（电力系统及其自动化专业论文）基于iec+61850标准的变电站后台监控系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t a tp r e s e n t i e c 6 18 5 0i sa ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r df o r t h es e a m l e s s c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ei ns u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ( s a s ) t h ea i mo f i e c 6 1 8 5 0i st oa c c o m p l i s hr e a li n t e r o p e r a b i l i t yo fs a s t h i sp a p e ra n a l y s e st h e p r i n c i p l e so fc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，t od e s i g nt h es u p e r v i s i o na n dc o n t r o l s y s t e mb a s e do ni e c 6 18 5 0 t h em a i nw o r k so ft h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s t h eb a c k g r o u n da n dm a i nc o n t e n t so fi e c 618 5 0h a v ea n a l y s e di nt h i s a r t i c l e a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o r ec o n t e n t sa r ei n t r o d u c e d t h e nt h ef o r e i g n a n dd o m e s t i cp r o g r e s sa b o u tt h i ss e r i e ss t a n d a r dh a v es u m m a r i z e d t h em a i nf u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h et r a d i t i o n a ls a s ss u p e r v i s i o na n d c o n t r o ls y s t e mh a v ei n t r o d u c e d f o u rk i n d so fs u p e r v i s i o na n dc o n t r o ls y s t e mt h a t b a s e do ni e c 6 1 8 5 0h a v ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d ，t h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sh a v ec o m p a r e di nt h ea r t i c l et o o 1 1 1 eo p ct e c h n i q u eh a sa d o p t e dt od e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mt h a tb a s e do ni e c 6 18 5 0 f i r s t ，t h es o f t w a r ep a c k a g e so fk o s r d ka n d k o c r d kh a v eb ea p p l i e dt oe s t a b l i s ht h eo p cs e r v e r t h e nu s et h ea t lt o d e s i g ni n t e r f a c e o fo p cc l i e n t f i n a l l yu s e t w i c em a p p i n gt oi m p l e m e n t i e c 6 1 8 5 0t oo p co b j e c ta n ds e v i c em a p p i n g a c c o r d i n gt ot h ep r a x i s ，t w ok i n d so fm e a n st ob u i l dd a t a b a s es y s t e ma r e p r e s e n t e d o n ei sp a r s es c lt os t a t i cs t a t eb u i l dd a t a b a s e t h o u g hp a r s et h es c l d o c u m e n t si n f o r m a t i o n ，d e s i g nd a t a b a s e ss h e e tt or e a l i z eb a s i