基于OPC技術(shù)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：OPC是為了解決應(yīng)用軟件和各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通信問題而產(chǎn)生的一項(xiàng)工業(yè)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，這里探討了基于OPC技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控與安全防范系統(tǒng)的集成解決方案；闡述了OPC技術(shù)的核心思想和知識體系；分析了OPC服務(wù)器的對象組成和結(jié)構(gòu)；給出一種基于OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并給出OPC客戶端編程示例，實(shí)現(xiàn)集成平臺和子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。
關(guān)鍵詞：OPC；環(huán)境監(jiān)控；安全防范；系統(tǒng)集成；ATL

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境監(jiān)控與安全防范系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的軟件與硬件設(shè)備的種類也越來越豐富，不同設(shè)備的通信協(xié)議也不盡相同，系統(tǒng)集成難度越來越大。因此，如何有效處理系統(tǒng)的互聯(lián)和互操作問題成為迫切需要解決的問題。由于OPC技術(shù)采用即插即用的軟件方式，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)訪問接口，簡化了系統(tǒng)集成環(huán)境，并且易于實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，使控制系統(tǒng)進(jìn)一步開放，從而使得每一個(gè)子系統(tǒng)都能夠自由的通信，實(shí)現(xiàn)了信息共享，所以O(shè)PC技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，已成為建筑智能化系統(tǒng)集成的一種新途徑。這里以智能建筑領(lǐng)域某環(huán)境監(jiān)控與安全防范系統(tǒng)為例，探討OPc技術(shù)的應(yīng)用。

l 系統(tǒng)構(gòu)建
    在某些智能樓宇中，對環(huán)境溫濕度、火災(zāi)報(bào)警與人員出入管理有較高要求，因此一套設(shè)計(jì)合理、價(jià)格適宜的環(huán)境監(jiān)控與安全防范系統(tǒng)就顯得尤為重要。這里所設(shè)計(jì)研究的系統(tǒng)主要包括溫濕度監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警和門禁控制3個(gè)子系統(tǒng)。由于現(xiàn)場設(shè)備種類和數(shù)量繁多并且在樓宇建筑內(nèi)分布廣泛，所以采用基于OPC技術(shù)的系統(tǒng)集成方案，從而成功的解決系統(tǒng)集成及各子系統(tǒng)之間的互聯(lián)性和互操作性問題。系統(tǒng)集成原理如圖1所示。

    各子系統(tǒng)OPC服務(wù)器封裝了子系統(tǒng)的訪問細(xì)節(jié)，并向上提供標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口，集成平臺各應(yīng)用軟件作為客戶端通過OPC標(biāo)準(zhǔn)接口模塊與子系統(tǒng)進(jìn)行通信和控制，并對收集到的各個(gè)子系統(tǒng)信息進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)信息共享，協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)之間的工作，從而達(dá)到控制與管理的目的，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成。

2 OPC技術(shù)簡介
    OPC(OLE for Process Control)即是把OLE應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域。工業(yè)控制領(lǐng)域要用到大量的現(xiàn)場設(shè)備，在OPC：出現(xiàn)以前，軟件開發(fā)商需要開發(fā)大量的驅(qū)動(dòng)程序連接這些設(shè)備。由于不同設(shè)備或者同一設(shè)備不同單元的驅(qū)動(dòng)程序有可能不同，軟件開發(fā)商很難同時(shí)對這些設(shè)備進(jìn)行訪問以優(yōu)化操作，且一旦硬件系統(tǒng)改動(dòng)或升級，應(yīng)用程序就可能需要重寫；同時(shí)不同客戶有著不同的應(yīng)用需求，不同硬件設(shè)備也存在不同的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，傳統(tǒng)集成方法已越來越不適應(yīng)發(fā)展需要。
    OPC技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了這一問題。OPC建立在OLE規(guī)范之上，它為工業(yè)控制領(lǐng)域提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制。它將底層硬件驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序的開發(fā)有效地分隔開，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備協(xié)議間的數(shù)據(jù)互訪，不僅易于系統(tǒng)維護(hù)和升級，而且縮短了開發(fā)時(shí)間。
    OPC規(guī)范的內(nèi)容涵蓋了數(shù)據(jù)存取、事件報(bào)警、安全性等諸多方面，主要包括：數(shù)據(jù)存取規(guī)范、報(bào)警事件規(guī)范、歷史數(shù)據(jù)存儲規(guī)范、批量過程規(guī)范和安全性規(guī)范等。OPC開發(fā)包括OPC服務(wù)器和OPC客戶端兩個(gè)部分。
    其實(shí)質(zhì)是在硬件供應(yīng)商和軟件開發(fā)商之間建立了一套完整的標(biāo)準(zhǔn)，只要遵循這套標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)交互對雙方來說就是透明的，OPC客戶端就可以方便地讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，無需重復(fù)開發(fā)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序之間可以很容易地實(shí)現(xiàn)信息的共享與交互，從而大大降低集成成本。典型的OPC體系如圖2所示。

