基于OPC中间件技术的网络控制系统.doc

基于 OPC 中间件技术的网络控制系统陈烨 1，仓小金 2，彭蓬 3，袁小平 1（1. 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008；2. 中国矿业大学 出版社,江苏徐州221008；3. 兖矿集团有限公司 技术中心，山东济宁273500）摘要： 提出了基 于 OPC 中 间 件 技 术 的 设 计 框 架 ，系 统 分 成 OPC DA 层 、中 间 件 服 务 层 、Web 服 务 层 及 Web 客户表示层；采用用户数据包协议（UDP）通信方式在各层间传递 SOAP 数 据 包 。 研 究 并 比 较 了 OPC DA 协 议 和OPC XML-DA 协议的优缺点，分 析 了 中 间 件 服 务 层 和 Web 服 务 层 的 具 体 功 能 并 给 出 了 实 现 方 法 。在 安 全 性方面，论述了 XML 数据校验和 IP 地址筛选等方法。实际监控需要。通过对系统 测试数据的分析得出设计出的系统能 够 满 足关 键 词 ： OPC XML-DA ；中图分类号： TP 393SOAP ； 中 间 件 ； Web 服务端文献标识 码： A文章编号： 1006 6047（2011）01 0100 05将数据从 OPC DA 服务器上采集，并将其传送到 Web引言开放统一的 OPC（OLE for Process Control）接口 为多平台多设备的接入提供了标准，但目前的 OPC 接 口 大 多 只 限 于 本 地 或 局 域 网 内 的 监 视 和 控 制 ，2004 年 底 ，OPC 基 金 会 正 式 颁 布 了 基 于 Web 的 OPC 可 扩 展 标 记 语 言 XML （eXtensible Markup Language ） 数据访问 DA（Data Access）标准，为远程监控系统的 实 现 提 供 了 技 术 依 据 1。 由 于 工 业 自 动 化 领 域 中 针 对 OPC DA 的 Web 访 问 较 少 ，少 数 系 统 的 实 现 采 用 通 过 构 建 第 三 方 数 据 库 ，然 后 针 对 第 三 方 数 据 库 建 立 自己的数据设置程序，再利用 Flash 或者单 纯地利 用 动 态 服 务 器 页 面 ASP（Active Server Page）技 术 对 第 三 方 数 据 库 操 作 来 实 现 数 据 的 读 取 或 写 入 ，此 种 方 式 构 建 繁 琐 ，延 时 长 ，安 全 性 和 扩 展 性 差 ，目 前 大 多停 留 在 对 实 时 性 要 求 不 高 的 数 据 查 看 功 能 上 。本 文 利 用 OPC XML-DA 规 范 2，设 计 和 完 成 了 以 中 间 件 为 基 础 的 OPC XML-DA 数 据 结 构 ， 并 给0服务器上，而 Web 服务器完成数据的发布5。具体的设 计 思 想 是 先 设 计 OPC Client，将 OPC DA 数 据 读取出来，然后用简单对象访问协议 SOAP（Simple Ob-ject Access Protocol ） 封 装 和 用 户 数 据 包 协 议 UDP（User Datagram Protocol）传输到 Web 服务器上。 Web 服 务 器 将 数 据 接 收 过 来 解 析 出 SOAP 消 息 里 的 数 据 信 息 ，并 用 互 联 网 信 息 服 务 IIS （Internet InformationServices）发 送 到 Internet 上 。数 据 传 输 框 架 见 图 1。客 户 表 示 层服 务 层件 层出 了 具体实现步骤和方法 。文着重论述的部分。安全 方 面 的 考 虑 也 是 本数 据 源 层图 1 数 据 传 输 框 架 图Fig.1 Framework of data transmission本 文 中 ，将 整 个 数 据 传 输 系 统 分 为 4 层 ，分 别 为 数 据 源 层 、中 间 件 服 务 层 、Web 服 务 层 、Web 客 户 表 示 层 。 其 中 数 据 源 层 和 中 间 件 服 务 层 通 过 COM 接 口 传 输 数 据 ，中 间 件 服 务 层 和 Web 服 务 层 通 过 UDP 传输 SOAP 包交互信息。 