（信息与通信工程专业论文）基于opc技术的bs模式生产调度系统的设计与实现.pdf

原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特另t l d l ：i 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过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：邀亟日期：矗里丝年互月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 绂暖 导师签名莲盟日期芝年二月z 日 导师签名也鎏i 日期芝! 年二月上日 摘要 随着信息技术的发展，通信网络技术在工业控制领域所起到的作 用越发重要。工业控制领域中的诸多问题也随着通信网络技术的发展 得以逐一解决。在这一领域中，以太网的引入带来了工业控制的第一 次技术革命，然而以太网并没有解决信息孤岛所导致的问题。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 ) 的提出及广泛应 用给工业控制领域带来了第二次技术革命，不仅统一了工业控制系统 间的接口规范，而且依靠自身的技术优越性为解决信息孤岛问题打下 了坚实的技术基础。 本文以某公司生产调度系统项目为背景，经过分析，在实际生产 过程中主要存在三方面的问题：生产控制系统存在信息孤岛问题；人 工读取并手动填写记录的情况普遍；纸质报表的储存问题等。针对这 些问题，本文在延续传统c s 架构方式的o p c 技术基础上，提出了 托管代码访问非托管代码以及w e bs e r v i c e s 两种基于b s 模式结构框 架的o p c 客户端。这两种b s 模式o p c 客户端不仅保留了原有c s 模式o p c 客户端的技术特点，而且具有更强的扩展性和灵活部署能 力。同时对这两种o p c 客户端进行了编码实现，并进行了性能分析 及优化，使其运行机制更趋于合理和稳定，也使o p c 客户端存取数 据的效率也大幅提高。最后基于这种b s 模式o p c 客户端，设计并 实现了生产调度系统。此系统的成功运行为管控一体化的进一步实施 打下了坚实的基础。 关键词o p c 技术，生产调度系统，b s 模式，信息孤岛，管控一体 化 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n n e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o lb e c o m e si n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t m a n yp r o b l e m si nt h ea r e ao fi n d u s t r i a lc o n t r o lc a nb es o l v e d o n eb yo n ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g y i nt h i sa r e a ，t h ei n t r o d u c t i o no fe t h e r n e th a sb r o u g h tat e c h n o l o g i c a l r e v o l u t i o ni ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 b u te t h e r n e td o e sn o ts o l v et h ep r o b l e m c a u s e db yi n f o r m a t i o ni s l a n d t h ep r o p o s i t i o na n dw i d e l ya p p l i c a t i o no f o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) b r i n gas e c o n dt e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o n i ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 a n dn o t o n l yu n i f yt h ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n b e t w e e ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m b