（计算机应用技术专业论文）基于eddl的多现场总线opc服务器的研究.pdf

摘硬 基于e d d l 的多现场总线o p c 服务器的研究 计算机应用技术专业硕士研究生魏巍 指导教师刘枫教授 摘要 现场总线是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、全数字化、双向串行、多 站或多节点的通信系统。基于现场总线的控制系统正在逐步取代传统d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 控制系统，代表了先进控制系统的发展方向。同时，目前现场总线种类繁 多，且各自在不同领域得到广泛应用，没有哪种现场总线能完全适用于所有应用领域。因而， 多种现场总线共存的局面将在一个很长的时间内存在。各种现场总线产品由于协议的不同而 无法实现互操作、协同t 作，严重妨碍了用户的选择，因此，多总线集成己成为必然的趋势。 同时随着自动化控制系统的发展，人们不但要求现场设备能够提供实时的过程数据，还希望 能够获取现场设备的配置信息、诊断信息、管理信息等非实时数据，实现对现场设备的配置、 管理和维护，以提高整个企业的自动化水平。 o p c ( o l ef o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) 是由o p c 基金会组织倡导的，由在全世界范围内自动 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。这是专为过程控制软 件快速交互数据而设计的基于c o m d c o m 技术的规范。o p c 规范的提出，为多总线集成提 供了一个非常有效的解决方法。采用o p c 技术，各现场总线能实现信息共享和无缝集成，以 及现场设备的即插即用( p l u g & p l a y ) ，大大提高了多现场总线控制系统的互操作性和适应性。 但是，利用现有的o p c 技术进行控制系统的集成时，由于现场总线协议和设备厂商的不 同，需要为不同的现场总线设备开发各自独有的o p c 服务器。因此，o p c j 报务器的开发没有 独立于现场总线类型。上述不足限制了o p c 技术的开放性，导致了开发0 p c b & 务器时间和难度 的增加，并且在一定程度上阻碍了现场设备的应用。同时，现在的0 p c 服务器主要侧重于设 备实时数据的采集和交换，而没有支持现场设备的功能块参数、设备类型、软硬件版本等设 备属性信息和诊断信息的获取，不利于设备的管理和维护。 e d d l ( e l e c t r o n i cd e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 电子设备描述语言，这种技术是由三大现 场总线基金会h a r t 基金会、f f 基金会、p r o f i b u s 基金会联手开发独立于各自现场总线协 议的新的设备描述语言，并于2 0 0 4 年成为国际标准i e c 6 1 8 0 4 2 ，利用它可以方便地集成各 种不同类型的现场总线设备，同时获取现场设备的属性和功能块参数等非过程信息。因此， e d d l 技术得到了包括爱默生、西门子等公司和许多知名国际厂商的支持。 针对o p c 技术解决多现场总线控制系统集成问题所存在的不足，作者提出了在o p c 服 务器中引入电子设备描述技术( e d d l ) 的方法和基于e d d l 的开放的o p c 服务器模型， 给出了具体的实现方案。实验表明上述方法能方便地将各种现场设备通过设备描述文什快速 集成到控制系统中，较好的解决了上述问题，并且使o p c 服务器除提供控制系统与各种现 场设备之间的实时信息交换之外，还能为现场设备的配置和管理提供支持。 关键词：现场总线、e d d l 、o p o 、系统集成 a b s t r a c l r e s e a r c ho fm u l t i f i e l d bu so p cs e r v e r b a s e do ne d d l m a jo r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n a u t h o r ：w e iw e i s u p e r v i s o r ：p r o f l i uf e n g a b s t r a c t n l e p r e s e n c ea n dd e v e l o p m e n to ff i e l d b u sh a sb r o u g h ta l li n v o l u t i o ni ni n d u s t r yc o n t r o lf i e l d w i t hi t sd i g i t a l d i s t r i b u t e da n do p e nc h a r a c t e r , f i e l d b u sh a sb e e nah o ti s s u ei nc o n t r o lf i e l d 1 1 l e c o n t r o ls y s t e mb a s e do nf i e l d b u si sr e p l a c i n gt