基于OPC技術(shù)的工業(yè)儀表與組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)通訊

張偉　陳月紅

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)系統(tǒng)不再是獨(dú)立的系統(tǒng)，它們之間往往需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享以發(fā)揮更大的作用。OPC技術(shù)包括一整套的標(biāo)準(zhǔn)集，包括接口、屬性和方法，用于過(guò)程控制和自動(dòng)化系統(tǒng)。不同廠商只要遵循OPC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)儀表與組態(tài)軟件之間的實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

關(guān)鍵詞：OPC技術(shù)；工業(yè)儀表；組態(tài)軟件；實(shí)時(shí)通訊

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.117

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)系統(tǒng)不再是獨(dú)立的系統(tǒng)，它們之間往往需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享以發(fā)揮更大的作用。工業(yè)儀表與組態(tài)軟件系統(tǒng)屬于不同的工業(yè)領(lǐng)域，通常使用不同的專門設(shè)備、應(yīng)用程序與控制系統(tǒng)，他們之間的數(shù)據(jù)共享成為一個(gè)難題。如果工業(yè)軟件之間采用傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，不僅效率低下，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也非常麻煩。面對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)共享要求，不標(biāo)準(zhǔn)、不統(tǒng)一的接口，不同類型的軟硬件，所以需要一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解決這個(gè)難題。

由微軟公司開發(fā)的基于微軟OLE、COM和DCOM技術(shù)的OPC是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，正解決了不同系統(tǒng)及應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換和共享問(wèn)題。OPC技術(shù)包括一整套的標(biāo)準(zhǔn)集，包括接口、屬性和方法，用于過(guò)程控制和自動(dòng)化系統(tǒng)。不同廠商只要遵循OPC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)儀表與組態(tài)軟件之間的實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享?；贠PC技術(shù)的自動(dòng)化軟件以其數(shù)據(jù)資源共享性、數(shù)據(jù)傳輸安全性、數(shù)據(jù)實(shí)用性得到人們的廣泛關(guān)注，成為工業(yè)控制及其自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的一部分[1]。

1 OPC技術(shù)的背景

傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用程序是通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備進(jìn)行通信的，存在著諸多局限性。在應(yīng)用過(guò)程中難以做出通用的驅(qū)動(dòng)程序，由于設(shè)備型號(hào)不同，升級(jí)換代較快，開發(fā)者需要根據(jù)需求的不斷變化而持續(xù)的開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，為軟件開發(fā)者帶來(lái)了繁重的工作，造成了資源浪費(fèi)。工業(yè)儀表和自動(dòng)化行業(yè)需要一種開放的、有效的通信標(biāo)準(zhǔn)，可以將分布在工廠各處的工業(yè)儀表匯總到自動(dòng)化系統(tǒng)中進(jìn)行集中管控，實(shí)現(xiàn)工業(yè)儀表與自動(dòng)化組態(tài)軟件之間數(shù)據(jù)共享，把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)匯總到企業(yè)控制中心。

隨著科技的發(fā)展，產(chǎn)生了OPC技術(shù)，它解決了傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)共享的問(wèn)題。OPC規(guī)范要求各工業(yè)儀表廠商發(fā)布各自的OPC服務(wù)器，提供基本協(xié)議接口，這樣任何符合OPC規(guī)范的客戶端應(yīng)用程序都根據(jù)接口規(guī)范可進(jìn)行訪問(wèn)，具有接口透明度高、集成度高、代碼重用度高等優(yōu)勢(shì)，這樣各工業(yè)儀表廠商從繁冗的底層開發(fā)工作中解放出來(lái)。

2 OPC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

OPC全稱是Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control，它的應(yīng)用遍布全球，包括生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和生產(chǎn)儀器儀表的公司。OPC規(guī)范包括OPC服務(wù)器和OPC客戶端兩個(gè)部分，其實(shí)質(zhì)是在硬件供應(yīng)商和軟件開發(fā)商之間建立了一套完整的“規(guī)則”，只要遵循這套規(guī)則，數(shù)據(jù)交互對(duì)兩者來(lái)說(shuō)都是透明的，硬件供應(yīng)商無(wú)需考慮應(yīng)用程序的多種需求和傳輸協(xié)議，軟件開發(fā)商也無(wú)需了解硬件的實(shí)質(zhì)和操作過(guò)程[2]。

