OPC技术及集成方案设计分析

OPC技术及集成方案设计分析TheAnalyseandDesigningofOPCIndustryControlSystemsIntegration摘要当今工业生产中，为了保证控制系统中各种设备充分挥作用以实现控制系统整体的协调有效运行，系统集成越来越受到人们的视。OPC技术把对象链接和嵌入技术应用于工业过程控制领域，为工业控网络的集成创造了条件。OPC规范主要基于COM心COM的分布式组件技术。通过深入研究O规范和COM技术，对几种网络集成技术的比较研究，论文实现了控制网络的横向和纵向集成，解了网络传输确定性问题。通过采用交换式以太网技术，提高了系统的实性、网络平台的开放性和可扩展性。模块化设计的方法为其它类型的OPC服务器的开发提供了一种通用性依据。关键词:系统集成;OPC;COM/DCOM;ABSTRACTInordertoachievethecoordinationofthesystem,theequipmentsmustbeusedfully,sothesystemintegrationattractedmoreattention.ObjectLinkandEmbedtechnologywereappliedtoindustryprocesscontrolbythetechnologyofOPC,whichcreatedconditionsforintegrationofindustrycontrolsystem.OPCwasmainlydevelopedbasedonCOM/DCOMtechnology.Firstly,acompositeindustrycontrolsystemthatwasbasedonOPCwassetupbyoccupationalOPCcriterionandCOM.Thelandscapeandportraitintegrationwererealized,andthequestionofveracityinnettransmissionwasresolved.Thereal-time,opennessandexpansibilityofthesystemwereimprovedbyadoptingSwitchedEthernet.Keywords:systemintegration;OPC;COM/DCOM;1．工业控制系统集成的现状及发展趋势提到系统集成，就不可避免要提到信息孤岛(自动化孤岛)，信息孤岛使信息资源大量流失、沉淀，不能充分发挥信息在低层控制和高层管理决策中的主导作用。“自动化孤岛”、“信息孤岛”是伴随工控组态软件的发展和应用而逐渐形成的。单个系统的运行效果无可挑剔，但各个系统难以做更大规模的集成，因此如何将异构工控系统群集成受到人们的普遍关注。1.1控制网络和信息网络的集成控制网络的通信技术不同于以传输信息和资源共享为目的的信息网络，其最终目标是实现对被控对象中能量和物质转移的有效控制，使系统安全稳定地运行。因此要求具有协议简单、安全可靠、纠错性好、成本低等特点。其网络负载稳定，多为短帧传输，信息交换频繁。控制网与信息网集成的含义是实现网际间信息与资源的共享。实现控制网络与信息网络的紧密集成为企业的优化控制、调度决策提供依据，是建立企业综合实时信息库的基础;通过控制网络与信息网络的结合，可以建立统一的分布式数据库，保证所有数据的完整性和互操作性;现场设备与信息网络实时通信，使用户通过信息网络中标准的图形界面随时随地了解生产情况;控制网络和信息网络的紧密集成也便于实现远程监控、诊断和维护功能。1.2.软件功能的无缝集成自OPC规范提出以后，多总线集成的问题终于有望得到解决。采用OPC技术，各现场总线能实现信息共享和无缝集成，大大提高了多现场总线控制系统的互操作性和适应性。OPC技术的实现包括两个组成部分，OPC服务器及OPC客户端。OPC服务器收集现场设备数据信息，通过标准OPC接口传给OPC客户端。OPC客户端通过OPC接口与OPC服务器通信，获取OPC服务器的各种信息。