Web 服务器中开发 ASP 通 信组件，提供接口与 Web 客户端通信。1系统设计框架OPC DA 可 以 实 现 高 性 能 的 现 场 数 据 交 换 ，XML-DA 能 解 决 远 程 访 问 和 跨 平 台 访 问 的 问 题 3。如果将现有的已经被大量使用的 OPC DA 通过中间 件服务器包裹成 XML-DA 服务器，这样可以实现 Web远程监控的功能4。系 统 实 现 的 关 键 是 在 中 间 件 设 计 和 Web 服 务器设计这 2 个环节上。 其中，中间件完成的功能就是数据源层数 据 源 层 由 数 个 OPC DA 服 务 器 构 成 ，主 要 包1.1Web Client 1Web Client 2Web Client 3bWeIIS 服 务 层WebSOAP 解 析 层UDP 通 信 层UDP 通 信 层中 间SOAP 数 据 封 装 层OPC ClientOPC DA Server 1OPC DA Server 2OPC DA Server 3第 1 期陈 烨 ，等 ：基 于 OPC 中 间 件 技 术 的 网 络 控 制 系 统系统 DCS（Distributed Control System）及 各 种 现 场 设备 等 。 这 些 物 理 设 备 取 得 现 场 数 据 后 ，通 过 OPC 服 务 器 ，按 照 统 一 开 发 的 标 准 ，以 组 件 对 象 模 型 分 布 式 组 件 对 象 模 型 （COM DCOM ） 封 装 接 口 供 OPC Client 操作数据。2.1 UDP 通信方式设计从图 1 可 以 看 出 ，UDP 通 信 层 在 这 里 是 起 到 IIS 服 务 层 和 中 间 件 层 通 信 的 作 用 ，建 立 UDP 连 接 后 传 输 SOAP 包信息。UDP 就 是 “用 户 数 据 报 协 议 ”，它 是 一 种 无 连 接的 协 议 ， 与 具 有 连 接 的 传 输 控 制 协 议 TCP （Trans -mission Control Protocol）相 比 较 的 。 当 利 用 TCP 传送 数 据 时 ，必 须 先 建 立 连 接 后 才 可 以 传 输 数 据 。 而当 计 算 机 利 用 UDP 进 行 数 据 传 输 时 ，发 送 方 只 需 要 知 道 对 方 的 IP 地 址 和 端 口 号 就 可 以 发 送 数 据 ，而 并 不需要进行连接。UDP 是 一 种 不 面 向 连 接 的 网 络 协 议 ，既 有 其 优点，也有其不足 ，下面进行具体分析。a. 基 于 UDP 的 网 络 应 用 程 序 实 现 比 较 简 单 ，并 且 基 于 UDP 的 网 络 应 用 程 序 在 运 行 时 ，由于受到环 境影响较小，所以不容易出错。b. UDP 占用网络资源较少，数据处理较快 ，所 以 在 网 络 中 传 送 对 安 全 性 要 求 不 是 十 分 高 的 数 据 时 ， 其 优 点 比 较 明 显 。 所 谓 对 安 全 性 要 求 不 高 的 数 据 ， 是指那 些 不 重 要 的 数 据 ，或 者 是 即 使 丢 失 若 干 数 据 ， 也不影响其整体的数据。c. 由 于 UDP 不 是 面 向 连 接 的 网 络 协 议 ，其 缺 点1.2中间件服务层中间件服务层实现 2 个功能：第一是通过 COM DCOM 接 口 与 OPC DA 服 务 器 进 行 数 据 交 互 ；第 二是将采集的数据传送到 Web 服务器。 这里将中间件 层 服 务 器 分 为 3 个 层 次 ：OPC Client 层 、SOAP 数 据 封装层、UDP 通信层，下面说明它们的具体功能 。a. OPC Client 层 是 客 户 端 从 底 层 控 制 系 统 服 务器获取服务器的状态信息，获得现场的实时数据。现场 的 服 务 器 根 据 原 理 可 有 3 种 形 式 存 在 ：进 程 内 服务器、本地 服 务 器 、远 程 服 务 器 。必 须 能 够 与 各 种 情况下的服 务 器 进 行 通 信 。 与 底 层 服 务 器 的 通 信 包 括同步读写、异 步 读 写 、数 据 订 阅 及 获 取 服 务 器 运 行 状况等信息。b. SOAP 数 据 封 装 层 。 