（电力系统及其自动化专业论文）开放式监控系统中opc通讯服务器的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s tr a c t w i t ht h e p r o g r e s s o f c o m p u t e rt e c h n i q u e ，n e t w o r kt e c h n i q u e a n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o df o rc o m p u t e rb a s e d s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e mh a sn o tb e e ns u i t a b l ef o rt h er e q u i r e m e n t s o ft h e d e v e l o p m e n t ，a n dt h eu p g r a d ea n dt r a n s p l a n t o ft h es y s t e mi s i n c o n v e n i e n t t h es i t u a t i o ni sc h a n g e dd r a s t i c a l l yw i t ht h ea p p l i c a t i o n o fo p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) t e c h n o l o g y o p cp r o v i d e sak i n do fn o r m a l d a t ae x c h a n g em e c h a n i s mf o rm a n yd i f f e r e n ta p p i i c a t i o n si na u t o m a t i c s y s t e m t h es o f t w a r e h a r d w a r em a n u f a c t u r e r sa n du s e r sm a yb e n e f i tf r o m i t b e c a u s eo ft h et e c h n i c a la n do t h e rr e a s o n s ，r i om a t u r es y s t e mb a s e d o no p ct e c h n o l o g yi sp u ti n t ou s ei nt h em o n i t o t i n gf i e l do fn a t i o n a l e le c t r ic a lr a i l w a y a c c o r d i n g t ot h ea c t u a ls it u a ti o n sa n dc u r r e n t p r o b l e m si nc u r r e n ts u p e r v i s o r ys y s t e m ，t h ec o m n u n i c a t i o ns e r v e rb a s e d o no p ct e c h n o l o g yh a sb e e ni n v e s t i g a t e da n dd e s i g n e db o t hi nt h e o r ya n d p r a c t i c ei nt h i st h e s i s f i r s t l yt h i s t h e s i s d i s c u s s e st h e t e c h n i q u e o fo p ca n di t sn e w d e v e l o p m e n t ，t h e np r o p o s e s t h e d e s i g n o fo p cm i d d l e w a r eb a s e do n d i f f e r e n tm o d e s o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ec u r r e n tp r o b l e m s i n t r a d i t i o n a ls u p e r v i s o r ys y s t e m s ，a no p cc o g n u n i c a t i o ns e r v e ri no p e n e d e l e c t r i cp o w e r m o n i t o r i n gs y s t e m h a sb e e nd e s i g n e d c 1 i e n t si na c c o r d a n c e w it ho p cs t a n d a r dc a na c c e s st h ed e v i c e s t h r o u g h o p cs e r v e r t h e c o m m u n i c a t i o ns e r v e re n c a p s u l a t e st h ec o g n o nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m , r e a l i z e st h em u l t ip r o t o c o ls e r v e r ，o v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g eo fc o n v e r s i n gi n f l e x i b l ei np r o t o c o l so ft h e t r a d i t i o n a l m o n it o r i n gs y s t e m t h eo p cc o m m u n i c a t io ns e r v e rs o l v e st h ep r o b l e m si n t r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gs y s t e m ，a n da l s ot h ec o m m u n i c a t i o ns e r v e ra d o p t s 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | l 页 c lie n t s e r v e rs t r u c t u r e b es i d e s ，i tm e e t st h ed e m a n do f o p e n e ds u p e r v is o r ys y s t e m ，a n di n t e g r a t eso t h e rs y s t e m se a s i l y o p cc o m m u n i c a t i o ns e r v e ri st h eh a t d c o r eo ft h ew h 0 1 e o p e n e d s u p e r v is o r ys y s t e m t h e r e f o r e ，i t ist h eb r i d g eo fc o n n e e t i n g u n d e r 一1 a y e re q u i p m e n ta n ds u p e rc o n t r e ls o f t w a r e a 1 s oi tc a n b ec o n s i d e r e da st h ei i 】i d d l e w a r eo ft h em e n i t o r i n g s y s t e m ， t h r o u g hw h i c ht h em u t u a lo p e r a t i o no fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s e q u i p m e n t a n dd i f f e r e n tf i e l d b u sc a nb er e a l iz e d a tt h e e n do ft h et h e s is t h e p e r f e r m a n c e o ft h es e r r e ris e v a l u a t e db ym e a n so ft h et e s to fo p cc o m m u n i c a t i o n s e r v e r f i n a l l y t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fo p ce o m m u n i c a t i o ns e r r e r is p o i n t e do u t k e yv or d s ：o p c ：c o m m u n i c a t i o ns e r v e r ：c o m ：s c a d a ：m i d d l e w a r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 随着微电子、计算机、通信和网络等技术的发展，自动化领域发生着深刻 的变化。智能化的装置越来越多地出现在工业现场，提供了以前无法得到的大 量信息；与此同时，现场总线也得到了迅速的发展，它通过标准化的数字通信 链路将现场设备与远程监控计算机连接起来，实现数据传输与信息共享，形成 了全新的分布式监控系统。 当大量现场信息由智能装置直接进入监控计算机或通过现场总线传至监控 计算机后，存在着计算机内部应用程序对现场信息的共享与交互问题。由于缺 乏统一的标准，工控软件往往需要对硬件供应商提供的专用驱动程序进行更改， 增加了系统的维护费用；另一方面，现场控制层作为企业整个信息系统的底层 部分，必然需要与生产过程管理层和经营决策层进行集成，这样也存在着监控 计算机如何与其它计算机进行信息沟通和传递的问题。由于控制系统往往是不 同厂商开发的专用系统，相互之间兼容性差，与高层的商业管理软件之间又缺 乏有效的通信接口，因此通信规范问题成为了制约控制系统突破信息孤岛的瓶 颈，急需发展一种有效的技术为不同厂商生产的软硬件提供系统集成与数据交 换的途径。 正是在监控系统开放性要求的驱动下，o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术应运而生。o p c 是世界上多个自动化公司、软硬件供应商与微软合作开发的 一套规范，为来自不同供应商的软硬件提供“即插即用( p l u ga n dp l a y ) ”的 连接。