（检测技术与自动化装置专业论文）opc技术规范的研究及其与hmi接口技术.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 o p c ( o l ef o rp r o c c s sc o n t r 0 1 ) 是对象链接和嵌入技术在过程控制方面的应用，包含 了一系列工业自动化接口规范。它是为了解决应用软件与各种设备驱动程序之间的通讯 而提出的，它把硬件厂商和应用软件开发者分离开来，大大提高了双方的工作效率。o p c 减少了系统集成过程中的重复工作，代表了今后过程系统通信标准的发展方向。 o p c 服务器利用微软的组件对象模型c o m 技术与o p c 客户程序进行通讯，并在 c o m 、d c o m 技术的基础上开发一系列对象、接口、方法标准集。了解c o m 的原理 和开发方法是从事o p c 研究的必要前提。本文通过对c o m 的概括性介绍，着重阐述 了c o m 的实现原理及o p c 与c o m 的关系，为下一步进行o p c 应用开发打下良好的 基础。 深入研究了三洋电气有限公司的b m s ( 楼宇管理系统) 通信标准，采用v i s u a l c + + 编 程语言和串口编程技术以及沈阳自动化研究所开发的s m a n o p c 工具，设计开发了基于 b m s 通信标准的o p c 服务器，并对h m i 接口技术做了一定的研究，使用h m i 软件对 开发的o p c 服务器进行测试，实现了将b m s 现场设各与现有如软件的连接，验证 了o p c 服务器工作的正确性。 通过实验测试表明，该o p c 服务器能使监控软件( s c a d a ，h m i ) 以统一方式访问 基于b m s 通信标准的设各，实现了监控软件与设备韵无缝集成j 使得该楼宇管理系统 能更简单方便的集成到整个楼宇自动化控制系统中，避免了为不同硬件设备开发通讯驱 动程序的重复劳动，因此该o p c 服务器具有广泛的推广应用前景。 关键词：0 p c 服务器；组件对象模型；b 髂通信标准：髻口；人机界面 苏浩：o p c 技术规范的研究及其与瑚皿接口技术 r e s e a r c h o fo p cs p e c i f i c a t i o na n dh l v l ii n t e r f a c et e c h n o l o g y a b s t r a c t o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) i st h ea p p l i c a t i o no fo l e ( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g ) t e c h n o l o g yi np r o c e s sc o n t r o ls y s t e m , i n c l u d i n gas e r i e so fs t a n d a r di n t e r f a c e s p e c i f i c a t i o n so fi n d u s t r ya u t o m a t i o n o p ci sp u tf o r w a r dt os o l v et h ec o m m u n i c a t i o n p r o b l e mb e t w e e na p p l i c a t i o ns o f t w a r c sa n dv a r i o u sd r i v e s i tm a k e st h ew o r km o r ee f f i c i e n t b ys e p a r a t i n gt h ea p p l i c a t i o n s o f l 3 z c a r e d e v e l o p e r sf r o mt h eh a r d w a r em a n u f a c t u r e r s c o n s e q u e n t l y , t h er e p e t i t i v ee x p l o i t a t i o n sa r er e d u c e di nt h ep r o c e s so fi n t e g r a t i n gs y s t e m o p cs p e c i f i c a t i o nw i l lb ead e v e l o p m e n t a la s p e c ti np r o c e s sa u t o m a t i o n sc o m m u n i c a t i o n s t a n d a r di nf u t u r e o p cs e r v e r su s em i c r o s o f tc o m t e c h n o l o g i e st oc o m m u n i c a t ew i t he l i e n t s b a s e do n c o m d c o mt e c h n o l o g i e s ，as e to ft h es p e c i f i c a t i o n