集成模型研究的论文，作者在微软平台开发了o p cx m l 客户端【5 1 。0 5 年，台 湾大同大学有一篇以o p cx m l 标准实现远端监控系统的论文，作者在嵌入式 系统上开发了o p cx m ld a 服务器。国外一些技术领先的厂商已有支持o p cx m l d a 规范的产品。比如西门子最新的组态软件w i n c cv 6 。美国已经有工业控制系 统实际项目中采用o p cx m l 技术的实例。 1 3 本文研究的目的和研究内容 1 3 1 本文研究的目的 本课题研究的主要目的是要采用o p cx m l 技术来弥补传统s c a d a 系统中存 在的开放性差，通用性差和连通性不足的问题，以达到改进并增强系统功能的目 2 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 的。 1 3 2 本文研究的主要内容 ( i ) s c a d a 系统的组成和原理。 o p cx m l 规范的原理与技术。 o p cx m l 技术在楼宇自动化s c a d a 系统中的应用方案。 3 重庆大学硕士学位论文 2s c a d a 系统的简介 2s c a d a 系统的简介 2 1 引言 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 ) 系统作为生产过程和事物 管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它包含两个层次的含义：一是智 能数据采集系统，也就是通常所说的下位机；另一个是数据处理和显示系统，即 上位机h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t a a c e ) 系统1 6 】。 下位机一般意义上通常指硬件层上的，即各种数据采集设备( r t u 、f 1 u 、 p l c 及各种智能控制设备等等) 7 1 。这些智能采集设备与生产过程和事务管理的设 备或仪表相结合，感知设备各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号， 并通过特定数字通信网络传递到h m i 系统中。必要的时候，这些智能系统也可以 向设备发送控制信号。上位机h m i 系统在接受这些信息后，以适当的形式如声音、 图形、图象等方式显示给用户，以达到监视的目的，同时数据经过处理后，告知 用户设备各种参数的状态( 报警、正常或报警恢复) ，这些处理后的数据可能会保 存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系 统( 如m i s ，g i s ) 【8 】结合形成功能更加强大的系统；h m i 还可以接受操作人员的 指示，将控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。 2 2s c a d a 系统应用 2 2 1s c a d a 系统应用领域 上位机与下位机结合的s c a d a 系统，作为操作员平台和中央监控系统，已经 和将要广泛地应用到工业生产和事物管理的各个领域，主要有： 楼宇自动化：开放性能良好的s c a d a 系统可作为楼字设备运行与管理子系 统，监控房屋设施的各项设备事务，如门警、电梯运营、消防系统、照明系统、 空调系统、水工、备用电力系统等等的自动化管理； 生产线管理：用于监控和协调生产线上各种设备正常有序的运营和产品数据 的配方管理； 无人工作站系统：用于集中监控无人看守系统的正常运行，这种无人值班系 统广泛分布在以下行业：无线通讯基站网；邮电通讯机房空调网；电力系统配电 网；铁路系统电力系统调度网；铁路系统道口，信号管理系统；坝体、隧道、桥 梁、机场和码头等安全监控网；石油和天然气等各种管道监控管理系统；地铁、 铁路自动收费系统；交通安全监侧；城市供热、供水系统监控和调度；钢铁工业 高炉安全监控系统；环境、天文和气象无人检测网络的管理；各种工业锅炉监控 4 重庆大学硕士学位论文2s c a d a 系统的简介 保护系统；其它各种需要实时监控的设备。机械人、机件臂系统用于监视和控制 机械人的生产作业；其它生产行业如大型轮船生产运营、粮库质量和安全监测、 设备维修故障检测、高速公路流量监控和记费系统等。 2 2 2s c a d a 系统产生的社会和经济效益 以上所述各领域在应用了s c a d a 系统后，可以取得以下社会和经济效益： 极大地提高了生产和运行管理的安全性能和可靠程度； 生产配方管理的自动化可大大提高产品的质量和生产的效率； 极大地减低了生产人员面临恶劣工作环境的可能性，保证了工作过程中第一 位的人员的安全性； 可大大地减少不必要的人工浪费； 通过生产过程的集中控制和管理，极大地提高企业作为一个整体效率的竞争 能力； 系统通过对设备生产趋势的保留和处理，可提高预测突发事件的能力，在紧 急情况下的快速反应和处理能力可极大地减少生命和财产的损失，从而可带来潜 在的社会和经济效益。 