一 是 将 OPC Client 层 取 得 的 实 时 数 据 以 SOAP 形 式 封 装 并 发 送 到 UDP 层 ， 二 是 将 从 UDP 数 据 层 收 到 的 来 自 Web 客 户 端 的 SOAP 包进行解析。c. UDP 通信层。 一是向 Web 服 务 层 发 送 SOAP响应包，二是接收 Web 服务层 SOAP 请求包。1.3Web 服务层Web 服 务 层 实 现 2 个 功 能 ：一 是 与 中 间 件 服 务 层 进 行 数 据 通 信 ， 二 是 与 Web 客 户 端 进 行 数 据 通 信 。 Web 服 务 层 分 为 3 层 ：UDP 通 信 层 、SOAP 解 析 层和 IIS 服务层。a. UDP 通 信 层 ：一 是 接 收 从 中 间 件 服 务 层 发 送 过 来 的 SOAP 响 应 包 ， 二 是 向 中 间 件 服 务 层 发 送 SOAP 请求包。b. SOAP 解 析 层 ： 一 是 将 UDP 通 信 层 的 SOAP 响 应 包 解 析 为 Html 格 式 发 送 到 IIS 服 务 器 6，二 是 将 Web 客 户 端 的 请 求 封 装 为 SOAP 请 求 包 传 递 给 UDP 通信层，由 UDP 通信层发送到中间件 服务层。c. IIS 服务层：实现了与 Web 客户端的数据交互。1.4Web 客户表示层Web 客 户 表 示 层 为 网 络 用 户 提 供 网 页 浏 览 ，用户 可 通 过 各 种 类 型 的 浏 览 器 连 接 Web 服 务 器 获 取 数据。也 是 非 常 明 显 的 ，有 些 时 候 甚 至 是 致 命 的 。因 为 使用 UDP 来 传 送 数 据 时 ，在 数 据 发 送 后 ，在 发 送 方 并不确 认 对 方 是 否 接 收 到 。这 样 就 可 能 导 致 传 送 的 数据 在 网 络 中 丢 失 ，尤 其 在 网 络 条 件 并 不 很 好 的 情 况下，丢失数据包的现象就更多。 所以传送重要数据一 般不采用 UDP。综 上 所 述 ，与 TCP 相 比 ，本 文 采 用 UDP 做 设 计方 案 ，为 了 弥 补 UDP 的 由 于 无 连 接 性 造 成 的 安 全 性 问 题 ，采 用 了 XML 扩 展 标 记 校 验 和 数 据 校 验 7， 即 判 断 每 个 接 收 到 的 SOAP 包 是 否 符 合 预 先 定 义好的 格 式 ，如 果 符 合 则 解 析 ，否 则 丢 弃 该 SOAP 包 并 通 知对方重新发送请求8。经 过 实 验 证 明 ，采 取 UDP 通 信 方 式 简 单 快 捷 ，添加了校验环节后，数据的可靠性也大幅增强。校验示意图如图 2 所示。数据2中间件服务器的通信方式中 间 件 服 务 器 层 是 非 常 重 要 的 一 层 ，它 完 成 2个 重 要 的 通 信 结 构 ，即 和 Web 服 务 器 的 通 信 功 能 以及 和 底 层 OPC DA 的 通 信 过 程 。 在 本 设 计 中 ， 和 Web 通信的任务交给 UDP 组件，和 OPC DA 服 务 器 的 通 信 功 能 交 给 OPC Client 组 件 ，另 外 还 有 数 据 打 包和解包的过程，这里称为 SOAP 解析层7。图 2 数 据 校 验 框 图Fig.2 Block diagram of data verification数 据 校 验Web 服 务 层XML 扩 展 标 记 校 验*SOAP 包*EnvelopeEnvelopeHeaderHeaderBodyBodyXML 扩 展 标 记 校 验数 据 校 验电 力 自 动 化 设 备第 31 卷2.2UDP 通信数据类 设计本文采用 Visual C+ 实现 UDP，时，装载访问页面后，就将预先注册好的 ASP 通信组件 这 里 命 名 为 “ASPOPCObject”COM 组 件 装 载 ，然 后 判 断 当 前 页 面 是 否 得 到 ASP 命 令 ，根 据 命 令 内 容 对 ASP 通信组件进行 方法调 用，流程如图 4 所示。其中最关键的类 就 是 UDP Client，UDP Client 位 于 命 名 空 间 Sys-tem.Net.Sockets 中 ，Visual C+ 发 送 、接 收 UDP 数 据包 都 是通过 UDP Client 类实现。 表 1 是 UDP Client类中常用方法和 属性及其简要说明。