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摘要 大型石化企业o p c 技术应用的研究与实现 摘要 在工业生产中，各种计算机系统在不同控制领域得到了广泛应用。但 是长期以来，它们之间普遍不能进行有效的通信，其中最关键的问题就是 接1 2 1 的不标准。o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是工业控制领域用于过程控 制的o l e 技术，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 技术，建立了一套符合工业控制要 求的通信接口规范，极大提高了控制系统的互操作性和适应性。 本课题就针对某大型石油化工联合企业中o p c 技术的实现和应用做 以研究。该企业的主要生产装置包括1 0 0 0 万常减压( y o k o g a 、凇c s 3 0 0 0 d c s ) 、糠醛( y o k o g a v v r ac s 3 0 0 0d c s ) 、苯乙烯( y o k o g a w r ac s 3 0 0 0 d c s ) 和制苯( r o s e m o u n td e l t avd c s ) 等等，在这些装置的车间 中，仍采用手工方式进行回路参数整定、自控率及平稳率统计，极大的消 耗了人力，浪费了资源。课题就针对以上d c s 系统开发了基于o p c 技术 的监控系统，具体工作如下： 首先，我们利用c o m 开发技术，设计了基于v b 的o p c 自动化客 户端和基于v c 的o p c 自定义客户端，并对二者的实现进行详细讨论与 比较，为确立本课题的开发环境打下基础。 其次，我们对该企业的现场硬件进行了考查，确定了硬件规划，根据 企业对监控功能的要求确定了o p c 客户端的开发环境，设计了基于o p c 技术的监控系统，实现了对于生产回路的自控率与平稳率监控。 再次，我们还对系统在应用中遇到的v a x 机与远程监控需求的问题 给出了实际解决方式。 最后，针对企业管理层要求远程监控的问题，我们利用了最新的w e b s e r v i c e 技术，将其与o p c 技术相结合，实现了不同平台之间的远程访问 与监控。 在论文的最后，对所做的工作做了总结与前景展望。 关键字：o p c 技术，集散型控制系统，c o m d c o m ，监控系统， w r e b 服务 i l a b s t r a c t a p p l i c a t i o nr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f o p ct e c h n o l o g yi ns o m el a r g ep e t r o c h e m i c a l e n t e r p r i s e a b s t r a c t i ni n d u s t r yp r o c e s s ，k i n d so fc o m p u t e rs y s t e m sa leu s e de x t e n s i v e l yi n d i f f e r e n tc o n t r o lf i e l d s g e n e r a l l y , t h e yc a l l tc o m m u n i c a t ev a l i d l yb e t w e e n d i f f e r e n tc o n t r o ls y s t e m s t h ek e yp r o b l e mi st h a tt h es y s t e mi n t e r f a c ei sn o ta s t a n d a r do n e o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) i su s e df o rp r o c e s sc o n t r o li n i n d u s t r y c o n t r o lf i e l d s o p ci s d e s i g n e db yo p cf o u n d a t i o nf o rt 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 fa l lk i n d so f a u t o m a t i o ns y s t e m s b a s e d o nt h ec o m d c o mt e c h n o l o g y , o p cb u i l d sas e to fs t a n d a r dc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e sw h i c hg 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 df l e x i b i l i t yo f a u t o m a t i o ns y s t e m t h et h e s i sr e