OPC和以太網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)總線中的應(yīng)用

趙 峰 ，王 霞

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州 225300）

OPC和以太網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)總線中的應(yīng)用

趙 峰 ，王 霞

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州 225300）

文章介紹了OPC和以太網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，分別說明了OPC技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)的相關(guān)特點(diǎn)。通過分析OPC/DA和OPC/DX技術(shù)規(guī)范以及以太網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)，給出了基于OPC/DA和OPC/DX的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并提出了一種將以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)相互集成的方案。

現(xiàn)場(chǎng)總線；OPC；以太網(wǎng)；現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場(chǎng)總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在智能控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向、多節(jié)點(diǎn)的串行數(shù)字通信系統(tǒng)，是一種開放的、數(shù)字化的、多點(diǎn)通訊的底層控制網(wǎng)絡(luò)，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率快等特點(diǎn)。然而，現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多的問題。針對(duì)當(dāng)前多種現(xiàn)場(chǎng)總線在工業(yè)控制中的應(yīng)用，以及由此產(chǎn)生的不同現(xiàn)場(chǎng)總線相互之間數(shù)據(jù)交換的問題，可采用OPC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議之間的互連和互操作。

1 OPC技術(shù)介紹

OPC（OLE forProcess Control規(guī)范是由OPC基金會(huì)以微軟作為技術(shù)支持制定的一項(xiàng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)與過程管理級(jí)進(jìn)行信息交互的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)不同現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議之間互操作的重要手段。它以組件對(duì)象模型和分布式組件對(duì)象模型（COM/DCOM）技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶/服務(wù)器模式。其中OPC服務(wù)器是數(shù)據(jù)的供應(yīng)方，負(fù)責(zé)為OPC客戶提供所需的數(shù)據(jù)；OPC客戶是數(shù)據(jù)的使用方，處理OPC服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)。不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，OPC服務(wù)器都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對(duì)用戶的透明性，使用戶完全從底層的開發(fā)中脫離出來[1]。

OPC服務(wù)器規(guī)定了兩套接口：定制接口（Custom Interface）和自動(dòng)化接口（A utom ationInterface）。其中，定制接口是OPC服務(wù)器必須提供的，自動(dòng)化接口是可選的。OPC客戶既可以支持COM的定制接口，也可以使用自動(dòng)化接口[2]。典型OPC結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

圖1 典型OPC體系結(jié)構(gòu)

按照功能不同，OPC基金會(huì)發(fā)布的OPC規(guī)范說明中分為3類接口，它們分別是：

（1）OPC數(shù)據(jù)訪問接口（OPCD Ata Access）OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范（OPC/DA）是OPC基金會(huì)最初制定的一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其重點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行存取。OPC/DA中主要包括3類對(duì)象，分別是服務(wù)器對(duì)象、組對(duì)象和項(xiàng)對(duì)象。其中，OPC服務(wù)器對(duì)象包含服務(wù)器的所有信息，同時(shí)也是組對(duì)象的容器。一個(gè)服務(wù)器對(duì)應(yīng)于一個(gè)OPC服務(wù)器，在一個(gè)服務(wù)器中可以有若干組對(duì)象。OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)表示與OPC服務(wù)器中數(shù)據(jù)的連接，通常指向設(shè)備的一個(gè)寄存器單元，數(shù)據(jù)項(xiàng)不提供對(duì)外接口，客戶不能直接對(duì)之進(jìn)行操作，所有操作都是通過組對(duì)象進(jìn)行的。

（2） OPC報(bào)警和事件接口（OPC Alarm and Events）OPC/A E主要負(fù)責(zé)讓服務(wù)器在特定的事件或報(bào)警條件發(fā)生時(shí)及時(shí)通知客戶，分別稱相應(yīng)的服務(wù)器與客戶為A E服務(wù)器與A E客戶。

（3）OPC歷史數(shù)據(jù)訪問接口（OPC HistoricalData Access）歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器可以向關(guān)心歷史數(shù)據(jù)的客戶提供有關(guān)的歷史信息源。從數(shù)據(jù)集成角度來考慮，歷史數(shù)據(jù)庫可以看做是另一種類型的數(shù)據(jù)庫。OPCH DA服務(wù)器可以是一個(gè)獨(dú)立執(zhí)行的OPC歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，它收集OPCH DA服務(wù)器或者其他數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，并把它發(fā)布給OPC H DA客戶。OPCH DA服務(wù)器也可以是在企業(yè)現(xiàn)有的歷史服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)的一套OPCH DA接口[3]。

2 OPC技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)憑借其開放性、分散性和可互操作性等特點(diǎn)，正成為新型工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，但由于支持各種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的各集團(tuán)間的利益競(jìng)爭，多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)共存是不爭的客觀事實(shí)。例如Device Net、Lon Works、Pro Fi Bus、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線F F等。

由于現(xiàn)場(chǎng)總線種類繁多，如何實(shí)現(xiàn)信息的集成和共享是必須面對(duì)的問題。考慮到各種現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的通用性，通信協(xié)議可以普遍采用OPC技術(shù)作為開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。此外，OPC還規(guī)范了一整套的接口函數(shù)、屬性和方法，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中軟件的互操作和無縫集成，以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備的即插即用，大大提高多現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的互操作性。

