OPC技術(shù)及其在SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

李世學(xué) 王小進(jìn) 余光洪

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所，武漢430064）

1 引言[1]

目前，工業(yè)控制中的各種儀器、儀表、PLC和單片機(jī)系統(tǒng)等都提供了與計(jì)算機(jī)的通訊協(xié)議，為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了極大的方便。但是，由于不同的廠商提供的協(xié)議不同，甚至同一廠商的不同類型設(shè)備和計(jì)算機(jī)通信的協(xié)議也不相同，所以要與這些設(shè)備交換數(shù)據(jù)，編寫(xiě)接口程序就比較復(fù)雜。近年來(lái)，OPC技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這一難題，OPC技術(shù)采用開(kāi)放式數(shù)據(jù)交互，能使來(lái)自不同公司的軟硬件組成一個(gè)有機(jī)的整體。它傳輸可靠，速度快，而且適于大批量數(shù)據(jù)交換，目前已經(jīng)成為工控行業(yè)新的通訊標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用在工控行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。OPC技術(shù)完全支持分布式應(yīng)用和異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用程序之間軟件的無(wú)縫集成和互操作性，給工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序間的通信建立一套符合工業(yè)控制要求的通信接口規(guī)范，使控制軟件可以高效、穩(wěn)定地對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存取操作，系統(tǒng)應(yīng)用軟件之間也可以靈活地進(jìn)行信息交互，極大的提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性。

2 OPC規(guī)范及應(yīng)用[2]

OPC是OLE for Process Control 的縮寫(xiě)，是微軟公司的OLE技術(shù)在過(guò)程控制方面的應(yīng)用，它以COM和DCOM為基礎(chǔ)， 通過(guò)COM對(duì)象進(jìn)行交互，每個(gè)對(duì)象規(guī)范了不同的函數(shù).COM 提供了一種二進(jìn)制的接口標(biāo)準(zhǔn)，使得各軟件組件可以用統(tǒng)一的方式進(jìn)行交互。采用OPC后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與系統(tǒng)的連接更加簡(jiǎn)單、靈活、方便，針對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)程序不再由軟件廠家開(kāi)發(fā)，而是由硬件廠家提供統(tǒng)一的OPC接口，從而避免了軟件廠家的重復(fù)開(kāi)發(fā)，大大降低了開(kāi)發(fā)費(fèi)用，圖1為基于OPC的軟件結(jié)構(gòu)。

圖1 OPC 的軟件結(jié)構(gòu)

圖2 基于OPC 的SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OPC規(guī)范可以應(yīng)用在許多應(yīng)用程序中，如它們可以應(yīng)用于從 SCADA 或者 DCS系統(tǒng)的物理設(shè)備中獲取原始數(shù)據(jù)，也可以應(yīng)用于從 SCADA或者 DCS系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序中。實(shí)際上，OPC設(shè)計(jì)的目的就是從網(wǎng)絡(luò)上某節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)。

OPC按照面向?qū)ο蟮脑瓌t，將一個(gè)應(yīng)用程序作為一個(gè)對(duì)象封裝起來(lái)，只將接口方法暴露在外面，客戶以統(tǒng)一的方式去調(diào)用這個(gè)方法，從而保證軟件對(duì)客戶的透明性，使得用戶完全從底層的開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)。因此可以將OPC客戶機(jī)、服務(wù)器在物理上分開(kāi)，分布于不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，這為實(shí)現(xiàn)分布式SCADA系統(tǒng)提供了一種實(shí)現(xiàn)方式。圖2為基于OPC的SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3 OPC服務(wù)器的設(shè)計(jì)[3]

