（计算机应用技术专业论文）基于opc的厂站数据采集系统的设计与实现.pdf

北京邮电大学硕士学位论文基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 摘要 随着计算机技术、网络技术及通信技术迅猛的发展，传统的计算机 监测系统设计方法已不适应发展的需要，不仅系统的升级和移植都不方 便，而且其实时性、稳定安全性也逐渐满足不了要求，o p c 技术的产生 和应用彻底改变了这种状况。统一、标准化的理念使得系统更具有开放 性、互联、互操作性，使整个异构网段间简捷、方便地进行数据交换， 便于系统的集成。o p c 为自动化系统中的各种不同应用之间提供了一种 标准的数据交换、访问机制，这样不仅为软硬件厂商以及用户销售商都 带来了重大的经济效益，同时也带来了更多的方便和快捷。 o p c 即o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，是用于过程控制的对象连接与嵌入 技术。它为过程控制和工业自动化领域提供了一套标准的接口、属性和 方法，是实现控制系统现场设备级与过程管理级信息交互，实现控制系 统开放性的关键技术。 本文作者详细研究了o p c 技术规范，对o p c 数据访问自动化接口 标准( 版本2 o ) 进行分析，提出了由外部o p c 客户端访问组态软件，并进 行远程传输的数据采集系统。解决了由中水监控指挥中心向底层各厂站 进行数据远程采集和降低无线传输数据量的问题。是结合了o p c 、多线 程和s o c k e t 编程等技术将数据读取、数据分析和远程无线传输集于一身 的软件系统。 文章首先简单介绍了整个中水监控指挥中心系统和o p c 技术的发 展与现状；其次详细阐述了o p c 的技术规范和接口对象，提出了数据 采集系统的设计架构，对o p c 客户端、数据分析模型和远程数据传输 模块进行详细设计；针对无线链路传输的不稳定性，提出周期链路检测 机制；最后，对已完成的工作进行了总结，并对今后的工作进行了展望。 关键词：o p c 技术工业组态软件多线程技术s o c k e t 编程 北京邮电大学硕上学位论文 基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 d e s i g na n dr e a i 。i z a t i o no ff a c t o r y d a t ac o l l e c t i o ns y s t e mb a s eo n o p ct e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h e p r o g r e s s o f c o m p u t e rt e c h n i q u e ，n e t w o r kt e c h n i q u e a n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t r a d i t i o n a l d e s i g nm e t h o df o rc o m p u t e rb a s e d s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls y s t e mh a sn o tb e e ns u i t a b l ef o rt h er e q u i r e m e n t so f t h ed e v e l o p m e n t ，t h eu p g r a d ea n dt r a n s p l a n to ft h es y s t e mi si n c o n v e n i e n t ， a n dt h er e a l t i m ea n ds e c u r i t yb e c o m em o r ea n dm o r ed i f f i c u l ta sw e l l t h e s i t u a t i o ni sc h a n g e dd r a s t i c a l l yw i t ht h ea p p l i c a t i o no fo p ct e c h n o l o g y t h e t h e o r y o fu n i f i c a t i o na n ds t a n d a r dm a k e st h e s y s t e mm o r ee x o t e r i c ， c o m m u t a t i v e ，i n t e r a c t i n ga n db ec o n v e n i e n tf o rt h ed a t ae x c h a n g ea n ds y s t e m i n t e g r a t i o n o p c p r o v i d e sa k i n do fn o r m a ld a t ae x c h a n g em e c h a n i s