2.1 基于OPC/DA的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)

OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范簡化了不同總線標(biāo)準(zhǔn)之間的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制，為不同總線標(biāo)準(zhǔn)提供了通過標(biāo)準(zhǔn)接口訪問現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的基本方法。OPC/DA服務(wù)器屏蔽了不同總線通信協(xié)議之間的差異，為上層應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的訪問接口，可以很容易地在應(yīng)用程序?qū)訉?shí)現(xiàn)對(duì)來自不同總線協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行互操作。可見，OPC/DA規(guī)范有效解決了現(xiàn)場(chǎng)信息在控制網(wǎng)絡(luò)中縱向傳輸問題。

利用OPC/DA規(guī)范對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的訪問機(jī)制如圖2所示。OPC/DA服務(wù)器通過主設(shè)備訪問現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)用統(tǒng)一的OPC/DA接口形式進(jìn)行組織，從而可以被任何一個(gè)具有OPC/DA訪問接口的上層應(yīng)用程序所訪問；上層應(yīng)用程序只需要開發(fā)一個(gè)OPC/DA訪問接口程序，就可以訪問任何一種總線所提供的OPC/DA服務(wù)器，而不必針對(duì)每一種總線協(xié)議開發(fā)不同的訪問接口和硬件驅(qū)動(dòng)程序[4]。

圖2 基于OPC/DA的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)

由設(shè)備生產(chǎn)商開發(fā)針對(duì)自己產(chǎn)品的OPC/DA服務(wù)器，不僅可以利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)縮短開發(fā)時(shí)間和提高產(chǎn)品性能，而且可以很好地解決數(shù)據(jù)訪問沖突的問題。當(dāng)多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)訪問一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，如果該設(shè)備沒有處理并發(fā)請(qǐng)求的能力，會(huì)造成訪問失敗甚至使該設(shè)備不能正常工作。采用OPC技術(shù)后，一方面，設(shè)備生產(chǎn)商在針對(duì)自己的總線設(shè)備開發(fā)OPC/DA服務(wù)器時(shí)，可以根據(jù)設(shè)備的具體性能特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑L問調(diào)度，以避免造成訪問沖突。另一方面，上層應(yīng)用程序的開發(fā)人員可以致力于更好地滿足用戶的要求，而不必考慮應(yīng)用程序與總線設(shè)備數(shù)據(jù)訪問的問題。

2.2 基于OPC/DX的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)

數(shù)據(jù)交換規(guī)范OPC/DX（OPCD Ata Exchange）提供了在以太網(wǎng)上服務(wù)器端到服務(wù)器端可互操作的數(shù)據(jù)通信方法，使得系統(tǒng)間可以使用相同的標(biāo)準(zhǔn)交換數(shù)據(jù)，而無需擔(dān)心協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題。這樣一個(gè)OPC服務(wù)器就能直接與另一個(gè)OPC服務(wù)器相連，使得駐留在不同體系中的現(xiàn)場(chǎng)總線控制器上的服務(wù)器數(shù)據(jù)可以直接交換，從而很好地解決現(xiàn)場(chǎng)信息在控制網(wǎng)絡(luò)中的橫向傳輸問題。

圖3 基于OPC/DX的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)控制層作為企業(yè)整個(gè)信息系統(tǒng)的底層部分，必然需要與生產(chǎn)過程管理層和經(jīng)營決策層進(jìn)行集成，因此也存在著監(jiān)控計(jì)算機(jī)如何與其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息溝通和信息傳遞等相關(guān)問題。由于控制系統(tǒng)往往是不同廠商開發(fā)的專用系統(tǒng)，為了解決現(xiàn)場(chǎng)信息在不同種類控制網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膯栴}，可以采用如圖3所示的基于OPC/DX的現(xiàn)場(chǎng)總線集成方案。

3 以太網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線

以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)，它以其先進(jìn)的技術(shù)、低廉的價(jià)格、高度的靈活性和可靠性，在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)中廣泛流行。以太網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)的重要特點(diǎn)是，它采用的介質(zhì)訪問控制方法CSMA/CD是一種非確定性或隨機(jī)性通信方式，其基本工作原理是：某節(jié)點(diǎn)要發(fā)送報(bào)文時(shí)，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時(shí)繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。如果兩個(gè)或更多的節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)空閑并同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，將會(huì)發(fā)生碰撞，同時(shí)節(jié)點(diǎn)立即停止發(fā)送，并等待一段隨機(jī)時(shí)間后重新發(fā)送。多次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點(diǎn)微處理器回報(bào)失敗信息。

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，信息管理決策層需要了解的底層信息會(huì)越來越多。然而，企業(yè)管理層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文通常都比較長，吞吐量也較大，因此要求網(wǎng)絡(luò)必須具有較大的帶寬。如果采用以太網(wǎng)的TCP/IP技術(shù)，就會(huì)大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率，從而進(jìn)一步提高工業(yè)控制要求的實(shí)時(shí)性。基于以上兩方面原因，將以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成勢(shì)在必行。