ss t a n d a r da b o u to b j e c t s ，i n t e r f a c e sa n d m e t h o d sa r cd e f i n e d t ou n d e r s t a n dt h ep r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n to fc o mi sa n e c e s s a r y p r e c o n d i t i o nf o rs t u d y i n go p c b a s e do n ab r i e fi n t r o d u c t i o n a b o u tc o m ，t h ep a p e r e m p h a s i z e so nt h ei m p l e m e n tp r i n c i p l eo fc o m ，a n dw ec a nk n o wc l e a r l yt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e no p ca n dc o m i tc a nb et h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e ra p p l i c a t i o no f o p c a f t e rs t u d y i n gd e e p l yb m s ( b u i l d i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ) c o m m u r f i e a t i o ns t a n d a r do f s a n y oe l e c t r i cc o ，l t d i nt h ep a p e r ，a no p cs e r v e rb a s e do nb m s i sd e s i g n e db yu s i n g v i s u a lc + + p o r g r a m m el a n g u a g e ，s e r i a lp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y ，a n dt h ed e v e l o p m e n t t o o l k i to fs i a c o n s m a r t o p c h m ii n t e r f a c et e c h n o l o g yi sa l s os t u d i e dp r o p e r l y ，a n dt h i s o p cs e r v e ri st e s e t e db ym a k i n gu s eo fh m is o f t w a r e n ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h es o f t w a r e o fh v i ia n dt h eb m ss p o te q u i p m e n t si sr e a l i z e dw i t hu s i n go ft h i so p cs e r v e r t h e nt h e c o l r e e t l a e s s , o f t h eo p e r a t i o no fo p cs e r v e ri sc o n f i r m e d 皿1 er e s u l to ft h i st e s ts h o w st h a tt h eo p cs e r v e rc a l lf i f l f i l lt h ef u n c t i o no fa l l o w i n g m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ( m o n i t o r i n g & c o n t r 0 1 ) s o f t w a r e 和g s c a d a ，h m bt oa c c e s st h e d e v i c e sw h i c ha r eb a s e do nt h eb m sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di nac o n s i s t e n tm a n n e r t h e o p cs e r v e rr e a l i z e st h es e a m l e s si n t e g r a t i o nb e t w e e nm o n i t o r i n g & c o n t r o ls o t t w a r ea n d d e v i c e s ，a n dm a k e si te a s yt oi n t e g r a t et h eb u i l d i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi n t ob u i l d i n g