r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m , a n dr e p r e s e n t st h e o r i e n t a t i o no fa d v a n c e dc o n t r o ls y s t e m h o w e v e r , t h ef i e l d b u si sv a r i o u si ns t y l e sa tp r e s e n ta n d a p p l i e dw i d e l yi nd i f f e r e n tf i e l d si n d i v i d u a l n ok i n d so ff i l e d b u sc a nb et o t a l l ys u i t a b l ef o ra l l a p p l i c a t i o n s t h u st h es i t u a t i o nt h a tm a n yk i n d so ff i e l d b u sc o e x i s tw i l le x i s ti nav e r yl o n gt i m e v a r i o u sk i n d so ff i e l d b u sp r o d u c t sa r eu n a b l et or e a l i z em u t u a lo p e r a t i o na n dc o o p e r a t i n gw o r k b e c a u s eo fd i f f e r e n c eo ft h ep r o t o c 0 1 i nt h i sw a y , i th i n d e r su s e r s c h o i c es e r i o u s l y t h e r e f o r e m u l t i f i e l d b u si n t e g r a t i o na l r e a d yb e c o m e st h ei n e v i t a b l et r e n d u n d e rt h em i c r o s o r sc o o p e r a t i o na n dt h eg u i d i n go ft h eo p cf o u n d a t i o n , o l e ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r 0 1 ) w a se s t a b l i s h e da st h ei n t e r f a c es t a n d a r do ft h ea u t o m a t i cf e l db yt h el e a d i n g m a n u f a c t u r e r so ft h ea u t o m a t i cf i e l da l lo v e rt h ew o r l d i tw a sb a s e do nc o m d c o mt e c h n o l o g y s t a n d a r da n dd e s i g n e df o rt h ei n f o r m a t i o na l t e r a t i o no ft h ep r o c e s sc o n t r o ls o f t w a r e w i t l lo p c s t a n d a r di sp r o p o s e d ，i tp r o v i d e sa ne f f e c t i v es o l u t i o ni nt h ep r o b l e mo fm u l t i f i e l d b u si n t e g r a t i o n t h r o u g ha d o p t i n go p ct e c h n o l o g y , e v e r yf i e l d b u sc a nr e a l i z ei n f o r m a t i o ns h a r i n ga n ds e a m l e s s i n t e g r a t i o n a sw e l la sp l u g & p l a yo ff i e l d b u se q u i p m e n t t h em u t u a lo p e r a t i o na n da d a p t a b i l i t y o fm u l t i f i e l d b u si se n h a n c e dg r e a t l y h o w e v e r , a tp r e s e n tm a n yk i n d so ff i e l dd e v i c e se x i s ti nc o n t r o ls y s t e m w i t ho p cs e r v e r f o rs y s t e mi n t e g r a t i o nd e v e l o p e r sh a v en e e dt od e v e l o po n eo p cs e r v e rf o ro n ek i n do ff i e