【文章內(nèi)容簡介】 部的控制系統(tǒng)、儀器儀表和過程控制系統(tǒng)的主要供應商。 OPC 基金會的先驅(qū)(由 FisherRosemount, Rockwell 軟件公司、 Opto22, Intellution 和 IntuitiveTechnology 公司組成的“特別工作組” )在經(jīng)過一年工作后，開發(fā)出一個基本的、可運行的 OPC 規(guī)范。 隨著 1997 年 2 月 Microsoft 公司推出 Windows95 支持的 DCOM 技術， 1997 年 9月新成立的 OPC Foundation 對 OPC 規(guī)范進行修改，增加了數(shù)據(jù)訪問等一些標準， OPC規(guī) 范 得 到 了 進 一 步 的 完 善 。 OPC 是 基 于 Microsoft 公 司 的 Distributed interNetApplication (DNA)構架和 Component Object Model(COM)技術的，根據(jù)易于擴展性而設計的。 OPC 規(guī)范定義了一個工業(yè)標準接口，這個標準使得 COM 技術適用于過程控制和制造自動化等應用領域。 OPC 是以 OLE/COM 機制作為應用程序的通訊標準。 OLE/COM 是一種 客戶 /服務器模式，具有一語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點。 OPC 規(guī)范了接口函數(shù)，小管現(xiàn)場設各以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從底層的開發(fā)中脫離出來 [7]。 OPC 技術是 OPC 基金會組織制定的工業(yè)控制軟件互操作性規(guī)范，也是微軟為了中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 4 頁 把 WINDOWS 應用于控制系統(tǒng)和控制界共同推出的一項技術。它以微軟的COM/DCOM(組件模型和分布式組件模型 )技術為基礎，為工業(yè)控制軟州定義了一套標準的對象、接口和屬性，通過這些對象接口，應用軟件之間能夠無縫地集成在一起，實 現(xiàn)了應用程序之間數(shù)據(jù)交換方式的標準化，極大的提高了自動化系統(tǒng)，現(xiàn)場設備系統(tǒng)，商業(yè)辦公系統(tǒng)之間的互操作性。 OPC 接口既可以用于應用程序的最低級，即通過該接口將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集到DCS 或 SCADA 中來，又可用于應用程序的中級環(huán)節(jié)，即通過該接口將數(shù)據(jù)從 DCS或 SCADA 系統(tǒng)采集到上位機應用程序中來，還可將 OPC 應用于網(wǎng)絡計算機來采集數(shù)據(jù)，設計一個 OPC 服務器，允許客戶應用程序從該服務器或網(wǎng)上運行 OPC 服務器的其它節(jié)點計算機上采集數(shù)據(jù)。總之， OPC 應用不應該局限于應用程序與現(xiàn)場設各的接口，應該認為它是一種 Windows 應用程序相互交換數(shù)據(jù)的通用規(guī)范。 三 、 OPC 技術的發(fā)展 OPC 基金會 (OPC Foundation)是管理 OPC 標準的國際組織，其成員幾乎包括了世界上所有的控制系統(tǒng)、儀器儀表和過程控制系統(tǒng)的主要供應商。 OPC 規(guī)范就是這些領先的自動化軟硬件供應商與微軟公司合作，制定的一套標準的 OLE/COM/DCOM 接口協(xié)議 [7]。 第一階段在 1996 年 8 月由 OPC Task Force(OPC Foundation 的前身 )發(fā)布了 OPC 版本。 隨著 1997 年 2 月 Microsoft 公司推出 Windows95 支持的 DCOM 技術， 1997 年 9月新成立的 OPC Foundation 對 OPC 規(guī)范進行了修改，發(fā)布了 OPC 規(guī)范 版，改名為數(shù)據(jù)存取規(guī)范 版 (Data Access Standard)。