s e a r c h e so nt h ei m p l e m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o no fo p c t e c h n o l o g yi ns o m el a r g ep e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e t h ee n t e r p r i s eh a sk i n d so f p r o d u c ed e v i c e s ，i n c l u d i n ga t m o s p h e r i cv a c u u md i s t i l l a t i o n ( y o k o g a w a c s 3 0 0 0d c s ) ，t h ef u r f u r a l ( y o k o g a w ac s 3 0 0 0d c s ) ，t h e s t y r e n e ( y o k o g a w ac s 3 0 0 0d c s ) ，t h eb e n z e n e m a d e ( r o s e m o u n td e l t a v d c s ) a n d s oo n i nt h ew o r k s h o p so ft h e s ed e v i c e s ，t u n i n gl o o p p a r a m e t e ra n d 1 1 i 北京化_ t 人学硕1 j 学位论文 s t a t i s t i co fc o n t r o l l i n gr a t ea n ds t a b l er a t ea r ei nam a n u a lm a n n e r t h e n ，t h e r e s o u r c eo ft h ee n t e r p r i s ei sw a s t e dl a r g e l y a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m si nt h e s e d c ss y s t e m s ，t h et h e s i sd e v e l o p st h es u p e r v i s i o ns y s t e mb a s e do no p c t e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t sa r ec o n c l u d e di nf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eo p ca u t o m a t i o nc l i e n tb a s e do nv ba n do p cc u s t o mc l i e n t b a s e do nv ca r ed e s i g n e d t h e n ，t h ed e v e l o p i n gm e t h o d so ft h et w oi n t e r f a c e s a r e c o m p a r e d t h es e c t i o nb u i l d s f o u n d a t i o nf o rd e c i d i n gt h ed e v e l o p i n g m e a n sa d o p t e di nt h ep a p e r s e c o n d l y ，h a r d w a r ep r o g r a m m i n gi sc h o o s e nb ye x a m i n i n gt h ef i e l d h a r d w a r ei nt h ee n t e r p r i s e t h e n ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n tf o rs u p e r v i s i n g f u n c t i o n ，d e v e l o p i n gm e a n sf o ro p cc l i e n ti sd e c i d e d ，a n ds u p e r v i s i o ns y s t e m b a s e do no p ct e c h n o l o g yt or e a l i z et h es u p e r v i s i n gf u n c t i o nf o rc o n t r o l l i n g r a t ea n ds t a b l er a t eo f p r o d u c el o o p t h i r d l y , t h es o l u t i o n i ss e t t l e d a i m i n g a t s e t t l l i n g t h ep r o b l e mo f r e q u i r e m e n t o f r e m o t e s u p e