基于OPC的建筑智能化系統(tǒng)的集成結(jié)構(gòu)模式研究

薛青輝

(陜西建工集團(tuán)總公司，陜西西安710003)

建筑智能化系統(tǒng)集成就是將建筑中分散的設(shè)備、信息點(diǎn)通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成為一個互聯(lián)互通、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，為人們創(chuàng)造一個高效、方便、安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保的建筑環(huán)境。建筑智能化系統(tǒng)集成經(jīng)歷了采用傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展階段。

1 智能建筑系統(tǒng)集成的主要模式

1.1 基于子系統(tǒng)平等方式的集成

這種系統(tǒng)集成方式就是各個子系統(tǒng)之間有著平等的地位，而且相互獨(dú)立。一個子系統(tǒng)停機(jī)不會對其他的系統(tǒng)造成影響。通過開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口可以使子系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式，并在系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)庫中存儲。基于子系統(tǒng)平等方式的系統(tǒng)集成模式易于管理、維護(hù)以及發(fā)展，能統(tǒng)一的監(jiān)控和管理集成中的各個子系統(tǒng)，它采用的軟、硬件接口符合國際標(biāo)準(zhǔn)，可以通過系統(tǒng)核心調(diào)度程序來統(tǒng)一監(jiān)控各個子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)各個智能化系統(tǒng)中的信息互換功能。該系統(tǒng)對不同設(shè)備制造商子系統(tǒng)的集成都比較適用，可以節(jié)約系統(tǒng)集成的成本。

1.2 以BAS為中心的系統(tǒng)集成

這種模式可以實現(xiàn)BAS與安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)之間的集成，增加信息通信、控制管理模塊可監(jiān)視和聯(lián)動SAS、FAS、CAS，各系統(tǒng)圍繞BAS，通過BAS的中央監(jiān)控計算機(jī)實現(xiàn)聯(lián)動功能。這樣方法的優(yōu)勢在于它可以利用BAS中的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的連通，它的弊端是如果BAS系統(tǒng)出現(xiàn)故障，其他的子系統(tǒng)也會失去監(jiān)控。這種集成模式在我國得到了普遍的運(yùn)用。

在實際工程中，以BAS為中心的系統(tǒng)架構(gòu)比較復(fù)雜，BAS以外的各子系統(tǒng)向上互聯(lián)時所采用的方式主要決定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否固定，另外還要看BAS系統(tǒng)對外開放的程度，比如能否直接支持DDE、BACnet、OPC等開放性接口，能否直接支持廠家的通信協(xié)議。基于種種考慮，這種以BAS為中心的集成模式不好用固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來描述。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要結(jié)合實際情況來確定。

2 OPC為建筑智能化系統(tǒng)集成提供互聯(lián)性和互操作性

智能建筑中引入了OPC規(guī)范之后，過程控制中對硬件和軟件的匹配要求寬松了很多，硬件供應(yīng)商開發(fā)的驅(qū)動程序只要符合OPC的規(guī)范，就能支持所有標(biāo)準(zhǔn)的OPC客戶。系統(tǒng)的升級和修改十分的方便，系統(tǒng)中增加了一個設(shè)備，設(shè)備中包含了OPC的服務(wù)器，任何軟件都可以和它互換數(shù)據(jù)，一插上就能立即使用，使設(shè)備的互操作性和互聯(lián)性得到了很大的提高。

另外，在智能建筑中，要想使各個子系統(tǒng)能互聯(lián)和互操作，可以通過OPC中的“Software bus”來實現(xiàn)。在這個基礎(chǔ)上通過開發(fā)應(yīng)用程序來擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。這樣可以降低設(shè)備投資的成本。

OPC是Microsoft DNA－M的重要組成部分，DNA－M體系結(jié)構(gòu)是在各種不同的Microsoft產(chǎn)品和技術(shù)的基礎(chǔ)上建立起來的，它的設(shè)計目的是方便自動應(yīng)用的集成。其中有個技術(shù)是BizTalk，這個技術(shù)的Microsoft環(huán)境可以用于數(shù)據(jù)交換，能夠交換基于XML結(jié)構(gòu)的應(yīng)用間的數(shù)據(jù)，也能實現(xiàn)目前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和將來工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)間的數(shù)據(jù)交換。

OPC XML簡化了控制層到管理層系統(tǒng)的集成，可以通過Internet技術(shù)實現(xiàn)文件格式、數(shù)據(jù)之間的共享和交換，使得信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的集成度更高，從而實現(xiàn)從低層的監(jiān)控以及控制系統(tǒng)向較高級別的縱向信息系統(tǒng)集成，可以以更好的方式將實時數(shù)據(jù)信息嵌入到辦公自動化信息處理的應(yīng)用程序當(dāng)中，得到更多能滿足需要的信息。另外，OPC XML提供了可以運(yùn)用Internet發(fā)布OPC數(shù)據(jù)信息以及自動化過程中為控制系統(tǒng)集成提供廣泛連接的能力，提供了一種能夠使Microsoft操作系統(tǒng)平臺發(fā)布OPC數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換機(jī)制。因此，OPC使控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計和集成變得更加方便，也給建筑智能化信息集成技術(shù)開辟了新的道路。

