基于OPC的第三方設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要: 在當(dāng)前工業(yè)控制系統(tǒng)中，DCS系統(tǒng)與第三方設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，必須開發(fā)對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；當(dāng)DCS系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)也必須進(jìn)行相應(yīng)升級(jí)，從而增加了升級(jí)和維護(hù)成本。為此，提出了基于com/search/?q=OPC" title="OPC">OPC的第三方設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（COMMOPC系統(tǒng)）。該系統(tǒng)由主框架和I/O驅(qū)動(dòng)組成，I/O驅(qū)動(dòng)為主框架提供統(tǒng)一的通信調(diào)用接口，主框架部分通過接口的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備I/O的統(tǒng)一管理、調(diào)度和通信信息的集中監(jiān)視，并提供通用OPC Server接口，使上層應(yīng)用系統(tǒng)通過OPC Client可實(shí)時(shí)地訪問現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，解決了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與DCS系統(tǒng)必須一一對(duì)應(yīng)的問題。
關(guān)鍵詞: OPC； COM； 通信協(xié)議； 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)和信息是DCS監(jiān)督控制的基礎(chǔ)，不僅來源于DCS現(xiàn)場(chǎng)控制層，還可來源于第三方設(shè)備和軟件。一個(gè)好的DCS監(jiān)控應(yīng)用軟件應(yīng)能提供廣泛的應(yīng)用接口或標(biāo)準(zhǔn)接口，可方便地實(shí)現(xiàn)將DCS控制器、第三方PLC、智能儀表和其他工控設(shè)備的數(shù)據(jù)接入到系統(tǒng)中。一般監(jiān)控系統(tǒng)都把數(shù)據(jù)源看做外部設(shè)備，驅(qū)動(dòng)程序與這些外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令。
在OPC出現(xiàn)以前，應(yīng)用程序開發(fā)商（DCS廠商）需要不斷地開發(fā)這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，不但帶來了大量重復(fù)性勞動(dòng)，也帶來了很多問題。如硬件供應(yīng)商在硬件上作出一些小小的改動(dòng)，應(yīng)用程序就可能需要重寫；同時(shí)由于不同設(shè)備甚至同一設(shè)備的不同單元驅(qū)動(dòng)程序可能不同，很難同時(shí)對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化操作。傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)是一對(duì)一的系統(tǒng)，任何一種DCS、SCADA、MES等上位監(jiān)控軟件或其他應(yīng)用軟件在使用某種硬件設(shè)備時(shí)都需要開發(fā)專用的驅(qū)動(dòng)程序，系統(tǒng)構(gòu)建完成后的最終結(jié)果是：
(1) 一種軟件要使用N類硬件設(shè)備需要開發(fā)N個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。(2) M類軟件要使用N類硬件設(shè)備需要開發(fā)M×N個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。(3) 每增加一個(gè)新的應(yīng)用軟件需要另外開發(fā)N個(gè)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。(4) 每增加一個(gè)新的硬件設(shè)備需要為M個(gè)軟件開發(fā)新的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
圖1是傳統(tǒng)工業(yè)控制驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)示意圖。

為了解決傳統(tǒng)工業(yè)控制開發(fā)中的問題，硬件制造商一直試圖開發(fā)出一種可以被任何客戶應(yīng)用程序使用的超級(jí)“設(shè)備驅(qū)動(dòng)”程序。但是由于設(shè)備通信協(xié)議的不一致性，這項(xiàng)工作一直較為困難。
在此背景下,本文提出了一種基于OPC的DCS第三方設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(COMMOPC)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。本方法在高度抽象各種通信方式和通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了DCS與各種第三方設(shè)備的通信功能。
1 OPC技術(shù)簡(jiǎn)介
OPC[1](OLE for Process Control)是用于過程控制的OLE(Object Linking and Embedding)技術(shù),它是世界上多個(gè)自動(dòng)化公司、軟硬件供應(yīng)商與微軟合作開發(fā)的一套工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是專為在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自控應(yīng)用、企業(yè)管理應(yīng)用軟件之間實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無縫集成而設(shè)計(jì)的接口規(guī)范。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使得COM技術(shù)適用于過程控制和制造自動(dòng)化等應(yīng)用領(lǐng)域。OPC以O(shè)LE、組件對(duì)象模型COM(Component Object Model)及分布式組件對(duì)象模型DCOM(Distributed COM)技術(shù)為基礎(chǔ)，定義了一套適于過程控制應(yīng)用，支持過程數(shù)據(jù)訪問、報(bào)警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問等功能的接口，便于不同供應(yīng)商的軟硬件實(shí)現(xiàn)“即插即用”的連接與系統(tǒng)集成[2]。
OPC規(guī)范采用客戶/服務(wù)器模型，建立了一套在硬件供應(yīng)商和軟件開發(fā)商之間相互遵循的規(guī)則。只要遵循這套規(guī)則，數(shù)據(jù)交換對(duì)兩者來說都是透明的，硬件供應(yīng)商無需考慮應(yīng)用程序的多種需求和傳輸協(xié)議，軟件開發(fā)商也無需了解硬件的實(shí)質(zhì)和操作過程。圖2為使用OPC技術(shù)后工業(yè)程序的開發(fā)過程。