OPC規(guī)范描述了 OPC服務(wù)器需要實(shí)現(xiàn)的C0M對(duì)象及其接口，不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，客戶都要以統(tǒng)一的形式去訪問(wèn)，從而保證了軟件對(duì)客戶的透明性。按照這種需求，基于OPC技術(shù)的SCADA系統(tǒng)可由兩部分組成，一部分是OPC服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)協(xié)議處理與提供標(biāo)準(zhǔn)OPC接口服務(wù)；另一部分是SCADA應(yīng)用程序，通過(guò)OPC提供給客戶的標(biāo)準(zhǔn)接口訪問(wèn)數(shù)據(jù)，完成SCADA數(shù)據(jù)處理、圖形分析、報(bào)表輸出、事故追憶和報(bào)警處理等。其中，OPC服務(wù)器部分，是建立在COM/DCOM技術(shù)基礎(chǔ)上，它以COM組件的形式存在，可以分為進(jìn)程內(nèi)組件、進(jìn)程間組件和遠(yuǎn)程組件三類。

OPC服務(wù)器由3類對(duì)象組成，相當(dāng)于3種層次上的接口：服務(wù)器(Server)、組(Group)和數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)。服務(wù)器對(duì)象(Server)擁有服務(wù)器的所有信息，同時(shí)也是組對(duì)象(Group)的容器，一個(gè)服務(wù)器對(duì)應(yīng)于一個(gè)OPC Server，即一種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。在一個(gè)Server中，可以有若干個(gè)組。組對(duì)象(Group)擁有本組的所有信息，同時(shí)包容并邏輯組織OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)。項(xiàng)對(duì)象是讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的最小邏輯單位，一個(gè)項(xiàng)與具體的位號(hào)相連，通常指向設(shè)備的一個(gè)寄存器單元。OPC在SCADA中的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。

圖3 OPC在SCADA中的體系結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)中，OPC服務(wù)器程序?yàn)檫M(jìn)程間組件。主要實(shí)現(xiàn)了三個(gè)類對(duì)象 CServer，CGroup，和CItem。其中CServer和CGroup類對(duì)象是COM對(duì)象。CServer對(duì)象封裝了 IOPC Server接口，IOPC Browse Server Address Space接口，IOPCItemProperties 接口，IOPCCommon 接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC服務(wù)器信息的維護(hù)，并作為OPC組對(duì)象CGroup的包容器，提供組織OPC組對(duì)象的方法，并管理OPC組對(duì)象。組對(duì)象CGroup封裝了 IOPCGroupStateMgt接口，IOPCASyncIO2接口，IOPCItemMgt接口，IOPCSyncIO接口。它維護(hù)有關(guān)自身信息，提供包容 OPC項(xiàng)對(duì)象的機(jī)制，管理 OPC項(xiàng)對(duì)象，提供了對(duì)項(xiàng)對(duì)象進(jìn)行讀/寫(xiě)和通信的接口方法。CItem類實(shí)現(xiàn)OPC項(xiàng)對(duì)象，提供對(duì)數(shù)據(jù)源的訪問(wèn)方法，數(shù)據(jù)源可以是現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備，也可以是其它軟件程序。下面是基于ATL模板的服務(wù)器接口、瀏覽服務(wù)器地址空間接口、項(xiàng)屬性接口的定義和實(shí)現(xiàn)[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)通訊可靠性高、速度快，目前已成為自動(dòng)化系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與工廠辦公管理應(yīng)用程序之間的有效通訊方式，使不同系統(tǒng)相互之間的數(shù)據(jù)交換得以簡(jiǎn)捷化和標(biāo)準(zhǔn)化，極大地方便了硬件開(kāi)發(fā)商、軟件開(kāi)發(fā)商和終端用戶。SCADA軟件中集成OPC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從過(guò)程控制到以上級(jí)系統(tǒng)間的緊密連接和完全開(kāi)放，形成了真正意義上的全開(kāi)放、可互操作的工業(yè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管控一體化。

[1]徐國(guó)君, 李成利.OPC技術(shù)及其在工業(yè)擰制中的應(yīng)用[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003.

[2]Http： //www.opcfoundation.org OPC Data Access Custom Specification 2.0.

[3]潘愛(ài)民. COM 原理[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社,2000.

[4]Don Box, 潘愛(ài)民譯.COM本質(zhì)論[M]. [s.l.]： 中國(guó)電力出版社, 2001.

[5]高翔.基于OPC接口訪問(wèn)過(guò)程控制的實(shí)現(xiàn)[J].燃料與化工, 2006： 37.