表 1 UDP Client 类 的 方 法 及 说 明Tab.1 Methods of UDP Client class and descriptions方 法说 明ConnectSend Receive BeginReceive BeginSend EndReceive EndSend建 立 默 认 远 程 主 机将 UDP 数 据 发 送 到 远 程 主 机 返 回 已 由 远 程 主 机 发 送 的 UDP 数 据 报 从 远 程 主 机 异 步 接 收 数 据 报 将 数 据 报 异 步 发 送 到 远 程 主 机 结 束 挂 起 的 异 步 接 收 结 束 挂 起 的 异 步 发 送图 4 ASP 组 件 流 程 图Fig.4 Flowchart of ASP module图 4 中 ，对 于 OPC DA 点 位 数 据 都 从 ASP 通 信 组件 提 取 ，这 里 把 响 应 标 准 OPC XML 标 准 方 法 和 接 口都定义 在同一个 COM 组 件 中 ，用 户 需 注 册 后 才 能使用 ASP 访问。针 对 隐 含 的 标 志 确 定 是 否 为 写 值 请 求 ，如 为 写请 求 ，则 调 用 标 准 的 writeresponse 方 法 向 中 间 件 发 送 写 数 据 请 求 ， 本 文 定 义 了 ASP 通 信 组 件 中 的 writeresponse 方法实现数据请求。在 实 时 页 面 中 ，用 户 需 调 用 的 ASP 通 信 组 件 中 自 定 义 的 订 阅 数 据 9 方 法 subscriptRequest 订 阅 数据，函数调用过程如下：Str=ASPOPCObj.SubscriptionRequest （1， “Integer.ATagInt0，Integer. ATagInt1，Integer.ATagInt2，Integer.ATagInt3，Integer.ATagInt4，Integer. ATagInt5，Integer.ATagInt6，Integer.ATagInt7”）当用户需要临时查看某些点位的数据，可采用本文定义的 ASP 通信组件中的读数据方法（dataRequest方 法）读取数据，函数调用过程如下：Str=ASPOPCObj.dataRequest（1，“Integer.ATagInt0，Integer.ATagInt1， Integer.ATagInt2，Integer.ATagInt3，Integer.ATagInt4 ，Integer.ATagInt5， Integer.ATagInt6，Integer.ATagInt7”）以 上 的 各 点 返 回 值 以 “，” 分 开 ， 用 户 可 用 Split函数进行 处理，将各个具体点位值各自分开。为 了 方 便 用 户 检 查 数 据 操 作 时 间 ，本 设 计 中 的ASP 通 信 组 件 还 提 供 了 GetIntervalTime 和 GetSet- Time 接 口 ，可 检 查 总 写 点 位 的 时 间 和 读 点 位 的 时 间 以及中间件读写时间，具体的调用方法如下：InterveTime1=ASPOPCObj.GetIntervalTimeSetTime1=ASPOPCObj.GetSetTime以 上 介 绍 了 ASP 通 信 组 件 的 功 能 和 接 口 ，这 些功能和接口按照 OPC XML-DA 标准定义，方便 客 户端的使用以及程序的再扩展。 Close 关 闭 UDP 连 接 3OPC 客户端设计OPC 客 户 端 主 要 完 成 的 功 能 ：完 成 SOAP 解 析层解析出的数据请求，具体是连接 OPC 服务器，可以要 求 读 取 请 求 点 数 据 或 者 将 数 据 写 入 请 求 点 。如 果收 到 的 SOAP 包 为 Web 客 户 数 据 读 取 请 求 ，则 根 据解 析 出 请 求 的 Item 从 OPC 服 务 器 中 读 取 出 相 应 Item 的点位值。 如果收到的 SOAP 包为写请求包，则 根 据 解 析 出 请 求 的 Item ，并 判 断 该 Item 是 否 可 写 ， 如果可写则向服务器写入数据，并将数据返回到 Web 端，如果该 Item 不可写，则发送错误 信 息 给 SOAP 封 装 层 。 