cf u n c t i o no f d a t a b a s e ，s u c ha sa c c e s s ，i n d e x ，a m e n da n dm a i n t e n a n c e ，e t c t h i sm e t h o da d a p tt o t h es y s t e m si n i t i a ls t a g e s a n o t h e ri st om a k eu s eo fam m s t e c h n i q u ed y n a m i c b u i l dd a t a b a s e r e a l i z et h e p l u g a n d p l a y o fl e d t h i sm e t h o da d a p tt ot h e s y s t e m su p d a t ea c c e s s t h e e s t a b l i s hm o t h o d so fr e l a t i o n a l d a t a b a s ea n d o b j e c t o r i e n td a t a b a s eh a v eb ed e s i g n e d a n dt w os y s t e m sh a v eb ec o m p a r e d k e yw o r d s ：i e c 6 1 8 5 0 ；s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ；s u p e r v i s ea n dc o n t r o l s y s t e m ：o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ；m a p p i n g ；s u b s t a t i o nc o n f i g u r a t i o nd e s c r i p t i o n l a n g u a g e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 由于大规模集成电路技术的飞速发展，导致先进、快速、功能强大的微 型处理器的大规模的面世，这是实现变电站自动化系统s a s ( s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ) 的基础。在变电站自动化系统集成过程中面临的最大障碍 是不同厂家的智能电子设备( i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c ei e d ) ，甚至同一厂家不 同型号的i e d 所采用的通信协议和用户界面也不同，因而难以实现无缝集成 和互操作性。多种协议的采用使得不同制造商的i e d 之间交换信息必须通过 额外的硬件( 如规约转换器) 和软件来实现i e d + 互联，这增加了系统通信成本， 并影响系统的实时性能，这在很大程度上削弱了变电站实现自动化的优点和 意义，而且专用设备和规约的使用，也降低了用户选择系统解决方案的灵活 性，不利于系统的升级或扩展【”。 变电站自动化系统在实现自动化功能之外，还应具备互操作性、可扩展 性和高可靠性等性能，这在以往系统分析和设计过程中通常被忽视。因此， i e c 在充分考虑上述变电站自动化系统的功能和要求，特别是互操作性要求 的基础上，制定了变电站内通信网络与系统的通信标准体系i e c6 1 8 5 0 标准。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得数据对象的自描 述成为可能，为不同厂商的l e d 实现互操作性和系统无缝集成提供了途径。 1 2i e c6 1 8 5 0 标准的简介 1 2 1i e o6 1 8 5 0 的历史背景和组成 1 i e c6 1 8 5 0 的历史背景 为适应变电站自动化技术的迅速发展，1 9 9 5 年国际电工委员会第5 7 技 术委员会( i e ct c5 7 ) 为此成立了3 个工作组1 0 、1 1 、1 2 ( w g l 0 1 1 1 2 ) ，负责 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 制定i e c6 1 8 5 0 标准。工作组成员分别来自欧洲、北美和亚洲国家，他们有 电力调度、微机保护、电厂、操作运行及电力企业的技术背景，其中有些成 员参加过北美及欧洲一些标准的制定工作。3 个工作组有明确的分工：第1 0 工作组负责变电站数据通信协议的整体描述和总体功能要求；第1 1 工作组负 责站级数据通信总线的定义；第1 2 工作组负责过程级数据通信协议的定义 眵】。这3 个工作组参考和吸收了已有的许多相关标准，其中主要有： i e c6 0 8 7 0 5 1 0 1 远动通信协议标准【3 】； i e c6 0 8 7 0 5 1 0 3 继电保护信息接口标准【4 】： u c a2 o 【习( u t i l i t yc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e2 0 1 ，由美国电科院制定 的变电站和馈线设备通信协议体系； i s o i e c 9 5 0 6 制造商信息规范m m s 6 ( m a n u f a c t u r em e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 。 