l d d e v i c er e s p e c t l y s od e v e l o p m e n to fo p cs e r v e ri sn o ti n d e p e n d e n to ft h et y p eo ff i e l dd e v i c e s t h e d i s v a n t a g el i m i t st h eo p e n n e s so fo p cs e r v e r , i n c r e a s e st h et i m ea n dd i f f i c u l t yo fd e v e l o p m e n t a n d b e c o m e sa no b s t a c l et o a p p l i c a t e f i e l dd e v i c e s m e a n w h i l e ，o p cs e r v e rf o c u s e so na c q u i r i n g r e a l t i m ed a t a , d o e sn o ts u p p o r t sn o r e a l t i m ed a t as u c ha sp a r a m e t e ro ff u n c t i o nb l o c k ，t y p eo f d e v i c e s ，r e v i s i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i t sn o tg o o dt om a n a g e m e n to fd e v i c e s e d d l ( e l e c t r o n i cd e v i c e sd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) i sd e v e l o p e db yt h et h r e eo fm o s tp o p u l a r f i e l df o u n d a t i o n ：h a r t , f f , p r o f i b u s a n db e c o m e st h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 618 0 4 t h i s t e c h n o l o g yc a l li n t e g r a t em a n yk i n d so ff i e l dd e v i c e sq u i c k l y , a n da c q u i r i n ga l li n f o r m a t i o ni n c l u d e r e a l t i m ed a t aa n dn or e a l - t i m ed a t a s ot h i st e c h n o l o g yi ss u p p o r t e db ym a n yc o m p a n ys u c h 舾 e m e r s o n ，s i m e n z i i i 两南人学硕f 学f t 论文 s ob r i n ge d d li no p cs e r v e rf o rt h i sp r o b l e m ，a n dp r o p o s ee d d l b a s e do p cs e r v e rm o d e l a n dr e a l i z a t i o n 。e x p e r i m e n t si n d i c a t e st h a tt h i sm o d e lc a nh e l pc o n t r o ls y s t e mt oi n t e g r a t ev a r i o u s f i e l dd e v i c e sq u i c k l yt h r o u g he d df i l e s ，a n dr e s o l v ei s s u ea b o v e m e n t i o n e d ，m e a n w h i l et h i so p c s e r v e rc a ns u p p o r td e v i c e s c o n f i g u r a t i o na n dm a n a g e m e n tb e s i d e se x c h a n g eo f p r o c e s sv a l u e k e yw o r d ：f i e l d b u s ， e d d l ，o p c ，s y s t e mi n t e g r a t i o n i v 独创性声明 学位论文题目：差蚕巨垒q l 驺堑丝壶薹垃里c 固磕益丝继 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取褥的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了标注。 