u ta l s of o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo f i n f o r m a t i o ni s l a n d ，l a yas o l i dt e c h n i c a lf o u n d a t i o nd e p e n d i n go nt h e i r o w nt e c h n i c a ls u p e r i o r i t y t h r o u g ha n a l y s i s ，t h e r e a r et h r e em a i n a s p e c t s i nt h ea c t u a l p r o d u c t i o np r o c e s sb a s e do nac o m p a n y sp r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e m p r o j e c t t h e ya r et h ep r o b l e mo fi n f o r m a t i o ni s l a n d ，t h ec a s e so fa r t i f i c i a l r e a d i n ga n dm a n u a l l yf i l l i n g r e c o r d sa n dt h es t o r a g ei s s u eo fp a p e r r e p o r t s i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t w ok i n d so fo p cc l i e n t sa r e p r o p o s e db a s e do nt r a d i t i o n a lc sa r c h i t e c t u r eo p c c l i e n tt e c h n o l o g ya n d b sm o d e t h e ya r em a n a g e dc o d et oa c c e s su n m a n a g e dc o d em e t h o d a n dw e bs e r v i c e sm e t h o d t h e s em e t h o d so fo p cc l i e n tn o to n l yr e t a i n t h eo r i g i n a lo p cc l i e n t st e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sb a s e do nc sm o d e b u t a l s oh a v em o r ee x p a n s i b i l i t ya n df l e x i b l ed e p l o y m e n tc a p a b i l i t i e s t h e p e r f o r m a n c e sh a v eb e e na n a l y z e da n do p t i m i z e d ，m a k i n gt h eo p e r a t i o n m o r er e a s o n a b l e ，s t a b l ea n de f f e c t i v e a tl a s t ，ap r o d u c t i o ns c h e d u l i n g s y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，b a s e do nt h i sb sm o d eo p c c l i e n t t h i ss u c c e s s f u lo p e r a t i o no ft h es y s t e ml a i das o l i df o u n d a t i o nf o rt h e f u r t h e ri m p l e m e n t a t i o no ft h ei n t e g r a t e dc o n t r 0 1 k e yw o r do p ct e c h n o l o g y , p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g s y s t e m ，b s m o d e ，i n f o r m a t i o ni s l a n d s ，m a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e g r