2 i e c6 1 8 5 0 的组成 i e c6 1 8 5 0 标准草案主要包括的系列文档如图1 1 所示。 基本原赃 术语 一般性矍求 系统和工程管理 功能和装置模型的通信要求 变电站自动化系统结构化语言 基本通信框架 一致性测试 图1 - 1i e c6 1 8 5 0 标准主要文档 1 2 2ie c6 1 8 5 0 的主要特点 p a r t i p a r t 2 p a r t3 p a r t 4 p m t5 p a r t 6 p a r t 7 p a r t 9 a n l o 1 信息分层 变电站通信网络和系统协议i e c6 1 8 5 0 标准草案提出了变电站内信息分 层的概念，无论从逻辑概念上还是从物理概念上，都将变电站的通信体系分 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 为3 个层次，即变电站层、间隔层和过程层，并且定义了层与层之间的通信 接1 2 1 ，如图1 - 2 所示。 勰层f 至亟ll 圆圈i ； _ 二高压设备_ 一：二 图1 2 信息分层的变电站自动化系统7 】 2 面向对象的数据对象统一建模 i e c6 1 8 5 0 标准采用面向对象的建模技术，定义了基于客户机朋务器结 构数据模型。每个i e d 包含一个或多个服务器，每个服务器本身又包含一个 或多个逻辑设备。逻辑设备包含逻辑节点，逻辑节点包含数据对象。数据对 象则是由数据属性构成的公用数据类的命名实例。从通信而言，i e d 同时也 扮演客户的角色。任何一个客户都可以通过抽象通信服务接d ( a c s i ) 和服务 器通信访问数据对象，如图1 3 所示。 3 数据自描述 一厂葡町e 刍 图1 - 3 服务器中典型数据模型分层结构【7 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 与i e c6 0 8 7 0 5 系列标准采用面向点的数据描述方法不同，i e c6 1 8 5 0 标 准对于信息均采用面向对象的自描述。 采用“面向点”的数据描述方法，在信息传输时数据收发双方必须事先 对数据库进行约定，并一一对应，这样才能正确反应现场设备的状态。协议 一旦确立以后，如果要增加或删除某些信息就必须对协议进行修改，这是一 项耗费资金和时间的工作。随着技术发展、电力市场的建立和变电站自动化 水平的提高，变电站内需要传输的新信息不断增加，这种数据描述方法已不 大适应，因而使新功能的应用受到限制【8 】。 面向对象的数据自描述在数据源就对数据本身进行自我描述，传输到接 收方的数据都带有自我说明，不需要再对数据进行工程物理量对应、标度转 换等工作。由于数据本身带有说明，所以传输时可以不受预先定义限制，简 化了对数据的管理和维护工作。为此，i e c6 1 8 5 0 标准提供了一整套面向对 象的数据自描述方法。 i e c6 1 8 5 0 对象名称标准：定义了采用设备名、逻辑节点名、实例编号 和数据类名建立对象名的命名规则。 i e c6 1 8 5 0 通信服务：标准采用面向对象的方法，定义了对象之间的通 信服务，比如，获取和设定对象值的通信服务，取得对象名列表的通信服务， 获得数据对象值列表的服务等。 4 抽象通信服务接1 2 1 ( a c s l ) i e c6 1 8 5 0 标准总结了变电站内信息传输所必需的通信服务，设计了独 立于所采用网络和应用层协议的抽象通信服务接口( a b s t r a c tc o m m u n i c a t i o n s e r v i c ei n t e r f a c e a c s i ) 。在i e c6 1 8 5 0 7 2 中，建立了标准兼容服务器所必须 提供的通信服务的模型，包括服务器模型、逻辑设备模型、逻辑节点模型、 数据模型和数据集模型。客户通过a c s i ，由专用通信服务映射( s p e c i f i c c o m m u n i c a t i o ns e r v i c em a p ，s c s m ) 映射到所采用的具体协议栈，如制造报 文规范( m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，m m s ) 等。i e c6 1 8 5 0 标准使用 a c s i 和s c s m 技术，解决了标准豹稳定性与未来网络技术发展之间的矛盾， 即当网络技术发展时只要改动s c s m ，而不需要修改a c s i 。 1 2 31 1 ：1 26 1 8 5 0 的现状 1 国外研究情况 虽然i e c6 1 8 5 0 是从2 0 0 2 年才陆续出版的，但a b b 和s i e m e n s 等公 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 司在此之前就已进行了一系列成功的互操作实验，并已推出了符合此标准的 产品。 在i e c 6 1 8 5 0 标准的制定过程中，各国的研究机构与设备厂商也联手开 展工程试验，目的在于检验与完善标准，使其能更好地与实际应用相结合。 