2 3s c a d a 系统的功能要求 2 3 1s c a d a 系统基本功能要求 s o 山a 系统，从传统用户的角度来讲主要解决以下三个问题： 设备各种参数状态数据的采集和控制信息的发送。这部分涉及两个含义：一 是怎样采集设备参数状态数据。它通常由智能设备生产厂家解决，及作为下位机 在市场中出售，并提供可编程的通讯协议和协议处理芯片；二是设备生产状态数 据如何传递到上位机系统处理。目前上位机通常通过标准串口或i o 卡运行专用的 上层采集模块，从下位机中实时地采集设备各种参数和发送控制信息；解决问题 效率的高低表现在采集周期的长短上，这也是衡量一个系统是否适合于某个行业 的一个重要指标。目前上位机可达到平均毫秒级的采集周期。 监控参数的图形动画表达和报警处理。报警作为监控的一个重要目的，是所 有上位机系统必须解决的问题。如果说各种图形、图象、动画、声音等方式用于 表达设备的各种参数运行状态是必不少的话，那么若上位机系统不能有效的处理 设备的报警状态，所有的表现形式都是多余的。评价上位机系统可靠性和高效性 的一个重要指标是看它能否不遗漏地处理多点同时报警。 事故追忆和趋势分析。监控的另外一个目的是评价生产设备的运转情况和预 测系统可能发生的事故。在发生事故时能快速地找到事故的原因，并找到恢复生 产的最佳方法。从这个意义出发，实时历史数据的保留和系统操作情况记录变得 5 重庆大学硕士学位论文2s c a d a 系统的简介 非常重要。因而评价一个s c a d a 系统，其功能强弱最为重要的指标之一就是对实 时历史数据记录和查询的准确和高效。 2 3 2s c a d a 系统扩展功能要求 现代计算机软硬件技术的发展和应用的需要，又使得s c a d a 系统还要能解决 以下一些问题： 与管理信息系统( m i s ) 的结合。在现代企业中，生产过程管理和企业日常事 物管理的结合是不可分割的，信息流的分层次流动适合于不同的管理需要，而且 地域和行政部门的分布，在企业集团化管理的趋势下变得越来越明显，因此现代 s c a d a 系统除了生产设备的分步式管理之外，上位机系统的分布式要求变得越来 越重要。评价一个s c a d a 系统功能的强弱，其网络数据库功能将是一个不可缺少 的评价指标。 与地理信息系统( g i s ) 的结合。s c a d a 系统应用面临的众多领域中，对地 理信息系统的要求越来越高。从这种角度上说，将一个适合于工业和事物管理的 地理信息系统嵌套于s c a d a 系统中，将带来不可估量的效益，从而也是评价 s c a d a 系统的一个重要指标。 2 4s c a d a 系统技术基础 为了满足以上要求，从计算机软硬件技术要求来看，s c a d a 系统作为一个应 用软件系统，它涉及到r r 技术的方方面面，集中强调以下几种技术的综合利用【9 】： 通讯技术：面临多种通讯协议模式如：a s c i i 、r t u 等，通讯方式表现为同步、 异步和主被动结合等，通讯媒体包括有线和无线方式； 计算机网络技术：应用表现为标准局域网、广域网、拨号网络、串口组网等 等，协议包括t c p i p 、专用协议等，系统结构囊括点对点、客户服务器等方式； 分布式数据库技术：强调实时高性能数据库的应用和与通用数据库的开放接口等 等； 编译技术：由于s c a d a 系统应用领域的特殊性，不同的应用对监控各方面的 要求均不一样，因而，s c a d a 系统通常提供可编程功能，由于效率要求和保护二 次开发知识产权的关系，设计一个好的专用语言，并提供一个好的编译系统将是至 关重要的； 操作系统技术：s c a d a 系统面临的应用需要一个多任务、并发控制的系统结 构，因此在开发系统时需要引入先进的调度算法和运行机制； 可靠性保障技术：由于s c a d a 系统应用的特殊性，系统通常需要提供多种可 靠性保障技术，包含硬件如备用网络技术、备用数据采集设备和软件( 如备用运 行系统) 等等，以及软件的多机热备用技术； 6 重庆大学硕士学位论文 2s c a d a 系统的简介 多媒体技术：需要结合动画、声音、图形图象等多媒体技术的综合应用，以 便真实客观地反映设备生产过程的状态和方便事务管理的要求； 图形用户界面技术：由于s c a d a 系统面临的用户的计算机应用能力参差不齐，方 便易学的图形用户界面是极为必要的； 2 5s c a d a 系统现状和主要问题 2 5 1 国外s c a d a 系统现状 基于p c 机w i n d o w s 平台的s c a d a 上位机系统是目前发展的趋势，特别是基 于9 5 9 8 n t 平台的s c a d a 系统。目前，国际和国内市场上基于以上两种平台， 应用比较广泛的s c a d a 上位机系统有：w o n d w a r e 的i n t o u c h 、西门子公司的 w i n c c 、澳大利亚的c i t e c h 、美国i n t e r l u t i o n 公司的f i x 、意大利l o g o s y s t e m 的 l o g v i e w 等，这些系统较好地解决了传统s c a d a 上位机系统的功能主要方面： 数据采集与控制信息发送。