r v i s i o n f o rv a xm a c h i n ei nt h e s y s t e m a p p l i c a t i o n i na l l u s i o nt ot h er e q u i r e m e n to fm a n a g e m e n tf o rr e m o t es u p e r v i s i o n ，t h e t h e s i sc o m b i n e sw e bs e r v i c et e c h n o l o g yw i t ho p ct e c h n o l o g y , t h e ni t a c h i e v e st h ef u n c t i o no fr e m o t ed a t aa c c e s sa n ds u p e r v i s i o nb e t w e e nd i f f e r e n t p l a t f o r m s a tl a s t ，t h ep a p e rc o n c l u d e sb ys u m m a r i z i n gs o m ek e yc o n t e n t so f w h a t h a v eb e e nd o n ea n dw h a ts h o u l db ed o n ei nt h ef u t u r ew o r k i v a b s t r a c t k e yw o r d s ：o p ct e c h n o l o g y , d c s ，c o m d c o m ，m o n i t o rs y s t e m ，w e b s e r v i c e v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 王塑拯 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：立塑赴一一 日期：茸墨习一 新繇一嗍- 迦l 6 - 4 一 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自动化控制技术的发展，在现代化大规模生产中为提高生产效率，减轻劳动强度， 以及稳定生产工艺，提高产品质量，降低能源消耗等方面做出了巨大的贡献。 o p c 技术作为控制领域中的第一接口标准，占据着举足轻重的地位，在工业生产 自动化主要生产装置d c s ( 集散型控制系统) 中广泛利用【2 】，正是由于它的广泛应用， 才使原本复杂的通信过程变得统一化、标准化。 1 2o p c 技术概述 在工业控制领域，随着生产规模的扩大和过程复杂程度的提高，工控系统需要集 成数量和种类不断增多的现场信息。由此，出现如下问题： ( 1 ) 不同厂家的设备具有不同的通信机制，迫使工控软件中包含了越来越多的底层 通讯模块。由于这些工控软件中的通讯模块访问接口不尽相同，因而造成了工控软件 相互之间不能通信，软件资源不能共享。 ( 2 ) 由于硬件设备的改动很可能导致整个软件的改动，给工控软件的设计和维护造 成了极大的不便。因此，人们迫切需要一种标准途径，可以从现场提取数据并且传输 到应用程序端，并将应用程序端发出的控制信息传输到现场设备。这应该是一种开放、 高效的通信机制，o p c 正是这一需要的产物。 1 2 10 p c 简介 o p c 英文是o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 的缩写，是对象链接嵌入技术在自动化领域 中的应用，为工业自动化软件面向对象的开发提供了一项统一的标准。o p c 将 w i n d o w s 的对象链接嵌入( 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 ) ，部件对象模块( c o m ， c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) ，分布部件对象模块( d c o m ，d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) 技术引入工业自动化软件的开发设计中，为自动化系统、现场设备与工厂办 公管理应用程序之间提供了有效的联络工具，使管理部门与生产部门之间的数据交换 简捷化、标准化p j 。 1 9 9 5 年由来自i n t e l l u t i o n 、f i s h e rr o s e m o u n t 、i n t u i t i v e t e e h n o l o g y 等几家控制类公 司及微软公司共同发起成立了o p c 标准化组织o p c t a s k f o r e e 。该组织向来自用户和 制造商的2 6 0 个o p c 评论单位征询意见，制定了o p c 标准草案，最后经过微软公司 北京化f t 人学硕十学位论文 认证，颁布了o p c i 0 。