OPC通訊在扁平件分揀機中的應用

黃現(xiàn)科，時良平（北京郵電大學 自動化學院，北京 100876）

0 引 言

扁平件分揀機是由一組夾叉式小車組成的封閉輸送分揀系統(tǒng)，主要應用于EMS扁平郵件的分揀，效率高、噪聲小、平穩(wěn)性好，在郵政物流中應用的越來越多。本文就是以某扁平件分揀機為藍本介紹OPC通訊的應用，此機器的外形見圖1。

本扁平件分揀機的控制層次圖如圖2所示。本扁平件分揀機的控制系統(tǒng)分為：設備控制層、信息處理層、車間管理層。

設備控制層分為：現(xiàn)場設備控制單元、分揀控制單元、數(shù)據(jù)處理單元。現(xiàn)場設備控制單元采用遠程控制模塊（SIEMENS公司的ET200S）實現(xiàn)，該模塊和分揀控制單元之間采用PROFIBUS實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；分揀控制單元采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC實現(xiàn)，該單元和現(xiàn)場設備之間的通訊采用PROFIBUS實現(xiàn)；數(shù)據(jù)處理單元即上位機，其與PLC采用OPC方式通訊，其實現(xiàn)過程是本文論述的重點，該單元和信息處理層之間采用以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊。

信息處理層包含：信息處理服務器、通訊處理計算機、打印終端計算機、打印機等設備。信息處理層主要完成：和車間管理層的通訊處理、分揀原始信息的采集分類、分揀處理后的信息處理、實時控制信息的傳送等。

車間管理層由上一級部門完成。

圖1 扁平件分揀機

1 OPC簡介

1.1 OPC是什么

OPC是Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control的縮寫，它是微軟公司的對象鏈接和嵌入技術在過程控制方面的應用。OPC以OLE/COM/DCOM技術為基礎，采用客戶/服務器模式，為工業(yè)自動化軟件面向對象的開發(fā)提供了統(tǒng)一的標準，這個標準定義了應用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機之間交換自動化實時數(shù)據(jù)的方法。

1.2 OPC的特點

（1）采用標準的Windows體系接口，硬件制造商為其設備提供的接口程序的數(shù)量減少到一個，軟件制造商也僅需要開發(fā)一套通訊接口程序。即有利于軟硬件開發(fā)商，更有利于最終用戶。

圖2 分揀機控制層次圖

（2）OPC規(guī)范以OLE/DCOM為技術基礎，而OLE/DCOM支持TCP/IP等網(wǎng)絡協(xié)議，因此可以將各個子系統(tǒng)從物理上分開，分布于網(wǎng)絡的不同節(jié)點上。

（3）OPC按照面向對象的原則，將一個應用程序（OPC服務器）作為一個對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面，客戶以統(tǒng)一的方式去調用這個方法，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。

（4）OPC實現(xiàn)了遠程調用，使得應用程序的分布與系統(tǒng)硬件的分布無關，便于系統(tǒng)硬件配置，使得系統(tǒng)的應用范圍更廣。

（5）采用OPC規(guī)范，便于系統(tǒng)的組態(tài)，將系統(tǒng)復雜性大大簡化，可以大大縮短軟件開發(fā)周期，提高軟件運行的可靠性和穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)的升級與維護。

（6）OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性，易于實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的接口。

OPC通訊概覽如圖3所示。

圖3 OPC通訊概覽

1.3 OPC技術的主要應用

OPC技術對工業(yè)控制系統(tǒng)的影響和應用是基礎性和革命性的，簡單地說，它的應用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）OPC解決了設備驅動程序開發(fā)中的異構問題。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，以DCS（集散控制系統(tǒng)）為主體的工業(yè)控制系統(tǒng)功能日趨強大，一套工業(yè)控制系統(tǒng)往往選用了幾家甚至十幾家不同公司的控制設備或系統(tǒng)集成一個大的系統(tǒng)，但由于缺乏統(tǒng)一的標準，開發(fā)商必須對系統(tǒng)的每一種設備都編寫相應的驅動程序，而且，當硬件設備升級、修改時，驅動程序也必須跟隨修改。同時，一個系統(tǒng)中如果運行不同公司的控制軟件，也存在著相互沖突的風險。有了OPC后，硬件廠商只需提供一套符合OPC技術的程序，軟件開發(fā)人員也只需編寫一個接口，所有的數(shù)據(jù)交換都通過OPC接口進行，而不論連接的控制系統(tǒng)或設備是哪個具體廠商提供。