提供基于进程间通讯的数据采集方法( 主要表现 为开发d d e 服务程序) ，并且已开发了常用的多种智能数据采集设备的服务程序； 报警处理：具有多点同时报警处理功能，提供报警信息的显示，登录，部分提供 用户应答功能； 历史趋势显示与记录：提供基于专用实时数据库的监控点数据的记录、查询 和图形曲线显示。 同时，针对管理和控制的需要，这些系统还提供以下工业过程控制和管理中 相当有帮助的功能： 配方管理功能：控制系统按一定的配方完成生产管理； 网络通讯功能：提供非透明网络通讯机制，可以构筑上位机的分布式监控处 理功能； 开放系统功能：提供基于d d e 数据交换机制与其它应用程序交换数据，部分 提供o d b c 与其它系统数据库系统连接。 2 5 2 国内s c a d a 系统现状 同国外系统相比，大部分国产通用系统主要是模仿国外系统开发的，具有较 高的性能价格比，本地化能力较强，但是仍然具有诸如：与m i s 集成能力差、g i s 功能薄弱、多任务调度能力差，事故追忆和诊断能力缺乏等弱点，要满足企业级 和行业部门级g i s 系统的要求，还需要相当的时间。而且人力资源以及资金限制 使得它们可能在很长时间内只能维持对现有系统功能的维护和补充。在这种情况 下，国内对于大型监控项目的开发还需要系统集成公司开发专用的结合m i s ，g i s 和s c a d a 的系统来满足需要。 7 重庆大学硕士学位论文 2s c a d a 系统的简介 2 6 小结 目前s c a d a 系统在完成以下功能时具有明显的缺陷： 与企业m i s 系统的结合性能差； 不具备g i s 功能： 网络通讯不透明，不适合开发现代企业基于局域或专线网的网状层次结构监 控管理系统； 数据采集速度有待进一步提高； 系统事故追忆能力差； 缺乏高效能的控制任务调度算法的支持。 8 重庆大学硕士学位论文3o p c 规范发展概述 3o p c 规范发展概述 3 1 引言 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 用于过程控制的o l e ) 是一个工业标准，它 是许多世界领先的自动化和软、硬件公司与微软公司合作的结晶。这个标准定义 了应用m i c r o s o f t 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。 管理该标准的组织是o p c 基金会【l o 】。该基金会的会员单位在世界范围内超过2 2 0 个。包括了世界上几乎全部的控制系统、仪器仪表和过程控制系统的主要供应商。 o p c 基金会的先驱一支由f i s h e r - r o s e m o u n t 、r o c k w e l l 软件公司、o p t o 2 2 、 i n t c h u t i o n 和i n t u i t i v e t e c h n o l o g y 公司组成的特别工作组，_ 在经过一年工作后， 开发出一个基本的、可运行的o p c 规范。简化的第一阶段的标准在1 9 9 6 年8 月 发布。 随着1 9 9 7 年2 月m i c r o s o f t 公司推出w i n d o w s 9 5 支持的d c o m 技术，1 9 9 7 年9 月新成立的o p cf o u n d a t i o n 对o p c 规范进行修改，增加了数据访问等一些标 准，o p c 规范得到了进一步的完善。o p c 是基于m i c r o s o f t 公司的d i s t r i b u t e d i n t e r n e ta p p l i c a t i o n ( d n a ) 构架和c o m p o n e n to b j e om o d e l ( c o m ) 技术的， 根据易于扩展性而设计的。o p c 规范定义了一个工业标准接口，这个标准使得 c o m 技术适用于过程控制和制造自动化等应用领域。o p c 是以o l e c o m 机制 作为应用程序的通讯标准。o l e c o m 是一种客户服务器模式，具有语言无关性、 代码重用性、易于集成性等优点。o p c 规范了接口函数，不管现场设备以何种形 式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性，使得用户 完全从低层的开发中脱离出来【1 1 1 。 3 2c o m d c o m 简介 o p c 技术规范是以m i c r o s o f t 的o l e c o m 技术为基础1 1 2 1 ，定义了一组接口规 范。它包括o p c 自动化接口( a u t o m a t i o ni n t e r f a c e ) 和o p c 定制接口( c u s t o m i n t e r f a c e ) 。