为进一步扩大o p c 标准的影响，1 9 9 6 年在芝加哥举行的i s 9 6 会议上成立了o p c 基金会( o p cf o u n d a t i o n ) ，接替了o p c t a s k f o r c e 的工作，以吸收 更多的会员单位参加，使其真正成为一个被普遍接受的开放的标准。 在自动控制系统设计中，为了把不同厂家的设备部件集成到一起，需要为每个设 备部件专门开发驱动程序，还需要把这些有设备制造厂家提供的驱动程序与应用程序 联系起来。图1 2 就表示了这种应用状态，其中的服务器表示数据源，即不同厂家的 设备部件。如果没有统一的规范与标准，就必须在数据源和应用程序之间分别建立一 对一的驱动链接。一个数据源可能要为多个应用程序提供数据，一个应用程序又可能 需要从多个数据源获取数据，因此逐一开发驱动程序的工作量很大。 应用程序x o p c 客户蛸 图1 - 1 传统的控制系统结构 r i g 1 - 1t r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mc o n f i g u r a t i o n 应用程序y o p c 客户端 应用程序z o p c 客户端 o p c 服务器 设备a o p c 服务器 设备b o p ( ：服务器 设备c 图1 2 采用o p c 的控制系统结构 f i g 1 2c o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ea f t e ro p c o p c 服务器 设备d o p c 为解决这类问题提供了方案。在这种解决方案中，o p c 服务器表示数据源， o p c 客户表示应用程序。o p c 服务器不需要知道它有哪些客户。由o p c 客户根据需 要，接通或断开与o p c 服务器的链接。o p c 的作用就是为服务器客户的链接提供一 个统一标准的接口规范【4 1 。按照这种统一规范，各服务器客户之间可组成如图1 2 所 2 第一章绪论 示的机构形式。各服务器客户之间形成即插即用的简单规范的链接关系，比图1 1 的 结构简化了许多。 无论是设备制造商还是用户都可以从o p c 的解决方案中获得益处。对用户来说， o p c 意味着开放性，只要用户选择了符合o p c 标准的工具包，就可以选择最好的设 备和软件( 不管它是服务器端还是客户端，也不管它的开发者是谁) ，集成已经存在 的不同系统将变得非常容易。大量的已开发好的应用程序时的用户有更大的选择余 地，以更有效、快捷的方式构造满足其需要的集成系统。对设备制造厂家来说，只需 开发一套通用的驱动程序，并且其驱动程序比以往由软件开发商开发的驱动程序具有 更高的性能。而软件开发者可以免除开发重复驱动程序的工作，从而使其能把更大的 精力投入到核心产品的开发上，充分发挥他们的特长，使其产品具有更高的性能【5 】。 1 2 20 p c 技术规范概述 o p c 技术规范是以微软公司的o l e c o m 技术为基础，它所定义的是一组接口规 范，包括o p c 自动接口( a u t o m a t i o n i n t e r f a c e ) 和o p c 定制接口( c u s t o mi n t e r f a c e ) 【6 。o p c 技术规范定义的是o p c 服务器程序和客户端程序进行接口和通信的方法， 而不是规定如何来实现这种接口。如图1 3 所示o p c 概观： o p cs e c u r i t yo p cc o m m o nd e f i n i a t i o no p cc o m p l e xd a t a 。，(：!：!：iij；：；i!：!：；：；：；ii：。，j，_， 【o p c a l a r m s i o p ch i s t o r i c a l o p c d a t ao p c x m l 【e v e n t s i d a t aa c c e s sa c c 嘲d a l o p c d a t a o p cb a t c h ie x e h a n g e 图l - 3 0 p c 概观 f i g 1 3o p co v e r v i e w ( 1 ) o p c 数据存取( d a t a a c c e s s ) 规范【8 卅 一个o p c 的数据存取服务器中包含服务器( s e r v e r ) ，组( g r o u p ) ，和项( i t e m ) 3 类对象。o p c 服务器对象维护有关服务器的信息并作为o p c 组对象的容器，而o p c 组对象维护有关其自身的信息，提供包容o p c 项的机制，并管理o p c 项。 o p c 组提供了客户端程序组织数据的手段。组分为公共( p u b l i c ) 和局部( l o c a l ) 组。公共组可以被多个客户共享，而局部组只能被一个客户使用。每个组中都可以定 3 北京化工大学硕一i ：学位论文 义一个或多个o p c 项。 o p c 项代表了与服务器中的数据链接。从定制接口的角度看，o p c 项不能被o p c 客户作为一个对象进行操作。所有对o p c 项的操作都是通过包含此o p c 项的o p c 组对象进行的。