结 合 SOAP 封 装 解 析 层 和 OPC 客 户 端 层 ，其流程如图 3 所示。SOAP 数 据 包SOAP 请 求 包 SOAP 错 误 提 示 包图 3 中 间 件 数 据 处 理 流 程Fig.3 Flowchart of data process in middleware当解析出 SOAP 包的具体要求后，就该建立OPC客 户 程 序 访 问 OPC 服 务 器 ，实 现 SOAP 包 所 请 求 的5测试数据分析为 了 分 析 中 间 件 服 务 和 Web 服 务 器 的 性 能 7，内容。OPC 客户端访 问 服 务 端 的 过 程 实 际 上 就 是 一个典型的客户访问进程外组件的过程。对 它 们 的 时 间 响 应 做 了 分 析 。 图 5 中 的 数 据 是 当 中间 件 服 务 和 Web 服 务 器 位 于 同 一 台 计 算 机 上 测 得的。 图 6 中的数据是当中间件服务和 Web 服务 器 位于不同计算机 上测得的（图 5、6 中，n 为测量次数 ；曲4Web 服务器 COM 通信组件设计ASP 页面位于 Web 服务 器 ，当 Web 客 户 端 访 问aultvelopeeaderdyN NResponse*F En HBoEnvelopeEnvelopeHeaderHeaderBodyBodySOAP 解 析ReadItem 包WriteItem 包解 析 出 Item解 析 出 ItemItem 可 写 ？写 Item？读 取 Item 值YY输 出有 写 请 求 ？面N发 送 读 所 有 请 求 点 数 据COM 组 件接 收 所 有 读 请 求 点 数 据对 接 收 的 数 据 双 重 校 验Y发 送 写 SOAP 请 求装 载ASP 页初 始 化 ASP 组 件第 1 期陈 烨 ，等 ：基 于 OPC 中 间 件 技 术 的 网 络 控 制 系 统线 1、2、3、4 分 别 为 写 入 总 时 间 、中 间 件 写 时 间 、读 值总 时 间 和 中 间 件 读 时 间 曲 线 ， 数 值 与 表 2 、3 相 对应）。 表 2 和表 3 是利用本文组件中的提取 CPU 的 主频 时 间 设 计 的 精 确 至 微 秒 级 别 的 时 间 记 录 （ 表 中 ，t1、t2、t3、t4 分 别 为 写 入 总 时 间 、 中 间 件 写 时 间 、 读 值总时间和中间件读时间；下同）。从 图 中 的 实 验 数 据 可 得 出 以 下 分 析 结 果 ，各 曲线标准方差及期望如表 4、表 5 所示。根据以上数据可得出 4 点结论。a. 由于写入点位为 1 位 Item，故在中 间件对 OPC DA 操作上对 1 位 Item 的写操作 比 8 位 Item 的 读 操 作时间 要 少 ，如 表 3 中 提 取 的 数 据 中 ，读 操 作 平 均 花 费时间 16 722 s，写操作平均花费时间 9 418 s。b. 从 实 测 数 据 的 数 字 特 征 可 看 出 中 间 件 读 写 操作 用 时 都 比 较 平 稳 ，而 经 过 网 络 传 输 后 写 入 总 时 间表 3 Web 服 务 器 与 中 间 件 位 于 不 同 机 器采 集 的 时 间 响 应 数 据Tab.3 Response time data acquired whenWeb server and middleware server are in different computers s nt1t2t3t41234567891021 93533 22122 10922 58022 39922 80530 23325 48525 15925 5968 8968 9078 8879 2338 8708 9738 8289 2658 7768 94136 17634 70436 50932 64434 39236 93334 04235 86536 31141 46819 00217 09916 61116 47318 13518 93217 72616 75317 95618 098表 4 Web 服 务 器 与 中 间 件 位 于 同 一机 器 采 集 的 数 据 分 析Tab.4 Analysis of data acquired when Web server and middleware server are和 读 值 总 时 间 数 据 分 散 较 大 。