OPC技术在现场总线下的应用模式如图1.1所示，每个OPC客户端可访问多个OPC服务器，获取不同现场总线下的各个设备信息，同时每个OPC服务器也可为多个OPC客户端服务。图1.1OPC在现场总线中的应用2．OPC技术及规范解析2.1OPC规范解析自从1995年OPC标准化组织成立以来，OPC基金会己经发布多个OPC规范，其中包括:数据存取规范、数据交换规范、历史数据存取规范、报警和事件规范、批处理规范、安全规范等。2.2OPC接口规范为了方便开发者设计和实现OPC服务器程序或客户程序，所有OPC规范都描述了OPC服务器需要实现的COM对象及其接口，定义了两个不同的接口规范，如图2.1，可看到OPC典型结构包括自动化接口和定制接口。图2.1OPC服务器与不同类型的OPC客户连接两种接口分别为不同的编程语言环境提供访问机制。自动化接口提供了一个自动配置和存取数据的接口，它是为基于描述性编程语言而定义的标准接口，可以为VB程序、Excel及其它可以使用OLE自动化服务器接口的应用程序使用。而定制接口描述了OPC组件和对象的接口及其中的方法，适用于期望获得最佳运行性能的客户应用程序，是专门为C++等高级编程语言而制定的标准接口。实际上，OPC设计的目的就是使用标准接口实现从网络上任意支持该标准的节点获取数据，而不需要考虑底层的变化。2.3OPC数据存取规范OPC数据存取规范是OPC基金会最初制定的工业标准，其重点是对现场设备的在线数据进行存取。OPC数据存取规范定义了OPC服务器中一组COM对象及其接口，并规定了客户程序对服务器程序进行数据存取时需要遵循的标准。在数据存取规范中，一个OPC的数据存取服务器中包括几类对象:服务器(OPCServer)、组和项。OPC服务器对象维护有关服务器的信息并作为OPC组对象的包容器。OPC服务器对象主要实现IUnknown和IOPCServer接口。OPC客户通过OPC服务器的接口与OPC对象进行通信，对数据源进行存取。数据源可以是现场的FO设备，也可以是其他应用程序。服务器对象内部封装了与UO控制设备通讯及操作的具体实现过程。2.4OPC数据交换规范OPC数据交换规范提供了一个标准，在OPC数据访问服务器之间交换数据，这个规范避免在两个OPC数据访问服务器之间加入一个私有客户，提高了数据交换的效率，可以看作OPC数据访问规范的扩展，增强了OPC数据访问服务器的功能。根据OPC基金会开发的标准OPCDX定义了一组工业标准的接口，能在采用不同应用层协议的以太网上所连接的器件和控制器之间，实现可互操作的数据交换及服务器一服务器的直接通信。推广现有OPCDA的功能，使其能够在系统运行中实现“服务器一服务器”的数据交换，与以太网TCP/IP所支持的应用层实时通信协议无关。OPCDX还定义了一组接口进行远程组态，并对每个OPCDX服务器所支持的连接进行管理:多个OPCDX服务器之间的通信通过远程组态建立，性能评价和故障诊断的监测也很容易实现。如果说OPCDA在单一网络环境中取代了不同厂商的众多驱动程序，那么OPCDX就是在多种网络协议的环境中取代了传统网关的位置，可以认为它是一种“软网关”当然，它比传统网关具有更优越的性能和更低廉的价格。3．OPC集成系统设计原则及设计方案3.1OPC集成系统的设计原则1.易维护性:系统程序结构设计采用面向对象的设计思想，并且采用模块设计的高内聚、低藕合设计思路。程序模块之间结构清晰，命名规范，便于对某个环节的修改和维护。2.封装性和可复用性:系统程序结构设计封装具体的实现细节，用户仅能看到服务器的接口。将服务器的抽象接口与实现部分相分离，降低对实现部分编译的依赖性，从而提高软件的复用能力。3.可扩展性:采用“继承”的设计理念，将常用并且通用的代码段封装成公有类，这些公有类在后续其他项目开发中是可以复用的。4.易操作性:坚持系统面向最终用户这一原则，从用户实际操作、实际需要出发，结合使用此系统的不同人员的具体情况，满足不同人员的要求。3.2集成系统主要实现的功能1.