当各现场设备、应用软件都具备标准的o p c 接口时，便可集成来自不同 数据源的数据，使运行在不同平台上用不同语言编写的各种应用软件顺利集成。 1 2 国内外研究现状 目前，o p c 技术已经成为工控界的一种标准，国际上著名的自动化厂商基本 上都是o p c 基金会的成员，o p c 技术也随着计算机的发展不断地进行修改和更 新。国外研究现状为：o p c 基金会的发起者之一i n t e l l u t i o n 公司的i s c a d a i f i x 软件，其中统一的组态开发和运行环境w o r k s p a c e 作为o p c 客户应用， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 通过w o r k s p a c e o p cc 1 i e n t 连接任何o p c 数据服务器；设备驱动程序均为o p c s e r v e r ，可以连接任何o p c 客户，其o p c s e r v e r 的t o o l k i t 可以使用户开发自 己的o p c 服务器。o p cf o u n d a t i o n 的成员w o n d e r w a r e 公司的f a c t o r y s u i t e2 0 0 0 ， 提供标准的o p c 接口，全球有许多家生产厂商都在积极的开发o p c 服务器和客 户机。国外研究得比较多，主要集中在美国、欧洲，一些产品已经应用于电力、 交通、楼宇等行业。 相对来说，国内的研究比较少，而且应用于实际工程中的更少，但经过近 几年o p c 的发展和推广，国内也开始重视o p c 技术，在国家8 6 3 计划项目生产 过程自动化监控系统中，o p c 技术的研究应用是其核心技术之一。目前o p c 的研 究主要集中在w i n d o w 平台，主要原因是o p c 的核心技术为微软开发的c o m d c 0 m ， 但是随着o p c 的发展，基于u n i x 和l i n u x 以及嵌入式操作系统的o p c 产品也越 来越受到广泛重视。 1 3 本文研究的主要内容、目标与方法 本论文在解决目前监控系统的不足上做了些研究，论文的设计目标是通过 了解o p c 原理及开发技术，实现一个开放式监控系统所要求的o p c 通讯服务器。 本论文的主要内容如下： 第二章首先介绍了我国变电站监控系统发展的几个过程：集中式监控系统、 分散式监控系统、分布式监控系统。给出了现正在研究开发的开放式监控系统 的定义，并讨论了目前计算机监控系统的结构原理。根据监控系统所存在的问 题，给出了基于o p c 技术的解决方式，通过使用o p c 技术，可以使新型的计算 机监控系统具有开放性、升级维护方便等特点。 第三章主要研究o p c 技术。本章对分布式对象的主流技术c o r b a 、c o m d c o m 和j a v a 进行了比较，分析其优缺点，选用目前比较流行的w i n d o w 作为开发平 台，a t l ( a c t i v et e m p l a t el i b r a r y ) 作为开发o p c 服务器的工具，并重点研 究了o p c 的核心技术组件对象模型，包括接口、接口定义语言、调度以及 用于c o m 组件重用的包容与聚合技术，最后研究了解决不同现场总线进行互操作 的o p cd x 技术。 西南交通大学颂士研究生学位论文第3 更 第四章首先介绍了中间件的概念以及中间件的技术分类，然后根据监控系 统戆萼荨点，分剽瑷诗了基予凌场设餐趣开教式数据交换匏o p c 中阗箨；基予异 构网段间数据共享的o p c 中间件；热成f c s 、d c s 与p l c 的o p c 中间件；访问专 畜数据库辩o p c 中阙释。焱嚣凳窭to p c 遴讯羧务器熬设计悉憨，莠努辑了采 用o d c 通讯服务器代替以前的通讯前置机的优点。 第五耄为o p c 邋锾骚务器静实瑗。应掰于釜控系统率瀚o p c 技米，使髯户 服务器实现即插即用的连接成为可能。本章给出了艇于c u s t o m ( 定制) 接口的 o p c 通讯藏务器实现，详细研究了o p c 通讯暇务器的各个实现细节，分析了电力 系统中所用通讯协议的现状，设计了由i e c 8 7 0 5 - 1 0 1 协议和c d t 协议所组成的 o p c 通讯暇务器。最后通过耩撅数攒对o p c 通讯服务器进幸亍了测试，分析了其佳 能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章计算机监控系统发展过程及存在问题 2 1 计算机监控系统概述 由于生产过程自动化程度日益提高，人们不断谋求对生产过程，特别是对 处于分散状态的生产过程的集中监视、控制和统计管理。为适应上述目的，计 算机监控技术在综合自动控制理论、计算机技术和现代通信技术的基础上迅速 发展起来。 监控系统在基本设想、应用场合和完成其特定的任务方面都有着繁多的种 类，各自有着不同的特征，有的可能是一个很简单的单一对象控制，有的可能是 一个很大的综合系统。无论哪种监控系统，远距离的在人( 或者机器) 和机器 之间交换信息的机能是其主要特征。如供电系统设有电力调度所，统一指挥供 电系统在正常及事故情况下的运行工作，并集中管理沿铁道分布的许多牵引变 电所、分区亭和开闭所中的电力设备。 