这 是 由 于 中 间 件 对OPC DA 的 操 作 是 采 用 单 线 程 联 系 的 ，所 以 数 据 连in same computers 时 间 标 准 方 差 数 学 期 望 453t1t2t34 8386032 58727 5129 41837 319301415 t4 510 16 722 20表 5 Web 服 务 器 与 中 间 件 位 于 不 同 机 器 采集 的 数 据 分 析Tab.5 Analysis of data acquired when Web server and middleware server are246n810图 5 Web 服 务 器 与 中 间 件 位 于 同 一 机 器采 集 的 时 间 响 应 数 据 曲 线Fig.5 Response time data acquired when Web server and middleware server are in same computer45located in different computerss时 间标 准 方 差数 学 期 望t1t2t33 8091632 36725 1528 95835 90433014 t4 917 17 679 152接 比 较 平 稳 ，相 比 UDP 通 信 由 于 通 信 信 道 和 网 络 环0246810境 的 关 系 所 以 数 据 传 输 不 稳 定 。所 以 数 字 特 征 反 映n了实际的网络传输情况，与预测相符。c. 写 入 总 时 间 的 期 望 要 大 于 读 值 总 时 间 ，可 看 出 ， 由 于 读 出 的 是 8 个 点 ， 其 传 输 的 SOAP 包 要 略 大 于写入值的 SOAP 包，故造成了期 望的差别。d. 根 据 表 4 和 表 5 的 数 学 期 望 值 可 看 出 ，Web服 务 器 与 中 间 件 在 机 器 上 的 独 立 与 否 与 操 作 时 间 没有较大关系，UDP 通信层时间主要在于 UDP 对数据的 打包上，在网络上的通信时间较少。 这就为更安全更 方便地构建分布式的 Web OPC 系统提供了支持。图 6 Web 服 务 器 与 中 间 件 位 于 不 同 机 器采 集 的 时 间 响 应 数 据 曲 线Fig.6 Response time data acquired when Web server and middleware server are in different computers表 2 Web 服 务 器 与 中 间 件 位 于 同 一机 器 采 集 的 时 间 响 应 数 据Tab.2 Response time data acquired whenWeb server and middleware server arein same computersnt1t2t3t412345678937 71724 26523 19025 35024 25129 02224 97323 57129 4349 52110 5389 19810 4808 7789 1279 1819 1319 04640 57036 52336 19635 84936 30633 32635 36441 97838 30517 66016 31817 64216 41116 42216 72116 65716 31216 657安全措施6本 文 提 出 了 一 种 最 新 的 针 对 Web 客 户 端 访 问的 多 重 安 全 隧 道 构 架 ，该 安 全 隧 道 采 用 多 重 安 全 措施，很好地考虑到了速度和 安全上的互补。6.1IIS 安全设置系 统 采 用 了 Web 服 务 器 中 构 建 ASP 通 信 组 件 ，结 合 ASP.NET 环 境 下 的 安 全 性 配 置 ，利 用 ASP 通 信 10 33 350 9 177 38 778 16 426 t mst ms电 力 自 动 化 设 备第 31 卷组件中的 UDP 通信接口与中间件通信。通信组件提加 入 如 所 提 供 的 UDP 客 户 身 份 认 证 接 口 或 采 用 用户通信包密码认证方式实现数据安全。供 的 IP 筛 选 接 口 将 符 合 要 求 的 客 户 端 过 滤 出 来 ，不符合 要 求 的 客 户 端 无 法 访 问 。 