增加了數(shù)據(jù)訪問等一些標準， OPC規(guī)范得到了進一步地完善。 1998 年推出 OPC 版本，修正了 版本的一些錯誤，新增了幾個接口，調(diào)整了數(shù)據(jù)通信的方法，使程序更穩(wěn)定。 1998 年 12 月發(fā)布了報警事件規(guī)范 版。 1999 年 12 月升級到 版。 1998 年還發(fā)布了歷史 數(shù)據(jù)存取規(guī)范 版。 2021 年 1 月發(fā)布了批量過程規(guī)范 版。同年 10 月發(fā)布了安全性規(guī)范 版?，F(xiàn)在網(wǎng)絡技術迅猛發(fā)展，作為其新技術之一的可擴展標記語言 (extensible markup language, XML)非常適合于同應用程序間的數(shù)據(jù)交換， OPC 基金會專門成立了 XML工作組，正在努力制定將 OPC 數(shù)據(jù)向 Inter 上的應用程序開放，從而增強與 OPC兼容應用程序的電子商務功能的規(guī)范。 四 、 OPC 技術的發(fā)展現(xiàn)狀 OPC 技術在國外已經(jīng)具有多年的發(fā)展 歷史，已經(jīng)在過程控制和自動化領域中進行了大量的應用。而最近，隨著 CE 等嵌入式系統(tǒng)的興起，一些大型的跨國公司正在開發(fā)可供嵌入式系統(tǒng)使用的 技術加入到 OPC 規(guī)范中去，使其適應 XML 技術，中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 OPC 又有了進一步的發(fā)展應用。當前 OPC 在國外已不僅僅局限在過程控制領域的應用，已經(jīng)有使用 OPC 規(guī)范成功搭建微波通訊網(wǎng)絡的報導，這使 OPC 的應用跨入了更廣闊的空間。當前國內(nèi)對 OPC 規(guī)范在過程控制領域也做了大量的推廣和研究，在電力、化工、水處理、造紙、智能建筑以及國防領域都有廣泛的應用，如電廠電力設各監(jiān)控、化工流程控制 、造紙工業(yè)制漿過程 DCS 控制、智能建筑弱電系統(tǒng)集成由于其巨大的技術優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢在國民經(jīng)濟和國防建設中發(fā)揮了良好作用?，F(xiàn)在，國內(nèi)已經(jīng)有一些公司加入到 OPC 基金會，成為其會員，開發(fā)出一些支持 OPC 技術的工控軟件，如北京亞控公司的“組態(tài)王” ,北京世紀長秋公司的“世紀星”等投放市場后獲得了用戶的良好反應。 OPC 技術的優(yōu)點 1) OPC 技術與 DDE 的比較： 在 OPC 技術出現(xiàn)以前， DDE(Dynamic Data Exchange)技術曾經(jīng)對過程控制作出巨大貢獻。但是 DDE 是基于 Windows 的消息傳遞而 建立的技術， DDE 技術與 OPC技術相比， DDE 技術存在以下問題： 數(shù)據(jù)的傳送速度較慢 沒有安全性管理機制 開發(fā)困難 功能缺乏柔軟性 可靠性也難以令人滿意 所以基于先進的 COM技術的 OPC技術將逐漸取代現(xiàn)在在過程控制中廣泛使用的DDE 位置乃是順理成章的事情。隨著 OPC 技術的導入，和過去的 DDE 技術相比，在以下方面顯示出它的優(yōu)越性： 高速的數(shù)據(jù)傳送性能 基于分布式 COM 的安全性管理機制 開發(fā)成本的降低 實現(xiàn)具有高度柔軟性功能的系統(tǒng) 實現(xiàn)具有高可靠性的系統(tǒng) 通過上述比較 ，可以說明 OPC 技術更適應當前工業(yè)自動化的領域的需要 二 、 對以往的自動化系統(tǒng)而言，大部分時間和金錢花在保證系統(tǒng)與設備之間共享信息 上。 OPC 減少了許多由于缺乏開放標準給系統(tǒng)集成帶來的問題，通過縮短開發(fā)周期和廣泛選擇供應商產(chǎn)品，能大大節(jié)省用戶的時間和資金。 OPC 標準為企業(yè)增加凈利潤的真正關鍵在于，它統(tǒng)一地實現(xiàn)了貫穿整個工業(yè)的實時信息共享。