3.1 以太網(wǎng)應(yīng)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的瓶頸和對(duì)策

（1）實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)控制往往要求對(duì)某些變量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定時(shí)刷新。由于以太網(wǎng)采用帶沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽多路訪問的媒體訪問控制方式，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較高時(shí)，以太網(wǎng)上存在的數(shù)據(jù)碰撞成了主要問題，因?yàn)樗鼧O大地影響了數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時(shí)。而且在一系列碰撞后，數(shù)據(jù)報(bào)文可能會(huì)丟失，因此節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信將無法得到保障。然而，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)的這種網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)和通信“不確定性”會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降，甚至?xí)鹣到y(tǒng)振蕩；在有緊急事件信息需要發(fā)送時(shí)，還會(huì)因報(bào)警信息不能及時(shí)得到響應(yīng)，而導(dǎo)致災(zāi)難事件的發(fā)生，成為以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主要障礙之一。

為了解決實(shí)時(shí)性問題，可以采取諸多的措施：采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)；采用全雙工的通信模式；使用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)和優(yōu)先級(jí)服務(wù)等。

（2）可靠性。由于以太網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)辦公自動(dòng)化設(shè)計(jì)的，它所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等抗干擾性能都較差，不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的要求。因此它在惡劣的工業(yè)環(huán)境中是不能很好地進(jìn)行工作的。而現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)有本質(zhì)安全防爆的要求，并且能夠抗擊各種電磁干擾，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。為了滿足可靠性的要求，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對(duì)于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和系統(tǒng)抗干擾的能力。

（3）總線供電。所謂總線供電是指連接到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號(hào)，還能給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供電源。對(duì)需要防爆隔離的危險(xiǎn)場(chǎng)所，總線供電的意義十分重要，而以太網(wǎng)原來主要用于商業(yè)場(chǎng)所，沒有總線供電的要求。目前可采用直接電源耦合、電源冗余管理等總線供電技術(shù)實(shí)現(xiàn)總線供電的以太網(wǎng)集線器。另外，可以在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g(shù)規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號(hào)調(diào)制到直流或低頻交流上，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)再將這兩種信號(hào)分離出來[5]。

3.2 以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的集成

將以太網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合，可以有多種途徑，比如借助于轉(zhuǎn)換接口，采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)（D D E）等。

利用多個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的集成，集成后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖中可以看出，以太網(wǎng)通過多個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)互連，可以訪問和監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)，從而很好地實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的集成[6]。其中，網(wǎng)關(guān)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，?shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，具備互連網(wǎng)絡(luò)雙方都能識(shí)別的統(tǒng)一尋址方式，還有統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀格式。

圖4 以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線集成結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議與通用的以太網(wǎng)協(xié)議相比，雖然在層次結(jié)構(gòu)上相似，但在內(nèi)容上卻大相徑庭。因此，要將控制網(wǎng)絡(luò)中的特定信息提取出來，又不影響原有系統(tǒng)的功能，只有在遵循現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議規(guī)范下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行解釋，而后提交給數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)解析出所需要的數(shù)據(jù)信息。對(duì)于從數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)送來的信息，也必須依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議規(guī)范，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制報(bào)文，隨后發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的訪問控制。

4 結(jié)論

OPC技術(shù)提供了標(biāo)準(zhǔn)化訪問接口，它將底層硬件驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序的開發(fā)有效地分隔開，應(yīng)用程序可以使用一致的方式訪問設(shè)備中的數(shù)據(jù)，有效實(shí)現(xiàn)了不同現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議之間的互連與互操作。以太網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟也為現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來了新的契機(jī)。將以太網(wǎng)技術(shù)融入現(xiàn)場(chǎng)總線，信息管理決策層能夠更加及時(shí)地掌握底層信息，從而大大提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，很好地滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求。

[1]陳丹丹等.OPC在現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,21（21）:62-63.

[2]姚曉偉等.基于OPC技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)集成研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,21（4）:12-15.

[3]OPC Foundation.OPC Data Access Custom Interface Specification[S],2003.

[4]呂勇等.OPC技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)總線互操作中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2004,6（3）:39-40.

[5]馬世平等.現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[J].機(jī)電一體化,2007,（3）:6-8.

[6]張玉春等.如何實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)的集成[J].電器工業(yè),2007,（6）:62-64.

Application of OPC and Ethernet Technology in FCS

ZHAO Feng,WANG Xia
（Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China）

The article describes how to apply OPC and Ethernet technology in the field bus control network,analyzing the characteristics of OPC and Ethernet.By analyzing the OPC/DA and OPC/DX technical specifications,as well as the features of Ethernet technology,it gives the field bus control network architecture,which is based on the OPC/DA and OPC/DX,and proposes a way to integrate Ethernet and fieldbus control networks.

FCS；OPC；ethernet；field control network

TP393文獻(xiàn)標(biāo)設(shè)碼：A

1671-0142（2011）02-0063-04

趙峰（1979-）,男,江蘇揚(yáng)州人,講師.

（責(zé)任編輯李冠楠）