OPC技術(shù)在溢流染色機(jī)集散式監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

楊亦紅，查顯梅

（1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程分院，浙江 紹興 312000；2.浙江華通控股集團(tuán)有限公司 浙江 上虞312300）

一般織物的染色是在染色機(jī)的染缸內(nèi)按染色工藝進(jìn)行的，通常整個染色過程控制是參照一條按時間序列控制溫度變化的工藝曲線完成的[1]。在該工藝曲線中，既包括多段不同速率的升溫、保溫、降溫組成的溫度控制過程，又包括進(jìn)料、進(jìn)水、排水等輔助工藝組成的斷續(xù)控制過程。總體上來看實際生產(chǎn)車間中染色機(jī)臺數(shù)一般較多，而且染色工藝過程控制參數(shù)繁多，僅通過傳統(tǒng)的單片機(jī)或PLC控制系統(tǒng)構(gòu)建的染色機(jī)控制器，要逐一完成每臺機(jī)器各項參數(shù)的配置，顯然其工作的效率極低；同時各染色機(jī)的工作狀態(tài)也較難實時、動態(tài)、全面反映。因此，設(shè)計一種可監(jiān)控車間中各染色機(jī)的工作過程參數(shù)的集散式染色機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，使得可以及時調(diào)整和控制各染色機(jī)的工作過程參數(shù)，已經(jīng)成為提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量并優(yōu)化成本的實際需求。

1 集散式染色機(jī)系統(tǒng)的架構(gòu)

這里提出的集散式染色機(jī)控制系統(tǒng)，就是要將原來的染色機(jī)控制器作為下位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，增設(shè)了PC機(jī)作為上位控制機(jī)，配置系統(tǒng)監(jiān)控軟件，構(gòu)成一個集散網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，如圖1所示。通過上位機(jī)集中對下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，下位接收上機(jī)位控制指令并完成相應(yīng)控制動作，在必要時向上位機(jī)發(fā)送本染色機(jī)狀態(tài)信息，如溫度，流量，PH值等?？傮w系統(tǒng)實現(xiàn)分布式控制，可實現(xiàn)集中監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)保存、遠(yuǎn)程動態(tài)顯示設(shè)備的運行狀態(tài)等功能，管理人員在監(jiān)控室就能實時、動態(tài)掌控生產(chǎn)過程，從而提高生產(chǎn)和管理效率。

圖1 集散式染色機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of distributed monitoring system of dyeing machine

2 OPC技術(shù)概述

由于染色機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的染色機(jī)臺數(shù)較多，集散系統(tǒng)中會存在大量實時數(shù)據(jù)的通信交互，終端設(shè)備需要與不同的線程進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，且可能涉及不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，僅使用這種常規(guī)的多線程程序設(shè)計方法（即由界面線程和若干工作線程的交互來完成軟件任務(wù)），會造成程序結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，且難以控制不同進(jìn)程之間的互操作，調(diào)度，通信等，使得程序設(shè)計者不得不花大量精力于程序細(xì)節(jié)以避免顧此失彼，且有可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性等性能，且配置完成整個系統(tǒng)所需的人力，財力也極為可觀。而采用OPC技術(shù)則可以解決這個問題。

圖2 OPC服務(wù)器應(yīng)用程序Fig.2 The application of OPC sever

圖3 兩種程序設(shè)計方法中軟件結(jié)構(gòu)的對比Fig.3 Comparison of the software structure in the two programming methods

OPC（OLE for Process Control）是由OPC技術(shù)基金會管理的一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]，是微軟公司基于COM規(guī)范的OLE（對象鏈接和嵌入）技術(shù)在過程控制方面的應(yīng)用，已被廣泛用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)。OPC服務(wù)器應(yīng)用程序由服務(wù)器組件、組、邏輯項組成，由服務(wù)器組件提供一整套OPC通用的接口與各種過程控制設(shè)備之間的進(jìn)行通訊。OPC服務(wù)器應(yīng)用程序的基本組成如圖2所示。圖中的邏輯項是映射到硬件設(shè)備的對應(yīng)屬性如：壓力、溫度、速度、位置等的邏輯元件，應(yīng)用程序?qū)@些邏輯項的操作實際就對應(yīng)于相關(guān)硬件屬性的操作。OPC服務(wù)器以成組的方式來管理各個邏輯項，各組可以有不同的刷新率，輸入輸出模式等特性。