为了保证供电系统运行的可靠性和经济性，调度所必须及时地掌握系统的 实际运行情况。所以，从调度工作出发，一方面需要搜集信息，要求变电所将 断路器的位置信号、事故信号及主要运行参数等能迅速、正确、可靠地反映给 调度所；另一方面，调度所切实了解到系统的运行情况并进行判断处理后，应 对变电所( 包括分区亭和开闭所) 下达命令，去直接操作某些设备或调整某些 参量，或去完成实时控制的任务。 为了完成变电所与调度所之间远距离信息的实时自动传输，必须应用远动 监控技术和装置。远动技术是调度所与被控端( 包括变电所等) 之间实现遥控、 遥测、遥信和遥调技术的总称，由远动装置在调度所和变电所之间充当传送各 种信息的桥梁。采用运动装置监视和控制系统的运行是一个十分有利的工具， 它是实现系统实时调度和进一步实现调度综合自动化的基础，传统远动装置的 主要功能是遥控、遥调、遥测和遥信。 计算机远动技术的主要任务：一是集中监视，提高安全经济运行水平。正 常状态下实现合理的系统运行方式；事故时，及时了解事故的发生和范围，加 快事故处理。二是集中控制，提高劳动生产率。调度人员可以借助远动装置进 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 行遥控或遥调，实现无人或少人化，并提高运行操作质量，改善运行人员的劳 动条件。 随着科学技术的进步，远动系统的功能根据电力系统调度自动化的实际需 要还在不断扩展，如遥视功能的出现等n ，。 2 2 计算机监控系统的发展过程 目前，各国变电站计算机监控系统有各种不同的结构模式，从发展过程看， 我国变电站监控系统的发展经历了以下几个过程，集中式监控系统、分散式监 控系统、分布式监控系统“，。现正研究开发开放式监控系统。 2 2 1 集中式监控系统 变电站早期应用计算机，由于价格贵，一般设置一台或两台计算机对整个 变电站进行集中监视、控制，构成集中式监控系统。由于变电站所有信息都要 送到计算机进行处理，所有的操作、控制命令都由计算机发出，因而计算机出 现故障，将导致全系统瘫痪。随着计算机的发展，计算机价格日益降低，目前 这种监控方式已逐渐被淘汰。 在电力监控系统中，7 0 年代至8 0 年代初主要采用的第一代s c a d a 系统 ( 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 ns y s t e m ) ，基于专用计算机和 专用操作系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的s d l 7 6 系统以及日本日 立公司的h - 8 0 m 铁道电气化远动系统。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，在第二代中，广泛采用v a x 小型计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的u n i x 操作系统。在这 一阶段，s c a d a 系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制( a g c ) 以及网络分析结合到一起构成了e m s 系统( 能量管理系统) 。 第一代与第二代s c a d a 系统的共同特点是采用集中式计算机系统结构，并且 系统不具有开放性，因而系统维护、升级以及与其它系统联网很困难。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 2 分散式监控系统 随着变电站监控系统设备的增多、复杂性的增大，集中式监控系统模式的 缺点越来越突出，促使控制系统走向分散化；同时随着微型机技术和通信技术 的发展，特别是局部网络技术的发展，使控制系统实现负载分散、地域分散、 功能分散在技术上成为可能。分散式监控系统是指以功能的分散为主要特征， 就变电站监控系统的功能而言主要是数据采集和控制调节、事件记录等，因此 可以按照这些功能设立多套相应的设备，独立完成各自的功能。功能分散式监 控系统并没有解决信息过于集中的问题，某个单功能装置计算机故障，则全站 将会受影响。 2 2 3 分布式监控系统 分布式系统是分散式监控系统的一种方式，它是在克服分散式系统的缺点 上提出来的，分布式监控系统是指以控制对象分散为主要特征，就变电站而言 控制对象主要是变压器、开关量、电流电压等，按控制对象为单元设置多套相 应的装置，构成变电站的当地控制单元，完成控制对象的数据采集和处理。 上述分散式系统和分布式系统都是在微型机技术和通信技术，特别是在局 部网络技术发展的基础上，逐渐发展起来的新型控制模式。 在电力系统监控中，第三代s c a d a 系统开始应用p c 机和网络技术，同时系 统逐步从集中式结构转向分布式结构，采用客户服务器结构，这一阶段是我国 s c a d a 系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集到s c a d a 系统中。但 其缺点是开放性差、服务器成为整个系统的瓶颈。 2 2 4 开放式监控系统 开放式监控系统是近年来发展并得到广泛研究的一种工业控制监控系统。 全新的开放系统包括三个方面： 应用软件可移植性； 不同系统之间的相互操作性： 用户的可移植性。 