a t i o n i i 目录 摘要i a b s t r a ( 汀一i l 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究背景1 1 2o p c 技术的国内外研究现状2 1 3 研究内容3 1 4 研究意义及目的4 1 5 论文的组织安排4 第二章o p c 技术分析6 2 1o p c 工作原理6 2 2o p c 对象与接口8 2 2 1o p c 对象8 2 2 2o p c 接口1 0 2 3o p c 规范研究和框架1 1 2 4o p c 的通讯方式1 2 2 5o p c 的技术优势1 2 2 6o p c 与m i c r o s o f t n e t 平台1 5 2 7 本章小结1 8 第三章基于o p c 技术的生产调度系统的分析与设计：1 9 3 1 系统需求分析1 9 3 1 1 生产现状及系统概述1 9 3 1 2u m l 需求建模2 1 3 1 3b s 结构模式分析2 3 3 2 系统总体设计。2 4 3 2 1 系统网络分布分析。2 4 3 2 2 系统逻辑设计2 5 3 2 3 系统功能模块2 6 3 3o p c 客户端详细设计。2 8 3 3 1 托管代码访问非托管代码方式2 8 3 3 2w e bs e r v i c e s 方式。3 0 3 4 开发方案选择3 2 m 3 5 数据库设计3 3 3 5 1 数据表设计。3 4 3 5 2 业务逻辑设计3 6 3 6 本章小结3 8 第四章基于o p c 技术的生产调度系统的实现3 9 4 1 生产调度系统功能实现。3 9 4 1 1 用户登录与安全验证模块3 9 4 1 2 设备运行管理模块4 0 4 1 3 质量数据管理模块4 1 4 1 4 用户与权限管理模块4 2 4 1 5 系统配置管理模块4 5 4 2o p c 客户端实现4 7 4 2 1 托管代码访问非托管代码方式4 7 4 2 2w e bs e r v i c e s 方式4 9 4 3 系统性能分析5 1 4 3 1 扩展性分析5 1 4 3 2 灵活性分析。5 3 4 3 3 安全性分析。5 3 4 3 4 可靠性分析5 4 4 4 本章小结5 6 第五章总结与展望5 7 5 1 总结5 7 5 2 展望5 8 参考文献5 9 至| 【谢6 3 攻读硕士学位期间主要研究成果6 4 i v 1 1 课题来源及研究背景 第一章绪论 本课题基于科研项目：中国铝业某分公司生产调度系统项目。 随着信息技术的发展，通信网络技术在工业控制领域起到了越来越重要的作 用。但是，不同硬件生产厂商所提供的产品在计算机通信协议上互不相通，并没 有一个统一的标准。经过长期的发展，工业生产自动化系统逐渐形成了目前三电 一体化的分布控制系统( d c s ) 【。由于d c s 、p l c 等控制系统和管理控制网上 的软件来自不同的厂商，要想它们之间进行通信，不仅软件厂商需要编写大量设 备驱动，硬件厂家也需要为应用程序开发不同的驱动。各不相同的接口导致了它 们之间的通信异常复杂而难以实现，使得管控一体化的功能无法充分发挥1 2 j ，其 目标难以得到真正实现。因此，无论对于硬件设备提供商还是应用软件开发商而 言，一整套通用标准的提出势在必行。在这一背景环境下，o p c 基金会提出了 o p c 协议【翻。它的提出弥补了接口统一的空白，同时也为管控一体化在工业控制 领域的真正实施打下了坚实的技术基础。 o p c 是o p c 基金会制定的过程控制软件互操作规范的统称，这一技术的发 展是以微软的o l e ( 对象连接与嵌入，如今已经发展成为a c t i v ex 技术) 、c o m ( 组件对象模型) 、d c o m ( 分布式组件对象模型) 等技术为基础1 3 l 。在o p c 技 术出现之前，早期的c o m 作为工业控制领域的主流技术1 4 1 ，只能简单地实现工 业控制设备和生产管理系统之间的数据交换，并没有提供一个标准的接口，使得 它们之间的数据交换需要编写很多不同的接口驱动。o p c 技术的出现恰恰弥补 了这块空白，为工业控制系统之间的数据交换与通讯建立了一个接口标准【5 j 。这 种标准提高了自动化系统、现场设备控制系统及办公应用系统之间的互通性和互 操作性。此外，o p c 标准作为一种开放性的标准，用户可以大胆选择能满足生 产所需的软硬件设备，无需考虑硬件设备的专属驱动。随着o p c 技术的提出及 应用，硬件开发商只需要为其设备产品提供软件组件套装，套装中运用o p c 技 术封装了对硬件设备复杂的数据访问，对外部用户预留了o p c 协议中的规范接 口。在开发软件应用时，只要明确o p c 接口就可编写访问和操作工厂数据的应 用程序。 硕十学位论文第一章绪论 o p c 技术提供的标准数据访问机制，使硬件设备与应用软件有效的分离。 