所 提 出 的 中 间 件 服 务器 和 Web 服 务 器 是 通 过 UDP 传 输 数 据 的 ，而 UDP 具有无连接 性 的 特 点 ，不 能 保 证 数 据 传 输 的 完 整 性 ， 提 出 采 用 2 次 校 验 方 式 对 接 收 到 的 SOAP 包 进行校 验 。 在 XML 文 档 中 定 义 一 个 数 据 校 验 元 素 ，这 个 元 素包 含 了 数 据 包 长 度 信 息 和 数 据 类 型 信 息 2 个 子 元 素。 数据传到对方后 ，先 提 取 出 数 据 长 度 信 息 ，验 证 通 过 后 再 比 较 数 据 类 型 信 息 。 二 者 都 通 过 验 证方可 进 行 下 一 步 操 作 ，2 次 数 据 校 验 极 大 提 高 了 数 据 传7总结本文将局限于局域网使用的 OPC DA 服 务 器 转换成可以在广域网使用的 OPC XML-DA 服务器，实现基于 Web 的监控系统。 首先，研究了 OPC DA 协议 和 OPC XML-DA 协 议 4，比 较 了 它 们 的 优 缺 点 ， 提 出 了 将 OPC DA 转 换 成 OPC XML-DA 服 务 器 的 可行 性 ，并 且 给 出 了 设 计 框 架 。将 整 个 系 统 分 成 OPCDA 层 、中 间 件 服 务 层 、Web 服 务 层 、Web 客 户 端 层 。详 细 分 析 了 中 间 件 服 务 层 和 Web 服 务 层 的 具 体 功 能 并 给 出 了 实 现 方 法 。 在 安 全 性 方 面 ，用 XML 数 据输的安全，弥补了 UDP 快速但容易丢包的问题 。在 实验 中 还 未 发 现 错 包 现 象 ， 且 经 过 千 次 记 录 ，最 大 响应时间 50 ms，完全满足工业控制的 需要。6.2 IP 用户筛选系 统 采 用 2 种 方 法 对 请 求 数 据 的 用 户 身 份 进 行判 断 ，第 1 种 是 对 用 户 发 送 的 SOAP 包 的 用 户 身 份进 行 判 断 ， 第 2 种 对 向 中 间 件 发 送 UDP 通 信 包 的Web 服 务 器 进 行 IP 地 址 的 筛 选 ，符 合 要 求 通 过 并 由 中 间 件 向 OPC DA 请 求 数 据 并 将 得 到 的 数 据 进 行 SOAP 打 包 ，然 后 回 应 发 送 请 求 数 据 的 Web 服 务 器正确的数据。校验和 IP 地址筛选等方法保证了系统的安全性。将Web 服 务 器 通 过 UDP 于 中 间 件 进 行 机 器 分 离 ，这 种方 式 解 决 了 COM 访 问 易 受 病 毒 攻 击 造 成 不 安 全 的问 题 8 - 9， 并 采 用 了 双 重 数 据 校 验 来 增 强 系 统 的 安全 性，从而兼顾了数据处理速度和 安全。本 文 提 供 了 大 量 的 时 间 响 应 数 据 ，并 对 这 些 响 应 数 据 进 行 了 详 细 的 分 析 ，得 出 系 统 高 可 靠 性 和 实 时性结论。参考文献：6.3中间件数据校验同 Web 服 务 器 上 构 建 的 ASP COM 组 件 采 用 21 OPC Foundation. 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OPC Web 服 务过 程 控 制 系 统 信 息 集 成 的 新 方 法 J. 测 试 技 术 与 自 动 化 ，2004（2）：20-21.（下 转 第 108 页 continued on page 108）次 校 验 类 似 ，在 中 间 件 上 对 UDP 服 务 接 口 接 收 到 的SOAP 也 采 用 2 次 校 验 ，第 1 次 对 XML 标 记 逐 条 判断，第 2 次对接收到的 SOAP 包的大小和从 SOAP 包中的数据长度标记进行比较，相符则通过。 2 次校验可 确 保 对 错 误 数 据 的 检 测 ，防 止 对 OPA动作。6.4中间件与 OPC DA 的连接DA 的 错 误COM 连 接 ，对 于 中 间 件 与 OPC DA 位 于 同 一 机器 ，可 采 用 内 进 程 与 外 进 程 2 种 形 式 与 OPC DA 建 立 连 接 ，其 中 内 进 程 为 动 态 连 接 （DLL）库 形 式 存 在 ， 在客户程序的内存空间内运行。 