（检测技术与自动化装置专业论文）基于opc技术的火电厂水处理系统开发研究.pdf

摘要 摘要 随着自动控制技术的日益发展，计算机监控系统规模越来越大，不 同厂家生产的现场设备的种类在不断的增加。由于不同厂家所提供的现 场设备的通讯机制并不相同，计算机监控系统软件需要开发的设备通信 驱动程序也就越来越多，而基于c o m d c o m 技术的o p c 技术，提供了 一个统一的标准，不同厂商只要遵循o p c 技术标准就可以实现软硬件的 互操作性。 本文即是在此背景下以o p c 技术为核心，以火电厂水处理系统为载 体，将虚拟仪器技术，现场总线技术，以太网，p l c 技术等结合，建立 一个能综合各方优点的系统。 本文首先针对传统控制系统存在的问题，提出应用o p c 技术的必要 性，并进一步详细介绍了o p c 技术历史、基本概念和技术规范。接着针 对具体项目实例，开发了湖南某电厂水处理集中控制系统，并在第四章 详细介绍了其o p c 客户端的开发过程，包括o p c 对象的建立、数据的 采集及相关应用功能的开发。在第五章利用l a b v i e w 开发了水处理控制 系统中的脱水机控制子系统，实现了o p c 技术的另一种应用开发，并实 现了脱水机的数据共享和远程监控。最后对脱水机的智能控制策略进行 了探讨，提出了改进的模糊p i d 算法。 关键词：o p c ，水处理，l a b v i e w a b s 订a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h es c a l eo f c o m p u t e rm o n i t o r i n gs y s t e mi si n c r e a s i n g l yl a r g e ，t h et y p e so fd e v i c e s p r o d u c e db yd i f f e r e n t m a n u f a c t u r e r s s t e a d y i n c r e a s ei n a sd i f f e r e n t e q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r si nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m i sn o tt h e s a m e c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ew i l ln e e d t od e v e l o pm o r ea n dm o r e c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n t t h eo p ct e c h n o l o g yb a s e do nc o m d c o m p r o v i d eau n i f o r ms t a n d a r d ，a sl o n ga sa b i d ei t ，d i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sc a r l a c h i e v et h ei n t e r o p e r a b i l i t ys o f t w a r ea n dd e v i c e t h i sp a p e rt h a ti su n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t a k et h eo p ct e c h n o l o g ya sa c o r e ，t a k et h ep o w e rp l a n tw a t e rt r e a t m e n ts y s t e ma sac a m e li no r d e rt o i n t e g r a t et h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , f i e l d b u st e c h n o l o g y , e t h e r n e t ， p l ct e c h n o l o g y , a n de s t a b l i s ha c o m p r e h e n s i v es y s t e mm e r i t s o ft h e p a r t i e s f i r s t l 2 ，a i m e da tt h ew e a k n e s so ft r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m s ，t h en e c e s s i t y o ft h eo p ct e c h n o l o g yi sp r o p o s e d ，f u r t h e ri nd e t a i li n t r o d u c e dt h eh i s t o r yo f o p ct e c h n o l o g y , t h eb a s i cc o n c e p ta