不同的硬件设备提供商只需为其硬件设备提供访问底层硬件的o p c 服务器【6 l 。 软件应用厂商就可以通过具有o p c 接口的客户程序对硬件设备进行访问。o p c 接口规范现已作为工业标准，解决了不同底层硬件设备与上层应用软件之间的数 据通信问题。到目前为止，o p c 技术已经得到了工业控制领域的广泛应用，许 多大型复杂控制系统也都已经集成了o p c 服务器组件。 o p c 数据通信采用c s ( 客户端h i 务器) 模型方式。o p c 服务器负责从现 场底层设备上获取生产数据，并对外发布。o p c 客户端通过网络就可以获取到 这些数据。根据公司对生产调度系统的需求，最终要建立建立一个包括整个企业 过程和质量数据的平台，便于对这些数据进行监控与管理，同时实现数据的追溯 和重要信息的存档、对一些决策数据自动处理、各种生产数据报表自动生成等功 能。本文将在传统的o p c 通信模型基础之上，提出一种改进的b s 结构模型， 即将o p c 客户端分别以托管代码访问非托管代码和w e bs e r v i c e s 两种b s 方式 进行设计和实现，并基于o p c 客户端分别实现o p c 数据获取，o p c 数据组态等 功能，并进行o p c 扩展性、灵活性和可靠性分析等。最终基于这些功能对生产 调度系统进行全面的设计和实现。 1 2 0 p c 技术的国内外研究现状 o p c 的历史可以追溯到1 9 9 5 年，当年来自i n t u i t i v et e c h n o l o g y ， f i s h e r - r o s e m o u n t ，i n t e l l u t i o n ，o p t 0 2 2 ，r o c k w e l ls o f t w a r e 等五家公司1 7 j 的特别 工作小组及技术顾问，在微软提供技术支持的基础之上，共同发起并成立了o p c 标准化组织o p ct a s kf o r c e l 8 】。同时向来自用户和制造商等2 6 0 多家公司及单位 征询o p c 发展意见。最终，o p c 标准化组织根据反馈意见对标准草案进行了修 改，在经过微软o l e 专家认证之后，确定了o p c 数据访问标准版本1 0 。 1 9 9 6 年8 月，o p c 基金会接替了o p c 标准化组织的工作，同时也吸收了更 多的会员单位，使o p c 协议真正成为了各方广泛接受的、开放性的标准1 9 j 。1 9 9 6 年1 0 月，日本正式成立了o p c 日本协会。与此同时，o p c 欧洲协会也正式成 立。2 0 0 0 年1 2 月，o p c 中国基金会正式成立【1 0 j 。 从成立开始，o p c 基金会规模逐年扩大，基金会会员也逐年增加。截至到 目前，这一国际标准化组织已经扩大为4 4 0 余位公司成员和8 0 多位最终用户成 员组成。3 5 0 0 多家致力于开发o p c 产品的公司已经拥有超过2 2 0 0 0 种软硬件产 品【1 1 】。 2 o p c 标准的技术优势和发展前景也使得国内同行业开始探索o p c 技术的软 硬件应用开发。无论是系统集成商、硬软件开发商还是最终用户，工业控制各个 领域中o p c 技术的影响越来越广泛，应用也越来越普遍l l 引。国内许多公司都纷 纷在自己的相应产品中增加o p c 接口，包括为控制应用软件添加o p c 客户端， 为现场设备提供o p c 服务器等。浙大中控有限公司于2 0 0 1 年加入o p c 基金会， 成为国内第一批会员单位，现已开发出大量符合o p c 标准的产品，同时基于o p c 技术也实现了大量的应用【”】。武汉理工大学工业网络与智能控制研究所在港口 系统中也采用了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。在石油、化工、电力、港口、钢铁、冶金、有色等领域，基于o p c 技术的软硬件设备取得了很好的应用效果。但是这些应用都是基于c s 模式，都 需要在客户机上安装特定的客户端软件才能对o p c 服务器进行访问。本文提出 一种部署在w e b 服务器上的b s 模式o p c 客户端和一种w e bs e r v i c e s 形式的 o p c 客户端，从而满足实际生产的不同需求。 现如今o p c 标准规范已经发展为数据访问标型1 4 j ，警报和事件标准，历史 数据访问标准，批处理标型1 5 l ，安全性标准，数据访问标准测试工具，过程数 据x m l 标准，服务器间数据交换标准等组成。不久前，o p c 基金会又公布了 o p c 统一构架( o p c u a ) 1 1 6 j 。o p c u a 在第一代o p c 技术规范的基础上，将 o p c 从微软为中心的c o m 技术转变为开放式标准，统一了各种o p c 技术规范。 