另外，o p c 技术规范定义的是o p c 服务器程序和客户机程序进行通讯 的接口或通讯的方法。 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e d 即组件对象模型【l 引。它是一种以组件为发布单 元的对象模型，这种模型使各软件组件可以用一种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，也提供了进行交互的环境。因为组件对象之间 的规范不依赖于任何特定的语言，所以c o m 也可以是不同语言协作开发的一种标 准。下面介绍c o m 的几个主要概念。 9 重庆大学硕士学位论文 3o p c 规范发展概述 3 2 1c o m 对象和c o m 对象服务器 c o m 将对象定义为“智能数据”，即对象知道如何去操作和管理自身的数据， c o m 对象能被一个或多个客户任务创建和使用。在任何时刻对象都知道有多少客 户引用它，所以当所有客户都完成对它的访问后，对象将自动删除自身。对象定 义了一组接口，客户只能通过这组接口与对象通信。每个接口由一组函数组成， 这些函数帮助客户字成特定的操作，或从对象那里请求数据。 对象服务部器是对象的软件部分，它为所支持的类创建对象，并管理所有实 例化对象。c o m 有三种不同类型的对象服务器，它们的定义由实现组件对象的方 式来决定。以动态连接库方式( d l l ) 实现的称为进程内服务器( i n - p r o c e s ss e r v e r ) ， 以可执行程序方式( e x e ) 实现的称为本地服务器( l o c a ls e r v e , ) ，这两种服务器都运 行在同一台计算机上。还有一种远程服务器( r e m o t es e r v e r ) ，客户和服务器运行在不 同计算机上。使用进程内服务器时，d l l 与应用程序共享相同的任务环境，包括 共享文件旬柄、所分配的全局内存以及其它信息。进程内服务器简化了开发过程， 不必建立r p c 连接，客户可以直接调用对象的方法本地服务器作为可执行程序实 现，从客户程序到服务器的连接必须是一个r p c 连接，对象的处理进程位于客户 程序的进程空间内，它把对象的访问请求，通过进程的边界传递到实现对象所处 的位置一服务器的进程空间内。由于跨越了进程边界，本地服务器的实现比较困 难。远程服务器运行在不同机器上，对象之间的交互要通过网络来完成，c o m 为 此定义了d c o m 来实现。 3 2 2 接口( i n t e r f a c e ) 接口是一种机制，形式上，接口是一组语义上相关的函数，它只定义了客户 如何使用接口以及对象所表现出的属性，但没有定义任何具体实现。 当一个对象实现接口时，对象必须实现接口的每个成员函数，并且向c o m 提 供接口函数的指针。客户与对象的连接，是通过c o m 来完成的。接口是c o m 中 最重要的概念。 接口的属性有以下几点：每个接口拥有自己的g t l l t 栓局唯一标识符) ，不会出 现两个标识符相同的接口。接口是不可改变的。每个接口一旦定义并使用，版本 就不再改变，因此避免了通常的版本问题。增减函数或改变定义，相当于定义了 新的接口，有新的唯一标识符。因此，新旧接口即使有语义上差别也不会发生冲 突。 客户只能通过接口指针与接口打交道。当客户访问一个对象时，它只能得到 接口的指针。对象可以实现多个接口，每个接口完成不同的功能。 3 2 3 引用计数( r e f e r e n c ec o u n t ) 对象在o l e 中无处不在，从技术上讲，接口也表现为对象。大量的各种类型 1 0 重庆大学硕士学位论文3o p c 规范发展概述 的对象充斥在系统中，当它们不再有用时，需要从系统中清除。 c o m 接口没有虚析构函数，通过引用计数实现对对象生命周期的管理。每个 c o m 类都有一个数据成员，被用来统计对象的佣户”数目。每次当客户请求一个 新的接口时，服务器将对象的引用计数值增加1 。当客户使用完指针时，调用接口 的r e l e a s e 0 函数，告诉服务器不再使用该接口，服务器将对象的引用计数值减1 。 当引用计数为0 时，表明不再有客户访问对象，对象就删除本身。 3 2 4 全局唯一标识符和注册数据库 全局唯一的标识符：对象是由g u i d 来标识的。可以用g u l l ) 来标识对象类 ( c l s i d ) 、接m ( id ) 等。由于对象类是由g u d 来标识的，所以必须保证它们的 唯一性，才能使最终用户在使用由不同软件商开发的软件时不会发生冲突。 g u i d 是一个十六字节的十六迸制数，这个数通常表示成如下形式的十六进制 字符串： 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 a 0 - 7 7 4 8 一b f 6 0 0 8 0 0 1 7 a d 0 3 4 a ) 。