mf o r m a n yd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s i na u t o m a t i c s y s t e m t h es o f t w a r e - h a r d w a r e m a n u f a c t u r e r sa n du s e r sm a yb e n e f i tf r o mi t o p c ( ，o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) i sa na d v a n c e dd a t aa c c e s st e c h n i q u e u s e di np r o c e s sc o n t r 0 1 i tp r o v i d eas u i to fc o m m o ni n t e r f a c e ，p r o p e r t ya n d f u n c t i o n ，i ti sa l s ot h ek e yt e c h n o l o g yo ft h er e a l i z a t i o no fe q u i p m e n tc o n t r o l ， p r o c e s sm a n a g e m e n t ，i n f o r m a t i o ne x c h a n g ea n do p e ns y s t e mf o rc o n t r 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s eo nt h es t u d yo fo p ct e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n a n d a n a l y s eo fo p ca u t o m a t i ci n t e r f a c eo fd a t aa c c e s s ( 2 0e d i t i o n ) i tb r i n g s f o r w a r dad a t ac o l l e c t i o ns y s t e mt h a ti n t e g r a t e dw i t ht h ew i r e l e s st r a n s f e r s f u n c t i o n ，a c c e s s i n gt ot h es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o ls o f t w a r eb yo p cc l i e n t t h i ss y s t e ma c c o u n t sf o rt h ed a t ac o l l e c t i o no ft h er w m c c s y s t e mf r o mt h e d i s p e r s i v ef a c t o r i e sr e m o t e l y ，a n dr e d u c e st h ed a t ao fw a r e l e s st r a n s m i s s i o n i t i sas y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ed a t ac o l l e c t i o n ，d a t aa n a l y z ea n dw i r e l e s s t r a n s f e r sw i t ht h e t e c h n o l o g y o f o p c ， m u l t i t h r e a d i n g a n ds o c k e t 2 北京邮电大学硕上学位论文 基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 p r o g r a m m i n g t h ew h o l er w m c c s y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n to fo p ct e c h n o l o g y w i l lb ei n t r o d u c e ds i m p l ya tf i r s t t h e ne x p a t i a t et h es p e c i f i c a t i o na n do b j e c t i n t e r f a c eo fo p c p u tf o r w a r dt h ef r a m eo ft h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e m t h e d e t a i l e dd e s i g no ft h eo p cc l i e n t ，t h ed a