1 3 研究内容 本课题以中国铝业某分公司生产调度系统项目为背景，在公司实际工业生产 环境中通过o p c 技术获取实际应用中工业控制网上的生产数据，根据生产现场 的大量需求整理用户需求文档，针对这些需求对生产调度系统进行设计与开发。 为了实现这些需求，本文在传统o p c 通信模型基础上，提出一种改进型的b s 结构模型，进行详细的设计与实现，并将这一o p c 客户端应用于生产调度系统 之上，其获取的数据作为系统原始数据重要来源。主要内容及步骤可以概括为： 1 研究分析在模拟环境下o p c 架构、底层连接方式及通信接口。 2 在模拟环境下研究o p c 的工作方式，并对o p c 客户端工作方式及数据 互操作进行设计和实现。 3 基于o p c 客户端，采用a s p n e ta j a ) 【技术对b s 中的局部o p c 数据进 行异步实时刷新，动态显示。并针对o p c 客户端进行分析和优化等。 4 螺旋式完成生产调度系统需求与设计的转变。在实验室进行模拟并实现 3 硕士学位论文第一章绪论 系统的歼发。 5 回到工业生产现场对生产调度系统进行验证，验证在实验环境下实现的 系统在现实中运行情况，并及时做出调整与修改。 6 对生产调度系统进行全方位的完善，达到上线需求，满足实际生产，将 系统投入使用。 1 4 研究意义及目的 作为国内大型企业，中国铝业某分公司生产控制系统网络结构中存在着“信 息孤岛 问题，同时各个部门的岗位工人依然沿袭传统的手工填写纸质报表的方 式。在填写同时，需要人工读取工业控制网上各种仪表显示的数据。由于手工填 写的数据众多且繁杂，很容易出现错填和漏填的状况，对生产和决策产生了不良 且隐蔽的影响。另一方面，使用的纸质报表很容易污损和丢失，大部分报表储存 一段时间后就丧失了利用价值。使用o p c 技术通过o p c 服务器就能够直接对工 业控制网上的数据进行操作，能够避免这些问题的产生。 生产调度系统在自动获取数据基础之上，需要对原始数据进行加工和处理， 并对原始数据进行汇总和统计。系统还需要自动生成各个车间的生产日报和生产 周报等。还要进行数据汇总，统计出各项生产指标的情况并发布。根据数据的流 向，调查和跟踪数据流，从而有效地防止错误数据的产生，为生产事故责任归咎 提供依据。 生产调度系统设计和实现的目的归结为： 1 规范业务流程，提高生产调度管理效率，在最大程度上使工作迅速、有 序地开展。 2 提高生产运行效率、最大程度优化生产运行过程并改善产品质量。 3 提高基础数据从底层逐级向上报告的及时性、准确性与可靠性，为生产 调度管理提供决策支持。 4 为公司的生产实现：生产过程管理信息化；生产调度管理规范化；计划 决策管理智能化；操作记录无纸化；统计报表自动化等。 1 5 论文的组织安排 本文在研究o p c 技术规范的基础之上，以中国铝业某分公司生产调度系统 4 硕十学位论文 第一章绪论 项目为背景，针对o p c 数据交互部分设计o p c 客户端。结合实际生产需要，对 生产调度系统的设计和实现进行详细的说明。文章最后还会对系统的安全性和灵 活性进行分析和说明。 全文共分为五个章节，归纳如下： 第一章介绍了本课题的来源及背景。概述o p c 技术在国内外的现状。最后 介绍了本文的研究内容、意义及目的。 第二章主要对o p c 技术进行系统的研究。从o p c 的工作原理着手，研究 o p c 对象与接口、o p c 规范和框架、o p c 的通讯方式、o p c 技术规范等。最后 对o p c 这一技术的应用平台n e t 平台做了一个简短说明。 第三章首先对生产现状做了详细的介绍，详细分析了生产中的一些问题。并 以生产调度系统的详细调研与系统分析为基础，通过u m l 建模、设计网络分布、 分析系统逻辑功能等，对系统进行详细地设计。其中o p c 客户端部分的设计采 用托管代码访问非托管代码和w e bs e r v i c e s 两种方式。最后还对系统的开发方案 和数据库设计进行详细的说明。 第四章在上一章生产调度系统的详细设计基础上，分别对系统各个模块进行 实现，针对每个模块比较重要的架构方式和实现内容进行详细的说明。把o p c 客户端的实现单独在一个小节中进行介绍，分别把这两种实现方式的详细代码进 行了解释说明。本章最后部分针对系统的特性从扩展性、灵活性、安全性、可靠 性四个方面进行说明。 第五章为总结与展望。对全文的总体内容、研究成果及取得的成就进行了介 绍，并对系统的未来发展进行了展望。 5 硕士学位论文 第二章o p c 技术分析 第二章o p c 技术分析 随着工业控制现代化的发展，越来越多的企业把目标转向了提高自身生产力 上。如何最大程度地提升自身生产力已成为所有企业关注的焦点。应用更多的科 技和现代化控制操作能给生产带来很大的帮助，同时科技研发也是硬件设备商和 软件系统开发商的生存之道。