每个o p c 项有值( v a l u e ) 、品质( q u a l i t y ) 和时间标签( t i m es t a m p ) 三个属性，值得类型为v a r i a n t ，品质的类型为s h o r t 。应当注意，项并不是数据 源，而仅仅是与数据源的链接。 ( 2 ) o p c 报警与事件( a l a r ma n de v e n t s ) 规范 o p c 报警与事件接口规范提供了一种机制，通过这种机制，当i o 设备中有指定 的事件或报警条件时，o p c 客户端程序可以得到通知。通过这个接口，o p c 客户端 程序还可以知道o p c 服务器支持哪些事件和报警，并能得到其当前状态。 在o p c 中，一个报警是一种非正常情况。一个情况是o p c 事件服务器或其包含 的对象中命名了的一个状态，而这个状态一般来说是对o p c 客户端程序有意义的。 如上限报警、上上限报警、正常、下限报警、下下限报警等。另一个方面，一个事件 是对o p c 服务器，其所表示的i o 设备或o p c 合乎重要的可感觉到的变化。一个事 件可以是和某种情况相关的，也可能与任何情况都无关。如数据从正常变化到上限报 警或从报警变化到正常状态，这是和某种情况相关的事件。而操作人员的动作如对系 统配置的更改，系统故障等则是与情况无关的事件。 o p c 事件服务器接口类i o p c e v e n t s e r v e r 提供的方法可使o p c 客户端程序能够 完成如下功能： 决定o p c 服务器支持的事件的类型。 对某些特定的事件进行登记，以便当这些事件发生时，o p c 客户端程序能得 到通知。 对o p c 服务器实现的情况进行存取和处理。 除了接口类i o p c e v e n t s o v e r 外，o p c 事件服务器还支持其它的接口，能够对服 务器中实现的情况进行浏览，或者对公共的组进行管理。 ( 3 ) o p c 历史数据存取( h i s t o r yd a t a a c c e s s ) 历史数据引擎可以向感兴趣的用户或客户程序提供关于原始数据的额外信息。目 前大部分历史数据系统采用自己专用的接口分发数据，这种方式不能提供即插即用的 功能，从而限制了其应用的范围和功能。 为了将历史数据和各种不同的应用系统进行集成，可以将历史信息认为是某种类 型的数据。目前的o p c 规范支持一下几种历史数据服务： 简单趋势数据服务器。这种服务器只是提供原始数据和简单数据存储功能， 数据一般以o p c 数据存取服务器提供的类型存储，即采用【数值，品质】元组的形式。 复合数据压缩和分析服务器。这种服务器可以提供数据压缩功能，还可以提 供数据汇总和数据分析功能，如平均值、最大值等，支持数据刷新及历史纪录刷新。 4 第一章绪论 此外，保存历史数据的同时还可以纪录对数据注释信息。 目前，o p c 规范发展状况如下表所示： 表1 - 1o p c 规范 t a b l e1 - 1o p cs p e c i f i c a t i o n 1 2 3o p c 技术应用现状 o p c 作为一项逐渐成型的技术已得到国内外厂商的高度重视，许多公司都在原来 产品的基础上增加了对o p c 的支持。由于统一了数据访问的接口，使控制系统进一 步走向开放，实现信息的集成和共享，用户能够得到更多的方便。世界上主要工控领 域的主要软硬件开发商都提供了o p c 的技术支持。 o p c 技术的发展十分迅速，它在控制领域的应用也越来越广泛。从国际上看，自 控界的各大跨国公司纷纷在自己的产品中增加o p c 特性，包括为控制应用软件添加 o p c 客户端的功能、为现场设备提供o p c 服务器等，一些公司还提供了o p c 服务器 的开发工具软件。 近年来，o p c 技术在国内也得到了广泛的关注和长足的发展。许多高等院校、科 研机构都对o p c 技术展开了研究与应用。国内的组态软件，也有一部分开始支持o p c 接口。综合来讲，o p c 技术在国内的主要应用领域如下： ( 1 ) 数据采集技术：o p c 技术通常在数据采集软件中广泛应用。 ( 2 ) 历史数据访问：o p c 提供了读取存储在过程数据存档文件、数据库或远程终 端设备中的历史数据以及对其操作、编辑的方法。 ( 3 ) 报警和事件处理：o p c 能够更好地捕捉控制过程中的各种报警和事件并给予 5 北京化t 大学硕1 ：学位论文 相应的处理。 ( 4 ) 数据冗余技术：o p c 技术的使用可以更加方便地实现软件冗余，而且具有较 好的开放性和可互操作性。 ( 5 ) 远程数据访问：利用m i c r o s o f t 的d c o m ( 分散式组件对象模型) 技术，o p c 实 现了高性能的远程数据访问能力。 国内的不少自动化仪表制造厂商在提供硬件的同时也提供相应o p c 服务器。浙 江浙大中控技术公司和北京和利时公司的d c s 产品支持o p c 技术。一些国内工控软 件公司也充分利用o p c 技术增强和扩展其软件功能，例如北京亚控公司从组态王5 1 版本开始支持o p c 技术，北京昆仑通态集团的m c g s 也支持o p c 技术。 1 3d c $ 概述 d c s 即计算机控制系统，它综合了计算机技术，信号处理技术，测量控制技术， 通信网络技术和人机接口技术等对生产过程进行分散控制、集中监视、操作和管理， 是一种新型的控制概念和技术。