n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n si nt h i sp a p e r a f t e rt h a t ，i td e v e l o p e dac e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e mf o rt h ew a t e rt r e a t m e n t p l a n ti nh u n a np r o v i n c e t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h eo p cc l i e n ti s d e s c r i b e di nc h a p t e r4 ，i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to fo p ct a r g e t s ，d a t a a c q u i s i t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fr e l a t e da p p l i c a t i o n sf u n c t i o n i nc h a p t e rv ad e h y d r a t i o nc o n t r o ls y s t e mw i t hl a b v i e ww h i c hw a sas u b s y s t e mo ft h e w a t e rc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d ，r e a l i z e da n o t h e ra p p l i c a t i o no ft h eo p c t e c h n o l o g y , r e a l i z e dd a t as h a r i n ga n dr e m o t em o n i t o r i n go ft h ed e h y d r a t i o n c o n t r o l s y s t e m f i n a l l y , i t d i s c u s s e dt h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l s t r a t e g y f o r i i 武汉工程大学硕士学位论文 d e h y d r a t i o n ，p r o p o s e daf u z z yp i da l g o r i t h mt oi m p r o v e i t k e yw o r d s ：0 p c ，w a t e rt r e a t m e n t ，l a b v i e w 1 l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已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。， 学位论文作者签名：罄奴孳 学位论文版权使用授权书 q 年6 月f 。日 ， 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我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电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处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，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密0 ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密o 。 靴者繇帚酶 扣0 年6 月c 。日 指 第1 章绪论 1 1 课题的来源和背景 第1 章绪论 本文是作者以参与湖南耒阳综合利用电厂水控制系统设计、安装、 调试为背景，论述了水处理的自动控制和基于o p c 技术的计算机监控系 统的设计，同时针对现有的电厂污水处理中的脱水系统控制缺点，提出 了模糊p i d 控制策略对系统进行改进。 1 2 问题的提出 1 2 1 电力工业在国民经济发展中的地位和作用 能源是发展社会生产和提高人民生活水平的重要物质基础，在国民 经济发展中占有先决的地位。电能便于集中、分散、传输、控制和转换 成其他形式的能源，因此，电能的使用己遍及国民经济及人民生活的各 个领域，成为现代社会的必需品，成为经济发展的“先行工业”，成为国 家发达的“生命线”。电力工业的发展已成为一个国家经济和文化发达程 度的重要标志。保证供给充足的电力，成为各个地区、各个国家发展经 济的先决环境条件。 我们从已经实现工业化并走上现代化国家的历史进程中，可以明显 看到电力工业在国民经济发展中的重要作用。以前苏联、日本为例，前 苏联在最初的几个五年计划中，为了满足国民经济发展对电力日益增长 的需要，注意以较快的速度发展电力工业，电力增长率与国民经济总产 值增长率的比值一直大于1 0 。