（2）OPC解決了現(xiàn)場總線系統(tǒng)中異構網(wǎng)段之間數(shù)據(jù)交換的問題。現(xiàn)場總線系統(tǒng)仍然存在多種總線并存的局面，有了OPC作為異構網(wǎng)段集成的中間件，只要每個總線段提供各自的OPC服務器，任一OPC客戶端軟件都可以通過一致的OPC接口訪問這些OPC服務器。

（3）OPC可作為訪問專有數(shù)據(jù)庫的中間件。實際應用中，許多控制軟件都采用專有的實時數(shù)據(jù)庫或歷史數(shù)據(jù)庫，只要數(shù)據(jù)庫的開發(fā)商在提供數(shù)據(jù)庫的同時也能提供一個訪問該數(shù)據(jù)庫的OPC服務器，那么當用戶要訪問時只需按照OPC規(guī)范的要求編寫OPC客戶端程序而無需了解該專有數(shù)據(jù)庫特定的接口要求。

（4）OPC便于集成不同的數(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)向管理系統(tǒng)升級提供了方便。無論是管理系統(tǒng)還是控制系統(tǒng)，無論是PLC還是DCS，或者是FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)），都可以通過OPC快速可靠的彼此交換信息。換句話說，OPC是整個企業(yè)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)接口規(guī)范，所以，OPC提升了控制系統(tǒng)的功能，增強了網(wǎng)絡的功能，提高了企業(yè)管理的水平。

2 OPC通訊在扁平件分揀機中的實現(xiàn)

PLC在與上位機通訊時，可以采用Ethernet和PROFIBUS等方式，在本設備中，主控PLC使用的是SIMATIC S7-300系列的CPU315-2PN/DP，選擇Ethernet方式，上位機客戶端程序采用C#編寫。下面就詳細論述通過Ethernet建立SIMATIC NETOPC服務器與PLC的S7連接。

用于Ethernet的OPC服務器隨SIMATIC NET軟件提供，SIMATIC NET是SIEMENS在工業(yè)控制層面上提供的一個開放的、多元的通訊系統(tǒng)，通過它能將工業(yè)現(xiàn)場的PLC、主機、工作站和個人電腦聯(lián)網(wǎng)通訊。

2.1 用于Ethernet的OPC通訊PC機的軟件及硬件要求

（1）軟件

SIMATIC NET PC SOFTWARE V6.0 SP5或以上版本；STEP 7 V5.1+SP2或以上版本；SOFTNET-IE S7授權。

（2）硬件

CP1613或普通10/100自適應以太網(wǎng)卡。

（3）本例中所使用的主要軟件

SIMATIC NET PC SOFTWARE V6.4；STEP7 V5.4 SP3。

（4）本例中所使用的主要硬件

S7-300 CPU315-2PN/DP；普通網(wǎng)卡；為保證PLC正常運行的其他組件或模塊。

2.2 OPC服務器具體配置操作過程

（1）將硬件連接完成。

（2）打開 SIMATIC Manager。

（3）新建項目，插入PC站，站名為本機主機名。

（4）組態(tài)PC站。在硬件目錄SIMATIC PC Station/User Application/OPC Server下，將與安裝在本機上的SIMATIC NET PC SOFTWARE相匹配的OPC Server（本例中為SW V6.4）放入槽1，將目錄SIMATIC PC Station/CP Industrial Ethernet/IE General下的SW V6.2 SP1放入槽3。將IP Address設置為本機的IP地址，并點擊“New…”新建以太網(wǎng)連接。保存并編譯PC站組態(tài)。

（5）插入S7-300站。

（6）組態(tài)相關硬件，設置CPU315-2PN/DP的以太網(wǎng)接口。IP地址為PLC的IP地址，將PLC連接到以太網(wǎng)上。將其他PLC硬件組態(tài)完成后，保存并編譯組態(tài)。

（7）打開NetPro，組態(tài)網(wǎng)絡。在PC站的OPC Server處鼠標右鍵單擊，選擇“Insert New Connection”，在“Connection Partner”項選擇已組態(tài)的CPU，“Type”項選擇“S7 connection”。保存并編譯網(wǎng)絡組態(tài)。