OPC技術(shù)的模式為客戶端與服務(wù)端模式。OPC服務(wù)器分為三層結(jié)構(gòu)：OPC服務(wù)器、OPC組和OPC項(xiàng)目。邏輯關(guān)系上，服務(wù)器對(duì)象和組對(duì)象之間是聚合關(guān)系，組對(duì)象和項(xiàng)對(duì)象之間是包容關(guān)系。其中OPC服務(wù)器對(duì)象包含了一個(gè)OPC組集合以及OPC瀏覽器對(duì)象；OPC組對(duì)象用于組的狀態(tài)管理；OPC項(xiàng)對(duì)應(yīng)著實(shí)際硬件設(shè)備中某個(gè)具體設(shè)備單元，它包括當(dāng)前設(shè)備單元的數(shù)據(jù)值、數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)簽、數(shù)據(jù)品質(zhì)信息三個(gè)基本屬性。

OPC客戶端與OPC服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)方式有兩種：同步和異步方式。同步方式適用于數(shù)據(jù)量較少的場(chǎng)合，是指雙方按照指定頻率交換所有數(shù)據(jù)的方式，方法簡(jiǎn)單，效率低下。異步方式應(yīng)用較多，適用于發(fā)送數(shù)據(jù)量大的場(chǎng)合，是指當(dāng)OPC服務(wù)器緩沖區(qū)發(fā)生改變時(shí)，向客戶端發(fā)出通知，客戶端得到通知后再進(jìn)行處理。

OPC規(guī)范定義了兩套接口規(guī)范，其一是自動(dòng)化接口規(guī)范，其二是定制接口規(guī)范。二者應(yīng)用上有所不同。自動(dòng)化接口規(guī)范適用于VB類的腳本語(yǔ)言編寫的應(yīng)用程序；定制接口規(guī)范適用于C和C++應(yīng)用程序，相對(duì)更強(qiáng)大。

3 OPC技術(shù)在工業(yè)儀表中的應(yīng)用

工業(yè)儀表與自動(dòng)化組態(tài)軟件間可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)OPC技術(shù)完成數(shù)據(jù)讀取、寫入、傳輸?shù)取PC技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中產(chǎn)生了標(biāo)準(zhǔn)的接口，將接口函數(shù)規(guī)范，進(jìn)而使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不管在任何形勢(shì)下，都可以使用，并保證軟件對(duì)客戶的透明性[3]。開發(fā)商不需要再為不同型號(hào)的硬件設(shè)備或者不斷升級(jí)換代的設(shè)備耗費(fèi)精力開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，只需要集中精力開發(fā)工業(yè)儀表軟件或組態(tài)軟件，不但節(jié)約了資源，而且提高了自身設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力。工業(yè)儀表將數(shù)據(jù)封裝起來(lái)，通過(guò)OPC技術(shù)在異構(gòu)的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)工業(yè)儀表與自動(dòng)化組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)集成變得更加便捷。

在工業(yè)儀表與組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)交換方案中，通常情況下工業(yè)儀表作為OPC服務(wù)器，組態(tài)軟件作為OPC客戶端，也有組態(tài)軟件作為OPC服務(wù)端的特殊情況，本文不做具體討論。工業(yè)儀表與組態(tài)軟件之間不受空間距離的約束，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)便可實(shí)現(xiàn)工業(yè)儀表與組態(tài)軟件之間的互聯(lián)互通。OPC技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中，其中使用到的客戶端的應(yīng)用程序，可以對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，采用標(biāo)準(zhǔn)的接口方式，所以在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛的應(yīng)用[4]。