1 9 3 7 年前苏联的发电量居世界第1 5 位， 到1 9 7 1 年便上升到第2 位。日本为解决4 0 年代后期出现的电力严重短 缺的问题，把社会投资的4 0 以上投入电力工业。1 9 5 1 1 9 8 6 年日本发电 装机容量平均增长率为8 ，最大电力负荷平均增长率为7 6 。日本电 武汉工程大学硕士学位论文 力工业在备用容量力一面和发展速度方面都保证电力先行的地位。这都 无疑说明电力工业是国民经济重要的基础工业，是国家经济发展战略中 的重点和先进产业。 电力技术和电力工业的出现和发展改变了人们的生产和生活面貌， 促使经济以前所未有的速度向前发展。美国原来落后于英国、德国等国 家，电力技术革命使美国后来者居上，成为最发达的国家。毛泽东说：“蒸 汽机的出现是一次技术革命，而电力的出现又是一次技术革命”。电力技 术革命起源于欧洲，完成在美国。恩格斯对电力作了足够估价，他指出 电力网的扩张将“使工业几乎彻底摆脱地方条件所规定的一切界限，并 且使遥远的水力的利用成为可能，如果在最初它只是对城市有利，那么 到最后它终将成为消除城乡对立的强有力的杠杆。”后来的历史发展证明 了他的预见。事实表明，在工业化、现代化进程中，随着科学技术与工 农业生产的进步和发展，各项社会事业的发达，人们生活水平的提高， 社会对电力的依赖程度和需求数量越来越多，优先发展电力工业已成为 实现工业化、现代化不可缺少的前提一刹牛和物质基础。社会现代化程 度越高，对电力的需求就越大，如今电力工业的发展程度已成为衡量一 个国家国民经济发展水平的重要标志。 1 2 2 火电厂水处理系统采用计算机实时监控的必要性 随着经济的日益发展，用电量迅速增大，据统计，从1 9 2 0 年以来， 世界上发电设备容量和年发电量一直以大约1 0 年增加1 倍的速度发展。 我国电力工业发展迅速，至1 9 9 9 年底装机容量己达约2 8 亿k w ，年发 电量约1 2 万亿k w h ，以火力发电为主，约占全国电厂的7 0 左右。近 两年，由于全国经济的快速发展，电力需求加大，致使许多地区出现了 电力供应紧张的局面，因此全国开始加快了电力建设的步伐。 由于水在火力发电厂的生产过程中，既担负着传递能量的重要作用， 同时又担负着冷却介质的作用，因此在发电过程中，水处理占有重要地 第1 章绪论 位。但是由于当前全球水资源匾乏，特别是我国的水资源人均占有量更 是低于全球平均水平，水资源十分匾乏，而火电厂又是一个耗水大户， 因此对于水资源的合理利用及分配十分重要，所以有必要设计开发一种 先进的控制系统，从硬件和软件入手，实现电厂的自动化，以保证电厂 经济、安全地运行，达到节水的目的。同时由于火电厂中各发电机组的 水处理装置多而分散，不便准确操作，很有必要设计开发一种监控系统， 对各水处理装置进行监控，既减少了操作人员的工作量，又提高了电厂 的自动化水平。这就使得电厂的水处理系统采用计算机控制成为一种必 然的趋势。 1 2 3 传统的实时监控系统存在的问题 传统的实时监控系统作为支撑现代工业生产和社会生活的基础设 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，系统的更新、扩展、升级变得非常困 难。 传统的实时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。由于工业控制软件缺乏统一的工业标准，不同厂家的软件之间进行 通讯相当麻烦。各个厂家的软件对控制系统硬件操作的设备驱动程序接 口也各不相同，为了对市场上不同厂家的设备都能管理，控制软件厂家 必须针对市场上几百种常用的设备开发设备驱动程序，而且当硬件设备 升级或者修改时，驱动程序也必须做相应修改，这样做下来成本相当高。 此外，一个系统中如果同时运行不同的工业控制软件，不同的应用程序 不可能同时访问同一设备，当他们通过各自的设备驱动程序同时对一个 硬件设备操作时，往往会由于相互之间的不协调、不兼容造成系统间的 不协调、不兼容造成系统的崩溃，影响到整个系统的运行情况。如果设 备驱动程序由硬件设备制造厂开发，那么他们也必须为市场上所有的工 业控制软件都开发相应驱动程序，成本同样是非常高的【】。 武汉工程大学硕士学位论文 例如在一个基于传统实时监控系统建立的火力发电厂发电厂的中， 可能出现补给水处理采用下位机用西门子s 7 3 0 0 x 型p l c ，上位机监控应 用程序采用i f i x2 8 ：凝结水处理采用下位机采用m o d i c o nq u a n t u m 系 列p l c 产品，上位机监控应用程序采用i n t o u c h ；循环水处理下位机采用 o m r o n 系列p l c 产品，上位机监控应用程序采用v b 6 0 编程；废水处理则 用单片机实现。这样在水处理一个系统中就存在较大的兼容性问题，那 可以想象实现电厂全厂信息共享，实现电厂生产调度最优化配置的难度。 图1 传统控制系统接口连接 为了不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化，使其 间的数据交换更加简单化，基于微软的o l e ( 现在的a c t i v ex ) 、c o m ( 部 件对象模型) 和d c o m ( 分布式部件对象模型) 技术，工业控制领域提出 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，用于过程控制的o l e ) 的概念。 