（8）打開Station Configurator，單擊“Import Station…”按鈕，到上述項目文件夾中的XDBs文件夾下選擇其中的*.xdb文件，完成站的導入。

（9）設置SIMATIC Manager的PG/PC接口為“PC internal（local）”，下載PC站。

（10）設置SIMATIC Manager的PG/PC接口為“TCP/IP（Auto）”，下載S7-300站。

2.3 數(shù)據(jù)通訊的測試－OPC Scout

OPC Scout工具隨Simatic Net軟件一起提供，當完成PC Station組態(tài)下載后，可用此工具進行OPC Server和PLC的數(shù)據(jù)通訊測試。

（1）打開 OPC Scout,（Start＞SIMATIC＞SIMATIC Net＞OPC Scout），雙擊“OPC.SimaticNet” 在隨之彈出的“ADD Group”對話框中輸入組名，本例命名為“OPC_ETHERNET”。點擊OK確認。

（2）雙擊已添加的連接組（OPC_ETHERNET），即彈出“OPC Navigator”對話框，此窗口中顯示在Configuration Console所激活的連接協(xié)議。雙擊“S7:”，在PC Station組態(tài)NetPro中所建的連接名會被顯示（S7 connection_1）。雙擊此連接，即可出現(xiàn)有可能被訪問的對象樹（objects tree），此處以輸出映像為例，在“Q”下定義新條目，以 QB0為例，“Datatype” 選“B”，“Address” 寫“0”，“No.Values” 寫“1”。點擊“—＞” 添加條目，確認之后，出現(xiàn)條目狀態(tài)信息，“Quality”列顯示為“good”時表明OPC Server與PLC的S7連接已經(jīng)建立，雙擊“Value”列，可對條目進行修改，如果組態(tài)了相應的輸出模塊，則可直觀地顯示出通訊結果。

3 API函數(shù)說明

本例中需要用到OPCDAAuto.dll。

用到的API函數(shù)如下所述：

void Connect(string ProgID,object Node)//連接本地服務器：服務器名+主機名或IP

OPCAutomation.OPCGroup Add(object Name)//添加組

OPCAutomation.OPCItem AddItem(string ItemID,int ClientHandle)//添加item

void Read(short Source,out object Value,out object Quality,out object TimeStamp)//同步讀

void Write(object Value)//同步寫

void AsyncRead(int NumItems,ref System.Array ServerHandles,out System.Array

Errors,int TransactionID,out int CancelID)//異步讀

void AsyncWrite(int NumItems,ref System.Array ServerHandles,ref System.Array Values,out System.Array Errors,int TransactionID,out int CancelID)//異步寫

void RemoveAll()//釋放所有組

void Disconnect()//斷開OPC服務器

4 可能出現(xiàn)的問題及解決方法

4.1 可能出現(xiàn)的問題

無法下載硬件組態(tài)；OPC服務器與PLC無法建立連接；通訊質量一直顯示“bad”。

4.2 參考的解決辦法

硬件連接要完整、可靠；PLC要置于RUN模式；站地址分配不能重復；PC站的名字要與主機名相同；PC站及S7－300站都要下載。

5 OPC通訊在工業(yè)控制領域的前景展望

隨著基于OPC標準的控制組件的推廣和普及，不僅使控制組件的增設和組件的置換更加簡單，而且使過程數(shù)據(jù)的訪問也變得容易。比如過程控制程序可以直接和數(shù)據(jù)分析軟件包或電子表格應用程序連接，從而達成高度的工廠控制系統(tǒng)的信息化。

在以前的自動化領域的通訊技術規(guī)范方面，很少有像OPC新技術標準那樣引起轟動的。OPC在今天已經(jīng)理所當然的被自動化組件的制造商逐步發(fā)展成一個事實上的新技術標準。當今，軟件在自動化領域內(nèi)使用的重要性與日俱增。無論項目是否涉及到操作、可視化、數(shù)據(jù)存檔或控制，向純粹的、基于PC的軟件解決方案的發(fā)展趨勢是不可阻擋的。因此，OPC技術的發(fā)展前景是被眾多業(yè)內(nèi)人士所看好和期待的。

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