t aa n a l y s i sm o d e la n dt h ed a t a t r a n s m i s s i o nm o d e l t h ec h a i n sc y c l ed e t e c t i o nm e c h a n i s mi sd e a da g a i n s tt h e i n s t a b i l i t yo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n a tl a s t s u m m a r i z et h ef i n i s h e dw o r ka n d b r i n gf o r w a r ds o m ei m p r o v e m e n ti d e a so ft h i ss y s t e m k e y w o r d s ：o p ct e c h n o l o g y s u p e r v i s o r ya n d c o n t r o ls o f t w a r e m u l t i t h r e a i n gt e c h n o l o g y s o c k e tp r o g r a m m i n g 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 盏i 碰1 日期：驰副j l 玉l 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，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，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 瓠训 勾乃石锄 同期：五盔! 兰王1 日期：础：笙= 互 北京邮电大学硕士论文基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 1 1 背景资料 1 1 1 研究背景 第一章概论弟一早僦t 匕 随着微电子、计算机、通信和网络等技术的发展，自动化领域发生着深刻的 变化。各种智能仪器仪表越来越多地活跃在工业现场，可以提供以前无法得到的 大量信息。这些信息不仅包括现场的温度、压力等被测参数，也包括装置本身的 运行状况、组态参数。当大量现场信息由智能仪表直接进入监控计算机或通过现 场总线传至监控计算机后，一方面存在着计算机内部应用程序对现场信息的共享 与交互问题；另一方面，企业内部现场控制层、生产管理层和经营管理层的应用 软件之间的数据也难以共享与交互，这就形成了“信息孤岛”的现象。因此有必 要统一数据的访问标准。o p c 技术工f 是在这样的背景下应用而生的。o p c 为多 种多样的过程控制设备提供了一个公共的接口，而与过程中的控制软件与设备无 关，可以减化和促进企业内部各系统的集成，更方便地实现“管控一体化”。 o p c 技术的发展也十分迅速，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 t i o n ) 、i n t o u c 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 t 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 m e 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。 本文所涉及的项目即中水公司监控指挥中心系统是北京京城中水有限责任 公司为响应上级主管部门关于通过加快加强企业信息化建设，促进和提高企业生 产管理效率和销售服务水平的精神，根据企业在管网建设、中水生产、中水销售、 运营管理和客户服务等方面的发展需要，以提高企业的生产管理效率，扩大企业 的销售规模，提高企业的服务水准为目的而建立的企业信息化系统。 北京邮电大学硕士论文基于o p c 的j 。站数据采集系统的设计与实现 现在北京各个城区分布着方庄、酒仙桥、小红门、清河、高碑店、吴家村、 八一湖等多个中水厂站和污水处理厂，这些水厂和厂站都是通过使用o p c 规范 的组态软件对各自的水质参数和系统信息进行监控，这说明o p c 技术已经广泛 运用到水质监控系统中。 根据中水公司的业务特点，公司对上述水厂的水质、管网的运行以及厂站的 参数需要实施实时的监控管理，同时其各个部门的业务数据也较多，部门之间的 数据交流也比较频繁。考虑到数据集中存储管理的方便和安全性，将成立一个集 中的监控指挥中心。根据中水数字化建设的需要和便于对数据实施集中管理，监 控指挥中心( 中控室) 将集中放置各种服务器和装有软件系统的监控p c ，同时， 利用视频显示设备( 拼接墙) ，对监控的内容实行可选择性的放大显示处理，将 目前的模拟监控系统改造成一个集数据管理和可视化监控功能的数字系统，将中 控室建成中水的数据监控管理中心和通信服务中心，为中水的管理决策提供统计 数据支持。 