学位论文作者：雹怨巍 签字日期： 彳年f 月2 c 7 t ! t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、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 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 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 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：釜氢狂 导师签名：乳1 树 ， 签字日期：y 印年歹月2 , o 日签字日期：沙祝年歹月勿1 基 l 第一幸绪论 l 第一章绪论 1 1课题的研究意义及其背景 上个世纪8 0 年代是计算机功能不断强大，网络技术迅猛发展的时期；与此同时，由于标准制定 严重滞后，工业控制系统中广泛采用的集散式控制系统( d c s ) 互不兼容、互可操作性差以及可扩 充性筹的“信息孤岛”的薄弱点也日渐明显，因此一种具有完全的数字通信能力的采用网络集成的 全分布式方案现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 应运而生。f c s 的技术设想就是让 具有通信功能的现场设备构成工厂底层的控制网络，并且通信的标准具有公开性，从而使得设备间 实现互操作。这种融合了计算机( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 和控$ 1 ( c o n t r 0 1 ) 以及c r t 显示技 术等4 c 技术的系统满足了t 业控制系统向网络化、分散化以及智能化发展的需求，因此，它已经逐 渐的替代传统的d c s 系统，成为继基地式气动控制仪表系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、 集中式数字控制系统以及d c s 系统之后的第五代控制系统【l 】。 目前世界上有多种现场总线标准，多个现场总线的企业集团、国家和国际性组织。每种现场总 线都有各自的特点，在某些应用领域显示了自己的优势，具有较强的生命力和市场。因此，没有哪 种现场总线能完全适用于所有应用领域，现实情况是多种现场总线标准共存，并在同一控制系统中 出现有多种现场总线、多种设备共存的局面【2 】。 同时，在企业信息化进程中，企业必须把整个工厂的各个层面的信息集成到一起，从底层的现 场设备、过程控制层、信息管理层到上层的企业信息管理层的各层信息集成到一起。 但是，在多现场总线控制系统下，由于各种现场总线产品由于协议的不同而无法实现互操作、 协同工作，严重妨碍了用户的选择。因此，多现场总线控制系统的集成已成为一个亟待解决的问题 【3 1 。 同时随着智能仪表相关技术的迅速发展，生产企业对现场设备的要求也随着提高，即不但要求 现场设备提供过程测量信息进行实时监控，还要求提供设备自身的配置信息、管理信息、诊断信息 等非过程信息，对设备进行管理和维护【4 】。 在解决多现场总线集成问题的有关技术中，o p c 技术作为工业过程数据交换事实上的标准，很 好地解决异构现场总线的集成问题，成为多现场总线集成技术的研究热点。 它通过对每个总线段提供了一个o p cd a 服务器，o p c 客户端软件都可以通过一致的o p c 接 口访问这些o p cd a 服务器，获取各个总线段的数据，同时，o p c 服务器之间通过o p cd x 技术实 现了服务器间的数据交换。所以，通过o p c 技术可以实现不同现场总线网段之间的设备数据交换， 解决了多现场总线控制系统的集成问题。 但是用o p c 技术解决多现场总线设备的集成问题，必须为每个不同协议现场总线设备单独开发 一个o p c 服务器。冈此，在多现场总线控制系统下， o p cd a 服务器开发人员要熟悉不同现场设 备的数据采集方式和总线通讯协议，当应用于现场的设备类型较多时，开发o p c 服务器的工作量和 难度都人人地增加。所以，采用o p c 技术的第一个问题就是o p c 服务器的开发依赖于设备的现场 总线类型。 第二，o p c 技术的关注点主要是在现场设备的过程数据上，利用o p c 服务器这个中间件来完成 从现场设备到控制系统之间过程数据( 实时数据) 的快速交换。而对于现场设备的大量的非过程数 l 两南人学硕l 。学他论文 据，o p c 技术本身确没有涉及。而这些数据在当今的过程控制中也越来越重要，所以必须增加对设 备属性、诊断信息等非过程数据的支持。 基于这种情况，本课题提出在o p c 服务器中引入e d d l 技术，以一个开放的、通用的、完善的 o p c 服务器模型来解决上述问题。 1 2现场总线控制系统的现状和发展 现场总线控制系统对现场控制性能进行了有效地改进，其广泛的应用前景促使各大组织和自动 化公司投入了大量的精力进行技术和应用的研究。在现场总线技术的发展过程中，各大企业为了尽 快占领现场总线的产品市场，相继开发了自己的通讯协议，因此国际上出现了多种现场总线协议标 准，这是与现场总线开放、互可操作的特点是相悖的。