技术的提高带动科技生产，科技生产为企业创造出 更多的剩余价值，企业就能够进一步加大在科技上的投入，因此，就形成了一个 良性循环，带动技术和企业双重发展。 生产过程数据是生产调度系统的一个重要数据来源，因此生产过程数据的获 取成为系统成败的关键。由于生产现场的底层控制设备种类复杂，必须采用一种 机制来屏蔽底层具体的控制系统和数据采集系统的细节操作。o p c 正是解决这 一问题的最佳选择。基于o p c 的技术优势，开发人员能够把更多精力集中于软 件的研发上，使其最大程度地减少在对硬件了解和熟悉过程中所消耗的精力。 2 1o p c 工作原理 在o p c 技术出现前的工业控制领域，每一个工业控制自动化系统都是一个 独立的系统，也可称之为“信息孤岛”1 1 7 1 。复杂控制系统采用的是完全不同的 通信手段，因此使得各个独立系统间的通信成为了一种奢望。近几年，随着网络 技术的飞速发展，以太网被引入到工业控制领域，从而掀起了控制领域的一次革 命。以太网能够将工业生产现场的智能采集卡或传感器上采集的数据传送到监控 计算机，从而也使操作工人从恶劣的生产环境中脱离出来。但是以太网不是万能 的，它的引入不能一并解决实际生产环节中存在的所有问题。数据采集后的共享、 发布和交互成为另一个控制难题。o p c 技术的出现，是工业控制生产领域一次 新的革命，进一步解决了工业控制领域的“信息孤岛 问题。 以微软的o l e ( 已经发展为a c t i v ex ) 、c o m 、d c o m 标准为基础的o p c 技术，提供了工业控制系统应用级的通信协议，采用o p c 客户端和o p c 服务器 模式。o p c 服务器按照o p c 规范，使用o p c 基金会规定的o p c 协议进行通信 1 1 8 1 ，将对底层访问硬件设备数据的过程进行隐蔽。对于上层o p c 用户而言，o p c 服务器提供了数据发布的功能，用户只需通过o p c 接口即可操作o p c 服务器发 6 硕+ 学位论文 第二章o p c 技术分析 布的数据。这样就解决了不同设备提供商生产的不同硬件与不同软件商研发的程 序之间通信协议不统一的难题。一般情况下，设备提供商根据自己硬件设备的实 际情况自行研制开发o p c 服务器。它负责收集通过生产现场传感器智能采集卡 等设备采集的数据，并通过预留接口与o p c 客户端进行通信。同时，o p c 服务 器通过标准通信协议和设备驱动程序来实现在与底层硬件设备进行通信。目前， 大部分硬件设备提供商的配套软件中都配备了o p c 服务器。由于硬件厂商是对 其自行生产的设备的性能和架构特别熟悉，因此大部分配套的o p c 服务器的性 能也最优秀，接口最全面，如图2 - 1 所示。o p cs e r v e r 通过o p c 接口可以实现 应用软件和工业控制设备之间高速、有效、灵活的数据操作，软件厂商通过o p c 客户端来访问o p c 服务器，进而完成数据的采集和交互操作。 o p c 服务器 ：一 二：一 苍 性 盎 嬖 迎坚擦 赠 慕 樊 吨 、 嚣 怒 7 、=歹7 现场设备 图2 - 1o p cs e r v e r 对外屏蔽与硬件的通信 o p c 客户端作为与o p c 服务器协同工作的部分，基本由软件用户自行开发 和维护，并通过o p c 接口连接o p c 服务器进行访问，从而对o p c 服务器发布 的数据进行操作。每一个o p c 客户端可以根据实际需求同时访问多个o p c 服务 器，一个o p c 服务器也能被多个o p c 客户端同时访问，从而构成一种多对多的 访问关系，如图2 2 所示。 图2 - 2o p cc l l e n t 与o p cs e r v e r 问的访问 7 硕士学位论文第二章o p c 技术分析 上述o p c 服务器和o p c 客户端的结构特点使用户能够完全忽略底层硬件结 构，只需调用o p c 服务器暴露给用户的接口就能实现各种功能。硬件供应商无 需考虑应用程序的多种需求和传输协议，软件开发商也无需了解硬件的实质细节 与操作过程。综上所述，o p c 的技术特点可以概括为三点：开放性，产业性和 “即插即用 i ”j 的互联性。因此可以认为“o p c - o p e n n e s s + p r o d u c t i v i t y + c o n n e c t i v i t y 1 2 0 l ，这也是对o p c 的最新描述。 根据o p c 的应用原理，基于o p c 技术进行数据操作的系统框架【1 7 】可以概括 为如下图2 3 所示。底层o p c 服务器通过对应的驱动与控制系统进行通信，然 后通过o p c 标准接口进行发布，最上层的o p c 客户端根据需要对这些发布的数 据进行操作。