a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m r e p e t i t i v ew o r k so ne m p o l d e r i n gd r i v e r sf o rd i f f e r e n tv e n d o r s d e v i c e si sa v o i d e d s ot h eo p cs e r v e rw i l lh a v eb r i g h tp r o s p e c ti nf u t u r e k e yw o r d s ：o p cs e r v e r ；c o m p o n e n t0 b j e e tm o d e l ；b m sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ； s e r l a l - p o r t ；h m i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导j j 币指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 堑：缁。日期：竺丝瑚幽 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 盘瞧 作者签名： 盐监 导师签名： 牲 速年生月且日 大连理工大学硕士学位论文 引言 o p c 技术的发展十分迅速，在控制领域的应用非常广泛。目前遍布全球的o p c 基 金会会员已超过3 5 0 家，包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制 系统的公司。国际上和国内许多公司都纷纷在自己的产品中增加o p c 特性，例如，国 外有i f i x ( 美国i n t e l l u f i o n ) 、i n t o u e h ( 美国w o n d e r w a r e ) 等，国内以k i n g v i e w ( 北京亚控) 、 f o r c e c o n l r o l ( 大庆三维) 等为代表，这些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 服务器以及通过i n t e r a c t 进行远程访问和数据交换等。同时， 为了方便o p c 服务器的开发和推广，一些厂家陆续提供服务器客户开发工具包。 本文在对o p c 技术进行深入阐述的基础上，着重研究了o p c 服务器应用程序的开 发，及其h m i 组态软件接口技术。设计出基于b m s 通信标准的o p c 服务器，并采用 西门子公司的m 软件验证了o p c 服务器工作的正确性。全文共分五个部分： 第1 章阐述了o p c 技术的发展以及现状，然后介绍了全文的主要工作。 第2 章深入研究o p c 技术的各个规范。 第3 章详细介绍了o p c 规范的理论基础c o m 技术，并阐述了o p c 服务器的开发 原理。 第4 章是本文的核心内容，以沈阳自动化研究所的o p c 服务器开发工具及串口通 信技术为基础，开发出基于三洋电气有限公司的b m s 通信标准的o p c 服务器。 第5 章通过对h m i 接口技术的研究，实现i - i m i 组态软件与基于b m s 通信标准的 现场设备的连接，验证了开发的o p c 服务器工作的正确性。 最后通过对整个设计的总结，对未来的工作做一展望。 苏浩：o p c 技术规范的研究及其与h m i 接口技术 1 绪论 1 10 p c 概述 1 1 10 p c 技术的产生及其背景 随着信息技术的发展，自动化系统对大范围信息共享的要求愈加强烈，因而对工业 控制系统的开放性提出了越来越高的要求。而传统的d c s 系统、工业控制系统、各生 产厂家等都采用自定义的专用网络和协议，没有统一的接口标准，很难与其它厂家的设 备、仪表互联、互操作，以致形成“信息孤岛”而难以与外界交换数据。因此，需要发 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。正是在自 动化系统开放性要求的驱使下，o p c 技术应运而生【”。 早期的o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 标准是由提供工业制造软件的5 家公司所组成 的o p c 特别工作小组在1 9 9 5 年开发的，微软同时作为技术顾问给予了支持。1 9 9 6 年9 月2 4 日，o p c 基金会( o p cf o u n d a t i o n ，o p c f ) ，在美国的达拉斯举行了第一次理事会， 并在同年1 0 月7 日在美国的芝加哥举行了第一次全体大会上宣告正式成立的1 2 】。之后为 了普及和进一步改进，于1 9 9 6 年8 月完成o p c 数据访问标准版本1 0 ，从此开始了全 球范围的活动。 1 1 2 传统设备驱动程序开发的弊端 在传统的过程控制系统中，针对每一类设备，监控系统中的应用程序都要开发相 应的驱动程序，并且只能通过驱动程序访问该设备，这就出现了所谓的i o 设备的驱动 器问题，如图1 1 所示，在缺少任何标准的情况下，设备供应商不得不各自开发自己专 用的硬件和软件解决方案。