在电力系统监控中，以信息化为标志的第四代s c a d a 系统是目前监控系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的研究热点和发展方向。该系统的主要特征是采用因特网技术、自律分布系统 技术、o p c 技术、面向对象技术、组件技术以及j a v a 等技术，实现s c a d a 系统 与其它信息系统的增值集成，实现控制和管理过程的智能化。这样形成的系统 具有除上述各类模式的优点外。最大特点是全开放性，系统扩展、升级更新都 非常方便。 2 3 计算机监控系统的结构原理 2 3 1 计算机监控系统网络配置的基本类型 电气化铁道计算机监控系统一般由调度端、被控站及通信信道组成，在被 控站和调度端之间的数据传输和信息交换主要是“四遥”信息，通过数据通信 网来完成。要求数据通信具有较强的实时性、较高的可靠性、可用性及可维护 性。根据具体情况不同，常用的通信拓扑结构有以下几种： 匝垂亘亟 美咽变电站 ( a ) 信萝因变电站广咽变电站 医运夏至王三三扣变电站匝运西垂 毒曼牺变电站 、圆变电站岖变电站 变电站i 变电站2变电站n ( d ) 变电站i 变电站2变电站n ( e ) 图2 - i 远动系统通信拓扑结构 ( a ) 点对点( b ) 辐射型( c ) 共线型( d ) 环型( e ) 双总线型 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 1 ) 点对点。一站与另一站通过专用的传输链路相连，这是一种最简单的方 式。 ( 2 ) 辐射型。主站与若干子站通过各自的链路相连，在这种配置中，主站能 同时与各个子站交换数据。 ( 3 ) 共线型( 总线型) 。调度端经过共线通信信道与各被控站相连，每个被 控端在信道上都有一个独立的地址，这种结构的优点是分享调度端的通信设备 及通信信道，降低通信费用。 ( 4 ) 环型结构。调度端通过两个通信口与远近两个被控站相连，系统中每个 被控站两两相连依次连成一个环，每个被控站单元向相邻者传送数据。这种闭 环结构的突出优点是网络通信在某一点故障时，不会影响到整个系统通信，除 非有两个或两个以上的线路故障点出现，才可能由于双向链路均不通而导致系 统通信故障。 ( 5 ) 双总线型结构。这种结构是总线结构与环型结构相结合得到的通信网形 式，它兼顾环型结构及总线型结构的优点，易扩展、易维护，又能保证系统在 某一通信环节出现故障的情况下，仍能正常工作u ，。 2 3 2 计算机监控系统的传输模式 远动信息的传送在控制站与被控站之间有一方是主叫方，即发动通信的一 方，而另一方则是被叫方。在远动系统中，按发动通信传输的模式来划分，可 有以下几种基本类型。 1 、循环传输模式 发送站按规定的顺序，周期性地主动将远动信息送给主站，这种循环传输 模式不需主站干预。传输信息时只需使用单向信道，当传输过程中某些数据出 现差错时，由于是循环传送，因而可用下一循环中的数据来补救。 循环传输模式的传送时延与传送的波特率以及一个循环中传送的远动字数 有关。传送的字数越多，传送时延就越长。此外，这种传输模式不论情况如何， 如用户数据毫无变化，也照样不断地循环向主站发送数据，因此在正常情况下， 信道的利用率不高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 、自发( 事件发动) 传输模式 自发传输模式只有在发送端发生事件时，例如开关位置状态发生变化，测 量值的变动超过预定范围等，才向主站发送信息。采用自发传输模式时，只要 发送站有事件发生，就立即向主站传送，因而它最适合实时性的要求。 自发传输模式所传送的信息，如果由于干扰等原因主站未能正确收到，该 信息将丢失。为了进行补救可采取辅助措施，例如主站正确收到信息后回送一 个“肯定确认”信息，发送站如收不到这一信息，就重发原来的信息。当然， 这时需要双向信道。 自发传输模式减轻了正常运行情况下信道的负担，但在异常或事故情况下 传送的工作量将大量增加。为了避免信道拥挤，可采用按优先级分批传送等办 法来缓解。 3 、按请求( 问答或轮询) 传输模式 循环传输模式和自发传输模式都是被控站作为发动通信的一方来传送信 息。与此相反，按请求传输模式是主站作为发动通信的一方，由它向被控站发 出请求传送的命令，被控站则按主站的请求来组织、发送有关信息。这种传输 模式通常以问答方式进行通信，故也称问答式。 在问答传输模式中，主站可以请求被控站发送某一远动信息，也可以要求 发送某些类型的信息等等，工作方式灵活。问答式传输模式要双向通信，因此 需要双工信道。 问答式远动通常由主站逐一轮询各个子站，如此循环不停，循环一周需要 一定时间。如果被控站有事件发生，但由于传送信息的主动权在主站，因而被 控站一时难以将信息立即发给主站。为了使主站及时掌握各子站是否有事件发 生，应采取辅助措施，例如在子站给主站的回答信息中附加标志，表明有无紧 急情况请求发送，或者在主站查询完一个子站后，就询问各子站是否有紧急情 况需要发送等等。 循环传输、自发传输以及按请求传输是三种基本传输模式，实际使用的传 输模式可以是它们的组合。例如将循环传输模式与自发传输模式组合，在正常 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 情况下以循环传输模式工作，当发生紧急情况时，例如断路器事故跳闸，就插 入事件发动传输，即优先插入遥信变位信息传输。待紧急信息传送完毕后，再 恢复为正常的循环传输模式。