历经1 4 年的纷争，经过9 轮投票表决，国际 电工委员会( i e c ) 于2 0 0 0 年初公布了i e c 6 1 1 5 8 国际标准，其中包括了f f ，p r o f i b u s ，w o r l d f i p 等8 种标准，正式地承认了多种协议并存的局面；2 0 0 3 年4 月，由i e c s c 6 5 c m t 9 小组修订的 i e c 6 1 1 5 8e d 3 现场总线标准第三版正式成为国际标准，其中规定了1 0 种类型的现场总线，它们分 别是：t s 6 1 1 5 8 现场总线、c o n t r o l n e t 和e 吐圮m e t i p 现场总线、p r o f 毋u s 现场总线、p - n e t 现场 总线、f f h s e 现场总线、s w i f t - n e t 现场总线、w o r i d f l p 现场总线、i n t e r b u s 现场总线、f f - h 1 现场总线以及p r o f i n e t 现场总线。另外，除去上述的这十种类型外，国际上还有很多未列入国际标 准但得到广泛应用的总线协议。每种总线的产生都得到了一个或多个公司的支持，具有一定的应用 背景，如p r o f i b u s d p ，d e v i c e - n e t ，a s i ，i n t e r b u s s 等主要应用于制造工业自动化：而 p r o f i b u s p a ，f f 等应用于过程自动化；s e n s o p l e xm c 等则应用于防爆场合的本质安全；c a n 总 线广泛应用于离散控制领域；l o n w o r k s 总线在工业控制、楼宇自动化等领域得到了广泛的使用；在 工业仪表系统的过渡时期，h a r t 总线协议是最佳的选择【5 l 。 现场总线的国际标准虽然制订出来了，但是想要在一个标准内容中容纳所有连续、离散工业控 制领域的众多技术需求是一个十分困难的事情。因此，现场总线今后的发展将呈以下趋势1 6 l ： i 进一步改善网络性能 众多厂家在保证数据传输高可靠性的基础上尽量简化网络协议，在保证较高性能价格比的基础 上不断增加网络的传输带宽，加大传输的距离，网络的结构由单一主从式向多主从式进化，并采用 同一根传输电缆实现数据传送和向现场设备供电。 1 1 多种总线并存 现场总线国际标准i e c l l 5 8 中采用的8 种类型，以及其他一些现场总线，将在今后一段时间内 共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外，国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的 研究与开发，还兼顾其它总线的应用。 i i i 每种现场总线将形成其特定的应用领域。 目前全球用于连接分散的i o 产晶和控制器的总线和网络产品多种多样，但未来将会有越来越 多的市场份额集中在越来越少的总线和网络产品上，随之会产生新的市场领导者。随着时间的推移， 占有市场8 0 左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确。 多总线集成已成为必然的趋势 由于现场总线种类繁多，且各自在不同领域得到了，。泛应用。各种现场总线代表着不同公司多 年的研发投资和市场利益，不同总线的技术侧重不同，各有特色。就目前各种现场总线技术来看， 2 第一幸绪论 没有哪种现场总线能够完全适用于所有的应用领域。尽管工业以太网冈其无可比拟的优势进入现场 控制级已成为发展趋势；但至少现在看来，它难以完全取代现场总线而成为实时控制通信的单一标 准。因此，多种现场总线共存的局面将在一个很长的时间内存在刀。 1 3o p c 技术的发展 1 3 1o p c 技术概述 1 3 1 1o p c 技术的产生背景 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， 各家设备之间实现互操作，工业现场的数据能从现场车间汇入到整个企业信息系统中。然而，在t 业自动化控制系统中，存在这大量的控制器和现场设备，这些设备来自不同的制造商，遵从不同的 通讯标准，只能组成各自的控制系统，与特定的应用软件通讯。虽然某些网络之间可通过协议转换 实现互联，但不具有普遍性。传统的过程控制系统中，为使每一个应用程序与设备交换信息，必须 为每个设备提供相应的驱动程序，在数据源与客户程序之间分别建立一对一的驱动连接，如图l - 1 所示： 图1 1o p c 技术应用之前 由于设备多样性和驱动程序的不兼容性，这种方式存在以下缺陷l s l ： 1 ) 应用程序开发者必须花人量精力开发各种设备的驱动接口，计算机硬件厂家要为不同的应 用软件编写不同的驱动程序，这种程序可复用性程度低，开发时间和费用因此大大增加。 2 ) 设备不具备互操作性，使用中硬件的升级、变更和增加都可能造成驱动程序的变化，从而 维护过程中引起二次投资。 3 ) 由于每一驱动软件有各自的驱动程序，当多个应用软件读取同一数据源时，经常发生冲突。 4 ) 设备厂商虽然可能提供驱动程序，但与用户开发软件往往不一致，限制了用户对软件和设 备的自由选择。 因此，这就需要一种能够有效地进行数据访问和管理地开放标准，能在工业控制计算环境中从 现场级到控制窒以及上层管理的各个数据源之间灵活地进行通信。o p c 正是在这样的背景下应运而 生。 3 13 12o p c 的解班方法 o p c 哪0 1 e ( o b j e c t l i n k i n ga n de m b e d d i n g ) l b rp r o c e s s c o n t r o l ，愚山川n 4 p t 托制的对豫链 接战 技术。