其中主要的工程项目有：2 0 0 0 年德国，“变电站内开放通信( o c i s ，o p e n c o m m u n i c a t i o ni ns u b s t a t i o n ) ”工程，主要目的在于验证站总线的互操作性； 2 0 0 1 年加拿大，“间隔间设备的互操作性，i n t e r o p e r a b i l i t yb e t w e e nb a y d e v i c e s ”工程，主要目的在于检验i e c6 1 8 5 0 中通用“面向对象的变电站事 件( g o o s e ) ”与“变电站配置语言”的概念的适用性；2 0 0 2 年美国，“采样 值互操作性，i n t e r o p e r a b i l i t ys a m p l ev a l u e s ”，主要目的在于检验根据 i e c 6 1 8 5 0 9 部分研制的新式互感器、保护继电器以及测量仪表之间的互操作 性。这些工程具有很好的示范作用，对于促进i e c6 1 8 5 0 的制订更加完善发 挥了重要作用。 2 我国研究情况 国内许多研究机构与厂家也在密切关注着i e c6 1 8 5 0 标准的发展动态， 并投入大量人力物理开展相关项目的研究工作。我国于2 0 0 5 年5 月初进行了 首次互操作性试验，参与单位包括四方、东方电子和电力科学研究院等。试 验取得圆满成功，并讨论决定于同年下半年展开第二次着重考虑s c l 配置方 面的试验。同时，上海电力局、浙江省局等也在积极多方面调研，北京德威 特力通公司还公布了最新研发的i e c6 1 8 5 0 通讯体系( c s ) 软件，希望能在将 来采用i e c6 1 8 5 0 标准来规范变电站自动化系统，以达到降低系统集成费用 和维护成本，充分利用资源，提高系统可靠性的目的一“。 1 3 本课题的主要工作 本文旨在对基于i e c6 1 8 5 0 标准的后台监控系统的设计。包括以下几个 主要工作： 1 对现有后台监控系统进行分析，按照i e c6 1 8 5 0 思想对后台监控系统 进行整体设计，设计了四种实现后台系统的架构，并对四种实现方式的优缺 点进行了对比分析。 2 根据标准建立通讯管理系统，该部分采用o p c 技术进行设计，无论 现场设备采用什么协议都可将其转换为6 1 8 5 0 模型。该部分主要包含o p c 服 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 务器、o p c 客户端接口和o p c 与6 1 8 5 0 映射模块三部分。 3 设计基于i e c6 1 8 5 0 标准的数据库系统，主要通过两种方式进行实现， 一是采用s c l 静态方式建立数据库，这适用于变电站自动化系统的初期建 立；二是采用m m s 动态方式建立数据库，通过m m s 一系列服务请求，获 取新接入设备的信息。在通过静态方式建立数据库系统时，分别分析了建立 关系型和面向对象两种数据库系统的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 引言 第2 章变电站后台监控系统 变电站综合自动化系统采用自动控制和计算机技术实现变电站二次系统 的部分或全部功能。经过这几年的发展，我国变电站综合自动化系统己基本 成熟，许多厂家提供了各具特色的变电站综合自动化系统，用于满足用户对 变电站综合自动化系统的各种基本需求。虽然目前变电站综合自动化系统制 造厂商较多，但系统的总体结构基本上是相同的。 其中监控系统在变电站自动化系统中占有及其重要的地位。计算机和网 络技术的快速发展，使得变电站的实时监控和远动技术正向功能分散化和通 信网络化的方向发展。在对变电站监控系统的功能进一步完善的同时，对诸 如信息响应时间、通信速度、降低成本、可靠性等性能方面提出了更高的要 求。从发展过程上来看，变电站监控系统的发展历经了集中式厂站微机监控 系统、分散式厂站微机监控系统和网络型厂站微机监控系统三个阶段【l ”。 2 2 后台监控系统主要功能和结构 监控系统的功能主要包括：实时数据采集与处理、报警处理、事件顺序 记录和事故追忆功能、控制功能、管理功能、在线统计计算功能、画面显示 和打印功能、时钟同步功能、与远方调度的信息交换功能、与继电保护装置 的通信功能、系统的自诊断和自恢复功能、维护功能等【l “。 后台监控系统担负着通信、数据处理、实时数据库的管理等重要任务， 目前大多数厂家的后台监控系统都采用客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 网络体系 结构。逻辑上由两大部分组成，即服务器系统( s e r v e r ) 和客户机系统( c l i e n t ) 。 客户服务器又被称为分布计算，它的含义是程序的数据处理并不像通常 在基于主机的计算机系统中那样在单个的计算机上发生。取而代之，程序的 不同部分在多台计算机上同时进行，如图2 - 1 所示，将数据存储和数据处理 放在服务器的计算机上，客户端界面作为程序的另一部分存放于客户端计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 机上。客户服务器系统的这个部件通过网络连接相互通信，并且可以被扩展 到任意规模。 网络 月务器 ( 数据存储处理) 图2 - 1 客户服务器体系结构的一般概念 基于客户服务器体系结构的后台监控系统，它的服务器的基本任务是接 受发送数据，数据处理与计算和数据维护，并响应客户机( 前置机、人机界 面) 的请求，向客户机传送格式化的数据信息。