1 3 本文的主要研究内容及安排 本课题试图以o p c 技术为核心和纽带，以火电厂水处理系统为载体， 将虚拟仪器技术，现场总线技术，以太网，p l c 技术等融合在一起，发 第1 章绪论 挥各个技术本身的优势，开发出最大限度的满足生产需要的自动化系统。 同时针对脱水过程中传统控制模式的缺点，提出模糊p i d 控制方式，以 改善污水固液分离的质量。 各章节安排如下： 在第二章中详细介绍关于o p c 技术的历史、基本概念和技术规范， 接着在第三章设计了某电厂的水处理控制系统，实现了o p c 的具体应用， 并在第四章中详细介绍了该项目o p c 客户端的开发过程。第五章用 l a b v i e w 开发了脱水机控制系统，并实现了数据的远程共享和监视。针对 脱水机控制的特点，在第六章对其控制策略提出改进并仿真实现。最后 对整个设计进行了总结和展望。 武汉工程大学硕士学位论文 2 1o p c 规范简介 第2 章o p c 技术规范研究 o p c 是o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 的缩写，意思是把o l e 技术应用于 工业控制领域。o l e 原意是对象链接与嵌入，随着o l e 2 0 的发布，其 范围已远远超出了这个概念。现在的o l e 包容了许多新的特征，如统一 数据传输、结构化存储和自动化，已经成为独立于计算机语言、操作系 统甚至硬件平台的一种规范，是面向对象程序设计概念的进一步延伸。 o p c 建立在o l e 规范之上，它为工业控制领域提供了一种标准的数据访 问机制“。 o p c 服务器实现了一套标准的c o m 接口，即o p c 接口，任何一个 o p c 客户都可以连接到由一个或多个供应商提供的o p c 服务器上。只要 工业自动化软件符合o p c 规范，它不需要做任何修改就能一致地访问所 有的o p c 服务器实现的硬件驱动程序。而且o p c 客户可以透明地与网 络计算机商的o p c 服务器进行通讯，对软件实现网络化极其方便。 o p c 技术规范以m i c r o s o f t 的o l e c o m 设计为基础，它所定义的 是一组接口规范，包括o p c 自动化接i s l ( a u t o m a t i o ni n t e r f a c e ) 和客户化接 口( c u s t o mi n t e r f a c e ) 两个部分，其实质是在硬件供应商和软件开发商之间 建立了一套完整的接口规则，只要遵循这套规则，数据交换对两者来说 都是透明的，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和操作过程。o p c 技术规范定义的是 o p c 服务器程序和客户机程序进行接口或通讯的一种规则，它不规定如 何具体来实现这种接口。“6 1 o p c 技术的应用允许用户以一致性方式访问工厂底层数据，工业系 统中采用o p c 技术可以带来许多好处： o p c 规范以o l e d c o m 为技术基础，而o l e d c o m 支持t c p i p 等 第2 章o p c 技术规范研究 网络协议，因此可以将各个子系统从物理上分开，分布于网络的不同 节点上。一 o p c 按照面向对象的原则，将一个应用程序( o p c 服务器) 作为一 个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调 用这个方法，从而保证软件对客户的透明性，使得用户完全从低层的 开发中脱离出来。 图2 基于o p c 的软件结构 o p c 实现了远程调用，使得应用程序的分布与系统硬件的分布无关， 便于系统硬件配置以及，使得系统的应用范围更广。 采用o p c 规范，便于系统的组态化，将系统复杂性大大简化，可以 大大缩短软件开发周期，提高软件运行的可靠性和稳定性，便于系统 的升级与维护。 o p c 规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一 的方式去访问，从而实现系统的开放性，易于实现与其它系统的接口。 2 2o p g 的历史及其在我国的发展应用 o p c 是一个工业标准，是许多世界领先的自动化软、硬件公司与微 软公司合作的结果。o p c 基金会组织负责管理该标准。该基金会的会员 武汉工程大学硕士学位论文 单位在世界范围内超过了1 5 0 个，包括了世界上几乎全部的控制系统和 仪器仪表的主要供应商，当然也包括中国的一些公司和机构。o p c 基金 会的先驱是一支由f i s h e r r o s e m o u n t ，r o c k w e l l 软件公司、 o p t o2 2 i n t e l l u t i o n 和i n t u i t i v et e c h n o l o g y 公司所组成的 特别工作组，在经过一年工作后，开发出了第一个基本的、可运行的o p c 规范。简化的第一阶段的标准在1 9 9 6 年8 月发布。 由于o p c 基金会是单纯地建立在微软己有标准的基础之上，因而 o p c 基金会比其他许多标准化组织能够更快地投入工作。