中水监控指挥中心系统( r w m c c ) 包括监控中心、地理信息系统( g i s ) 以及移 动办公系统。监控中心是基于w i n d o w s 环境下开发的，对应用o p c 技术的组 态监控软件向下兼容，通过厂站数据采集系统，接受厂站组态软件的监控数据， 并可对组态软件直接进行数据传送和操作，实现对厂内工作的监控；地理信息系 统为系统提供了地理信息服务，可以方便直观地进行各种操作。监控中心也提供 了多种管理功能从而实现中水业务的全面信息化网络化。 为了能够实时对各个厂站的情况进行统一监控，中水公司不仅在方庄总部建 立了监控指挥中心室，并且在酒仙桥等各中水厂和污水处理厂分别陆续建成了监 控厂站。这就需要一个能够通过o p c 规范访问各厂的组态软件，并且通过无线 网络实时传输监控数据的厂站系统，厂站数据采集系统就是在这样的背景下应运 而生，它不仅将采集到的厂站监控实时数据进行上传，还对数据进行分析和告警， 使监控中心能够及时地掌握各个厂站的实际运行情况。 1 1 2 监控指挥中心介绍 本文所设计的厂站数据采集系统是整个监控中心的重要组成部分，可以说是 监控指挥中心分布在底层各个厂站的子系统，下面就先将整个监控指挥中心进行 简要介绍： 1 、总体功能概述 中水监控指挥中心系统是一个自成体系的完整系统，同时又是一个开放、共 北京邮电大学硕十论文 基于o p c 的j 。站数据采集系统的设计与实现 享的系统。监控指挥中心既是中水公司中水生产、供应、应急抢险的调度指中心， 也是中水公司相关数据的汇集、发散中心，是中水公司相关生产、运营、管理数 据资源的权威发布的平台。中水监控指挥中心采用的设备以及技术都是高科技 化、数字化的。中水监控指挥中心依托数据系统，控制接入系统和显示系统，可 以完成日常的管网监控、故障处理、生产供应调度等基本功能，还可以完成在特 定情况下的应急指挥调度等功能。 中水监控指挥中心的建设是一个综合性的系统工程，涉及了计算机软、硬件、 计算机网络、有线通信、无线通信、g i s 地理信息系统、监控、报警、图像等许 多领域，主要由“中水g i s 共享平台”、“中水管网监控子系统”、“监控指挥中心 视频子系统”、“中水运管通子系统”、“中水客户关系管理子系统”、“无线视频监 控子系统”、“中水应急指挥子系统”、“中水数据中心子系统”等多个子系统组成， 同时包括复杂的计算机网络、有线及无线通信系统、电源保障系统、监控台坐席 等。 2 、系统结构框架 图1 1 系统拓扑图1 4 北京邮电大学硕上论文 基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 图1 - 1 上面灰色方块部分是监控大屏幕显示的内容，分块显示g i s 监控分系 统、用户及客服和视频监控等系统的实时监控状态。中心控制室由多台计算机进 行管理和监控，所有的数据都由专门的服务器进行管理。整套系统通过两种途径 与外界进行交互，一个途径是远程用户通过i n t e r n e t 进行远程登录管理；另一个途 径是通过d d n 专网进行实时数据的传输。 各功能模块的结构如下图所示： 监控点配置设备管理统计报表厂站信息管理 用户管理日志管理系统设置告警逻辑单元 客户信息管理管井信息管理管线信息管理监控数据单元 l o g i cl a y e r 统计报表厂站信息管理 监控点配置界面设备管理界面 界面界面 系统设置 用户管理界面日志管理界面告警参数的呈现 界面 客户信息管理管井信息管理管线信息管理监控数据的 界面界面界面g i s 呈现 p r e s e n t a t i o nl a y e r 图卜2 功能模块结构图 p r e s e n t a t i o nl a y e r 为用户交互的数据呈现层，本系统中为监控界面，采用 g i s 呈现的方式； l o g i cl a y e r 支持p r e s e n t a t i o nl a y e r 需要的业务逻辑，本系统为中水监控管 理业务逻辑； c o m m u n i c a t i o nl a y e r 负责管理器和处理服务器之间的交互； d a t a a c c e s sl a y e r 负责管理器和数据库的交互。 功能说明： 1 ) 监控中水管网状态 通过采集的监控数据了解各监控点的压力、流量等参数。 北京邮电人学硕上论文基于o p c 的j 。站数据采集系统的设计与实现 2 ) 分析监控数据 分析某个监控点一段时间内压力流量等参数的变化趋势，比较同一流域下的 监控点在同一时刻的压力和流量。 3 ) 告警处理 处理服务器要能够及时准确的发现系统或者某个r t u 的故障，并故障进行 准确的定位。这种定位不仅包括故障的所在系统中位置，性质和故障的起因等。 同时还能对故障做出相应处理，如发给短信代理模块由其代发给相关的工作人 员。 4 ) 相关信息查询 可以查询街道、管网以及中水用户的信息。 5 ) 报表统计 以报表形式统计监控数据、告警信息、管网信息和中水销售状况。 6 ) 和r w m c c 处理服务器协同工作 处理服务器接收r w m c c 管理器的连接，之后根据管理器的请求将相关的数 据发送到对应的r t u ( 远程传输单元) 。