要确保这些标识必须是唯 一的，有三种分配g u i d 的方法：可以运行实用程序u u i d g e n e x e ，也可以调用 a p i 函数c o c r e a t g u i d 0 ，或者打电话给m i c r o s o t t ，请他们分配一个g u i d 或给 g u d 某个范围。 注册数据库是w i n d o w s 系统中的一个很重要的数据库。同时，p e gd a t 也是c o m 的一个关键子系统。每个存在于给定系统的服务器都在注册数据库中注 册。每个对象都有一个与其服务器相关联的注册条目这种联系决定着服务器的类 型。c o m 通过在注册数据库中查找类的g u i d ，借助相关的注册条目建立与对象 的连接。 3 2 5c o m 库 c o m 的核心是一套规范，阐明对象和客户如何通过接口的二进制标准交互。 此外，c o m 自己也提供了一些系统及代码，这就是c o m 库。c o m 库的内容包括： 提供少量用于创建客户和服务器的a p i 函数。提供定位服务，借助该服务c o m 通过类标识定位具体的服务器位置。提供透明的远程调用服务。提供标准的内存 分配机制。 3 2 6d c o m 概述 m i c r o s o f t 的分布式c o m ( d c o m ) 扩展了组件对象模型技术( c o m ) ，使其 能够支持在局域网、广域网甚至i n t a m o t 上不同计算机的对象之间的通讯。使用 d c o m ，你的应用程序就可以在位置上达到分布性，从而满足你的客户和应用的 需求。 因为d c o m 是世界上领先的组件技术c o m 的无缝扩展，所以你可以将你现 在对基于c o m 的应用、组件、工具以及知识转移到标准化的分布式计算领域中来。 当你在做分布式计算时，d c o m 处理网络协议的低层次的细节问题，从而使你能 重庆大学硕士学位论文 3o p c 规范发展概述 够集中精力解决用户所要求的问题。 d c o m 是组件对象模型( c o m ) 的进一步扩展【14 1 。c o m 定义了组件和它们 的客户之间互相作用的方式。它使得组件和客户端无需任何中介组件就能相互联 系。客户进程直接调用组件中的方法。 在现在的操作系统中，各进程之间是相互屏蔽的。当一个客户进程需要和另 一个进程中的组件通讯时，它不能直接调用该进程，而需要遵循操作系统对进程 问通讯所做的规定。c o m 使得这种通讯能够以一种完全透明的方式进行；它截取 从客户进程来的调用并将其传送到另一进程中的组件。 当客户进程和组件位于不同的机器时，d c o m 仅仅只是用网络协议来代替本 地进程之间的通讯。无论是客户还是组件都不会知道连接它们的线路比以前长了 许多。c o m 运行库向客户和组件提供了面向对象的服务，并且使用r p c 和安全机 制产生符合d c o m 线路协议标准的标准网络包。 3 3o p c 数据存取规范简介 3 3 1o p c 的优势 采用o p c 规范设计系统的好处： 采用标准的w i n d o w s 体系接口，硬件制造商为其设备提供的接口程序的数量 减少到一个，软件制造商也仅需要开发一套通讯接口程序。即有利于软硬件开发 商，更有利于最终用户【1 5 1 。 o p c 规范以o l e d c o m 为技术基础，而o l e d c o m 支持t c p i p 等网络协 议，因此可以将各个子系统从物理上分开，分布于网络的不同节点上。 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，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用这个方法，从而保 证软件对客户的透明性，使得用户完全从低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，便于系 统硬件配置，使得系统的应用范围更广。 采用o p c 规范，便于系统的组态，将系统复杂性大大简化，可以大大缩短软 件开发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，便于系统的升级与维护。 o p c 规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式 去访问，从而实现系统的开放性，易于实现与其它系统的接口。 3 3 2o p c 对象接口定义 o p c 服务器对象提供了对数据源进行存取( 读写) 或通讯的方法，而数据源 可以是现场的i o 设备，也可以是其它的应用程序。通过接口，o p c 客户应用程 序可以同时连到由一个或多个厂商提供的o p c 服务器上【1 6 1 。 1 2 重庆大学硕士学位论文3o p c 规范发展概述 o p c 数据存取规范包含几个对象：服务器对象( s o v e to b j e c t ) 、组对象( g r o u p o b j e c t ) 、项对象( i t e mo b j e c t ) 。o p c 服务器对象除了维护自身信息外，还作