采集与处理:主要是对现场的各种模拟和数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的数据格式输出。为客户提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解现场情况。2.监测:通过本地监控或远程监控系统获得现场数据，将监测到的实时数据显示在监控界面上。3.数据存储:将监测到的数据以及现场设备的状态信息存储到数据库，以便随时对历史数据查询，分析。4.设备控制:在监测的基础上，根据本地或远程发送的对现场设备的控制命令，直接对现场备进行控制，同时将现场设备信息的改变存储到数据库。3.3网络级集成方案设计OPC协议的太网成为网络级集成的主要方法，其结构如图3.1。图3.1基于以太网的网络级集成系统结构说明:1.所有DCS系统、FCS系统、PLC、智能仪表、管理层都统一到以TCP/IP协议为基础的以太网平台上，实现了对异构网络在网络级的同构。2.DCS和FCS上的计算机操作站通过网卡接入以太网交换机，实现DCS与FCS的集成。3.对于分散在现场的PLC设备和智能仪表通过以太网模块直接连入以太网控制层，实现对PLC和智能仪表的集成。4.各种控制系统通过通讯模块实现不同协议向TCP用I协议的转换。在整个网络级同构过程中起到了关键作用。5.分布在现场的交换机连入中心交换机。6.操作员站与工程师站通过以太网直接归入管理层网络体系，实现管层计算机对生产现场的直接监控。3.4接口级集成方案设计OPC服务器可以设置为本地或远程，与传统的动态数据交换方式DDE比较，传送的数据量更大、传输速率更快。本地服务器每秒钟可进行1000次据交换，远程服务器每秒钟可进行100次数据交换，并且每次数据交换可以包含多个数据项。OPC技术是一种通讯快捷，安插容易的通讯方式，是实现异构网络集成的较好方法。OPC技术建立了一组符合工业控制要求的接口规范，将现场信号按照统一的标准与SCADA、HMI等软件无缝连接起来，同时将硬件和应用软件有效地分离开。只要硬件开发商提供带有OPC接口的服务器，任何支持OPC接口的客户程序均可采用统一的方式读取这些设备的数据，无须重复开发驱动程序。这样大大提高了控制系统的互操作性和适应性。OPC的分层结构如图3.2所示。图3.2OPCServe:分层结构OPC的出现解决了工业控制“自动化孤岛”的瓶颈问题，把硬件和软件厂商分离开来，提供了从设备和数据库等数据源获得数据的通信机制，通过提供带有OPC接口的服务器，使任何带有OPC接口的客户程序均以统一的方式存取不同厂商的设备数据，解决了不同厂家设备之间不能通信的问题，从而可将多种现场总线集成在一个可以互操作的网络平台下。同时OPCDX技术融合了最新的XML技术，实现了OPC服务器之间的通信，并克服了DCOM(分布式组件)技术远程通信的局限性。系统结构一说明:1.所有DCS系统、FCS系统、PLC和其他智能设备的生产制造商提供针对相应产品的OPC服务器软件，将不同协议的系统统一到OPC的软件标准之上。2.任何第三方软件只要支持OPC接口，都能读取OPC服务器中的数据达到数据共享的目的。3.监控级计算机作为OPCClicni读取OPCSevrer中的数据，使得数据的获取方式变成软件与软件之间的通讯。4.OPC服务器作为一种数据交换的中间件，实现了软件总线上的集成。3.5基于OPC与以太网的集成系统整体设计1.现场设备层现场设备成包含现场UO模块、传感器及执行机构。依照现场总线的协议标准，现场设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、PID转换、数字滤波、温度压力补偿、PID控制以及阀位补偿等各种功能。FO模块主要完成现场各种信号采集、驱动部分外围的执行机构以及向监控级提供现场实时数据功能。这个层次的数据传输率是自动设置的，即从站的数据传输率是自动设置的，主站可以自动识别从站的数据传输率。现场总线完成现场的数据信息传输功能。此外，总线上应有PLC接口