处理服务器和管理器之间的通信采用 s o c k e t 消息，消息格式使用x m l 进行封装。 3 、总体设计原则 先进性 本系统中采用大量当今先进成熟的技术，充分利用各领域优秀技术成果，使 整个系统在技术上处于领先的地位，最大限度的延长系统的使用生命周期。同时， 采用先进的主机设备及相应级别的辅助设备，并充分考虑到与综合布线、通讯网 络、数据呈现、音频系统、计算机网络等系统的接口和配套，使系统具有一定的 超前性，确保系统长期高效运行。 可靠性 采用多种容错、纠错、备份技术手段，保证数据的传送、处理和存储的可靠 性、安全性，保障系统软件稳定、高效的运行；同时，采用先进设备，保证系统 硬件运行得可靠性、稳定性、安全性。通过多种硬件、软件可靠性保证措施，保 证系统运行的可靠性，根本提高业务效率。 实用性 本系统的设计以大量的需求调研和需求分析为基础，完全遵循中水公司业务 流程，并以中水公司现有资源为基础，通过友好的用户界面、便捷的业务操作、 高效的调度指挥手段，使工作人员更便于操作和使用，充分保证了系统的实用性， 提高了业务处理速度及其可靠性。 扩展性 北京邮电大学硕士论文 基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 本系统不仅能支持现有的业务应用，还通过系统架构设计、软件接口预留、 硬件选型、网络设计上保证系统能够根据需要进行扩展，以满足不断增长的中水 业务需求。同时在空间布局、系统电网容量、端口等方面尚有充分的扩展余地， 便于系统进一步开发以及适应未来系统更新换代。 4 、系统界面 图1 3 是现运行的监控指挥中心系统的界面举例。 匡雪蚕虱匡囊重蛩匾蔓圈蠹匿霾蕈圈 监控地址树4 一口中水监控秉兢 一阮浯仙矫再生水厂 一吕等压线1 赏p t 一北诸集团 矗p 4 - 太舍嘉围 嚣p 1 2 - 末四环东风南路 矗p 1 3 蠢郡 嚣p 1 7 加水机t 加油站 一髫等压线2 嚣p 3 - 罗马京目 嚣p 5 一十里堡北里 嚣p 6 - 朝匠求龉 茹p 7 一壳马再南 嚣p 8 一置杉末店路 靠p l i 一董杉末店踏北 嚣p i + 团结湖 赏p 1 6 一加水机( 观潮匡 矗p 1 8 加水机( 蹴郡) 一g 等压鸯j 1 3 矗p 2 一女呼日北路 嚣p 9 一章中心小区 矗p i o 幺彖店踌 聪灌 碍再生水厂 一譬等压线l 囊p 3 涪挣北n m 瞎 赏p 4 加水桃浩河水厂 矗p h l 9 _ t h l 2 1 一吕等压线2 嚣p i 周良路 ep 2 一林萃路 常p s _ j 0 5 息站 矗f 陆囹明园公园 j 囹图圆圆国围国囤园圃图 北京京城中水监控指挥管理系统l l 未处理j 处理中 已处理， 告警编号 9 6 0 1 9 6 9 6 7 6 9 5 8 1 7 7 9 5 2 b 9 6 7 9 饿m 9 5 4 0 9 6 1 1 9 6 0 3 9 5 9 3 9 6 5 t 9 m 9 5 8 7 售b 8 5 9 5 1 6 9 6 6 b 9 6 6 4 9 5 9 9 告警时橱 2 t 一8 2 81 5 2 0 0 t 一8 2 92 2 0 0 t 一8 2 91 i 2 0 昕一8 2 9i l 2 0 0 7 8 2 91 2 2 0 0 t 一8 2 91 3 2 0 0 t 一8 2 91 3 2 0 0 7 8 2 。1 3 2 0 0 7 8 2 91 3 2 0 0 t 一8 2 91 4 2 0 0 7 8 2 9i 4 2 0 0 t 一8 2 91 4 2 0 0 7 8 2 91 4 2 0 0 702 91 5 2 0 0 t 一8 一1 5 2 0 0 7 - 8 2 91 7 2 0 0 7 8 2 91 7 2 0 0 7 8 2 9l t 2 0 0 t 一8 2 9i t 2 0 0 t 一8 2 9t t 3 51 4 3 2 9 0 7 5 2 2 5 ：4 0 0 0t 9 3 3 ：4 0 4 4 ：4 2 4 90 5 5 85 1 0 9 2 9 2 9 。2 2 3 t5 0 4 31 0 1 1 4 7 1 5 4 6 0 34 5 0 7 0 1 1 7 ：2 8 1 8 0 9 3 l2 3 告警地点 幺京店路 末四环东 亮马河雨 西四环水 树丰寸路 北、涪集团 测、试 小红门泵站 朝园东路 黄杉木店路 盖杉术店 郑草庄热 亮马河南 信 可再生 浯伺再生 嗽郡 土台嘉园 关寡轲再 昊富轲再 非中心小区 巳圃 告 压 压 井 井 井 液 浪 蒗 井 压 压 井 压 流 r t 井 压 琉 施 压 国燮塑围曩焉。 毒待拦 事件日期 卿司远程终端单元所魇营井 黧浚溯懑觏 圈 图卜3 监控中心系统界面图 1 2 国内外研究的发展与现状 1 2 1 工控技术的发展 燃缓黝麓 随着科学技术特别是计算机技术的进步，工业控制系统的发展经历了单机监 督控制系统、分散控制系统和现场总线控制系统等阶段。相应的系统控制软件也 由专用、单任务、单机发展到可组态的、通用的、网络化的阶段。 