基于OPC技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)建完成后的最終結(jié)果是：
　 (1) M類軟件要使用N類硬件設(shè)備只需要開發(fā)N個(gè)驅(qū)動(dòng)。
　 (2) 每增加一個(gè)新的應(yīng)用軟件不需要另外開發(fā)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。
　 (3) 每增加一個(gè)新的硬件設(shè)備只需要為開發(fā)一個(gè)新設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。
由此可見，任何一種設(shè)備只需要提供一種驅(qū)動(dòng)就可以供任何軟件系統(tǒng)使用。
2 COMMOPC系統(tǒng)簡(jiǎn)介
基于OPC技術(shù)及多年驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)背景，和利時(shí)公司開發(fā)了擁有自主專利的基于OPC的DCS第三方設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——COMMOPC。該系統(tǒng)是DCS、MES和RealMis等應(yīng)用系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通用數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的訪問，可廣泛應(yīng)用于企業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的信息集成；可以把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)OPC數(shù)據(jù)，供OPC Client訪問，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的集中管理，并以O(shè)PC接口的方式供上層應(yīng)用軟件訪問。只要具有OPC Client功能的應(yīng)用軟件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的訪問，通用性好。
COMMOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，各個(gè)部分功能相對(duì)獨(dú)立又相互協(xié)作，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體。

COMMOPC系統(tǒng)IO驅(qū)動(dòng)部分共有36種不同通信協(xié)議的第三方設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)(由設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)包生成)，由OPC Server與外部設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令，實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)各種通信協(xié)議向OPC標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能。這樣，DCS就不需理會(huì)具體的設(shè)備和應(yīng)用類型，而只通過OPC Client與OPC Server的數(shù)據(jù)交換就能實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。
3 COMMOPC的主要功能
COMMOPC系統(tǒng)主要提供三個(gè)功能：
(1)界面功能。包括:特殊操作控制，控制密碼可修改；點(diǎn)名、路徑兩種標(biāo)簽瀏覽方式，默認(rèn)為點(diǎn)名方式；界面配置；對(duì)組配置信息的導(dǎo)入導(dǎo)出；保存配置信息；OPC客戶端調(diào)試工具；串口監(jiān)視工具；監(jiān)視通信過程信息；監(jiān)視實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)；顯示樹型列表；手動(dòng)控制單個(gè)通道通信啟停；托盤顯示當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)；提供測(cè)試版(測(cè)試版最多運(yùn)行10小時(shí))；運(yùn)行版，測(cè)試版通過授權(quán)后自動(dòng)轉(zhuǎn)為運(yùn)行版；版本顯示；配置備份及恢復(fù)；安裝時(shí)自動(dòng)注冊(cè)O(shè)PC服務(wù)器功能。
(2)通信功能。包括:支持OPC DA 1.0、DA 2.0規(guī)范，滿足應(yīng)用同步、異步、訂閱任一種訪問方式OPC客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；支持OPC客戶端重連接；提供各通道、各設(shè)備狀態(tài)信息，這些信息點(diǎn)作為有效點(diǎn)供OPC客戶端訪問；提供通道冗余；提供通信診斷；36種驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滿足：采集設(shè)備的開關(guān)量、模擬量功能；對(duì)設(shè)備遙控、設(shè)定值功能；可進(jìn)行特殊配置；支持串口通信方式，可掛接串口設(shè)備；支持以太網(wǎng)TCP通信方式，可掛接以太網(wǎng)TCP設(shè)備；支持以太網(wǎng)UDP通信方式，可掛接以太網(wǎng)UDP設(shè)備；提供OPCServer、通道、設(shè)備的狀態(tài)供OPC客戶端訪問。
(3)日志功能。包括:日志信息種類可配置功能；日志自動(dòng)生成、維護(hù)功能。
4 COMMOPC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
4.1模塊組成及邏輯
COMMOPC系統(tǒng)由OPC接口模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、通信管理和調(diào)度模塊、規(guī)約處理模塊、通信測(cè)試和診斷模塊、日志模塊等組成。其系統(tǒng)邏輯圖如圖4所示。