这种开发方式存在以下弊端： 图1 1 传统i o 驱动程序问题框图 r i g 1 1s c h e m eo f t r a d i t i o n a li 0d r i v e rp r o b l e m 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 重复开发和驱动程序的不一致 每个软件开发者必须为每个特定的硬件开发一个相应的驱动程序。而且各软件开发 者都从自己的需要出发，采用不同的数据交换协议( 如d d e ，o d b c 等) ，因而造成开发 的驱动程序的不一致。 ( 2 ) 不支持硬件特性的变化 由于驱动程序由软件开发者开发，硬件特性的变化将会使所有的驱动程序失效，为 适应硬件特性的变化，软件开发者必须为硬件开发新的驱动程序。 ( 3 ) 访问冲突 一般来说，两不同软件包不能同时访问同一设备，因为它们使用不同的驱动程序。 为了解决这一问题，硬件开发商试图开发驱动程序来解决这一问题，但是由于不同的客 户采用不同的协议而无法实现l j j 。 而o p c 则通过“软件总线”解决了这个问题，它提供了一种通用的方法来访问设 备或数据库等数据源。应用程序只需要知道如何从o p c 服务器中读取数据，而设备驱 动器( f l a 务器) 只需要知道如何以单一的方式提供数据即可，因而使用简单容易，如图1 2 所示，使得过程控制和工厂自动化的每一系统、每一设备、每一驱动器都能够自由地连结 和通信。这个标准不但能够应用于单台计算机，而且可以支持网络上分布式应用程序之 间通讯，以及不同平台上应用程序之间的通讯【4 j 。 图1 2o p c 形成对设备的统一访问方式 f i g 1 2o p c b u i l d st h ec o n s i s t e n tm a n n e rt oa c c e s sd e v i c e s 1 1 30 p c 的概念 o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r o l ，用于过程控制的o l e ) 定义了一个开放的接1 2 标准，它 基于w i n d o w s 的o l e 、c o m 和d c o m 技术，允许在自动化控制应用、现场设备与商 苏浩。o p c 技术规范的研究及其与h m i 接口技术 业办公室应用之间进行简明的标准化的数据交换【4 。简而言之，o p c 简化了来自不同供 应商的现场设备和p c 应用软件( 如可视化工控软件和商用管理系统) 之间的通讯接口。 w i n d o w s 程序标准接口的引入，使得硬件制造商为其设备所开发的接口程序数量减 少到一个一o p c 服务器接口程序，同样，软件制造商也只需要开发唯一的通讯接口程 序- o p c 客户机接口，这样不仅有利于制造商节约开发成本，而且也有利于最终用户 快速高效地实现系统集成。 1 1 40 p c 的技术核心 c o m 组件对象模型，它提供了标准的接口和内部组件通信。通过c o m ，一个 应用程序可以访问其他应用程序( e x e ) 或动态链接库p l l ) 的数据和函数，或者允许软件 组件升级而不影响整体运行。c o m 是d c o m 、a c t i v e x 和o l e 技术的核心。 d c o m 分布式c o m ，将c o m 应用扩展到网络( 远程对象) 。它使得处理远程对 象如同处理本地对象一样简单。 o l e 对象链接和嵌入，它为应用程序提供了高度的兼容性。o l e 基于c o m 技 术，允许开发可在多个应用程序之间重复使用的、即插即用的对象。它还提供了可重复 使用的、基于组件的软件开发，软件组件可以由任何语言开发。 a c t i v e x 一一o l e 控件发展( 由面向对象到基于对象) 并重新命名的一项技术。 a c t i v e x 技术基于对象，它使开发者可以开发出用于网络的简便的、可交互的应用程序。 作为几个开放的平台，a c t i v e x 被多种操作系统所支持，如m a c 、w i n d o w s 和u n i x 。 1 1 50 p c 技术的优点 对以往的自动化系统而言，大部分时间和金钱花在保证系统与设备之间共享信息 上。o p c 减少了许多由于缺乏开放标准给系统集成带来的问题，通过缩短开发周期和 广泛选择供应商产品，锈大大节省用户的时间和资金。o p c 标准为企业增加净利润的 真正关键在于，它统一地实现了贯穿整个工业的实时信息共享。 从开发角度而言，o p c 技术能够节省开发时间，增强产品的可连接性和互操作性， 同时可以使开发人员实现更多的功能1 4 - 6 ： ( 1 ) 节省时间( 减少了驱动程序的开发) ，o p c 服务器只需开发一个版本的驱动程序， 使之能与所有的o p c 客户端程序通信。开发工作将集中在与数据源( 硬件设备、数据库 等) 的通信上，而不用考虑与不同客户的通信。 ( 2 1 增强产品可连接性和互操作性，产品实现了即插即用，硬件制造商将更容易地 销售他们的硬件( 一个o p ci o 服务器将取代许多专用的驱动程序，且能与不同的产品 进行通信1 。