微软是o p c 基 金会成员，并且给基金会提供了强有力的支持。微软一直提供强大的后 援支持、并让具有直接工业经验的o p c 基金会会员公司指导基金会的工 作。 o p c 基金会鼓励最终用户加入，同时许多制造商也积极地参与了规 范和技术的复审过程，最终用户和自动化供应商都能从该标准获益。对 今天每一个己安装的自动化系统来说，有相当大的一部分时间和资金是 用在系统集成上。o p c 标准保证了自动化系统之间及商业系统之间可以 经过工厂来共享信息和相互操作。现在的o p c 基金会的理事会是由 f i s h e r r o s m o u n t ，h o n e y ，e l l ，i n t e l l u t i o n ，n a t l 0 n a l i n s t r u m e n t 以及欧洲代表的s i e m e n s 和远东代表t o s h i b a 所组成。 o p c 基金会从成立开始会员逐年增加，到目前为止在全球范围内已有近 3 0 0 家公司加入了这个组织。同时由控制设备厂商和控制软件供应商提供 的o p c 产品也日益增加，目前已有上千种o p c 服务器产品和o p c 应用 程序产品出现在由o p c 基金会发行的o p c 产品目录上。 o p c 规范最初的目标是尽快制定一个工业标准，因此最初版本侧重 于在线数据存取、报警事件处理和历史数据存取等方面。安全性、批处 理等附加的功能则在随后的版本中定义。由于o p c 是建立在己成为软件 模型标准的c o m 技术之上，因此该标准更容易为各工控软硬件厂商所接 受。事实上，o p c 的结构体系增强了c o m 接口的优点，而c o m 接口本 第2 章0 p c 技术规范研究 身则提供了方便扩展o p c 功能的机制，因而o p c 规范作为一项工业标 准己经得到了广泛认可。 经过不到一年的高效工作，o p c 基金会于1 9 年8 月完成了最初的 o p c 规范，即1 0 版。后来于1 9 9 7 年9 月发布了o p c 规范l o a 版，并 改名为数据存取规范1 o a 版。该规范现己升级到2 0 4 版。数据存取规 范定义了o p c 服务器中一组c o m 对象及其接口，并规定了客户程序对 服务器程序进行数据存取时需要遵循的标准。 1 9 9 8 年1 2 月发布了报警事件规范1 0 版。1 9 9 9 年1 2 月升级到1 o l 版。该规范提供了一种通知机制，即在指定事件或报警条件发生时o p c 服务器能够主动通知客户程序。 1 9 9 8 年还发布了历史数据存取规范1 0 版。由于现在大部分历史数 据系统采用专用接口分发数据，因此无法提供即插即用的功能。为此， 该规范提供一种通用历史数据引擎，可以向感兴趣的用户和客户程序提 供数据汇总和数据分析等额外的信息。 2 0 0 0 年1 月发布了批量过程规范1 0 版。该规范基于o p c 数据存取 规范和i s a 8 8 系列批量控制标准，提供了一种存取实时批量数据和设备 信息的方法。 2 0 0 0 年l o 月发布了安全性规范1 0 版。它提供了一种专门的机制来 保护安全敏感数据。 2 0 0 0 年1 2 月，o p c 国际基金会中国分会在北京成立。o p c 技术作 为一项工业标准在国内得到了逐步推广和应用。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。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，力控和浙大中控等开发的新版组态软件也均 对o p c 提供支持。 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 武汉工程大学硕士学位论文 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的发 展。 2 3c o m 技术 2 3 1c o m 的基本概念 随着计算机软件科学的发展，应用系统功能日趋复杂，程序愈加庞 大，软件开发的难度也更大。为此，需要将应用程序划分为多个功能独 立的模块，由各模块协同完成实际的任务。这些模块被称为组件，它们 可以被进行单独设计、编译和调试。组件与组件之间通过接口进行通信， 因此，组件之间的接口就是组件软件的关键，在同一软件中的组件必须 使用同样的接口标准才能保证组件之间可以进行通信。c o m ( c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l 组件对象模型) 就是一个由微软公司推出的开放的组件标 准。 c o m 不仅仅提供了组件之间的接口标准，它还引用了面向对象的思想。 在c o m 标准中，对象是一个非常活跃的元素，通常把它称为c o m 对象。类 似于c + + 中对象的概念，对象是某个类的实例：而类是一组相关的数据和 功能组合在一起的一个定义。c o m 对象被很好地封装起来，客户无法访问 对象的内部实现细节，也无法知道对象使用了什么数据结构，访问c o m 对 象的唯一途径是通过接口，b p c o m 接口。使用对象的应用( 或另一个对象) 称为客户嘲。 2 3 2c o m 接口 c o m 规范的核心内容就是关于接口的定义，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。 