6 k 彩 北京邮电大学硕上论文基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 传统的工业控制系统软件推动了社会生产的发展，但由于不具备开放性，各 个部分的联系过于紧密，使系统过于复杂。这样的系统的更新、扩展和升级变的 非常困难。对系统的任何一部分的修改都有可能对其它部分造成影响，从而导致 大量的烦琐的软件和硬件的修改。 传统的工业控制软件开发中出现的另一个主要问题是软件的重复开发，软件 不能够复用，资源不能共享，造成大量的人力与物力资源的浪费。虽然高级语言 函数库的使用，使得我们可以利用面向对象的继承等方法大量重用源代码，但这 些复用只是对源代码级的复用而不是对可执行文件级的复用。同时，不同的开发 语言所编写的代码之问不通用，也大大限制了软件的复用。 由于没有一个统一的标准，大部分的自动控制系统和信息系统都有其专用的 技术和应用程序接口( a p i ) ，不同的设备供应商各自开发自己专用的硬件和软件 解决方案。以往的信息系统集成主要采用如下的方式：针对每一种的应用，各分 系统之间通过开发定制的一对一专用集成接口，实现数据交互和集成。在这种方 式中，由于众多不同类型的控制设备和软件包需要互相进行通信，所以需要开发 数量庞大的一对一集成接口，花费在接口程序开发上面的时间和花销非常巨大。 与此同时，当系统中某一设备发生改变的时候，将有可能由于原有接口的变化， 导致整个系统受到影响，从而大大增加了系统维护升级的复杂性。而且，采用这 种方式，系统的不同部分之间将很难进行协同工作，各部分不具有互操作性。问 题的解决方案是，建立一个通用的接口标准，这个标准为自动控制和工厂自动化 提供真正的“即插即用”软件技术，使得自动控制和工厂自动化的所有系统、设备 以及应用程序可以自由地连接和通信1 5 j 。 一般工业控制系统作为分布式的结构，实现人机接口、通信、数据处理等功 能在网络上的分布，同时将一个系统划分成若干个子系统，虽然降低了系统的复 杂程度，改善了系统的性能，便于整个系统的开发，减少了开发周期与维护费用。 但由于系统各个计算机的通讯协议依赖于某个厂商，没有形成统一的标准，不同 厂家之问的软件与硬件的集成难于实现。因此也没有真正实现不同厂家的软件共 享。 为了解决工业控制领域的上述问题，利用微软技术的o l e c o m ( 0 b j e c t l i n k i n ga n de m b e d d i n g c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，对象连接与嵌入组件对象模 型) 技术实现工业控制领域的数据交换的标准化，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 ) 技术应运而生。 北京邮电大学顾十论文基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 1 2 2o p c 技术的现状 o p c 技术作为世界工控行业的标准，为新的i t 产业革命克服了诸多厂商之 间的数据交换以及标准化应用接口设计的障碍。数据存取规范提供了应用程序之 问传送单个数据的灵活、高效的方法，但对于传送结构数据和可执行的命令却并 不合适。例如当o p c 服务器传送一个大的的二进制对象( 如设备的组念配置信 息，p l c 的梯形图程序、或高速采样设备获得的信号波形数据) 时，o p c 客户 将不知道如何对此对象进行解码，或者命令串可能包含保留的变量名。复杂数据 工作组的工作就是对o p c 数据存取规范d a s ( d a t aa c c e s ss p e c i f i c a t i o n ) 进行扩展 或定义一个新的接口集，这些新的接口将允许o p c 客户和服务器能够识别、交 换和解码结构性数据，并能够传送命令串和监视命令串在设备中的实行情况。新 的接口集应是对现有的接口的补充，而且不能与现有的接口重复。 一些高效、底层的应用程序，如软p l c 、软控件，需要对数据进行简单、快 速的存取，而o p c 数据存取规范包括许多这类应用程序并不需要的高级功能， 此外o p c 数据存取规范大量使用服务器定义的“o u t ”参数，降低了其运行效率， 限制了在实时环境下的应用。公共i o 接口工作组的任务就是开发一个简单、高 效的数据存取规范，特别是对物理i o 的直接操作。该接口应尽可能基于现有的 i e c l l 3 1 的标准功能，以支持传统p l c 的编程：该工作组还希望定义一组由一个 d l l 库导出的纯c 接口函数，并由一个简单的c o m 接口封装。当然，这个接 口应该是对现有数据存取规范的补充，而不是与之进行竞争，该接口将被严格限 制于实时应用中。 o p c 标准的制定虽然主要由少数几家公司所推动，但是已制定的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 l in s t r u m e n t s ，s i e m e n s ，t o 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1 2 j 。