o p c 足一个f 业札、准，它拦田一些卅抖并崭的f 1 功化系，境竹硬件、轼什赍可和 m i c r o s o f l 紧密台怍而建讧的。山f i s h e rr o s e m o u n t 公r d 住1 9 9 5 年阿次捉小的，它借州了微软的 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 ) j f l l c o m ( c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l ) d c o m ( d i s t r i b u t e d c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ) 技术，j 1 府川丁过f ￥控制中，邑过w 控制自fq 】动化划! 域捉f j 【r 一垂枷、准的接i 】、 m 性午钉万泣楚实现控制系统现场啦器，过w 监托级进行f 二息u 吐丈现控制系统 艘性的戈键技 术i 。 提出o p c 技术城初足为了解挑戌川戟州与筹种没器驱动一序的埘倩阿题，筒化系统舳o 鹱动 丹发方式。没有采川o p c 挂术以曲，埘丁个m 种麻川程序、n 种设备的系统，j i 需扑1 己m o n 个 驱动转_ j f ，l mo p c 朵川寓广，服务器体系，为胱钰器o 窖，、柙序的链接提供r 统、h 、准的接n 规 范。采川ro p c 技术以衍只需开投n 1 + n 个，o p c 的接u 如吲1 2 所小。 圈1 - 2 使埘o p c 技术之后 b 】此，mr o p c 的这种数据访问特点解决丁传统的过私iq k 数据交换存n 的块陷且有很人的 技术优井年经济优井。啦过o p c 我们可咀做叫： 1 )科尊肌他厂商h 需要编i嚣螗动w 睁横可咀满足小侧川广的滞监。艘州供应面h 需要 提供赍柑台o p cs e r v e r 规范的料序细，允而考虑l 拌人员需篮。 卦麻埘稗序开整者只需要编写个按使町埘垃接水脚的蹬并。软州开发商无需编写人 的 设备驱动拌序。 3 )【稗 帖扛破祷选7 “1 有j 蜓多的选扦。叫垃终j ij 户而青，选抒i i i 型越j 雌，可以根据 实际情况的小n d ，选样切介实际的吐* 。 132o p c 技术发展的现状 o p c 标准壕韧f | c j 口标址尽快制定个1 业数据窟换标准州此屉柳版木帆巫jn 线数槲存取、 报管珥f 处理和坍叱数据存墩嚣打呵。o p c 肚金食丁1 9 9 7 年9 j 垃布r 品个的数摊存驭觇旭 ( d a m a c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) 。该规范观lh 缀刊30 0 畈。表i - 1 牲小r 坚胤池帕垃j 列。 第一章绪论 表1 - 1o p c 规范概况 o p c 规范名称版本演时间跨度 规范简述 进 数据存取规范 v 1 0 l1 9 9 6 8 定义o p c 服务器中一组c o m 对象及其 d a t aa c c e s s接口，并规定了客户程序对服务器程序 v 3 o o2 0 0 2 。6 s p e c i f i c a t i o n 进行数据存取时遵循的标准。 报警事件规范 v 1 o o1 9 9 8 1 2 提供了一种通知机制，即在指定事件或 a l a r m & e v e n t s报警条件发生时o p c 服务器能够主动 v 1 1 02 0 0 2 1 0 s p e c i f i c a t i o n 通知客户程序。 历史数据存取规范 v 1 0 01 9 9 8 1 0 由于现在大部分历史数据系统采用专 h i s t o r y d a t aa c c e s s v 1 2 02 0 0 3 1 2用接口分发数据，因此无法提供即插即 s p e c i f i c a t i o n 用的功能。为此，该规范提供了通用历 史数据引擎，可以向感兴趣的用户和客 批量过程规范 v 1 0 02 0 0 0 1 户程序提供数据汇总和数据分析等额 b a t c hs p e c i f i c a t i o n2 0 0 1 7 外的信息。 基于o p c 数据存取规范，提供了一种存 取实时批量数据和设备信息的方法。 安全性规范o p c 服务器为应用提供了重要的现场 s e c u r i t y v 1 o o2 0 0 0 1 0 数据，如果这些参数被误修改将会产生 s p e c i f i c a t i o n 无法预料的后果，因此需要防止未授权 v 1 0 l2 0 0 1 1 的操作，o p c 安全性规范就提供了这样 一种专用的机制来保护这些敏感数据。 x m l 数据存取规范建立x m l 数据纲要，用于将o p c 数据 v 1 0 01 9 9 9 1 0 x m l d a 向i n t e m e t 上的应用程序开放。 v 1 0 l2 0 0 4 1 2 s p e c i f i c a t i o n o p c 统一架构规范一个全新的规范，提供了统一的集成服 u n i f l e da r c h i t e c t u r ev 1 0 02 0 0 6 6 务，具有平台无关性高可靠性和开放 性。 