第2 章o p c 技术规范研究 c o m 接口是一组逻辑上相关的函数集合，其函数也被称为接口成员函 数。每个c o m 接口都由一个1 2 8 位的全局唯一标识符g u i d 来标识。客户通 过g u i d 获得接口的指针，再通过接口指针，客户就可以调用其相应的成 员函数。 c o m 接口的特点阳1 ： 二进制特性。接口规范并不是建立在任何编程语言的基础上，而 是规定了二进制的标准。任何语言只要有足够的数据语言表达能力，就 可以对接口进行描述，从而可以用于组件程序有关的应用开发。 接口不变性。接口是组件客户程序和组件对象之间的桥梁，接口 如果经常发生变化，则客户程序和组件程序也要跟着变化，这对于应用 系统的开发非常不利。因此，接口应该保持不变，只要客户程序和组件 程序都按照既定的接口设计进行开发，则可以保证在两者独立开发结束 后，它们的协作运行能力能达到预期的效果。 继承性。不变性并不意味着接口不再发展，接口也需要发展，可 以继承发展。接口继承与类继承不同。首先，类继承不仅是说明继承， 也是实现继承，即派生类可以继承基类的函数实现：而接口继承只是说明 继承，即派生的接口只继承了基接口的成员函数说明，并没有继承基接 口的实现，因为接口定义不包括函数实现部分。其次，类继承允许多重 继承，一个派生类可以有多个基类，但接口继承只允许单继承，不允许 多重继承。 多态性。所谓多态性是指发出同样的消息被不同类型的对象接收 时导致完全不同的行为。这里所说的消息，主要是指对类的成员函数的 调用，而不同的行为是指不同的实现。c o m 对象也有多态性，其多态性通 过c o m 接口体现。多态性使得客户可以用统一的方法处理不同的对象，甚 至是不同类型的对象，只要它们实现了同样的接口。如果几个不同的c o m 对象实现了同一接口，则客户程序可以用同样的代码调用这些c o m 对象。 2 3 2 1 接口描述语言i d l 武汉工程大学硕士学位论文 c o m 规范在采用o s f ( o p e ns o f t w a r ef o u n d a t i o n ) 的d c e 规范描述远 程调用接口描述语言( i n t e r f a c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，i d l ) 的基础上， 进行扩展形成t c o m 接口的描述语言。接口描述语言提供了一种不依赖于 任何语言的接口描述方法，因此，它可以成为组件程序和客户程序之间 的共同语言。 、 c o m 规范使用的i d l 接口描述语言不仅可用于定义c o m 接口，同时还定 义了一些常用的数据类型，也可以描述自定义的数据结构，对于接口成 员函数，可以指定每个参数的类型、输入输出特性，甚至支持可变长度 的数组的描述。 2 3 2 2l u n k n o w n 接口 c o m 定义的每一个接口都必须从i u n k n o w n 继承过来，i u n k n o w n 接口提 供了两个非常重要的特性：生存期控制和接口查询。客户程序只能通过接 口与c o m 对象进行通信，虽然客户程序可以不管对象内部的实现细节，但 它要控制对象的存在与否。 如果客户还要继续对对象进行操作，则它必须保证对象能一直存在 于内存中；如果客户对对象的操作已经完成，以后也不再需要该对象了， 则它必须及时地把对象释放掉，以提高资源的利用率。i u n k n o w n 弓 入了 “引用计数”( r e f e r e n c ec o u n t i n g ) 方法，可以有效地控制对象的生存 周期。 另一方面，如果一个c o m 对象实现了多个接口，在初始时刻，客户程 序不太可能得到该对象所有的接口指针，它只会拥有一个接口指针。如 果客户程序需要其他的指针，那么它如何通过这个接口指针获得另一个 接口指针呢? i u n k n o w n 使用了“接口查询”( q u e r y i n t e r f a c e ) 的方法来完 成接口之间的跳转。 i u n k n o w n 接口定义如下： c l a s si u n k n o w n 1 2 第2 章o p c 技术规范研究 p u b l i c v i r t u a lh r e s u l t _ s t d c a l lo u e r y i n t e r f a c e ( c o n s tl l d & ii d ，v o i d + p p v ) = 0 ： v i r t u a lu l o n gs t d c a l la d d r e f 0 = 0 ： v i r t u a lu l o n gs t d c a l lr e l e a s e 0 = 0 ： ) ； i u n k n o w n 包含了三个成员函数：q u e r y i n t e r f a c e ，a d d r e f 和 r e l e a s e q u e r y i n t e r f a c e 函数指向特定对象的特定接口的指针。它允许 客户查询对象以便确定它支持哪些接口。