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 0 0 家，登记在册得己有6 0 0 多种o p c 产品。 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 标准丌发其软件产品。u sd a t a 公司 开发了一种叫做o p c 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 av 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，现已利用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。 北京邮电大学硕士论文基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 1 2 3o p c 技术在国内的发展 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i 引。 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和 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。 1 3 研究内容 本文的研究内容主要是针对中水监控指挥中心采集底层各厂站组态软件的 实时监控数据的需求，利用o p c 技术和c 粕吾言实现数据采集系统的设计过程。 主要可以分为两部分内容： 一是数据采集模块，这部分的主要内容是o p c 技术，是本文的重点研究对 象，包括o p c 技术的体系结构、接口规范和对象模型等。重点介绍了访问组态 软件的外部o p c 客户端的设计过程。提出了由独立的o p c 客户端软件对组态软 件进行数据采集的设计思路，同时对采集数据参数的选择性传输降低了无线传输 的数据量，提高了传输效率。 二是数据分析上传模块，这部分主要是将从组态软件中读取的数据通过 g p r s 无线网络上传到监控中心。同时，对各个有上下限限制的数据进行对比分 析，对出现超过上下限的情况进行告警处理，还包括上报消息包括监控数据、登 陆消息、告警消息等。研究了通过多线程技术对多个线程进行并行处理，以及利 用s o c k e t 编程实现远程数据传输。 北京邮电人学硕上论文 桀于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 1 4 论文工作安排 在研究生期间，笔者参与了北京城市网上科技发展有限公司开发的中水监控 指挥中心的开发，主要设计了数据采集系统，对o p c 技术的相关知识做了深入 研究，针对具体的开发需求，以基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现为 选题，有步骤地进行了表1 - 1 所示的工作。 表1 - 1 论文的工作进度 时间工作内容 2 0 0 7 0 1 2 0 0 7 0 2准备阶段，了解课题背景以及国内外行业发展状况，搜集并整理 各种文献资料。包括无线n e t 技术、o p c 相关内容、软件设计方 法、例编程方面的相关知识，完成监控系统的需求分析。 2 0 0 7 0 3 2 0 0 7 0 4 根据需求完成采集系统的概要设计。详细设计系统的各部分功能 和界面风格，并搭建系统运行所需要的虚拟环境。 2 0 0 7 0 5 - - 2 0 0 7 0 6业务逻辑编码，联调测试，完善系统功能。总结课题阶段成果。 2 0 0 7 0 7 - - 2 0 0 7 0 9 系统投入实际使用，系统测试，修改b u g ，优化软件结构。 2 0 0 7 1 0 一2 0 0 7 1 2根据收集整理的材料，以及系统实际运行情况，首先完成论文框 架修订，修订研究方向。在项目和材料准备充分情况下，定论文 初稿。 2 0 0 8 0 1 2 0 0 8 0 3 文字归纳总结课题成果、整理资料、总结数据，完成毕业论文。 1 5 论文组织结构 本课题以北京城市网上科技发展有限公司开发的、北京京城中水公司监控指 挥中心的数据采集系统为研究对象，深入分析了o p c 技术进行数据传输的原理、 过程和方法，重点研究了o p c 技术规范的体系结构。设计了一种支持工业组态 软件的o p c 客户端体系结构，并且在此基础上新增开发了数据分析和数据传输 功能模块。论文的组织结构按照以下几方面内容进行安排： 第一章：概论，介绍了课题的研究背景、研究现状和研究内容，包括o p c 技术的发展现状和背景项目中水监控指挥中心系统的简要介绍等内容。 第二章：对o p c 技术进行研究，主要从体系结构、接口规范、对象模型、 传输机制等方面对o p c 技术的工作原理和运行机制进行分析，重点研究o p c 技 术中的服务器对象接口，分析了o p c 技术实现与组态软件进行交互的客户端的 北京邮电人学硕士论文 基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 原理和方法。 