伴随网络快速发展，o p c 基金会紧随最新趋势，并利用最新技术来增强o p c 技术，使其更适 合于因特网应用。1 9 9 9 年o p c 基金会专门成立的x m l 工作组，建立了与微软的b i z t a l k 体系结 构相兼容的x m l 纲要( x m ls c h e m a ) ，用于将o p c 数据向i n t e m e t 上的应用程序开放，从而增强与 o p c 兼容应用程序的电子商务功能。o p cx m l 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 4 本文的主要研究内容 本文通过对多现场总线控制系统现有主要集成技术的研究，指出构建一个基于o p c 技术的多现 场总线控制系统方案具有很高的可行性和效率。但是通过研究发现，基于o p c 服务器的集成框架下， 需要为不同的现场总线设备开发各自专有的o p c 服务器。因此，o p c 服务器的开发没有独立于现场 总线的类型。上述不足限制了o p c 技术的开放性，导致了开发o p c 服务器时间和难度的增加，并 且在一定程度上阻碍了现场设备的应用。同时，用户还希望获取现场设备的配置信息、诊断信息、 5 两南人学硕l 孚位论艾 管理信息等非过程控制数据，实现现场设备的管理，以提高整个企业的自动化水平。现在的o p c 服 务器主要侧重于设备实时数据的采集和交换，而没有支持现场设备的功能块参数、设备类璎、软硬 件版本等设备属性信息和诊断信息的获取，不利于设备的管理和维护。针对o p c 技术解决多现场总 线控制系统集成的不足，本文通过引入e d d l 的技术方法，在e d d l 技术的基础上提出了一个开放 的o p c 服务器模型，以解决o p c 技术上的不足，大犬减轻了开发人员和用户的上作负担。同时获 取现场设备的设备属性信息，有利于设备的配置和维护。 论文研究的内容主要包括以下几个方面： 1 ) 现场总线及其现场总线控制系统 研究现场总线及其现场总线控制系统的现状和发展，并分析多现场总线控制系统作为今后控制 系统的发展趋势所存在的集成问题，深入分析多现场总线的集成研究现状。 2 ) o p c 数据访问规范 详细研究o p c 规范，尤其是o p c 数据访问规范的技术基础、重要接口以及数据访问方式。 3 ) 基于现场总线的o p c 服务器的实现研究 研究多现场总线控制系统的集成问题以及集成技术，并指出一个相对更可行、更有效的多现场 总线集成解决方案。同时，针对基于o p c 技术的多现场总线控制系统的集成解决方案进行深入研 究，并指出该方案在具体应用时所存在的不足。 4 ) e d d l 技术 详细介绍e d d l 技术标准以及体系结构和实现机制。 5 ) 基于e d d l 的o p c 服务器模型及其实现 针对o p c 服务器在解决多现场总线控制系统的集成问题时所存在的问题，提出了基于e d d l 的 o p c 服务器实现模型，并在此基础上深入研究开发模型的实现。 6 第市o p c 技术介绍 曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 皇曼i i 曼皇! 笪曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼! ! ! 鼍曼! 曼! 曼曼曼 第二章o p c 技术介绍 2 10 p c 技术基础 o p c 是建立在微软公司o l e c o m 技术基础上的，c o m 技术的出现为简单地实现控制设备和 控制管理系统之间的数据交换提供了技术基础【抡】。但是如果不提供一个工业标准化的c o m 接口， 各个控制设备厂家开发的c o m 组建之间的相互连接仍然是不可能的。可以这样说，o p c 是作为工 业标准定义的特殊的c o m 接口。对相关c o m 技术的理解是对o p c 技术理解的关键所在，更是o p c 应用程序开发必须掌握的知识。 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) ，组件对象模型是微软创建并已经取得广泛认可的一种组件标 准。在c o m 标准中，c o m 对象被很好的封装起来，客户无法访问对象的实现细：肖，提供给用户的 唯一的方位途径是通过c o m 接口来访问。对于c o m 接口有两方面的含义：首先它是一组可供调用 的函数，由此客户可以让该对象做某些事情；其次，接口是组件程序和客户程序之间的协议。也就 是说接口不但定义可用什么函数，也定义了当调用这些函数时对象要做什么。 c o m 的目的是把各种各样的函数分类，然后封装成一个个组件，这些组件在w i n d o w s 操作 系统中以d l l ( 进程内组件) 或者e x e ( 进程外组件) 的形式具体存在，并且通过注册表，w i n d o w s 操作系统随时随地可以知道某个特定组件的代码是在哪个对应d l l 或者e x e 里。 c o m 组件可以以二进制的形式发布，所以c o m 组件是完全与语言无关。任何过程性语言，从 c + + 到j a v a 等均可以用来开发。并且任何一种语言均可以来使用组件。 c o m 组件可以在不妨碍老客户的情况下被升级。c o m 提供了一种实现同一组件不同版本的标 准方法，升级其实就是在现有组件上增加新的接口就可以了。 