它既不单单是分散的仪表控制系统，又不是简单的集 中式计算机控制系统，而是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统 工程技术【1 0 1 。 d c s 的系统机构是一个分布式系统。采用大系统递阶控制的思想，将生产过程作 水平分解而将功能作垂直分解。生产过程的控制采用全分散的结构而生产过程的信息 则全部集中并储于数据库。从整体逻辑结构上看是一个以通信网络为纽带的集中显示 操作管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态方便的多级计算机控制系统【l 。 d c s 由集中显示管理部分，分散控制监测部分和通信部分组成。集中显示管理部 分又可分为工程师站、操作站和管理计算机。工程师站主要用于组态和维护，操作站 则用于监视和操作，管理计算机用于系统的信息管理和完成部分优化控制任务。分散 控制监测部分按功能可分为控制站，检测站或现场控制站，用于实时的控制和监测。 通信部分连接d c s 的各个分布部分，完成数据，指令及其他信息的传递。d c s 上各 工作站通过网络接口连接起来，各工作站独立自主的完成合理分配给自己的规定任 务，如数据采集、处理、计算、监视、操作和控制等。 d c s 软件由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和 各种应用软件组成。使用组态软件这一软件工具，就可生成用户所要求的世纪应用系 统。 d c s 的体系结构通常分为三级，第一级为直接过程控制级，第二级为集中操作监 视级，第三级为综合信息管理级，各级之间由通信网络相连，级内各站或单元由本级 的网络进行通信联系【1 2 1 。典型的体系结构如图1 4 所示。 6 第一章绪论 图1 4 典型的d c s 体系结构 f i g 1 - 4t y p i c a ld c ss y s t e mc o n f i g u r a t i o n d c s 的三大部分，即控制站、操作站、工程师站均为通信网络的节点，d c s 网络 上的节点还可能有上位机( 或称高级控制计算站) 、与工厂管理网相连的网关等。d c s 网络是d c s 的生命线，在d c s 整个系统的实时性、可靠性和可扩充性方面起着重要的 作用。在d c s 系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站 之间的数据通信问题；第二代d c s 则解决了多个装置的d c s 互联问题；第三代d e s 则 解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题。 在石化行业，d c s 一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中，而且控制 站和操作站、工程师站均集中放置在控制室内。而d c s 的数据通信一般从初期的数据 高速公路起多可长达l k m ，所以这方面有点浪费。鉴于石化行业的习惯，全厂各生产 车间用d c s 的通信总线相连的实例较少，所以在第三代d e s 中通信功能的发展是与全 厂管理网络( 以太网) 技术相融合，逐渐实现通信网络由多重结构向扁平化过渡，所以， 第三代d c s 的通信系统特点是具有开放性。 d c s 开放性基本特征是开放的系统应在保证信息安全的前提下具有可移植性、互 操作性、广泛性和可得可用性，拿这个特征来衡量以太网及它形成的i n t e m e t 和 i n t r a n e t ，可以说它基本具有开放性。因此目前d c s 应该在与其互联上下功夫，使之 在系统集成的大环境下，摘掉d c s 信息孤岛的帽子。 1 4 课题研究的背景和意义 如前所述，o p c 技术在控制领域的应用也越来越广泛，自控界的各大跨国公司纷 纷在自己的产品中增加o p c 特性，如添加o p c 客户端的功能、为现场设备提供o p c 服务器等，国内不少自动化仪表制造厂商在提供硬件的同时也提供相应o p c 服务器。 7 北京化- t 人学顾二 ：学位论文 本课题所基于的某特大型石油化工联合企业，目前的原油加工能力8 5 0 万吨年， 乙烯生产能力7 1 万吨年，拥有生产装置8 8 套和辅助生产装置7 l 套，应用的5 2 套 d c s 系统来自于1 1 个厂家2 1 个型号的产品，其中h o n e y w e l l 、y o k o g a w a 和 f o x b o r o 三家公司的d c s 产品在该企业中是主流产品，和利时和浙大中控两家国 内制造商的产品也有应用。其中，多数的d c s 设备都集成了o p c 服务器，对于一些 没有集成o p c 服务器的d c s ，我们还可以采用模拟o p c 接口的方式实现d c s 与工 控机通信。 本课题就基于o p c 技术开发了客户端监控系统，该系统己在此石油化工联合企 业的装置中得到了应用，至今已使用了一年多，通过使用该系统，实现了d c s 系统 数据实时监控与管理，优化了企业资源，促进了生产效率的提高。