從開發(fā)角度而言，OPC 技術能夠節(jié)省開發(fā)時間，增強產(chǎn)品的可連接性和互操作性，同時可以使開發(fā)人員實現(xiàn)更多的功能 [8]： 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 6 頁 節(jié)省時間 (減少了驅(qū)動程序的開發(fā) )， OPC 服務器只需開發(fā)一個版本的驅(qū)動程序，使之能與所有的 OPC 客戶端程序通信。開發(fā)工作將集中在與數(shù)據(jù)源 (硬件設備、 數(shù)據(jù)庫等 )的通信上，而不用考慮與不同客戶的通信。 增強產(chǎn)品可連接性和互操作性，產(chǎn)品實現(xiàn)了即插即用，硬件制造商將更容易地銷售他們的硬件 (一個 OPC I/O 服務器將取代許多專用的驅(qū)動程序，且能與不同的產(chǎn)品進行通信 )。 使開發(fā)人員可以實現(xiàn)更多的新功能，開發(fā)商能將其精力投入到為其 SCADA、HMI 和 Batch 軟件增加新的功能上，而無需像過去那樣花費大量人力物力 在專用驅(qū)動程序的開發(fā)和維護上。從應用角度而言， OPC 技術的即插即用功能使得系統(tǒng)集成更加方便，能夠降低系統(tǒng)集成費用，節(jié)省開發(fā)時間 。同時使客戶應用程序具有連接性和互操作性，任何人都能在自動化各層存取數(shù)據(jù) 。具有同步和異步的設備寫入方式，增加 /刪除項目無需關閉系統(tǒng)，升級組件更加方便高效。 OPC 兼容的組件大大降低了系統(tǒng)集成費用，因為所有的軟件和硬件組件遵守一個單一的、標準的接口。自動化供應商提供 OPC 服務器取代專用的設備驅(qū)動器軟件，以前不同銷售商的軟、硬件之間的驅(qū)動連接帶來的問題迎刃而解。應用程序的開發(fā)周期也大 為縮短，從而為過程控制領域帶來應用自動化系統(tǒng)的利益。 即插即用使系統(tǒng)集成輕而易舉， DCS、 SCADA、 HMI、工廠生產(chǎn)計劃、維護以及其它生產(chǎn)制造可以利用 OPC 標準進行開放的信息交換。由于客戶機和服務器之間實現(xiàn)了互操作性，最終用戶能夠通過選取最適合安裝并能保證在一起有效工作的組件來獲得最大利益，不再像以往那樣受到應用軟件選擇的限制。 客戶應用程序的連接性和互操作性使客戶可以開發(fā)簡單的 VB 程序與 OPC 服務器交換數(shù)據(jù)，或者使用他們熟悉的客戶應用程序來與 OPC 服務器交換數(shù)據(jù) 。OPC 標準提供了應用程序必需的穩(wěn) 定性，并且鼓勵范圍更廣的軟件供應商和服務提供商提供應用程序。 OPC 的另一個優(yōu)點是在企業(yè)的每一層都能存取與過程相關的數(shù)據(jù)，不再局限于工廠層的數(shù)據(jù)。通過 OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范，工廠層數(shù)據(jù)可以向上流通到商業(yè)應用層，決策者能更好地做出及時的、正確的決策以改進工廠的經(jīng)營效率。 簡單易用自動組態(tài)標簽，只需少許的組態(tài)，就可以使用高效率的 OPC 組件。 增加 /刪除項目無需關閉系統(tǒng)，不需要關閉服務器就可增加和刪除項目，這明顯優(yōu)于許多專用驅(qū)動專用驅(qū)動。在增減項目之前必須關閉服務器軟件，而應用 OPC標準后，根據(jù)數(shù) 據(jù)庫前端定義項目的一致性，客戶端應用程序可以增加不同的項目，數(shù)據(jù)能立即傳回到 OPC 服務器。 同步和異步的設備寫入方式明顯優(yōu)于以往的應用程序開發(fā)的 DDE 驅(qū)動程序，當需要寫入大量數(shù)據(jù)時選擇異步方式效率更高。 1 升級組件方便高效，采用 COM, DOOM 和 ActiveX 標準技術的優(yōu)點之一是，當服務器加入新功能時，當前的 OPC 客戶機程序不會被淘汰。