工業(yè)儀表提供OPC服務(wù)器，維護(hù)來(lái)自儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)值，可根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則定時(shí)刷新OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)標(biāo)簽值，也可以在數(shù)據(jù)變化時(shí)更新。組態(tài)軟件作為OPC客戶端，負(fù)責(zé)從工業(yè)儀表提供的OPC服務(wù)端獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總展示。管理者可在管理中心對(duì)工業(yè)儀表系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行全面掌握，為管理者監(jiān)控工廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀況和

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及時(shí)做出決策提供了數(shù)據(jù)支撐。

在組態(tài)軟件的系統(tǒng)工作過(guò)程中，如果系統(tǒng)操作人員想要對(duì)某個(gè)儀表監(jiān)控，需要將這個(gè)儀表數(shù)據(jù)作為一個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、輸出，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)該儀表的控制。在組態(tài)軟件中，工業(yè)儀表作為一個(gè)可視化的對(duì)象，用戶通過(guò)形象的圖形圖像界面對(duì)工業(yè)儀表的運(yùn)行情況進(jìn)行全面掌控。利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)儀表與組態(tài)軟件之間的實(shí)時(shí)通訊，需要對(duì)組態(tài)軟件進(jìn)行一系列的配置。

首先，需要定義服務(wù)端與客戶端之間的協(xié)議，明確要傳輸哪些信息，將要傳輸?shù)男畔⒊橄蠖x為OPC對(duì)象，明確每個(gè)變量的類型，實(shí)現(xiàn)OPC對(duì)象的聲明。

其次，在保證OPC客戶端與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接前提下，OPC服務(wù)端配置相應(yīng)的權(quán)限以供客戶端訪問(wèn)，在OPC客戶端添加并連接OPC服務(wù)器的服務(wù)組件，添加OPC組，實(shí)現(xiàn)OPC項(xiàng)的建立與添加。

再次，確定數(shù)據(jù)接收的模式，根據(jù)約定的數(shù)據(jù)同步的模式進(jìn)行刷新，連接成功后觀察確認(rèn)OPC客戶端接收的數(shù)據(jù)與工業(yè)儀表的數(shù)據(jù)值是否一致。

配置過(guò)程非常靈活，能適應(yīng)多種工業(yè)儀表需要，易執(zhí)行。通過(guò)OPC技術(shù)的應(yīng)用，工業(yè)儀表與組態(tài)軟件之間的實(shí)時(shí)通訊效率得到了大大的提升。

OPC技術(shù)在工業(yè)儀表與自動(dòng)化控制應(yīng)用中有很多優(yōu)點(diǎn)：其一是通過(guò)OPC的接口函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，各系統(tǒng)之間不需要考慮對(duì)方是以何種語(yǔ)言開發(fā)，只需要按統(tǒng)一的接口去訪問(wèn)，大大的提高了系統(tǒng)的開放性；其二是OPC使用了接口，保證了軟件的透明性，調(diào)用方便；其三是OPC規(guī)范的技術(shù)基礎(chǔ)是COM，通用接口提高了軟件的重用性，標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范使開發(fā)者提高了效率；其四是OPC的特點(diǎn)是各系統(tǒng)屬于高內(nèi)聚低耦合，各系統(tǒng)之間互不影響，如果一方系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)方系統(tǒng)不會(huì)受影響，便于系統(tǒng)維護(hù)；其五是OPC是基于DCOM技術(shù)，工業(yè)儀表與自動(dòng)化控制系統(tǒng)不需要直接連接，只要網(wǎng)絡(luò)能夠互通，不受地理區(qū)域的限制，便可進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。

4 結(jié)語(yǔ)

OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)儀表與組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)通訊，有效的提升了工廠自動(dòng)化的水平，提高了工業(yè)系統(tǒng)的集成性，為工業(yè)發(fā)展帶來(lái)了積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”資助項(xiàng)目（遼百千萬(wàn)立項(xiàng)【2015】9號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：張偉（1980-），男，黑龍江密山人，本科，學(xué)士，副總工程師，高級(jí)工程師，主要從事同位素在線檢測(cè)儀表的研發(fā)工作。