在各种传输模式组合时，事件发动传输模式的优 先级通常是最高，循环传输模式的优先级最低n ，。 2 3 3 计算机监控系统的组成及工作原理 1 、监控系统的组成结构 实际的监控系统按照功能可以划分为4 个子系统，如下图所示。 人机联系信息采集处理 i 子系统 l 控制子系统i 信息传输子系统i 信息采集和命令执行子系统j 运 行 人 员 。 - 与& n n 度通信 l 模拟屏k 信息 信息 信息 遥测 、 采集 o 采集输入 电 遥信 l 显示器k 和控 通通和命设备 力 制处 信信 一 令执 生 i 打印机k 理计行计 严 机机 命令 过 算机 一 算机 遥控 输出 系统系统 程 l 键盘k 一 遥调 执行 l 设备 ， 与其它j 站通信 调度端厂站端 图2 - 2 监控系统结构图 信息采集和命令执行子系统：监控系统厂站端通过信息输入设备将遥信量、 遥测量等采集处理后经信息传输子系统发往调度端，并接收调度端发来的命令， 通过命令输出执行设备，执行遥控、遥调等命令。 信息传输子系统：调度端与厂站端通常距离较远，采用通信技术，由通信 机和信道组成的信息子系统实现两端的信息交换。 信息采集处理和控制子系统：调度端采集各个厂站的信息，经处理加工后 西南交通大学颛士研究生学位论文第11 页 通过人机联系子系统告知工作人员，并接受工作人员的命令；也可以与上级调 度交换信感，或给厂菇下这命令，避行控翻秘潺节。 人机联系子系统：监控系统经过人机联系子系统为运行人员提供完整的电 力系统实对运行状态信怠。久梳联系的手驻有谓度模羧霹、屏幕鬣示器、抒窜 机等，运行人员可以通过操作键盘对整个系统的运行进行龄理，向厂站下达遥 控、遥调命令。 2 、监控系统的基本正作原理 电力监控系统又称运动系统，简单地说，就是对监控对象进行黻视和授锘4 ， 它搬调度控制中心歉发电厂、变电所联系了起来。从监控的角度来看，一恻是 监控端，另一侧是被监控端。习惯士把被控站发往控制站的信息，如遥测信息、 遥臻信息等，称为上行信崽，所用遥道称为上行遗道。把控制站发媛被控炼的 信息，如遥控信息、遥调信息等，称为下行信息，所用通道称为下行通道。 工终原理结梅糕圈盎珏蹦2 - 3 爨瑟。 数字式远动系统中，遥测量和遥信量都是以数字方式袭示，各种遥测凝、 遥壤量透卷密电量变送爨变换隽与之歪毙戆轰滚模援毫量，然嚣进入运动装嚣。 编码器将模拟量转换成数字量，编成一定格式的代码。信道编码嚣为数据添加 蕊蘩玛元，滋抒撬予我壤璐。数字菇号在蘩道上戬率费方筑黉送，菠器要经过 并串变换，为了使数字信号适合予在信道上传送，调制器把要传送的数字序列 调翻成交滚电懿籁攀或裾缀等，谲潮嚣豹穰号裁潜麓售遂转送弱瓣方。奁接霾 端，解调器把收到的数据解调，变换回数字序列，褥经串并变换成为并行数据。 信瀵译码器按约定的撬干扰疆弱稔验，如没有茇琥差错，魏将遥溅、遥倍数据 分别输出给计算机。 遥调和遥控豹话输过耩与上类似，发鹚命令静一方指定被控辩象及操作酌 性质。然后经编码后的命令经信道编码器、并串交换、和调制后荐送往信遒， 被撩站将收到的信号解调，经串并嶷换后由信遭译码器检验。为了保证遥控命 令的可靠性，般采用先选择、后执行的方式，即先选择成功，谯经过控制站 的确认之后，才执干亍命令n ，。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 干扰 调度端 厂站端 ( b ) 遥控，遥调 图2 - 3 数字式远动系统基本原理 2 4 现有计算机监控系统存在的问题及解决方法 现有的监控系统作为支撑现代工业生产和杜会生活的基础设施，得到了广 泛的应用和发展。但由于系统不具备开放性，各个部分的联系过于紧密，使系 统过于复杂，这样系统的修改更新、扩展、升级维护变得非常困难。 现有的监控系统开发中出现的另一个主要问题是软件的重复开发，软件不 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 能够重用，资源不能共享，造成大量人力与物力资源的浪费。随着计算机软件 的发展，这种情况有所改观，实现了一定程度上资源的共享，尤其是面向对象 方法的应用，使得我们可以利用面向对象的继承等方法大量重用源代码。但这 些重用只是对源代码级的重用而不是对可执行文件级的重用，所以并没有真正 实现资源共享，并且对某个模块中某个类库的修改将“触一发而动全身”，引 起所有引用该类库的模块的修改，因此非常难以实现某个模块的升级。同时， 为一种语言开发的类库以及函数库都不能够为其它语言所用，也大大限制了软 件的重用。 一般监控系统为分布式的结构，实现了人机接口、通信、数据处理等功能 在网络上的分布，同时将一个系统划分为各个子系统，降低了系统的复杂程度。 但由于系统各个计算机的通信协议依赖于某个厂家，没有形成统一的标准，不 同厂家之间的软件与硬件的集成难于实现，因此也没有真正实现不同厂家的软 件共享。 o p c 的出现，能够解决计算机监控系统中存在的数据交换问题，使新一代的 计算机监控系统具有开放性、互操作性、升级维护方便等特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章o p c 技术及其新发展 3 。1 o p t 技术 3 1 1 o p t 的由来 将电子数字诗葬掘瘦弱于工数垂动臻系统，茭最耪尝试是鞠年我基予逶震 计算机的宜接数譬控制( d d c ) ，由于当时的通用计算机难以满砖工业控制的许 多特殊要求，因惩这种方式穰浚键被海滚，我之褥超豹楚基予徽楚理嚣鹣各释 专用计算机系统，即各种品牌、曩不兼容的d c s ( 分布式控制系统) 与p l c ( 可 缡箨遂辑控希l 器) 。