由于 DLL 形式可视性和控制性较差，故采用本地外进程设计中间件。外进 程 以 可 执 行 程 序 （EXE）形 式 存 在 ，有 独 立 的 地 址空 间 ， 通 过 远 程 过 程 调 用 协 议 RPC （Remote Proce-dure Call protocol）与客户程序通信。 本文采用控制方 便的 EXE 程序，通过友好的用户交流窗体进行控制。 如 果 用 户 需 要 将 中 间 件 与 OPC DA 分 离 ，可 采取 分 布 式 COM 对 象 （DCOM）同 本 地 外 进 程 COM 对 象 连 接 ，由 于 DCOM 必 须 使 用 RPC 远 程 调 用 ，且 采 用多种安全措施，所以 DCOM 的速度 只有 COM 的万分之一 ，且 安 全 性 高 ，如 果 用 户 在 安 全 性 高 和 速 度 要求不高时可采用 DCOM8。传统的 COM 设 计 有 统 一 的 接 口 调 用 方 式 ，客 户程序无法知道 COM 对 象 的 位 置 ，这 种 方 式 对 数 据 的安 全 造 成 了 隐 患 ，为 防 止 错 误 发 生 可 在 接 口 设 计 中电 力 自 动 化 设 备第 31 卷pless recovery for highly available，hard real-time industrial net-worksCEmerging Technologies and Factory Automation，2007. Patras，Greece：IEEE，2007：1396-1399.10 王 海 峰 ，丁 杰 ，徐 伟. 数 字 化 变 电 站 中 双 网 控 制 策 略 J. 电 力 系 统 自 动 化 ，2009，33（8）：48-50.WANG Haifeng，DING Jie，XU Wei. A dual-networking control strategy for digitized substationsJ. Automation of Electric Power Systems，2009，33（8）：48-50.11 ENGLERT H，DAWIDCZAK H. IEC61850 substation to control center communication-status and practical experiences fromprojects C 2009 IEEE Bucharest Power Tech Conference，2009. Bucharest，Romania：IEEE，2009：1-6.（编 辑 ： 汪 仪 珍 ）作 者 简 介 ：陈 原 子 （1984 -），男 ，黑 龙 江 哈 尔 滨 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 为 数 字 化 变 电 站 、 智 能 电 网 （E - mail ：tempter_3 ）；徐 习 东 （1966 -），男 ，江 西 南 昌 人 ，副 教 授 ，主 要 研 究 方 向为 电 力 系 统 继 电 保 护 （E - mail：）。Communication network structure of digital substationbased on parallel redundancyCHEN Yuanzi，XU Xidong（Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）Abstract： To meet the requirement of switch-based transmission network for communication reliability ， IEC62439 protocol is introduced and PRP （Parallel Redundancy Protocol ） is adopted . Dual - ring networks are applied between station level and bay level，and dual-star network between bay level and processlevel. Two parall