同时，远程监控的 实现满足了统一的分布式数据库系统的建立，保证了数据的一致性，完整性和可互操 作性，使企业管理人员可以随时了解现场的生产情况，便于技术人员对设备的管理与 维护。 1 5 论文的组织结构 本论文的组织结构如下： 第一章绪论，介绍了o p c 技术的产生及其规范的概况，并简要介绍了d c s 的组 织结构及特点，简单阐述了o p c 在d c s 的应用需求。同时，本章介绍了论文研究的 背景和意义，以及论文的组织结构。 第二章o p c 技术分析，首先介绍了o p c 的基础技术：c o m d c o m ，对c o m 模 型结构、通信机制和d c o m 技术做了深入分析，接着介绍了o p c 对象和接口，o p c 标准的组成，最后在此基础上，总结o p c 技术比同类d d e 接口技术的优势。 第三章o p c 客户端的设计与实现，本章利用c o m 开发技术，实现了基于v b 的 自动化接口和基于v c 的自定义接口，基于对设计与实现的详细讨论，对这两种接口 的开发方式做了比较。 第四章o p c 技术在某大型石化企业d c s 中的应用，本章以某石油化工企业实际 d c s 装置为背景，介绍了基于o p c 技术的的监控系统的工业应用，主要通过o p c 技 术实现了对生产回路的实时监控。同时，对于在实际中遇到的问题，包括v a x 工控 机的通信问题和远程监控的问题，提出了实际的解决方式。 第五章o p c 技术在应用中问题的解决，首先对于第四章课题开发系统在某石化企 业中的应用，提出了应用中存在的问题。基于问题，课题提出了利用新一代o p c 规 范中o p cu a 中的一些新技术：将o p c 与w e bs e r v i c e 结合，从而实现跨平台的远程 查询与监控；将o p c 与f d t 技术结合，实现集成多现场总线中o p c 服务器开发不依 赖现场总线的类型和设备厂商。 第一章绪论 第六章总结和展望，对本课题的工作做了总结，对进一步的研究工作提出了展望。 9 第二章o p c 技术分析 2 1 引言 第二章0 p c 技术分析 o p c 是o l e 在工业控制领域的应用，o l e 是微软为应用程序的集成提供面相对 象的机制。o l e 中引入了复合文档的概念，所谓复合文档就是指在一个文档中包含了 另外应用程序的对象【l3 1 。而c o m 作为o l e2 0 的基础，也就成了o p c 的基础。也就 是说o p c 技术是基于微软的c o m d c o m 技术而建立起来的一项技术，对 c o m d c o m 技术的理解是它的难点所在。本章介绍了o p c 技术的基础：c o m d c o m 技术，在此前提下，具体分析了o p c 技术规范的内容：o p c 对象与接口、o p c 规范 的组成。最后，介绍了o p c 技术与同类技术相比较的优势。 2 2c o m d c o m 技术 o p c 规范在短短的几年里发展如此之快，得益于o p c 技术的内涵。它基于 m i c r o s o f t 的o l e c o m d c o m 技术，包括了自动化应用中使用的一整套标准的接口、 属性和方法。m i c r o s o f t 是o p c 基金组织的发起成员之一，它把o l e c o m d c o m 等 新技术带给了o p c 基金组织。这些技术为工控领域里最重要的数据交换环节提供了 技术保证【1 4 1 。 2 2 1c o m 模型结构 组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，简称c o m ) ，是一种以组件作为发布单 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，也提供了实现交互的环境，因为组件对象之间交互的 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。 组件模型为c o m 对象提供了活动的空间，c o m 对象以接口的方式提供服务。 在c o m 规范中，并没有对c o m 对象进行严格的定义，但提供的是面向对象的 c o m 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。客户程序与 c o m 组件程序进行交互的实体是c o m 对象，它并不关心组件模块的名称和位置，但 客户必须知道自己在和哪个c o m 对象进行交互【1 5 - 1 6 1 。 c o m 对象的客户与对象之间是通过接口进行交互，客户必须通过接口才能获得 对象的服务，所以组件之间接口的定义至关重要，规范的核心内容就是关于接口的定 义。 北京化- t 人学硕i j 学位论文 接口是包含了一组函数的数据结构，通过这组数据结构，客户代码可以调用组件 对象的功能。接口定义了一组成员函数，这组成员函数是组件对象暴露出来的所有信 息，客户程序利用这些函数获得组件对象的服务【1 7 j 。 客户程序用一个指向接口数据结构的指针来调用接口成员函数。如图2 1 所示， 接口指针实际上又指向另一个指针，这个第二个指针指向一组函数，称为接口函数表， 接口函数表中的每一项为4 个字节长的函数指针，每个函数指针与对象的具体实现连 接起来。