在晕麓韵系统墼，溺律人梳嚣嚣( h m i ) 的搽律员工作始彝 用于数据采集与煅控组态( s c a d a ) 的工程师工作站也是专用的计算机系统，然 而随着p c 技术的逐速逑步和大麓普及，p c 不仅在功能上远远越过了这戆工作 幽占，而且在p c 上有大量的第三方软件和备种软件开发工舆可以利用，因而各种 d c s 与p l c 旱已广泛采用p c 来实现蕊i 与s c a d a 。 在p c 上运杼的删i 、s c a d a 软件与控制系统硬件之阀的数据交换必须依赖 予硬件的驱动程弹( d r i v e r ) ，例如目前已有许多运行予w i n d o w s 操作系统的 通用工控组态软张，在其中安装不同的驱动程序便能用于不同厂家的硬件。此 外，企业的管理信息系统也必须通过针对特定硬件或数据库的驱动程序才能访 润所需数据，这静数据交换方式如图3 一l 疑示，它存在的趣题是： 如果用户开发自己专用的驱动程序，则会有大量的重复工作因为每个用户 砉必缓铮对撼个特定厂亵嚣发专曩豹驱魂鬏痔： 如果用户购鬟驱动稷序，则不同的软件开发商所提供的驱动程序会出现不一 致，疆为骞黢瑗锌特性胃不是爱鸯秘开发穗都戆支持； 硬件性能改谶时，原涞所用的驱动程序可能失效，因而软件开发商在出现任 霞耨疆 宰或淼来瑟夺鹣硬辞秀缀挟筏辩，帮鍪矮重瑟辩发与之辩应豹鞑动程 序，工作量搬大； 两个旋蘑程垮透常不麓露雾于游淘同一个器俸( 帮胃麓避璜访垂霉渖突) ，嚣蔻 它们备有自如独立的驱动，硬件厂商曾试图为自己擞产的器件开发驱动程 序，然而由予用户捷掰的协议互不稠鬻，霞既宅稍狠滩为所裔豹客户帮提供 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 高效率的驱动程序。 图3 - i 专用系统的软件结构 微软公司在其c o m ( 组件对象模型) 与d c o m ( 分布式组件对象模型) 的基 础上所开发的o l e ( 对象链接与嵌入) 技术在商用软件的开发中取得了很大的成 功，为在不同的应用程序之间实现数据共享提供了简便有效的方法。为了在工 业自动化系统中应用o l e 技术，国际上领先的若干工控设备硬件及软件供应商， 包括f i s h e r r o s e m o u n t ，r o c k w e l ls o f t w a r e ，o p t 0 2 2 ，i n t e l l u t i o n 以及 i n t u i t i v et e c h n o l o g y ，在微软公司的合作支持下于1 9 9 5 年夏季开始开发工作， 1 9 9 6 年8 月公布了o p c 规范的第1 个版本，符合该规范的第一批产品也于同年 下半年问世。在1 9 9 7 年i s a ( 美国仪表学会) 的展览会上，这些厂商演示了利 用o p c 技术在不同厂商的软件和硬件上运行的应用程序之间如何实现实时数据 交换的实例。 与此同时，成立了o p c 基金会负责技术开发和标准管理工作，到了1 9 9 8 年， 支持o p c 的自动化设备厂商已经为数众多，o p c 基金会的成员超过了1 4 0 家，o p c 已经成为公认的工业标准。到现在为止，o p c 基金会已拥有将近3 0 0 家成员。o p c 基金会的目标是开发一种开放、灵活、即插即用的标准，使最终用户在选择产 品的时候获得最大限度的自由，同时也使软件和硬件供应商可以大幅度地降低 其开发与维护的费用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 1 2o p c 的主要内容 o p c 是建立在微软的o l e ( 即现在的a c t i r ex ) 、c o m 与d c o m 技术基础上， 用于过程控制和制造业自动化中应用软件开发的一组包括接口、方法和属性的 标准。c o m 是一种通用的与语言无关的二进制标准，它提供组件之间通信的标准 接口，是一种跨平台的开发结构，用于开发基于面向对象技术的客户机服务器 应用程序，客户机可以通过在对象上实现的接口访问对象。c o m 是d c o m 、o l e 、 a c t i v ex 等技术的核心，d c o m 将c o m 推广至网络环境下的远程对象，使远程组 件能通过网络直接相互通信，而开发者对它们的感觉和本地对象是一样的。 o p c 为工业自动化系统中的各种不同器件之间的通信提供了一个公共接口， 换言之，即为不同的应用之间交换数据提供了一种标准的机制。o p c 采用客户机 n 务器结构，作为中心数据源的o p c 服务器负责向各种客户应用( 如h m i 、 s c a d a 、先进控制与智能控制等) 提供生产过程现场的数据，这些数据来自p l c 、 现场仪器、a c d c 驱动器、电源监控设备及其它工业自动化设备。o p c 所造成的 环境使人们可以在硬件供应商与软件开发商之间划定明确的分工，使它们各精 其业。软件开发商可以集中精力提高软件的性能和增加新的功能，而不必耗费 资源去开发大量支持各种硬件的驱动程序；硬件制造商则会有积极性去开发自 己产品的o p c 服务器，因为他们知道开发一个服务器就能适用于任何软件。