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 使开发人员可以实现更多的新功能，开发商能将其精力投入到为其s c a d a ， h m i 和b a t c h 软件增加新的功能上，而无需像过去那样花费大量人力物力在专用驱动程 序的开发和维护上。 从应用角度而言，o p c 技术的即插即用功能使得系统集成更加方便，能够降低系统 集成费用，节省开发时间；同时使客户应用程序具有连接性和互操作性，任何人都能在 自动化各层存取数据；具有同步和异步的设备写入方式，增2 u 删除项目无需关闭系统， 升级组件更加方便高效1 4 刮： ( 1 ) o p c 兼容的组件大大降低了系统集成费用，因为所有的软件和硬件组件遵守 个单一的、标准的接口。自动化供应商提供o p c 服务器取代专用的设备驱动器软件， 以前不同销售商的软、硬件之间的驱动连接带来的问题迎刃而解。应用程序的开发周期 也大为缩短，从而为过程控制领域带来应用自动化系统的利益。 ( 2 ) 即插即用使系统集成轻而易举，d c s 、s c a d a 、h m i 、工厂生产计划、维护以 及其它生产制造可以利用o p c 标准进行开放的信息交换。由于客户机和服务器之间实 现了互操作性，最终用户能够通过选取最适合安装并能保证在一起有效工作的组件来获 得最大利益，不再像以往那样受到应用软件选择的限制。 ( 3 ) 客户应用程序的连接性和互操作性使客户可以开发简单的v b 程序与o p c 服务 器交换数据，或者使用他们熟悉的客户应用程序来与o p c 服务器交换数据；o p c 标准 提供了应用程序必需的稳定性，并且鼓励范围更广的软件供应商和服务提供商提供应用 程序。 ( 4 1o p c 的另一个优点是在企业的每一层都能存取与过程相关的数据，不再局限于 工厂层的数据。通过o p c 数据存取规范，工厂层数据可以向上流通到商业应用层，决 策者能更好地做出及时的、正确的决策以改进工厂的经营效率。 ( 5 ) 简单易用自动组态标签，只需少许的组态，就可以使用高效率的o p c 组件。 ( 6 ) 增加俐除项目无需关闭系统，不需要关闭服务器就可增加和删除项目，这明显 优于许多专用驱动专用驱动。在增减项目之前必须关闭服务器软件，而应用o p c 标准 后，根据数据库前端定义项目的一致性，客户端应用程序可以增加不同的项目，数据能 立即传回到o p c 服务器。 + ( 7 ) 同步和异步的设备写入方式明显优于以往的应用程序开发的d d e 驱动程序，当 需要写入大量数据时选择异步方式效率更高。 ( 8 ) 升级组件方便高效，采用c o m 、d c o m 和a c f i v e x 标准技术的优点之一是， 当服务器加入新功能时，当前的o p c 客户机程序不会被淘汰。通过增加新的c o m 接口， 苏浩：o p c 技术规范的研究及其与h m i 接口技术 保留现有的、向下兼容的c o m 接口，能很容易地扩展o p c 服务器，极大地方便了最 终用户。 1 2o p t 的应用现状及前景 o p c 标准的制定虽然主要由少数几家公司所推动，但是己制定的o p c 标准由来自 9 0 多家公司的专家参与，并参考了来自2 0 0 多个合作伙伴的评论意见，所以具有广泛的 代表性。一批国际知名的控制类公司如：a b b 、a s p e n t e c h 、e u r o t h e r m 、f o x b o r o 、 h o n e y w e l l 、n a t i o n a li n s t r u m e n t s 、s i e m e n s 、t 。s h i b a 、j o h n s o n y o k o g a w a 、g ef a n u c 等 相继宣布支持o p c 标准。在这种情况下，毫无疑问o p c 将会在控制领域发挥重大的作 用。o p c 将会成为大势所趋。目前，o p c 基金会的全球成员大约有3 8 5 家，登记在册 的已有8 0 0 多种o p c 产品【7 】。 现在许多公司正在致力于利用o p c 标准开发产品。w o n d e r w a r e 公司原来一直采用 n e t d d e 开发其软件产品，并且做得相当成功，但鉴于o p c 正在成为业界标准的形式， 现在正逐步转向采用o p c 标准开发其软件产品。u sd a t a 公司开发了一种叫做友好插 座的产品，该产品允许任何符合o p c 标准的对象加入到该公司的软件中。在已开发成 功的f i s h e r - r o s e m o u n t 的d e l t a v 系统中采用了o p c 技术。i n t e l l u t i o n 作为o p c 董事会 成员，在推行o p c 标准方面始终是不遗余力，现己利用o p c 技术开发出了v i s u a l b a t c h 、 f i x d y n a m i c s 等组件产品。 o p c 技术作为一项工业标准在国内也得到了逐步推广和应用，特别是近年来引起了 广泛的关注。不少高等院校、研究机构和制造厂商都开展了对o p c 技术的研究和应用。 2 0 0 0 年1 2 月正式成立了中国o p c 促进会。目前，已有多家公司加入了o p c 基金会， 成为其会员单位，如北京华富惠通、北京华控、浙大中控、北京中瑞泰等。 