客户机则负责提供用户界面， 如图形、表格甚至声音、动画等以及提供原始的数据来源( 前置机) 。服务器 是功能意义上的服务器，严格地说应称为功能服务器，比之于传统的文件服 务器，功能上要强得多，性能上也要优越得多。而且，客户机一般是进程一 级概念上的称谓，它们可以有各自的硬件平台，也可以运行在同一台机器上， 这时同一台机器既是服务器又是客户机。图2 2 是后台监控系统采用客户服 务器体系的模型。 匠萄幕：鼋 应用1| |应用2l l应用r e 图2 - 2 后台监控系统采用客户服务器体系的模型 图2 - 3 是后台监控系统的简要结构图i 其中，网络服务系统是服务器的核 心部分，提供应用程序接口，网络通信的管理。数据库管理系统负责实时数 据库和历史数据库的管理和协调工作。数据处理系统负责各种类型的数据处 理( 遥测、遥信等) ，进行各种统计工作。数据采样系统完成系统需要的各 种数据采样，把采样数据存入历史数据库中。告警处理系统完成系统的各种 时间的处理、存盘。 墨磊 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 宴时数据库历虫教掘库 图2 - 3 后台监控系统的简要结构图 2 3 基于i e c6 1 8 5 0 后台监控系统的实现方案 由于需求、技术、成本等原因，在变电站自动化系统中采用i e c6 1 8 5 0 标准还需要一个比较长的阶段。目前对基于i e c6 1 8 5 0 后台监控系统的实现 方式主要存在四种观点，分别介绍如下： 实现方式一： 不改变原有后台系统，通过映射将i e c6 1 8 5 0 信息转换成传统协议或内 部协议，如图2 - 4 所示。这种实现方式可以保证现有的应用程序基本不需要 改动，减少了开发的工作量，但i e c6 1 8 5 0 信息在转换成传统协议信息的过 程中会丢失很多信息，特别是包含结构层次关系的i e c6 1 8 5 0 索引信息。 数据库系统( 面向点) 图2 4 实现方式一 实现方式二： 修改现有应用程序的数据库表，将了i e c6 1 8 5 0 信息直接接入数据库 表，如图2 5 所示。这种实现方式需要改变数据库的索引，至少要包含i e c 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 6 1 8 5 0 的索引，这样的实现保留了i e c6 1 8 5 0 索引的信息，节省了部分i e c 6 1 8 5 0 与传统实时库的对点过程，便于以后的程序扩展，也为保护管理机的 服务器端程序预留了接口。 ( 采用6 1 8 5 0 标准) ( 采用传统协议) 数据库系统( 面向点： 应用程序 ( 采用传统协议) 图2 - 5 实现方式二 实现方式三： 保留原有应用，增加i e c6 1 8 5 0 的新应用，如图2 - 6 所示。这种实现方 式保留现有的应用程序，对传统协议适应性较好，但i e c6 1 8 5 0 信息在进入 实时库的过程中仍将丢失部分信息。 数据库系统面向对象 图2 - 6 实现方式三 实现方式四： 从数据库到应用全部面向i e c6 1 8 5 0 的需求，是一套完整的基于i e c 6 1 8 5 0 的应用，如图2 - 7 所示。为了兼顾现场的传统协议，采用协议转换的 方式将传统协议先转换成i e c6 1 8 5 0 信息，再转入实时库。这种实现方式开 发工作量较大，程序结构也有较大的改动，这样的实现，将保留i e c6 1 8 5 0 信息的全部内容，但在支持传统协议方向需要增加额外的转换模块。 数据库系统( 面向对象： 图2 - 7 实现方式四 四种实现方式的优缺点对比如表2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 表2 - 1 四种实现方式对比分析 优缺点 优点缺点 实现方趴 现有数据库和应用程序不需要改信息转换过程丢失很多6 1 8 5 0 信 实现方式一 变，开发工作量小 息，系统扩展性不强 在尽量小的改动现有数据库的基础 实现方式二系统扩展性不强，生命周期短 上增加了6 1 8 5 0 信息索引 保留部分现有程序，对传统协议适6 18 5 0 信息进入实时数据库时将 实现方式三 应性较好 丢失部分信息 保留6 1 8 5 0 信息的全部内容，具有 实现方式四实现复杂，开发难度大 良好的扩展性 第一种实现方式实际上是在原有系统的基础上增加一个数据转换模块， 将6 1 8 5 0 信息转换成传统协议信息，不需要改动现有的数据库系统和应用程 序；第二种实现方式在现有数据库系统中增加了6 1 8 5 0 信息的索引，尽量小 的改动了现有系统；第三种实现方式是增加了一个6 1 8 5 0 子系统，该系统相 当于一个独立的系统和现有系统进行数据交换，该系统的缺点是在数据交换 的时候可能会丢失部分信息；第四种实现方式全面实现了6 1 8 5 0 标准，形成 了一个完整的6 1 8 5 0 后台监控系统。本文重要针对第四种实现方式进行分析 研究，实现一个完整的基于i e c6 1 8 5 0 标准的后台监控系统。 2 4 小结 本章首先简要地介绍了后台监控系统功能及结构，然后介绍了四种将 i e c6 1 8 5 0 标准在后台监控系统中实现的方案，文中对四种方案进行了对比 分析。 本文后续章节主要针对第四种实现方式进行设计分析，设计一个基于 i e c6 1 8 5 0 后台监控系统的可行方案，工作的重点是通信管理系统和数据库 系统两部分。