用 户则可获得结构模块化的可复用的产品，即专业厂商提供的、由各种特定领域 专家用c 和c + + 编写的软件组件，用户自己只需要利用v b 或其它语言将这些组 件装配起来，就能得到满足自己特定要求的应用软件，而不必关心从某个具体 的硬件获取数据的技术细节。 o p c 标准一直在不断地发展、升级和增加新的功能，基金会已经陆续公布的 标准包括5 种数据类型：o p cd a ( 数据访问) 、o p ch a d ( 历史数据访问) 、o p c a & e ( 报警与事件) 、o p cb a t c h ( 批处理) 、o p cs e c u r i t y ( 安全) 。每一种 标准都包括两种接口：定制接口和自动接口，o p c 客户机上的应用程序通过这些 接口与o p c 服务器通信，如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 | 任何o p c 客户机 c u s t o m c + - + 本地 k 【v i s u a l c + +或 i 远程 v i s u a lb a s i c v b a 应用程序 o p c 服务器 j a v a a p p l e t s 图3 - 2o p c 的两种标准接口 o p c 服务器是c o m 对象及其接口的一种具体实现，一个0 p c 客户机可以和一 个或多个厂商提供的0 p c 服务器连接，一个服务器也可以同时和多个客户机连 接。以0 p cd a 为例，其服务器包含以下3 种c o m 对象：服务器、组( g r o u p ) 和项( i t e m ) ，如图3 - 3 所示。0 p c “服务器”对象保存有关自己的信息，并作 为容纳0 p c “组”对象的容器；0 p c “组”对象保存有关自己的信息，提供容纳 0 p c “项”对象并对其进行逻辑组织的机制：0 p c “项”对象则代表该服务器与 数据源的连接。 图3 - 3o p c 组织结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 3 2 分布式对象技术 3 2 1 分布式对象产生的背景 分布式对象技术是伴随网络而发展起来的一种面向对象的技术。以前的计算 机系统多是单机系统，多个用户是通过联机终端来访问的，没有网络的概念。 网络出现后，产生了c l i e n t s e r v e r 的计算服务模式，多个客户端可以共享数 据库服务器和打印服务器等等。随着网络的更进一步发展，许多软件需要在不 同厂家的网络产品、硬件平台、网络协议异构环境下运行，应用的规模也从局 域网发展到广域网。 随着互联网技术的发展，应用程序业务逻辑及复杂性的不断增大，传统的客 户机朋艮务器两层结构表现出越来越明显的局限性，开发工作的难度也越来越 高。为了解决复杂的应用需求及异构环境下系统之间的互操作问题，两层 c ll e n t s e r v e r 结构又被扩展到三层乃至多层。 图3 _ 4 三层应用结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 三层( 多层) 应用软件体系结构是为了解决两层结构应用软件中存在的问题 而提出的。在三层模式中，客户和服务器之间引入了应用层的概念，将应用逻 辑移到应用层完成，而客户端弱化成一个图形用户接口，成为一个瘦客户机。 三层( 多层) 应用软件体系结构如图3 4 所示。 目前，三层( 多层) 应用软件体系结构已得到广泛的应用，该结构的主要 优点是： 客户端人机界面部分的程序开发工作得到简化，它不必关心业务逻辑是如何 访问数据库的，只需把主要精力集中在人机界面上即可。 中间业务逻辑层包括了大量的提供客户端程序调用的业务逻辑规则，以帮助 其完成业务操作。它的优点就是在于它所具有的可伸缩性，可使其随具体业 务的变化而变化，但在客户层和数据服务层所作的改动较小，适合于快速开 发。 数据服务层主要提供对数据库进行各种操作的方法。它主要由中间业务层来 调用并完成业务逻辑，当数据库的结构确定后，对于它的改动也就较小了。 系统的安全性得以提高。它可以对每个业务功能组件进行授权，限制了非法 访问。 便于进行事务管理。 三层结构的优点是显而易见的，然而要实现它就需要使用当前流行的组件 技术。例如，基于w i n d o w s 平台的程序开发，就要用到c 0 m d c o m 组件开发技术； 要做跨平台的开发，就要使用c o r b a 结构模型。 从传统的主机终端型应用到三层c l i e n t s e r v e r ，要考虑时间和费用问题， 有的场合并不适合三层结构，需要循序渐进。虽然开发多层应用程序有优点也 有缺点，但是它的出现代表了应用的需要，是技术进步的结果，是符合时代潮 流的。目前，新一代的c l i e n t s e r v e r 系统正逐步进入分布式对象计算时代。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 2 2 分布式对象的主流技术 9 0 年代出现的分布式对象技术为网络计算平台上软件的开发提供了强有力 的解决方案。目前，分布式对象技术已经成为建立服务应用框架和软件构件的 核心技术，在开发大型分布式应用系统中表现出强大的生命力，逐渐形成了3 种具有代表性的主流技术，即m i c r o s o f t 的c o m d c o m 技术、s u n 公司的j a v a 技术和o m 6 的c o b r a 技术。 1 、c