3 OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
    OPC服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)一般有3種方法：通過快速開發(fā)工具開發(fā)OPC服務(wù)器；通過MFC(微軟基本類庫)提供的COM支持開發(fā)OPC服務(wù)器；通過ATL(活動(dòng)模板庫)開發(fā)OPC服務(wù)器。
    由于OPC快速開發(fā)工具功能有許多限制，而MFC開發(fā)基于窗口的應(yīng)用程序雖然比較方便。但它不是開發(fā)COM組件的理想工具，需要手工添加很多支持COM的基礎(chǔ)代碼。ATL是VC++提供專門針對COM應(yīng)用開發(fā)的活動(dòng)模板庫。它內(nèi)部的模板類實(shí)現(xiàn)了COM的一些基本特征。比如一些基本的COM接口，也支持COM的高級特征。如雙接口、連接點(diǎn)等，其基本目標(biāo)是使COM應(yīng)用開發(fā)盡可能的自動(dòng)化。使用ATL可以快速地開發(fā)出高效、簡潔的代碼，同時(shí)對COM組件的開發(fā)提供了一定限度的代碼自動(dòng)生成以及可視化支持。所以在此采用ATL研究OPC服務(wù)器的開發(fā)。
    OPCDA規(guī)范規(guī)定OPCDA Server包含3種對象：Server對象、Group對象和Item對象。Server對象包含了OPCDA Server的相關(guān)信息，它可以對Group對象進(jìn)行添加、刪除，是Group對象的容器。Group對象包含了這個(gè)組的相關(guān)信息，并提供了邏輯上包含組織Item對象的機(jī)制。Item對象與數(shù)據(jù)項(xiàng)關(guān)聯(lián)，每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)必須具備Value，Quality和TimeStamp三個(gè)屬性。OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    由于OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器既要對底層硬件進(jìn)行讀寫操作，又要通過OPC接口與客戶程序進(jìn)行交互，為保證數(shù)據(jù)存取的效率，所以采用多線程模型，創(chuàng)建exe形式的進(jìn)程外OPC服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的主要步驟包括：
    (1)用ATL創(chuàng)建一個(gè)exe進(jìn)程外服務(wù)器。將OPCDA規(guī)范中的IDL文件，加入項(xiàng)目中進(jìn)行編譯，將組件接口引入到工程中；
    (2)添加OPCServer對象。創(chuàng)建一個(gè)簡單的ATL對象，命名為GstServer，按照OPC規(guī)范添加相應(yīng)接口并實(shí)現(xiàn)其方法，其中AddGroup函數(shù)的實(shí)現(xiàn)是難點(diǎn)；
    (3)添加OPCGroup對象。Group對象是通過Server對象的創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)的，因此不需要類型庫，所以要在工程的OPCDA．cpp文件的對象映射中將其刪除，然后用聚合實(shí)現(xiàn)接口的添加：

    BEGIN_COM_MAP()
    COM_INTERFACE_ENTRY_AGGREGATE()
    END_COM_MAP()
    (4)定義一個(gè)類CGstItem添加Item對象。OPCItem無需實(shí)現(xiàn)任何接口功能，只要根據(jù)實(shí)際情況增加相應(yīng)的功能函數(shù)，如根據(jù)OPCltem的名稱與數(shù)據(jù)源進(jìn)行連接、讀寫數(shù)據(jù)源等；
    (5)數(shù)據(jù)存儲區(qū)的設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)存儲區(qū)包含了服務(wù)器程序定義的數(shù)據(jù)項(xiàng)。要根據(jù)項(xiàng)的數(shù)目確定緩存的大小，使得每個(gè)項(xiàng)都有相對應(yīng)的內(nèi)存空間；
    (6)OPC服務(wù)器的結(jié)構(gòu)和功能大同小異，主要的區(qū)別在于硬件驅(qū)動(dòng)程序?？梢葬槍Σ煌O(shè)備開發(fā)相應(yīng)的讀寫接口類，并與相應(yīng)的OPC服務(wù)器里的項(xiàng)對象連接起來，實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存取功能。

4 OPC客戶應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)
    在該集成系統(tǒng)中，通過自行開發(fā)的OPC客戶端實(shí)現(xiàn)集成平臺和子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，客戶端將按照指定的采集頻率對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
    自動(dòng)化接口封裝了COM底層的許多實(shí)現(xiàn)，使用戶能比較輕松地進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，具有簡單、易于編程等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)的OPC客戶端程序使用VB6通過OPC自動(dòng)化接口實(shí)現(xiàn)OPC數(shù)據(jù)訪問。程序示例如下：
    (1)啟動(dòng)VB，新建一工程OPCClient，在VB主菜單的“工程”項(xiàng)中選擇“引用”，在彈出窗口可用的引用選項(xiàng)中選擇“OPC Automation 2．0”，就可以使用自動(dòng)化接口；
    (2)聲明使用的對象及變量

   
    (3)連接OPC服務(wù)器、建立OPC組和添加OPC項(xiàng)

   
5 結(jié) 語
    OPC作為一項(xiàng)逐漸成熟的技術(shù)已得到國內(nèi)外廠商的高度重視，許多公司都在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增加了對OPC的支持。由于統(tǒng)一了數(shù)據(jù)訪問的接口，使控制系統(tǒng)進(jìn)一步走向開放，實(shí)現(xiàn)了信息的集成和共享，所以用戶能夠得到更多的方便。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，OPC會越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)過程控制領(lǐng)域。