2 2 o p c 的体系结构 o p c 规范提供了两套接口方案，即自定义接口和自动化接口【1 3 】。自定义接口效率高，通过该接 口，客户能够发挥o p c 服务器的最佳性能，采用c + + 语言的客户一般采用自定义接口方案；自动化 接口提供的是一个自动配置和访问过程控制数据的接口，它方便了v i s u a l b a s i c 、d e l p h i 、e x c e l 及其 它可以使用o l e 自动化服务器应用程序接口的高级商业软件的使用。自动化接口独立于定制接口， 所以，单独实现该接口即可适用于所有的客户应用程序。自动化接口使解释性语言和宏语言编写客 户应用程序变得简单，然而自动化客户运行时需进行类型检查，这一点则大大牺牲了程序的运行速 度。o p c 服务器必须实现自定义接口，是否实现自动化接口则取决于供应商的主观意愿。 o p c 规范详细说明了这些接口，但并没有提供接口的实现细节，o p c 服务器具体实现接口的功 能。服务器确定了可以访问的设备和数据、数据项以何种方式命名以及对具体物理设备访问数据的 细节，并且将o p c 标准接口开放给外部程序。像所有的c o m 实现一样，服务器组件提供并管理那 些剑o p c 对象的接口。如图2 1 为o p c 接口、o p c 服务器及o p c 客户的关系。 7 两南久学硕 学伊论文 兰里脚 s c a d a 系统 或 d c 5 系统 o p c 服药器 臣脑蛔 图2 1o p c 接口、o p c 客户与o p c 服务器 通用o p c 的结构是客户机和服务器模式，如图2 2 所示。每个o p c 客户可以连接一个或多个 o p c 服务器，o p c 服务器中的代码确定了服务器所访问的设备和数据、数据项的命名规则和服务器 访问数据的细节，客户应用程序仅需使用标准接口和服务器通信，而并不需要底层的实现细：爷。在 每一个服务器中，客户可以定义一个或多个o p c 组，o p c 组给客户应用程序提供了一种组织所需数 据的方式。各个o p c 客户程序通过o p c 标准接口对各o p c 服务器管理的设备进行操作，而不需要 关心服务器的实现细节及设备内部的具体细节。例如，可以崩某一个组织代表一个特定操作显示画 面或报表的全体数据项，o p c 组可以作为整体被激活或取消激活。在每个o p c 组中，可以定义一个 或多个o p c 数据项，对数据项可以进行读写操作并可根据需要使能或不能。和每一个数据项关联的 有数值、质量标识以及时间戳，数值代表的是数据源的值，质量标识代表的是该数值的可信度，时 间戳代表的是该数据的访问时间【l4 1 。图2 3 所示为o p c 中组和项的关系。 8 图2 2o p c 客户机服务器结构示意图 图2 - 3o p c 中组和项的关系 第：帝o p c 技术介绍 2 3o p c 规范总体分析 o p c 数据存取规范描述了由o p c 服务器实现的o p cc o m 对象及相应接口l 阍。规范指出一个 o p c 客户程序可以同时连接到一个或多个由不同厂家提供的o p c 服务器程序，而多个o p c 客户程 序也可以同时连接到一个o p c 服务器程序上。o p c 服务器可能由不同的厂商提供，厂商提供的代码 确定了每一个服务器所要访问的设备和数据，数据的名称，及服务器程序如何访问这些数据的细节。 匦困 图2 - 4o p c 数据访问3 0 服务器的基本结构 o p c 数据访问服务器的基本结构如图2 _ 4 所示。从总体上看，它是由服务器( s e r v e r ) 对象， 组( g r o u p ) 对象和项( i t e m ) 对象组成。o p c 服务器对象包含服务器的信息并作为组对象的容器， 组对象包含其自身的信息弗提供包含和逻辑组织项对象的机制。o p c 组对象为客户程序提供一种组 织数据的方式。 在每一个组中客户程序可以定义一个或多个o p c 项。o p c 项描述了服务器中数据源的连接。 从自定义接口的角度看，一个o p c 项是不能被o p c 客户程序作为对象访问的，因此，没有为o p c 项定义引出( e x t e r n a l ) 接口，所有对o p c 项对象的访问都是通过容纳它的或仅仅定义它的o p c 组 对象完成。 与o p c 项相关的信息有值( v a l u e ) ，品质( q u a l i t y ) 和时间戳( t i m es t a m p ) 。值是v a r i a n t 类型；品质表征了项的内在属性，时间戳指明了项值产生的时间。 o p c 规范只规定了c o m 接口的名称和接口向o p c 客户程序提供的行为，但没有规定如何去实 现它。o p c 体系结构是客户服务器模式，o p c 服务器组件提供o p c 对象接口并管理这些接口。 要实现个o p c 服务器，从物理设备或其它数据库获取数据的速率一般来讲比较慢，所以o p c 服务器最好设计成一个本地服务器或远程服务器，这样可有效收集物理设备或数据库中的数据。 2 4o p c 对象和接口分析 o p c 数据访问规范规定o p c 数据访问服务器必须实现两个c o m 对象：服务器对象和组对象。 通过实现这两种标准的c o m 对象及相应接口，我们可以完成o p c 数据访问服务器的开发。如图2 5 所示。 9 两南人学硕f j f 童论艾 脚t 嘣m 时 l o