在应用方面，沈阳自动化研究所在开发新一代分布式控制系统时就采用了o p c 技 术，实现了上层应用软件通过o p c 服务器访问现场设备信息的功能，同时，还开发出 了o p c 数据服务器的开发工具软件s m a r t o p c 。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，例如北京亚控公司的组态王，三维力控等等。 虽然在我国有越来越多的厂商推出了采用o p c 技术的产品，但其兼容性、操作性 还有待提高。因此，国内工业自动化领域的科研机构和制造厂商应加强合作，紧紧把握 住最新技术，推动我国自动控制系统及仪器仪表水平的发展。 8 大连理工大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本课题来源于三洋电气有限公司的楼字管理系统( b u i l d i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ) 。由 于b m s 的通信标准与其他开发商设计生产的产品并不兼容，所以很难集成到整个楼宇 自动化系统中，解决这个问题的关键是开发一个基于b m s 通讯标准的o p c 服务器。 本文在深入研究o p cd a 规范和c o m 技术的基础上进行了o p c 服务器的设计和 开发，给出了主要的实现方法和步骤，并对三洋电气有限公司商用空调部门提供的b m s 通信标准做了深入的研究，采用v i s u a lc _ h 编程语言和串口通讯技术，并利用中国科学 院沈阳自动化研究所的s i a c o n s m a r t o p cj 艮务器开发工具生成o p c 服务器e x e 工程 框架：将基于b m s 通信标准的数据处理代码加入到s m a r t o p c 服务器开发工具生成的 o p c 服务器e x e 工程框架；在e x e 工程中编写数据访问函数，完成添加数据点、数 据刷新以及读写等功能。通过采用h m i 软件对该o p c 服务器的测试，能实现基于b m s 通信标准的现场设备与大部分h m i 软件的连接，验证了o p c 服务器工作的正确性，达 到了预期的效果。 鉴于目前国内在这方面的研究实践非常有限，而有价值的文字资料更是匮乏，希望 笔者的尝试可以为用户更好地利用o p c 技术起到一定的借鉴作用。 苏浩：o p c 技术规范的研究及其与 丑m 接口技术 2o p c 技术规范 o p c 规范由世界主要自动化设备制造商与微软协商制赳8 , 9 1 ，为不同供应厂商的设 备和应用程序之间实现接口标准化。它把硬件供应商和软件开发商分离开来，在设备、 数据库等数据源和客户之间架起一座桥梁，为解决统一标准问题提供了方案【1 0 】。 o p c 包括一整套接口，属性和方法的标准集，提供给用户用于过程控制和工业自动 化应用。m i c r o s o f t 的o l e c o m 技术定义了各种不同的软件部件如何交互使用和分享数 据，从而使得o p c 能够提供通用的接口用于各种过程控制设备之间的通讯，不论过程 中采用什么软件和设备。 o p c 规范主要包括数据访问( 以下简称o p cd a ) 规范、报警和事件规范以及历史数 据访问规范等。表2 1 概括了o p c 标准所涉及的内容 n l 。 表2 1o p c 规范 t a b l e 2 1o p cs p e c i f i c a t i o n 2 1o p c 数据访问规范 o p c 标准中最重要的规范是o p c 数据访问规范( 即o p cd a 规范) 【1 2 1 ，最新o p cd a 规范的版本是3 加，本文针对中间版本2 0 4 开发。o p c 服务器对象提供了对数据源进 行访问的接口，数据源可能是现场的y o 设备，也可以是其他的应用程序。通过接口， 一个o p c 客户程序可以同时和一个或多个厂商提供的o p c 服务器连接。o p c 服务器内 8 大连理工大学硕士学位论文 部实现与i o 控制设备通讯及进行设备操作的代码。o p c 数据存取规范是o p c 基金会 最初制定的一个工业标准，其重点是对现场设备的在线数据进行存取1 3 】。 2 1 10 p 0d a 的体系结构 如图2 1 所示是一个典型的o p cd a 体系结构： 任何o p c 客户机 v i s u a l c + + v i s u a lb a s i c v b a j a v aa l ，o l e t s o p c 自定义接口 _ _ _ - _ _ _ _ - _ - o p c 自动化接口 o p c 处理器 本地数据 高速缓存器 o p c 自定义接口 图2 1 典型o p c d a 结构体系 f i g 2 1t y p i c a lo p c d aa r c h i t e c t u r e 本地或远程 o l c 月t 务器 ( 由多个客户 共享) 服务器数据 高速缓存器 物理设备 设备数据 o p c 以客户服务器模型运行。客户向服务器发出请求，服务器响应请求。o p c 规 范为o p c 服务器规定了两套接口 定制接口( c u s t o mi n t e r f a c e ) 和自动化接口 ( a u t o m a t i o ni n t e r f a c e ) 。