3 基于OPC XML的建筑智能化系統(tǒng)集成模型

建筑智能化中，可以通過OPC XML技術(shù)將OPC XML Web服務(wù)的技術(shù)優(yōu)引入其中，筆者提出了在OPC XML基礎(chǔ)上建立起來的模型，可以滿足基于Internet的一體化智能建筑系統(tǒng)的集成需求。設(shè)計這個模型主要是為了讓集成智能建筑中分散的子系統(tǒng)底層的智能設(shè)備能將各種功能集成到統(tǒng)一的界面上，使智能建筑中的各個子系統(tǒng)集成管理能夠共同工作，滿足建筑內(nèi)管理、服務(wù)、信息溝通以及辦公等各種需求。

3.1 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)模型是由四層結(jié)構(gòu)組成:子系統(tǒng)操作站層、現(xiàn)場控制層、OPC XML DA客戶端應(yīng)用層以及OPC XML Web服務(wù)層。其中，OPC XML DA客戶端應(yīng)用層以及OPC XML Web服務(wù)是用來實現(xiàn)基于OPC XML Web服務(wù)的集成，它們是模型的核心處理層。

子系統(tǒng)操作站層是由消防自動化子系統(tǒng)、樓宇自控子系統(tǒng)以及安防自動化子系統(tǒng)等構(gòu)成的。子系統(tǒng)操作站內(nèi)安裝有能夠封裝操作指令、告警信息以及操作指令的OPC COM服務(wù)器。操作站通過具有標(biāo)準(zhǔn)OPC服務(wù)器接口和OPC客戶接口的現(xiàn)場設(shè)備來交互數(shù)據(jù);如果有定義好的標(biāo)準(zhǔn)接口和標(biāo)準(zhǔn)信息格式，還能實現(xiàn)與上層OPC XML Web服務(wù)之間的通信，將來自O(shè)PC XML Web服務(wù)層的控制信息進(jìn)行處理，通過調(diào)用子系統(tǒng)操作站的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序來進(jìn)行控制。子系統(tǒng)操作站層保護(hù)現(xiàn)有投資，使控制邏輯簡化。

現(xiàn)場控制層?，F(xiàn)場控制層能夠采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和控制各現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控信息，底層的現(xiàn)成設(shè)備是由現(xiàn)場控制器來控制，是由緊急呼叫器、智能配電設(shè)備、智能空調(diào)設(shè)備以及火災(zāi)探測設(shè)備等構(gòu)成。一般情況下對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息的實時性要求都非常高，通常采用內(nèi)存來緩存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以進(jìn)行雙向流動。

OPC COM服務(wù)器(包含OPC NA和OPC DX服務(wù)器)為了能實現(xiàn)與現(xiàn)場控制器中設(shè)備數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，專門提供了統(tǒng)一的OPC COM標(biāo)準(zhǔn)接口，消除了和底層之間的差異。一個OPC COM服務(wù)器能對一個或多個智能設(shè)備進(jìn)行管理。

OPC XML DA客戶端應(yīng)用層。OPC XML Web服務(wù)的客戶端應(yīng)用系統(tǒng)可以將子系統(tǒng)比如說遠(yuǎn)程監(jiān)視、分析決策以及遠(yuǎn)程控制等集成到統(tǒng)一的界面當(dāng)中，可以對模型系統(tǒng)中已分布的和平臺無關(guān)的服務(wù)進(jìn)行訪問。客戶端應(yīng)用系統(tǒng)和OPC XML Web之間是多對多的關(guān)系，一個客戶端應(yīng)用系統(tǒng)能引用一個或多個OPC XML Web，一個OPC XML Web服務(wù)可以被一個或多個客戶端應(yīng)用系統(tǒng)引用。

OPC XML Web服務(wù)層。為了達(dá)到控制和管理的目的，OPC XML Web服務(wù)把子系統(tǒng)操作站中OPCCOM服務(wù)器中的設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成能夠在Internet上進(jìn)行訪問的數(shù)據(jù)，使平臺差異得以屏蔽。利用OPC客戶端接口，OPC XML Web服務(wù)可實現(xiàn)與子系統(tǒng)操作站或現(xiàn)場控制層之間的數(shù)據(jù)交互。符合OPC規(guī)范的現(xiàn)場控制層的OPCCOM服務(wù)器無需經(jīng)過子系統(tǒng)，可直接通過OPC XML Web服務(wù)來實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)之間的交互。因此，凡是符合OPC規(guī)范的子系統(tǒng)或是現(xiàn)場設(shè)備都能簡單的到此模型中集成。

基于OPC XML Web服務(wù)的異構(gòu)平臺的建筑智能化系統(tǒng)在Internet范圍內(nèi)的集成因為該模型中的四層結(jié)構(gòu)而有了新的實現(xiàn)途徑。