通過增加新的 COM 接中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 7 頁 口，保留現(xiàn)有的、向下兼容的 COM 接口，能很容易地擴展 OPC 服務器，極大地方便了最終用戶。 課題的主要研究內(nèi)容及意義 一 、 問題的提出 在生產(chǎn)現(xiàn)場，存在著大量控制器和現(xiàn)場數(shù)字設備，這些設備來自不同的制造商，遵從不同的通信標準，只能組成各自的控制系統(tǒng)，與特定的應用軟件通信。雖然某些網(wǎng)絡之間可通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)互聯(lián)，但是不具有普遍性。傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)中，為使每個應用程序與設各交換信息，必須為每個設備提供相應的驅(qū)動程序，由于設備多樣性和驅(qū)動程序不兼容性，使應用程序開發(fā)者必須花大量的精力開發(fā)各設備的驅(qū)動接口，從而使開發(fā)時間費用大大增加。設備不具有互操作性，使用中硬件的升級、變更和增加都可能引起驅(qū)動程序的變 化，從而在維護過程中引起二次投資。由于每一個應用程序有各自的驅(qū)動程序，當多個應用程序讀取同一數(shù)據(jù)源，經(jīng)常發(fā)生沖突。設備廠商雖然可能提供驅(qū)動程序，但與用戶開發(fā)的應用軟件往往協(xié)議不一致，限制了客戶對軟件和硬件的選擇。為解決這個一直困擾工業(yè)自動化控制領域的難題，國內(nèi)外都進行了大量的研究，提出了許多的解決方案。比較成功的是 OPC 基金會制定的 OPC 規(guī)范，根據(jù)該規(guī)范開發(fā)的 OPC 服務器，作為設各與應用軟件之間通信的中間件，很好地解決了上述問題， OPC 正在逐漸成為過程控制的數(shù)據(jù)通信標準。我國在這方而的研究起步較晚，自 OPC 規(guī)范發(fā)布以來，才取得了較大的進展，現(xiàn)已列入國家“八五”科技攻關項目。與此同時，全國現(xiàn)在已有多家科研院校和控制系統(tǒng)公司對其研究，開發(fā)自主知識產(chǎn)權的控制軟件 [9]。 二 、 主要研究內(nèi)容 針對傳統(tǒng)控制過程中的不足和局限性，研究 OPC 技術的體系結構和通信機制，以及 OPC 客戶端開發(fā)的技術細節(jié)。并對 OPC 的技術基礎 COM 進行了解，掌握一般基于 VB 的 OPC 客戶端的開發(fā)流程和實現(xiàn)技術。在客戶端的開發(fā)中，提出了 OPC Server 對象、 OPC Group 對象和 OPC Item對象 的結構模型，根據(jù)各對象實現(xiàn)接口函數(shù)，拆分出多個子功能模塊，實現(xiàn)同步讀寫、異步讀寫、訂閱采集等通信方式。 兼容 OPC 的異步通信操作，為滿足不同的應用程序從各種現(xiàn)場設備獲取數(shù)據(jù)，課題主要涉及如下內(nèi)容 ： ? OPC 規(guī)范的體系結構和通信方式，包括 OPC 客戶端開發(fā)的關鍵技術 ? OPC 客戶端的設計與實現(xiàn) 三 、 研究的意義 當前我國還有大量早期控制系統(tǒng)，它們使用設備供應商的驅(qū)動進行通信，其數(shù)據(jù)中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 8 頁 格式不規(guī)范，與現(xiàn)在主流應用程序小能很好地兼容。為了有效地發(fā)揮這些原有設備的潛能，使其 能連接到當前多客戶的應用環(huán)境中，對 OPC 規(guī)范的研究將非常具有現(xiàn)實意義。此外，對作為過程控制通信標準的 OPC 的研究，將促進我國在工業(yè)控制領域的發(fā)展在國際化過程中，中國已經(jīng)成為“世界工廠”，各種先進的管理和控制技術都在這個試驗場中運用，我們應該抓住機遇，跟上世界發(fā)展的潮流，掌握和發(fā)展控制領域具有自主知識產(chǎn)權的核心技術，將對經(jīng)濟建設和國防現(xiàn)代化產(chǎn)生積極而深遠的影響。 四 、 論文的主要結構 本論文課題主要 研究基于 OPC 規(guī)范的數(shù)據(jù)