第三章：数据采集系统体系的结构设计。根据监控中心功能需求和厂站组态 软件的实际情况，设计出一个能够进行数据访问和数据分析传输的数据采集系 统。主要介绍了整个系统的体系结构和框架模型。 第四章：组态软件数据访问，即o p c 客户端的设计与实现，介绍了开发o p c 客户端的具体过程。重点叙述了o p c 接口方法的实现和对组态软件的访问。 第五章：数据分析处理与传输，通过利用多线程技术，实现了对采集数据的 并行处理，包括数据的分析、告警和各种消息的传输。数据传输部分则涉及到了 部分s o c k e t 编程的内容。 第六章：总结，结合课题的研究内容和完成情况，总结了课题的研究成果， 以及开发过程中所遇到的问题和解决方案。 最后在对论文工作进行总结的基础之上，指出了其中的不足和需要改进之 处，并对今后的研究工作提出了规划。 北京邮电人学硕士论文基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 2 1o p c 概述 2 1 1o p c 规范简介 第二章o p c 技术研究 o p c 规范是一组以组件对象模型和分布式组件对象模型( c o m d c o m ) 技术 为基础定义的与厂商无关的接口规范，是由世界领先的自动化厂商与微软合作制 定的一项工业标准，它为自动控制和工业自动化领域提供一个开放的、灵活的、 即插即用的工业标准。o p c 标准要求所有硬件供应商将硬件设备驱动程序封装 成独立的o p c 服务器。上层应用作为o p c 客户端，可以不包含任何的通信接口 程序，不必关心底层的硬件设备特性，也不必考虑软硬件如何通信，只要遵循 o p c 规范就可以进行通信，从而多种系统之间真正的集成。上层的信息集成系 统就脱离自动控制系统而独立出来成为o p c 的客户程序。 o p c 采用客户j j 及务器：( c l i e n t s e r v e r ) 模式，定义了一组c o m 对象及其接口 规范。o p c 规范定义了客户程序与服务器程序进行交互的方法，但并没有规定 具体的实现，o p c 服务器可由不同供应商提供，其代码决定了服务器访问物理 设备的方式、数据处理等细节。但这些对o p c 客户程序来说都是透明的，只需 要遵循相同的规范或方法就能读取服务器中的数据。通过c o m 接口，o p c 客户 程序可以和一个或多个提供商的o p c 服务器连接。同时一个o p c 服务器也可以 和多个客户程序相连，形成多对多的关系。任何支持o p c 的产品都可以无缝地 实现系统集成。由于o p c 技术基于d c o m ，所以客户程序和服务器可以分布在 不同的主机上，形成网络化的监控系统 9 1 。 o p c 技术从一出现就开始受到各大厂商的重视，发展非常迅速。国内外许 多公司纷纷在自己的产品中增加o p c 服务器或者o p c 接口支持。o p c 客户程序 和o p c 服务器的开发工具软件也已经面世，厂商和客户能很方便定制开发自己 的o p c 客户程序和o p c 服务器。o p c 技术己经成为工业控制领域中的一项核心 技术，并在其他很多领域得到广泛应用。 北京邮电大学硕上论文基于o p c 的厂站数据采集系统的设计与实现 2 1 2c o m d c o m c o m d c o m 是将面向对象和分布式两大技术相结合，而具体形成具有一定 服务的软件组件的开发标准和规范。本文只能就概念和作用方面作一些简要的说 明。 c o m 组件是以w i n 3 2 动态链接库( d l l s ) 或可执行文件( e x e s ) 的形式发布的 可执行代码组成。它是封装的、可动态链接的，但它并不是一种计算机语言，而 只是说明如何来编写组件。至于用什么语言编写是没有限制的，而且本身也并没 有提供任何的实现，只是一种开发与语言无关组件库的方法。既基于面向对象的 技术，又有别于面向对象的编程( c o m 组件只支持接口的继承，而不支持传统 的o o p 的继承) ，侧重于组件的开发与再使用。提供了一种通用的软件服务方法， 是基于对象的编程模型。但在使用时，并不是直接与组件发生关系，而是通过组 件所支持的接口来使用其功能。通常，一个c o m 组件支持一个或多个接口，每 个接口包含若干种方法，每种方法实现某个特定任务的函数或过程【6 ，7 1 。 c o m 技术的出现为简单地实现控制设备和控制管理系统之间的数据交换提 供了技术基础。但是如果不提供一个工业标准化的c o m 接口，各个控制设备厂 家开发的c o m 组件之间的相互连接仍然是不可能的。这样的工业标准的提供， 乃是o p c 的目的所在。o p c 是作为工业标准定义的特殊的c o m 接口。 2 1 3o l e 技术 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 ，对象连接与嵌入) 是m c i o r o s f t 公司同 计算机界合作并发展起来