通信管理系统主要目的是将现场设备的传统协议模型转换成 6 1 8 5 0 模型，文中引用o p c 技术和两次映射的方法解决这个问题；构建数据 库系统采用静态和动态两种方式获取现场i e d 信息，并说明了建立关系型和 面向对象两种数据库系统的方法，并对两种数据库系统的优缺点进行比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 3 1 引言 第3 章通讯管理系统的研究 目前，变电站内存在大量非6 1 8 5 0 装置，如何将采用传统协议的装置接 入6 1 5 8 0 后台系统是我们面临的一个重要问题。 现场设备采用的协议是多种多样的，一旦有采用传统协议的新设备接入 6 1 8 5 0 后台系统，我们就需要对通信管理系统进行修改，添加该协议与6 1 8 5 0 之间的协议转换，这种系统的生命周期无疑是很短的。为了解决这个问题我 们引入o p c 技术，整体结构如图3 1 所示。只要我们在构建系统时添加了该 协议的o p c 服务器，o p c 服务器就可以将该协议模型转换成符合o p c 规范 的o p c 模型，然后再通过o p c 与6 1 8 5 0 的映射将数据转换成6 1 8 5 0 模型。 基- 5 = 6 r 8 5 0 的数据库系统 通信管理系反 。 lo p c x , f 象- u 6 1 8 5 0 r , 1 象i i 的映射 l io p c 客户端接口1 o p c 客户端 o p c 服务器端 l 。r c 服务器 ii 。r c 服务器 i 1 1 i e d ( 1 0 3 n l e d ( 其它) n 图3 - 1 基于o p c 的通信管理系统的整体结构 由上图可见，无论现场设备采用何种协议，在o p c 服务器端都被转换为 符合o p c 规范的统一的形式，然后再将o p c 与6 1 8 5 0 进行映射，转化成符 合6 1 8 5 0 标准的对象及服务。在建立该系统时我们面临的主要问题包括： ( 1 ) 如何实现o p c 服务器； ( 2 ) 如何实现o p c 客户端接口； ( 3 ) o p c 模型与6 1 8 5 0 模型问是如何迸行的映射，映射后o p c 模型能否 保证6 1 8 5 0 模型信息的完整性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 3 20 p c 技术 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 的出现为基于w i n d o w s 的应用程序和现场 过程控制应用建立了桥梁【】。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一 个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多， 且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常 这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高 效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情 况下，o p c 标准应运而生。o p c 标准以微软公司的o l e 技术为基础，它的 制定是通过提供一套标准的o l e c o m 接口完成的。 1 o p c 体系 o p c 逻辑对象模型包括3 类对象：o p c 服务器对象、o p c 组对象、o p c 项对象，如图3 2 所示。o p c 服务器对象提供了一种访问数据源的方法，向 客户提供统一的访问接口。o p c 组对象包含在o p c 服务器对象中，并由客 户端定义和维护，每个服务器可以包含多个组对象。一个组对象可以包含多 个项对象【i “。 图3 - 2o p c 服务器对象逻辑结构 o p c 服务器( o p cs e r v e r ) 对象向o p c 客户端提供创建和操纵o p c 组对 象的功能，这些组允许o p c 客户对它们要访问的数据进行组织。o p cs e r v e r 对象功能主要表现为：创建和管理o p cg r o u p 对象、管理服务器内部的状态 信息、将服务器的错误代码翻译成描述性语句、浏览o p c 服务器内部的数据 组织结构。 o p c 组( o p cg r o u p ) 对象可以作为一个单元被激活或失活；也可以提供 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 一种方法允许客户“订阅”项目列表，以便在项目变化时它能得到通知。o p c g r o u p 对象的主要功能表现为：管理o p cg r o u p 对象的内部状态信息、创建 和管理i t e m s 对象、o p c 服务器内部的实时数据存取服务( 同步与异步方式) 。 从o p cg r o u p 对象的功能可以看出，该对象面向o p c 服务器中的数据存取 信息，对实时数据源依赖性很强，需要从用户数据源处获取信息。 o p c 项( o p c i t e m ) 对象与具体设备的参数一一对应，当o p c 客户端对 o p ci t e m 进行读写时即是对设备的相应参数进行操作，o p ci t e m 是读写数 据的最小逻辑单位。