與常規(guī)的多線程程序設(shè)計方法相比，利用OPC技術(shù)，客戶應(yīng)用程序即監(jiān)控管理應(yīng)用程序可以大大減輕應(yīng)用程序的編程工作量[3-4]，只要處理與服務(wù)器之間的標(biāo)準(zhǔn)接口即可，如圖3所示，而系統(tǒng)的性能也會得到很好的提升，采用OPC技術(shù)設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)的基本特點在于：1）這里OPC服務(wù)器負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)的緩沖與通信協(xié)議，對于客戶程序來說不需要知道或處理與具體設(shè)備的通信協(xié)議；2）由于它不再需要與多個線程交互，減少了終端設(shè)備的負(fù)荷，也延長了終端設(shè)備的服務(wù)周期；3）系統(tǒng)的可伸縮性大大增加，擴(kuò)充新的終端不會影響原來設(shè)備；4）由于OPC采用標(biāo)準(zhǔn)接口，支持 Windows和Linux，使系統(tǒng)在不同平臺上有良好的互操作性。

3 OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)訪問接口的設(shè)計與實現(xiàn)

為了協(xié)調(diào)處理多個線程訪問OPC服務(wù)器的情形，在服務(wù)器程序設(shè)計時，專門設(shè)置了一個客戶線程調(diào)度線程，按照一定的調(diào)度規(guī)則對客戶線程進(jìn)行合理的安排，使其能按正確的順序?qū)︱?qū)動程序進(jìn)行訪問。按OPC DA規(guī)范[1]，分別設(shè)計了同步、異步IO接口（如圖4所示），其程序行為分別是：

1）同步IO接口 同步訪問設(shè)備時，直接調(diào)用驅(qū)動程序提供的讀寫邏輯項函數(shù)ReadTags/WriteTags，驅(qū)動程序?qū)㈨憫?yīng)數(shù)據(jù)放入響應(yīng)隊列，再在客戶線程調(diào)度線程調(diào)度到此隊列的訪問時，通知同步IO接口讀??；同步訪問緩沖時，可直接從緩沖讀取數(shù)據(jù)。

2）異步IO接口 異步訪問設(shè)備時，先將訪問請求放入訪問請求隊列，再在客戶線程調(diào)度線程調(diào)度到此隊列時按訪問要求，分別訪問緩沖或用ReadTags/WriteTags函數(shù)訪問設(shè)備讀寫邏輯項。數(shù)據(jù)更新線程從驅(qū)動程序獲知數(shù)據(jù)項變化時刷新主緩沖，客戶線程調(diào)度線程觀察到主緩沖數(shù)據(jù)有更新時會用OnDataChange回調(diào)函數(shù)通知異步IO接口讀取數(shù)據(jù)。

圖4 OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)訪問的接口Fig.4 Data access interface of the program of OPC server

按照此接口模型，客戶線程通過異步或同步IO接口向驅(qū)動程序發(fā)出讀邏輯項（比如壓力值）或?qū)戇壿嬳棧ū热缈刂崎y）的指令，至于具體的向?qū)?yīng)設(shè)備讀入或向?qū)?yīng)設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的工作就交給OPC服務(wù)器去完成了，從而使客戶線程從容地進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理工作。

服務(wù)器程序編譯后成為一個動態(tài)鏈接庫，以供客戶端程序使用。但要正確使用，需要在安裝服務(wù)器程序時向操作系統(tǒng)注冊服務(wù)器程序的類ID即CLSID，及以上描述的由服務(wù)器所提供的各種接口的ID即IID，這些ID都是48位的唯一標(biāo)識，可windows自帶工具中的uuidgen.exe產(chǎn)生，客戶端程序需要以此為著力點，創(chuàng)建服務(wù)器對象，及其接口對象。