a d d r e f 和r e l e a s e 跟踪对象的引 用计数，当应用程序得到接口指针p i n t e r f a c e 的访问时，它调用 p i n t e r f a c e 一 a d d r e f 来增加引用计数，当应用程序处理完指针时，它调 用p i n t e r f a c e 一 r e l e a s e 来减少引用计数。如果指定接口的引用计数为 零，接口的执行被释放。如果一个对象整体上不再带有引用指针，”那么 对象被释放。 在组件对象模型c o m 之上，m i c r o s o f t 公司同计算机界合作并发展了产 品规范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 ，对象链接和嵌入) 。在实 现上，它遵照c o m 的标准规范，组件的接口定义、客户对象模型、，结构 化存储和全局唯一标识符等。随着o l e 2 0 的发布，现在的o l e 包容了许 多新的特征，如统一数据传输、结构化存储和自动化，已经成为独立于 计算机语言、操作系统甚至硬件平台的一种规范，是面向对象程序设计 概念的进一步延伸。 o p c 是o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 的缩写，意思是把o l e 技术应用于工 业控制领域，o p c 建立在o l e 规范之上，它为工业控制领域提供了一种标 准的数据访问机制。 2 4o p c 规范 o p c 基金会制定了下列规范，包括：o p c 数据存取规范、o p c 报警与事 件规范、o p c 历史数据存取规范、o p c 批量过程规范、o p c 安全性规范、 武汉工程大学硕士学位论文 o p c 复杂数据规范、o p cx m l 数据存取规范等。而在这中问数据存取规范 采取是最早发布，也是最作用的规范，是其它应用的基础。下面将重点 介绍，并将其它规范作简单介绍。 2 4 1 数据访问规范 o p c 数据存取规范( o p cd a t aa c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) 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。该 规范分为定制接口规范和自动化接口规范两部分，两种接口完成的功能 类似， o p c 的数据访问规范中包含3 类对象：服务器( s e r v e r ) 、组( g r o u p ) 和 项( i t e m ) 。3 类对象的组织结构就像普通文件系统，其中服务器与分区、 组与文件夹、项与文件一一对应。各个部分都有自己的属性，同时负责 管理其底层分支。 1 ) 服务器数据访问规范中的o p c 服务器对象维护相关服务器信息并 作为o p c 组对象的包容器。服务器信息包括提供商和版本信息、服务器所 在的机器名以及服务器名称( p r o g i d ) 和支持的接口。组别的管理是通过 一些接口完成的。另外为了使客户端能够获得服务器端地址空间( 项和组 的结构) 的定义，服务器对象还必须提供浏览服务 器地址空问的接口。 2 ) 组o p c 组用于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。通过配置组的属性，客户程序可以为该组内所有的项定义服 务器刷新数据的频率：调用组的方法可以控制组内所有点名访问的有效 性：同时组内项目数据的更新也将触发数据变化事件。例如，可以为某个 设备的所有项分配一个组别，然后由该组来完成对该设备访问的统一管 理。o p c 组通常有两类组成：公有组别和私有组别。公有是指数据可以为 多个客户所共享：私有则只限于一个客户。每个组别中，客户程序可以定 义一个或多个项目。 第2 章o p c 技术规范研究 3 ) 项目o p c 项目描述服务器和数据源的连接，项目其实就像组态中 的点名，又被称为标签( t a g ) 。每个项目都有名称、品质和时间标签等属 性。名称即为该项的标识，在每组内是唯一的，不同的组别内，标识允 许相同，这和文件名的属性是一致的：值的类型是v a r i a n t ：品质则和现场 总线的描述类似，包括数据的好坏、通信的正常与否等：时间标签由数据 访问缓冲区还是直接访问设备而有所区别，它和数值是对应的，而不一 定是当前时间。需要指出的是，项目不是真正的物理数据源，它只代表 和物理数据源的连接，可以简单地认为是数据的地址。 o p c 基金会为方便用户在各种环境下软件开发，为数据访问规范提供 两类接口：自动化接口和定制接口。基于定制接口的开发，需要用到较深 的c o m d c o m j i h 识，而运用自动化接口则有以下优点：客户程序可以很容易 地应用接口，而无需了解接口的详细内部机理：可以运用事件触发机制： 可以生成一个通用的动态链接库或控件供所有客户端应用程序使用。另 外，从定制接口观点看，o p c 项目没有对外的接口定义。所有对o p c 项目 的访问需经由包含或者定义它的o p c 组别来完成，艮p o p c 客户程序不允许 将o p c 项目作为一个类来访问。而对自动化接口而言，由于封装的动态链 接库解决了项目的接口定义问题，所以项目的访问相对而言更加容易些。 o p cd a 规范定义了两种读写o p c 项目接口的方式n 町： 同步方式：该方式可以从缓存中进行同步读数据( 比较简单且相对 有效) 。这是在数据量相对较少且不需要较高性能条件下的非常简单的客 户应用。 