4.2 OPC地址空間的設(shè)計(jì)
　OPC服務(wù)器中包含了很多可供客戶訪問的資源，這些資源在OPC中被稱為項(xiàng)(Item)。為了方便客戶訪問，這些項(xiàng)應(yīng)該按照一種合理的方式進(jìn)行組織。服務(wù)器中的每個(gè)項(xiàng)都有一個(gè)全局有效標(biāo)識(shí)名FID(Full qualified ID)。有了FID，客戶就可以找到該項(xiàng)，因此稱該全局有效標(biāo)識(shí)名為該項(xiàng)的服務(wù)器地址(簡(jiǎn)稱地址)。這種具有服務(wù)器地址的項(xiàng)按照一定的方式組織在一起，就形成了服務(wù)器的地址空間。服務(wù)器地址空間就是服務(wù)器上包含的可以供客戶訪問的資源的集合。服務(wù)器地址空間是由服務(wù)器確定和管理的，其描述了服務(wù)器中包含了哪些項(xiàng)，以及這些項(xiàng)是按照什么形式進(jìn)行組織的。
本文地址空間設(shè)計(jì)為4層目錄結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

根對(duì)象(CRoot::m_Root)是4層目錄結(jié)構(gòu)的根，維護(hù)通道列表(ChannelList),所有的通道都可以通過m_Root找到；通道對(duì)象(CChannel::m_branches)是本系統(tǒng)地址空間的第1層，維護(hù)設(shè)備列表(DeviceList)，每個(gè)通道都可以有n個(gè)設(shè)備；設(shè)備對(duì)象(CDevice::m_branches)是第2層，維護(hù)組列表(GroupList)，組可以將標(biāo)簽分為不同的類型；組對(duì)象(CGroup::m_tags)是第3層，維護(hù)標(biāo)簽列表(TagList)；標(biāo)簽(CExTag)是最后一層地址空間，標(biāo)簽對(duì)應(yīng)具體設(shè)備的點(diǎn)。
在OPC接口內(nèi)含有地址空間的根，用戶通過配置通道、設(shè)備、組及選擇組內(nèi)的點(diǎn)之后即可完成地址空間的建立。當(dāng)?shù)刂房臻g建立后，OPC Client可以通過OPC接口訪問地址空間內(nèi)任意標(biāo)簽點(diǎn)的值。標(biāo)簽的地址格式為：ChName.DevName.GrpName.TagName。
4.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)包的設(shè)計(jì)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)包采用動(dòng)態(tài)鏈接庫形式，不同通信協(xié)議的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都在開發(fā)包框架內(nèi)編寫。這樣可以提高設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)效率，同時(shí)方便維護(hù)升級(jí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)的修改不會(huì)影響軟件主體部分。
利用設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)包可以開發(fā)各種通信協(xié)議的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊。規(guī)約處理是設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的核心任務(wù)，不同的通信協(xié)議對(duì)應(yīng)著不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊。根據(jù)需求，設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊以DLL的形式生成，模塊修改或者添加功能后，只需要覆蓋原模塊，不需要重新編譯主程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的主要功能是從主程序得到所要請(qǐng)求的標(biāo)簽的信息，然后打包發(fā)送給設(shè)備，從設(shè)備讀取應(yīng)答、解析數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)管理和顯示模塊。如果OPC客戶端有控制命令，會(huì)發(fā)送給OPC服務(wù)器，OPC接口模塊將消息發(fā)送給設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊，由設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行打包，將命令報(bào)文發(fā)送給設(shè)備。
設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)包生成的DLL形式的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊，如圖3驅(qū)動(dòng)部分所示。

本文在充分研究各種通信協(xié)議的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了COMMOPC系統(tǒng)，對(duì)第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了統(tǒng)一及標(biāo)準(zhǔn)管理，該方法有很好的靈活性和擴(kuò)展性。通過實(shí)際應(yīng)用證明，該方法設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅完全滿足了第三方設(shè)備數(shù)據(jù)采集的需求，還具有良好的穩(wěn)定性、靈活性和可維護(hù)性。
參考文獻(xiàn)
[1] The OPC of data access custom interface standard version 2.05, Dec 17,2001.OPC基金會(huì)，www.opcfoundation.org.2001.
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