其中定制接口是o p c 服务器必须提供的，而自动化接口是可选 的u 4 j 。o p c 服务器一般用c + + 厂v c 开发，服务器至少必须实现自定义接口，也可选择实 现自动化接口。开发客户应用时可使用c + + ，v c 和v b ，此时分别使用自定义接口和自 动化接口。o p c 客户应用通过自定义或自动化接口与o p c 服务器通讯。用v b 等高级 语言开发的应用程序一般采用自动化接口，为了让v b 的客户应用程序可以使用自动化 接口，使用o p c 自动化接口包装器将o p c 定制接口变成o p c 自动化接口，从而可以 对o p c 服务器进行访问。 2 1 20 p 0d a 的功能 首先，o p cd a 客户要能够连接到d a 服务器上，并建立o p c 组( g r o u p ) 和o p c 数 据项( i t e m ) ，这是o p cd a 的基础，如果没有这个基础，d a 的其它功能是不可能实现 苏浩：o p c 技术规范的研究及其与h m i 接口技术 的。为了访问过程数据，d a 客户需要事先指定d a 服务器的名称、运行d a 服务器的 机器名、d a 服务器上的i t e m 定义。 其次，客户通过对其建立的g r o u p 与i t e m 进行访问实现对过程数据的访问，客户 可以选择设备e v i c e ) 或缓冲区( c a c h e ) 作为其访问的数据源。客户的过程数据访问包括 过程数据的读取、更新、订阅、写入等等，过程数据的读写还分为同步读写和异步读 写。 第三，完成通知，当服务器响应客户的过程数据访问请求，并处理完毕时通知客户， 比如异步读，写时，服务器要在操作完毕时通知客户【1 5 , 1 6 。 以上3 方面的功能是d a 必须要实现的。除此之外，d a 还可以可选提供： ( 1 ) d a 服务器的地址空间浏览。 ( 2 ) 停机通知，当服务器发生异常断开与客户的连接时，向客户发出通知。 2 1 30 p cd a 的应用 o p c 技术在工业控制中应用广泛。在最底层，o p c 从物理设备处获取原始数据并 传送给s c a d a 和d c s ，或将s c a d a 和d c s 的数据传送到其他客户应用中。在o p c 的体系和设计模式下，只需创建一个o p c 对象，就可使客户应用访问运行在不同节点 上的、由不同制造商提供的o p c 服务器中的数据，如图2 2 所示。 图2 2 0 p t 3 的应用 f i g 2 2a p p l i c a t i o no f o p c o p c 通讯用来在程序间交换数据，尤其是工业信息系统中【l ”，如图2 3 所示。在最 低层( 现场管理层) ，图中显示3 台运行o p c 服务器程序的计算机，服务器分别根据不同 o p c 规范实现，每台计算机可包含多个根据不同规范实现的o p c 服务器，这些服务器 与底层设备交换数据。o p c 服务器必须实现某种通讯协议，此协议与连接子系统( 如p l c ) 的协议兼容。除了控制系统的一些标准化通讯协议( 如p r o f i b u s ，i n t e r b u s ，c a n b u s ) ，每个 子系统与其外界环境通讯都使用其特定的协议( a s 5 1 1 ，r k 5 1 2 ，s - b u s ，m o d b u s 等) ，或者 1 0 大连理工大学硕士学位论文 使用协议的子集。基于此原因，o p c 服务器范围一般包含了世界领先制造商的最流行的 子系统协议。对数据库中存储的历史数据的访问，由根据o p c 历史数据访问规范实现 的o p c 服务器提供。 中间层( 过程管理层冲显示3 台计算机，它们作为o p c 客户使用，运行s c a d a h m i 软件。它们通过l a n 与o p c 服务器相连，利用o p c 服务器与子系统交换数据。 来自过程管理层的数据可进一步传送到控制和规划系统，如e r p 和i v i e s ，它们位 于商业管理层。这使工厂和生产管理的所有部门可访问过程数据。 图2 3 工业信息系统中o p c 客户一服务器结构 f i g 2 3o p c c l i e n t - o p cs e r v e ra r c l l i t e c t u r ei na ni n d u s l r i a li n f o r m a t i o ns y s t e m 2 2o p t 报警和事件规范 o p c 报警和事件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 或报警条件发生时，o p c 客户程序可以得到通知。通过这个接口，o p c 客户程序还可 以知道o p c 服务器支持哪些事件和条件，并能得到其当前状态【l 8 j 。 这里使用了过程控制中常用的报警和事件概念，在不严格的场合，报警和事件可以 互换，两者意义上的差别不是非常明显。在o p c 中，一个报警是一种非正常情况 ( c o n d i f i o n ) ，因此是一种特殊的情况。一个情况是o p c 事件服务器( e v e n t s e r v e r ) 或其 所包含的对象中命名的一个状态，而这个状态一般来说是对o p c 客户程序有意义的。