每一个通过o p c 接口进行访问的客户端都可以经过授权进行这些 数据操作。 o p c 标准接口 o p c n i 务器i 芏 d c s 控制系统 2 2 0 p c 对象与接口 o p c j j 艮务器i i 善 兵他仪表及传感器i o p c 服务器l i i 王 p l c 控制系统 图2 - 3o p c 系统结构框架 o p c 技术是基于o l e 、c o m 以及d c o m 技术的发展而演变形成的，是一 种c s 结构。大部分硬件设备提供商在硬件的组件中都提供了o p c 服务器配套 软件。如果需要采用o p c 技术进行数据操作，只需自行开发o p c 客户端。本小 节将分别介绍o p c 对象及在通信中使用的主要接口。 2 2 1o p c 对象 o p c 对象主要包括服务器( s e r v e r ) 对象、组( g r o u p ) 对象和项( i t e m ) 对射1 7 1 ，如图2 4 所示。o p c 服务器对象除了包含自身信息和作为组对象的容 8 硕士学位论文 第二章o p c 技术分析 器外，还可动态地创建和释放组对象。组对象除了包含自身信息外，它还提供了 一整套管理项的机制，对于项对象来说也是一个容器；o p c 项作为与o p c 服务 器进行数据连接的最小单元，包含三个基本的属性：值、品质、时间戳。这三个 属性可视为此数据结点的状态表现指标。 图2 - 40 p c 对象结构 1 o p c 服务器对象 o p c 服务器中的对象主要是o p c 服务器对象，也就是通过o p c 客户端访问 o p c 服务器时第一个需要动态创建的对象。在服务器对象中，可以通过o p c 接 口获得服务器的所有属性信息。与此同时，服务器对象可以根据需要，动态地创 建或释放组对象，从而完成对组对象的操作。这样就为o p c 客户端用户访问组 对象提供了必要条件。o p c 服务器对象和组对象不是简单的一对一关系，而是 一对多的关系，即在一个服务器对象下可以创建任意多个组对象。o p c 服务器 对象对目标o p cs e r v e r 起到了链接作用和动态创建组对象的作用。 2 o p c 组对象 o p c 组对象包含自身的所有属性信息，是o p c 客户端在访问o p c 服务器时 第二个需要动态创建的对象。在组对象中，通过o p c 接口可以获得本组所有信 息，也可以动态创建和移除注销项对象，完成对项对象的整体操作。基于这种方 式，客户端才得以对o p c 服务器上的数据进行逻辑操作。组对象和项对象的关 系也是一对多的关系。 根据o p c 基金会规定，o p c 组对象可分为两类：公共组和私有纠1 8 j 。公共 组是一个共享组，供多个o p c 用户同时访问；私有组只为一个o p c 客户提供服 务，仅仅属于创建它的o p c 客户。在实际运用中，可根据用户需求自行选定。 3 o p c 项对象 与o p c 服务器对象和组对象不同，o p c 项对象是在服务器端定义的。它不 是数据源，而仅是指向d s c 、p l c 等数据源相连接的单元。o p c 项对象类似于 指针的概念，只起到了引用的作用，通常指向硬件设备上的一个数据单元。项对 象完成o p c 客户端对设备数据单元的最终操作，从而隐藏了设备的特殊信息。 9 硕士学位论文第二章o p c 技术分析 如图2 4 所示，o p c 项对象自身包括三个属性，分别为：值、品质和时间戳。 从o p c 基金会的定义来看，o p c 项对象只是起到指向o p c 服务器内数据源 的作用，而不能被o p c 客户端直接进行操作和访问的。因此，它并没有外部接 口，所有对它的操作都要通过动态创建和移除它的上一级对象，也就是组对象来 完成操作，后文中对o p c 实现读取数据的步骤方法说明也表明了这一点。 2 2 2o p c 接口 o p c 接口按照o p c 客户端和o p c 服务器的语言实现方式，可以分为定制和 自动化两种接口。o p c 基金会为了支持用户自主开发o p c 程序，在o p c 技术规 范中明确包含了这两种接口【2 1 l 。 自动化接口是为高级程序设计语言提供自动配置和存取控制数据的接口，但 是这个接口的数据传输效率较低。这些程序设计语言包括v i s u a lb a s i c ，d e l p h i ， 钟等。定制接口为c + + 语言程序设计的o p c 程序提供接口服务，c + + 语言进行 底层数据操作时效率较高，因此定制接口的数据存储效率也相对较高。这两种接 口虽然相互独立，但是自动化接口最终通过一个自动化组件转换为定制接口来访 问o p c 服务器，如图2 5 所示。同时根据o p c 的规定，o p c 服务器必须提供定 制接口。因此，通过这两个接口分别与o p c 服务器通信，使用定制接口的访问 性能能够达到最佳，但也较难实现【2 2 l 。