异步方式：该方式能够利用i a d v is e s i n k 或l o p c d a t a c a ll b a c k 从缓 存数据中订阅( s u b s c r i b e ) 数据，该方法较为复杂但效率高。一般客户程 序推荐采用本方式，因为它最少利用c p o 和网络的资源。在所有情况下， o p cda 服务器均允许客户访问现有o p c 项目的值。o p cd a 服务器只在缓 存中保留现行的信息，旧的信息将被覆盖。因而，o p cd a 服务器不能保 证o p cd a 客户接收到所有改变了的值( 在异步方式下同样不能) 。 武汉工程大学硕士学位论文 本文的客户端编程采用自动化接口及异步方式，以下说明的是在这 种方式下的数据访问实现机制。 如图3 所示客户应用程序通过封装的o p c 自动化接口动态链接库访问 o p c 数据访问服务器。该动态链接库0 p c d a a u t o d l l 由o p c 基金会封装提 供，它将o p c 数据访问服务器的定制接口翻译成客户程序希望的自动化接 口，以供客户程序调用。客户程序和动态链接库是进程内的通信，而动 态链接库矛1 3 0 p c 数据访问服务器的通信则基于c o m d c o m ，既可以是进程内 或本地的连接，又可以是远程连接。封装的动态链接库解决了定制接口 的解释和二者的通信，从而大大简化了客户端的程序开发。 图3 客户程序与数据服务器间的通信 客户端应用程序的开发关键在于理解该动态链接库的封装结构，即 自动化接口标准。该标准可以用如图所示的自动化对象模型表示。它主 要由6 类对象组成，每个对象都封装了一些属性、方法和事件。 1 ) o p c s e r v e r o p c s e r v e r 是o p c j 报务器的个实例，它是创建其他对象的基础，是 客户端应用程序必须首先实例化的对象。该对象具有如下属性：版本信 息、连接点数、o p c g r o p s 等：方法包括获取指定机器内的服务器列表、建 第2 章o p c 技术规范研究 立与服务器的连接断开、获得指定服务器的g r o u p s 歹1 表、创建服务器的 树形浏览对象( o p c b r o w s e r ) 以及得到指定项的属性列表。如果服务器关 闭，则0 p c s e r v e r s h u t d o w n 事件将被激活。 2 ) o p c g r o u p s o p c g r o u p s 是o p c g r o u p 的集合，可以通过o p c s e r v e r 获得。它主要用 来创建、删除和维护组别。除了计数、父结点属性外，它还包含组的默 认属性设置( 添加的新组如果没有手工配置属性的话，将被赋予这些默认 的属性设置) 。方法包括添加删除组别，获取指定组别以及服务器公共 组别的管理。 图4 自动化对象模型 3 ) o p c g r o u p o p c g r o u p 主要用于客户程序组织管理数据项。它的属性包括名称、 父结点、数据更新频率、客户端句柄、激活状态以及包含的o p c i t e m s 等。 方法主要为同步异步读写操作( 完成该组内一批点名的数据读写操作) 和数据刷新。异步数据读写完成与否或者指定项的数据改变将触发事件， 武汉工程大学硕士学位论文 通过检测这些事件可以提高数据访问的效率。 4 ) o p c i t e m s o p c i t e m s 是项目的集合，它是o p c g r o u p 的属性之一。当新添加一个 项时将被赋于一个默认的属性，这个默认的属性由该对象给出。方法包 括获取指定的项、添加删除项、禁止使能对某一个或多个项的访问等。 5 ) o p c i t e m o p c i t e m 描述客户和数据服务器的一个连接。它的属性包括：父结 点、访问旬柄、值、类型、品质、时间标签等；方法为读写数据。 6 ) o p c b r o w s e r 该对象提供了个可以浏览指定服务器中各组别和项目的树形分支 结构的工具，它由o p c s e r v e r e i j 建。属性包括组织结构、过滤器、数据类 型、当前位置、计数器等。方法有：展开分支、展开叶子、向上向下展 开、回到根结点、获取项目名及其相应属性。该对象是可选组件( 有的服 务器可能不提供的接口) 。如果服务器没有提供该接口，将无法实例化该 对象。 为了实现对服务器端数据的访问，客户端程序必须首先明确要连接 的服务器所在的机器名( 也可以是i p 地址形式) 、该服务器名( p r o g i d ) 和 所要访问的项目名称，其中服务器名可以由o p c s e r v e r 对象获得：而项目 名称可以通过o p c b r o w s e r 对象取得。明确这3 个要素后，客户端程序通常 可由以下几步实现： 1 ) 实例化期望的数据服务器并建立连接。 2 ) 获取该服务器的组列表和项目集合。 3 ) 访问项目名。 4 ) 断开连接，释放资源。 2 4 2o p c 报警与事件规范 o p c 报警与事件服务器提供了发生特定事件与报警条件时通知给 第2 章o p c 技术规范研究 o p c 客户的机制，同时也提供了一些服务，这些服务允许o p c 客户决定其 发生的事件与条件，并且o p c 客户可获取接口的当前状态“。我们通常把 访问过程控制中的实