例 如，报警可以有以下几种相关的情况：上限报警、上上限报警、正常、下限报警。 苏浩：o p c 技术规范的研究及其与m 舡接口技术 另一方面，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 客户重要的某 种可感觉到的变化。一个事件可以是和某种情况相关的，也可以与任何情况都无关。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不相关的事件。 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 提供的方法使得o p c 客户程序能够完成 以下功能： ( 1 ) 决定o p c 服务器支持的事件和类型。 ( 2 ) 某些特定的事件进行登记，以便当这些事件发生时，0 p c 客户程序能得到通知， 也可采用过滤器定义这些事件的子集。 ( 3 ) 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 e r 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，或者对公共组进行管理。 2 3o p c 历史数据存取规范 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。e 1 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数据 类型的数据。 目前o p c 规范支持以下几种历史数据服务器【1 9 1 ： ( 1 ) 简单数据趋势服务器：这种服务器只是提供原始数据和简单存储功能，数据一 般以o p c 数据存取服务器提供的类型存储，即( 数值，品质) 元组的形式。 ( 2 ) 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、最小值等。支持数据刷新及刷新历史记 录，此外，保存历史数据的同时还可以记录对数据注释信息。 2 4o p c 批量过程规范 批量过程规范基于o p c 数据存取规范和i e c6 1 5 1 2 1 国际批量控制标准( 对应的美 国标准为i s a 8 8 ) 制定的，它提供了一种存取实时批量数据和设备信息的方法。该规范 的目的不是为批量过程控制提供某种解决方案，而是使异构计算环境下不同的生产控制 方案能有效地协同工作，一个批量过程服务器可以从其它o p c 数据存取服务器或专用 的批量过程控制软件获取数据，然后提供给客户软件【”。 o p c 批量过程服务器是通过在数据存取服务器对象上增加i o p c b a t c h s e r v e r 、 i e n u m o p c b a t c h s u m m a r y 和i o p c e n u m e r a t i o n s e t s 接口扩展而来的，因此必须实现数据 大连理工大学硕士学位论文 存取服务器对象中所有的必选接口【2 ”。客户程序可以通过新增的接1 2 1 了解批量生产过程 的进行、等待、完成情况以及相关的现场信息。由于服务器采用了只读的名称空间，所 以客户程序中不能任意地为o p c 数据项命名，必须遵循国际标准。 2 5o p c 安全性规范 o p c 服务器为应用提供了重要的现场数据，如果这些参数被误修改将会产生无法预 料的后果，因此需要防止未授权的操作。o p c 安全性规范就提供了这样一种专门的机制 来保护这些敏感数据1 2 0 j 。 安全性规范采用与n t 安全模型兼容的安全性参考模型，该模型包括访问主体、访 问标识、安全对象、参考监视器、访问通道和安全控制列表等部分。o p c 服务器中数据 的安全机制是通过在o p c 服务器对象上增加i o p c s e c u r i t y n t 和i o p c s e e u r i t y p r i v a t e 可 选接口来实现的。i o p c s e c u r i t y n t 接口采用n t 安全认证进行访问控制，即客户使用 n t 的访问标记( a c c e s st o k e n ) 获得对o p c 对象的访问权限，由操作系统进行验证； i o p c s e e u r i t y p r i v a t e 则采用专用的安全认证，客户需要获得由o p c 服务器指定的访问标 识才能对o p c 对象进行访问，验证过程也是由o p c 服务器对象作为参考监视器实现的。 这两个接口实现了不同层次的安全性，任何需要安全认证的o p c 服务器至少实现一个 接口，但若要允许没有n t 访问标记的客户进行访问，则两个接1 2 1 都必须实现 2 2 1 。和其 它可选接口一样，o p c 客户程序应通过接口查询来检测o p c 服务器实现的安全功能。 o p c 安全性规范重点在客户安全认证方面，但没有规定哪些对象需要设置安全性， 而是将这些问题留给o p c 服务器的供应商决定。该规范和以前的o p c 应用程序保持兼 容，允许有多个安全级别，并且增加了安全性能。 2 6o p c 规范的发展 以上是o p c 规范中较为经典的几个规范，但o p c 并不仅仅只有上述规范。o p c 基 金会还在不断地开发新的标准，以增