自动化接口更为简便和智能，但是效率 较低。 r j 自动化接口 图2 - 50 p c 数据接口类型 o p c 基金会颁布的o p c 规范中定义了c o m 接口，在图2 5 中，访问本地 o p c 服务器使用c o m 接口，而访问远程o p c 服务器则需要通过d c o m 接口【4 1 。 定制接口和自动化接口中又分别由必选和可选接口组成。必选接口指客户端与客 户端进行交互通信所必须的基本功能接口；可选接口为其它的可根据实际需求选 择实现的接口。 1 0 硕士学位论文 第二章o p c 技术分析 在图2 5 中有一个自动化组件，究其根源为一个动态链接库文件。在o p c 的设计初期，为了达到数据传输的最佳性能并发挥o p c 的所有优点，o p c 服务 器是使用c + + 编程语言开发并实现的，这是由于c + + 语言对底层硬件操作的优点 所决定，因此，o p c 客户端访问o p c 服务器也是直接通过定制接口实现。随着 o p c 技术的发展，为了满足其它编程语言和平台对o p c 技术的操作需求以及对 o p c 技术的进一步扩展，o p c 基金会设计了o p c 自动化组件动态链接库。在其 它语言编写的o p c 客户端访问服务器的时候，可以首先通过自动化接口进行连 接，然后通过动态链接库文件转换为定制接口。总之，自动化组件的作用就是在 这两个接口间进行翻译，同时将自动化接口暴露给用户，达到其它语言编写的客 户端访问o p c 服务器的目的。 2 3o p c 规范研究和框架 在o p c 的发展史中，最早的o p c 技术规范是由o p c 基金会和众多设备制 造商及微软专家共同协商制定。这些规范的提出意在实现无缝连接硬件设备和软 件系统间并提供一个通信的纽带。这些技术规范中仅规定了服务器需要提供给客 户端的接口，并对这些接口进行了必要的特征说明，并没有具体的实现步骤和方 法。硬件提供商需要根据硬件配置自行实现o p c 服务器的方法。目前o p c 基金 会已经推出的o p c 规范主要有以下七个部分组成： o p c 数据访问规范【冽【2 4 】【2 5 l ( d a ) o p c 安全性规范( s e c u r i t y ) o p c 报警与事件规洲冽( a e ) o p c 历史数据访问规范【2 7 j ( h d a ) o p c 过程数据x m l 规范( o p cx m l ) o p c 服务器数据交换规范( d e ) o p c 批处理规范( b a t c h ) 为实现更强大的功能，o p c 的技术规范也在不断完善和扩充。但是通过上 述各个规范的主要内容，可以得出：o p c 规范的核心部分是o p c 数据访问规范 ( o p cd a ) 1 2 8 1 。它是访问实时数据源的核心部分，其余的规范都是在它的基础 之上进行包装和修改等操作进一步实现的。在实际应用场合中，o p cd a 规范也 是使用最普遍和广泛的。它把设备提供商的o p c 服务器和软件提供商的o p c 客 户端进行了无缝连接，实现了o p c 提出的初衷：p l u ga n dp l a y ( 即插即用) 。本 课题对o p cd a 规范进行研究，并基于这一规范建立一个可以被广泛应用的生 硕士学位论文第二章o p c 技术分析 产调度系统框架。 随着工业控制领域中技术的发展，o p c 基金会考虑到现阶段集成系统面临 的各种挑战，大胆预言o p c 技术的发展趋势，提出了一种新的o p c 架构 o p cu a ( o p c 统一架构) 。o p cu a 是o p c 技术最新发展的体现，是一种基于 服务的跨平台系统解决方案。它包含上述七种规范，并整合到一个新的架构平台， 提供更高效、可靠、安全的数据集成，为o p c 技术在u n i x 、单片机及嵌入式等 平台的扩展提供了技术依据【2 9 j 。现如今，国内的多家o p c 会员机构都在研发自 己的o p cu a 产品，暂时还没有完整产品上市。2 0 0 9 年1 1 月，在o p c 中国基 金会举办的o p c 新技术研讨大会上，中国基金会成员和设备生产商均对这一新 技术将会把o p c 技术的发展带到一个更高的发展平台的目标信心十足。 2 40 p c 的通讯方式 o p c 三个对象的组对象有两种通讯方式，分别为同步通讯方式和异步通讯 方式【圳。每种通讯方式又分别包含读操作和写操作两个过程，分别控制从o p c 服务器中读取和写入数据。 同步通讯的工作方式为：o p c 客户端发出数据请求，请求通过同步通讯接 口送达o p c 服务器，并等待o p c 服务器取回数据，直到数据返回。这种方法简 单可靠，但是效率相对较低。在同步读取数据中，用户可以指定服务器是读取缓 存中数据还是从设备上直接读取。从设备读取数据将强迫