4 監(jiān)控管理應(yīng)用程序的實現(xiàn)

遵照OPC基金會發(fā)布的OPC規(guī)范，OPC服務(wù)器組件以COM接口的形式提供客戶程序使用，客戶程序以服務(wù)器的ID或枚舉的方式獲得OPC服務(wù)器組件對象，它提供了基本管理接口，其中IOPCBrowseServerAddressSpace用于查詢服務(wù)器地址空間，客戶程序可以逐級查詢，直到頁節(jié)點數(shù)據(jù)項，如本系統(tǒng)所設(shè)計的數(shù)據(jù)管理層次圖5中所示各項。具體的數(shù)據(jù)項讀寫流程如圖6所示[5]。

按此流程，基于Visual c++開發(fā)環(huán)境并使用MFC類庫，作為OPC服務(wù)器的客戶程序的染色機(jī)監(jiān)控管理程序的相關(guān)部分主要代碼簡述[6]：

圖5 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理層次Fig.5 Levels of Data management in the system

圖6 監(jiān)控管理應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)項讀寫流程Fig.6 The flow of read and write for data items in Monitoring management application

1）在工程的預(yù)編譯頭文件stdafx.h中加入對OPC標(biāo)準(zhǔn)COM接口頭文件的包含引用，它們是：opcda.h、opccomn.h、opcerrors.h、opcprops.h、opcquality.h， 并將 opcda_i.c、opccomn_i.c文件加入工程。然后在程序初始化時加入初始化COM環(huán)境的代碼：每個COM服務(wù)器都有一個字符串型的ProgID，比如這里為自定義的“MyDyerOpc Sever”，用 CLSIDFromProgID（ ）函數(shù)可實現(xiàn)ProgID到CLSID的轉(zhuǎn)換，并創(chuàng)建服務(wù)器對象實例，并查詢得到IOPCServer接口指針m_IOPCServer：

2）用m_IOPCServer接口的AddGroup方法創(chuàng)建OPC組對象的實例如CANBUS，并取得IOPCItemMgt接口。

3）用IOPCItemMgt接口的AddItem（）方法添加具有特殊屬性的指定數(shù)量的數(shù)據(jù)項，比如 Pressure、Temprature、FlowRate等。

4）通過異步或同步方式進(jìn)行讀寫，一般對于較大量的數(shù)據(jù)傳輸，異步方式是較好的選擇，但對少量的數(shù)據(jù)傳輸，同步表現(xiàn)得更好。以異步讀訪問方式為例，需要先用IOPCItemMgt接口查詢得到IOPCAsyncIO2指針：

程序中所有數(shù)據(jù)項均可通過類似方法進(jìn)行訪問；

5）當(dāng)程序退出或停止服務(wù)器時，需要依次用IOPCItemMgt的RemoveItems刪除數(shù)據(jù)項Item、用IOPCServer的Remove-Groups刪除組Group，以此釋放資源。最后用：CoUninitialize（）；關(guān)閉COM環(huán)境。

集散式染色機(jī)監(jiān)控平臺作為OPC服務(wù)器的客戶端采用以上程序，通過OPC服務(wù)器對不同的組的管理，進(jìn)一步實現(xiàn)了多個染色機(jī)的集中監(jiān)控管理，主要界面如圖7所示。

圖7 監(jiān)控管理應(yīng)用程序的界面Fig.7 UI interface of the monitoring management application

5 結(jié) 論

通過描述集散式染色機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中存在的數(shù)據(jù)訪問頻繁，通信復(fù)雜等問題，提出了采用OPC服務(wù)器來管理系統(tǒng)對各個設(shè)備中的特定數(shù)據(jù)項的訪問，從而減輕了監(jiān)控平臺編程的工作量，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與工作性能，使得染色機(jī)系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)達(dá)到了令人滿意的監(jiān)管與控制要求。

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