一个o p ci t e m 不能被o p c 客户程序直接访问，因此在 o p c 规范中没有对应于项的c o m 接口，所有与项的访闽需要通过包含项的 o p c 组对象来实现。在一个组对象中，客户可以加入多个o p ci t e m 。每个 o p ci t e m 包括3 个变量：值( v a l u e ) 、品质( q u a l i t y ) 和时间戳( t i m es t a m p ) 。 2 o p c 对象及接口 服务器提供众多接口，它们根据管理对象不同，分布在o p c 服务器对象 和o p c 组对象中。在服务器对象和组对象中有些是必须实现的接口，有些是 可选择实现的接c i ，如图3 3 及3 - 4 所示，其中带口的是任选接口。 图3 - 3 0 p c 服务器对象及接口模型图图3 - 4 0 p c 组对象及接口模型 3 o p c 的数据通信方式 o p c 规范规定了两种数据通信方式：同步数据通信方式和异步数据通信 方式。 同步通信时，o p c 客户程序对o p c 服务器进行相关操作时，o p c 客户 程序必须等到o p c 服务器对应的操作全部完成以后才能返回，在此期间o p c 客户程序一直处于等待状态，如进行读操作，那么必须等待o p c 服务器完成 读后才返回。因此在同步通信时，如果有大量数据进行操作或者有很多o p c 客户程序对o p c 服务器进行读写操作，必然造成o p c 客户程序的阻塞现象。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 因此同步通信适用于0 p c 客户较少，数据量较小时的场合。 异步通信时，o p c 客户程序操作后立刻返回，不用等待o p c 服务器的 操作，可以进行其它操作；当o p c 服务器完成操作后再通知o p c 客户程序， 如进行读操作：o p c 客户程序通知o p c 服务器后离开返回，不等待o p c 服 务器的读完成。而o p c 服务器完成读后，会自动的通知o p c 客户程序，把 读结果传送给o p c 客户程序。相对于同步通信，异步通信的效率更高，适用 于多客户访问同一o p c 服务器和大量数据的场合。 3 3o p c 服务器 0 p c 服务器直接与现场设备相连接，是数据的供应方，它收集现场设备 数据信息，通过o p c 接口传送给0 p c 客户端应用。o p c 服务器主要包含服 务器接口、服务器对象和数据缓冲区三个部分。服务器接口是o p c 服务器程 序与o p c 客户端程序进行信息交换的部分；服务器对象包含服务器( s e r v e r ) 对象、组( g r o u p ) 对象、项( i t e m ) 对象三级对象：数据缓冲区中存放o p c 服务 器中定义的数据项，数据缓冲区中的数据项与服务器对象部分的i t e m 对象不 一样，存储区的数据项侧重点是与底层硬件的连接，主要包含与硬件相关的 属性，i t e m 对象包含了一些客户需要得到的基本信息，如访问权限等，侧重 点是与上层组对象和服务器对象的联系，客户程序不能直接调用数据存储区 中的数据项，而是通过组对象添加o y ci t e m ，将o p ci t e m 与数据项关联起 来，进行数据读写数据【2 m 2 2 】。o p c 服务器结构示意图如图3 5 所示。 图3 - 5o p c 服务器结构示意图 这里我们假设现场设备采用的协议是1 0 3 协议，建立一个o p c ( 1 0 3 ) 服务器，实现该服务器我们面临以下三个问题： 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 ( 1 ) 如何建立一个o p c 服务器，即建立一个o p c 服务器的开发步骤； ( 2 ) o p c 服务器端包含何种接口和各接口所提供的服务； ( 3 ) 如何实现o p ci t e m 与1 0 3 数据的映射。 1 o p c 服务器开发步骤： o p c 服务器的开发分为两种模式：全程开发和平台开发。全程开发是直 接调用基金会提供的通用模块和接口文件，编写c o m 应用程序实现o p c 定 制和自动化接口，完成服务器的创建；平台开发则是由第三方软件公司根据 o p c 规范编写开发工具包，支持工具包平台之上的服务器的开发，用户不需 要了解c o m 机制和接口实现细节，只需调用工具包模块，利用工具包提供 的简单接1 2 1 ，就可以建立服务器【2 3 i 。由于全程开发工作繁重、开发周期长， 所以本文选择平台开发方式，应用了k o s 砌) k ( o p c 服务器快速开发包) ， 并在m i c r o s o f tv c + + 6 0 环境下给出了具体的实现。图3 - 6 为基于k o s r d k 的o p c 服务器开发的实现过程，其基本过程如下： 图3 6 基于k o s r d k 的o p c 服务器开发的实现流程 ( 1 ) 运行环境设置。 下载并安装o p c 代理存根d l l ； 将以下四个文件拷贝到系统目录( s y s t e m 3 2 ) 下：o p c p r o x y d l l 、 o p c c o m n _ p s d l l 、o p c a ep s d l l 、o p c h d _ p s d l h 注册o p c 代理存根d l l ：在命令行中使用r e g s v r 3 2 命令将以上四 个文件注册到系统中； 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 安装a c t x p r x y d l l 文件。 ( 2 1 编程环境设置。 在v i s u a lc h n e t 环境下，将快速开发包内的k o s r d k d l l 主文件、 k o s r d k a p i h ( 头文件) 和库文件k o s r d k 1 i b ( 主文件的输出定义文件) ，还有 o p c d a h 文件加入到o p c 服务器开发程序所在的文件夹中，按照动态连接库 中提供的应用编程接口( a p i ) b p 可完成o p c 服务器的开发，内存利用率高并 且易于修改。 ( 3 ) 获取服务器c l s i d 。 。 根据o p c 服务器全球唯一的g u i d ( g l o b a lu n i q u ei d e n t i f i e r ) 类型标识用 微软的工具g u i d g e n e x e 生成服务器的c l s i d ： s t a t i cc o n s tg u i dc l s m _ s v r = 0 x c b 4 0 1 0 e 0 ，0 x 1 4 2 3 ，0 x 4 2 8 4 ， 0 x 9 f ，0 x 4 5 ， 0 x 9 e , 0 x 3 9 ，0 x 2 b ，0 x c e ，0 x 7 f l0 x 9 6 。 h 1 系统的设置与初始化。 系统的设置与初始化作用是设置o p c 服务器的名称，确定o p c 服务器 的数据扫描频率，设置o p c 服务器开发包提供的d l l 与开发者之间的通信 函数，同时完成o p c 服务器在系统注册表中的注册。 服务器的名称：设置o p c 服务器的名称，用于系统注册和标识。客户 端程序根据该名称连接到o p c 服务器，在o p c 服务器程序初始化入口处定 义服务器名称与服务器描述的字符串变量。 服务器初始化：调用k o si n i t o 对服务器进行初始化。 函数原型：b o o lk o si n i t ( g u i dc l s i ds v r , u i n tu p d a t e r a t e ) ，其 中第一个参数为服务器的c l s i d ，第二个参数为服务器的数据扫描频率，代 码如下：k o si n i t ( c l s i ds v r ，l o o ) ；该函数在系统中注册了o p c 服务器， 服务器的刷新频率为i o o m s 。 ( 5 ) 注册与反注册。 o p c 服务器必须在系统里注册后才能被o p c 客户端程序检索到，反注 册则将注册信息从系统注册表中清除，保证系统注册表的清洁；注册与反注 册使用了在前几步中设置的c l s i d 、服务器名称等参数。 注册：k o s r e g i s t e r ( c l s i ds v r ，m _ s t r s v r n a m e ，m _ s t r s v r d e s e ，s t r f i l e ) ： 通过k o s r e g i s t e r 进行o p c 服务器的注册。c l s i ds v r 为服务器的全 球唯一i d ，s t r s v r n a m e 为服务器名称，s t r s v r d e s c 为服务器描述，s t r f i l e 为 o p c 服务器的可执行文件全路径。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 反注册：k o s ，_unregister(clsid_svr ms t r s v r n a m e ) ； 在k o s 函数参数中指定服务器的全球唯一id，并指定服务unregister 器名称，即可完成对o p c 服务器的反注册。 ( 6 ) 添加o p c 项。 服务器端的每一个o p c 项( o p ci t e m ) 对应一个具体设备的参数，在初始 化工作完成之后，需要将设备的各个参数即o p ci t e m 添加到o p cs e r v e r d l l 中，这样o p c 客户端就能够检索和使用o p ci t e m 【3 7 1 。 添加o p c 项使用a p i 函数： h a n d l ew i n a p ik o s _ a d d l t e m ( c s t r i n gn a m e ， v a i u a n tv a l u e ， w o r di n i t i a l q u a l i t ， b o o li s w r i t e a b l e ) ； 参数描述 c s t r i n gn a m eo p c 项的名称，不允许重复 v a r l a n tv a l u eo p c 项的数据值 w o r di n i t i a l q u a l i t yo p c 项的质量 b o o li s w r i t e a b l e o p c 项的读写属性，t r u e 可读写，f a l s e 只读 该函数调用失败时返回n u l l ，调用成功则返回新增o p c 项在 o p c s e r v e rd l l 中的句柄( h a n d l e ) 。 。 当o p ci t e m 添加到o p c 服务器列表中时，k o