通过这种方式，客户只要获得了接口指针，就可以调用到对象的实际功能。 p v t a b l ev t a b l e 鬣。，? ：j 研甲麓一7 陵施。瑁! 。一；麓厂一一。：，钥引刚飙1 爱 一铲 “嗍 甄 指针函数2 7 图2 - 1 接口结构 f i g 2 - 1i n t e r f a c es t r u c t u r e 通常，接口函数表称为虚函数表( v i r t u a lf u n c t i o nt a b l e 简称v t a b l e ) ，v t a b l e 指向的指针 为p v t a b l e 。对于一个接口来说，它的虚函数表v t a b l e 是确定的，因此接口的成员函数 个数是不变的，而且成员函数的先后顺序也是不变的；对于每个成员函数来说，其参 数和返回值也是确定的。 c o m 规范对接口查询规定了如下一些原则 1 8 】： ( 1 ) 对于同一个对象的不同接口指针，查询得到的工接口指针必须完全相同， 但查询其它接口，通过不同的途径可以得到不同的接口指针，这样可以允许对象动态 生成接口指针。 ( 2 ) 接口对称性，如果从一个接口指针查询到另一个接口指针，则从第二个接 口指针再回到第一个接口指针必定成功。 ( 3 ) 接口自反性，对一个接口查询其自身总是成功的。 ( 4 ) 接口传递性，如果从第一个接口指针查询到第二个接口指针，从第二个接 口指针可以查询到第三个接口指针，则从第一个接口指针一定可以查询到第三个接口 指针。 ( 5 ) 接口查询时间无关性，如果在某一时刻可以查询到某一个接口，则在以后 的任何时刻一定同样可以查询到这个接口。 1 2 第一二章o p c 技术分析 2 2 2c o m 通信机制 客户程序与c o m 组件可以共享同一个进程空问，也可以拥有各自的进程空间， 甚至可以位于不同的机器上，因此客户程序与c o m 组件之间必然要有一定的通信机 制才能实现客户程序与c o m 组件之间的数据交换。c o m 标准有两种通信机制用于客 户程序与c o m 组件之间的通信：可连接对象和数据对象通报连接机n t l 9 之0 j 。 2 2 2 1 可连接对象 c o m 提供了实现客户程序与组件之间双向通信的机制：一种是可连接对象实现， 另一种是由数据对象的通报连接机制实现。在双向通信中，c o m 对象提供出接口主 动和客户进行通信【2 1 】。如果一个对象支持一个或多个出接口，则这样的对象称为可连 接对象，也称为源对象。 在可连接对象的双向通信过程中，涉及到三个既独立又相关的部分：客户程序、 对象和接收器。这三者的交互过程如图2 2 所示。 图2 - 2 客户与可连接对象通信模型 f i g 2 - 2t h oc o n n e c t i o nm o d e lo fc u s t o m o ra n da t t a c h a b l eo b j e c t s 在规范中，一个接收器可以被多个可连接对象使用，反过来每个可连接对象也可 以连接多个接收器。如图2 3 所示。 北京化t 人学硕 ：学位论文 图2 - 3 ( a ) 客户与可连接对象 一对多的关系 f i g 2 - 3 ( a ) c u s t o m e ra n da t t a c h a b l eo b j e c t s o n e - t o - m a n yr e l a t i o n s h i p ( b ) 客户与可连接对象 多对一的关系 ( b ) c u s t o m e ra n da t t a c h a b l eo b j e c t s m a n y - t o - o n er e l a t i o n s h i p 可连接对象可以支持一个或者多个出接口，它通过接口i c o n n e c t i o n p o i n t c o n t a i n e r 管理所有的出接口。对应于每个出接口，可连接对象又管理了一个连接点( c o n n e c t i o n p o i n t ) 的对象，每个连接点对象实现了i c o n n e c t i o n p o i n t 接口，客户通过连接点对象建 立接收器与可连接对象的连接。连接点对象被包含在可连接对象的内部。图2 - 4 给出 了可连接对象的基本结构。 图2 - 4 可连接对象的基本结构 f i g 2 4b a s i cs 缸u c t m - eo f a t t a c h a b l eo b j e c t 1 4 一l l 仝 一 第一二章o p c 技术分析 2 2 2 2 数据对象通报连接机制 数据交换是操作系统中不同应用之间通信的重要手段，c o m 规范也提供了应用 之间进行数据交换的标准方案统一数据传输( u d t , u n i f o r md a t at r a n s f e r ) 。c o m 统一数 据传输机制使用“数据对象“作为信息实体，数据对象通过接口i d a t a o b j e c t 暴露其内部 信息，数据对象本身也是一个c o m 对象，它不仅可以表达一般的结构化信息，而且 可以表达一些非结构化信息，甚至是动态信息。 要实现数据对象与客户程序之间的双向通信，要求数