3.2 模型的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢

3.2.1 技術(shù)特點(diǎn)

該模型和過去的OPC COM、BACnet、FCS等集成技術(shù)相比，其特點(diǎn)有:

(1)智能建筑高層信息集成。模型屬于純軟件的集成方式，是為了解決建筑智能化系統(tǒng)集成中高層管理信息的集成問題，無需重視底層細(xì)節(jié)。開始的投資依然很有價值，原有的基于OPC COM、BACnet的系統(tǒng)還是很好的在底層工作，實現(xiàn)已有的功能。

(2)基于OPC XML Web服務(wù)的集成。利用OPC XML Web服務(wù)可以實現(xiàn)OPC XML數(shù)據(jù)訪問和智能建筑現(xiàn)場設(shè)備的OPC COM之間的交互，還可以與子系統(tǒng)操作站內(nèi)含有的COM服務(wù)器進(jìn)行交互。所以O(shè)PC XML Web服務(wù)是模型的核心。

(3)松散耦合。對于使用OPC XML Web服務(wù)的用戶很容易看出智能建筑設(shè)備的操作邏輯和控制邏輯的變化，OPC XML Web服務(wù)的API能夠很好地應(yīng)對這種變化。用戶現(xiàn)在將注意力集中到了如何有效增值。

(4)跨平臺集成。用OPC XML Web服務(wù)將OPC COM服務(wù)器數(shù)據(jù)交換服務(wù)進(jìn)一步暴露后，可被其他的程序設(shè)計、操作平臺調(diào)用，支持多網(wǎng)絡(luò)平臺、多操作系統(tǒng)，也支持國際化的多語言標(biāo)準(zhǔn)。方法調(diào)用協(xié)議運(yùn)用的是SOAP，封裝數(shù)據(jù)用的是XML。系統(tǒng)開放性得到了提高。

(5)基于Web的應(yīng)用?？梢栽O(shè)計能將信息集成到統(tǒng)一的友好的Web操作界面中的基于Web的客戶端。

(6)封裝性和可重用性。封裝的服務(wù)可以被多個客戶端應(yīng)用系統(tǒng)引用，集成用戶只能看到OPC XML Web服務(wù)的接口，客戶端引用的方法和使用本地組件的方式是一種的。

3.2.2 技術(shù)優(yōu)勢

(1)開放性與兼容性。該模型系統(tǒng)可以接收不同的OPC XML Web服務(wù)，用戶可以輕松地利用OPC XML Web服務(wù)來獲取實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)?？蛻舳藨?yīng)用集成平臺不需要像OPC COM那樣使用軟件操作系統(tǒng)，而是可以使用微軟操作系統(tǒng)以外的平臺。

(2)先進(jìn)性。系統(tǒng)建立了一個可拓展的平臺，該平臺是采用符合國際技術(shù)發(fā)展潮流的技術(shù)建立的，可以實現(xiàn)與各種先進(jìn)技術(shù)之間的銜接。

(3)互聯(lián)性。為了提高系統(tǒng)的互操作性和整體管理以及運(yùn)行效率，最終客戶可以將分散的各個子系統(tǒng)比如說遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)視以及分析決策等集成到統(tǒng)一的友好Web界面，通過建立智能建筑綜合管理平臺來提高運(yùn)行效率。

(4)低成本?？蛻舳藨?yīng)用系統(tǒng)可以像使用本地組件那樣去引用模型封裝的服務(wù)，多個客戶端應(yīng)用系統(tǒng)可以同時使用這個服務(wù)，使集成環(huán)境更加的簡潔、定制應(yīng)用系統(tǒng)更加的方便，從而有效地縮短了系統(tǒng)集成的時間，降低了系統(tǒng)集成的成本。

(5)靈活性和可擴(kuò)充性。由于OPC XML Web服務(wù)能夠松散耦合，所以模型不僅可以保護(hù)用戶已有的投資，還能滿足用戶不斷增長的業(yè)務(wù)需求。

綜上所述，此應(yīng)用模型具有松散耦合、封裝性、跨平臺以及可重用性等技術(shù)特點(diǎn)，是在Web技術(shù)、Web服務(wù)的高層信息集成的基礎(chǔ)上建立起來的。該模型可以使集成環(huán)境更加的簡潔，可以提高建筑智能化應(yīng)用系統(tǒng)的可操作性，能有效節(jié)約集成費(fèi)用。在管理決策層交換和共享信息，來適應(yīng)基于Internet一體化的集成需求。這樣系統(tǒng)就會更加的開放，更方便拓展。

［1］廖國富，楊戈方，楊柳.基于OPC XML的建筑智能化的系統(tǒng)集成模型研究［J］.黃岡師范學(xué)院學(xué)報，2007(6)

［2］馮景輝.基于OPC技術(shù)的建筑智能化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.華南理工大學(xué)，2011

［3］廖國福.基于OPC XML的建筑智能化的系統(tǒng)集成技術(shù)研究［D］.重慶大學(xué)，2005