??? 摘 要：在研究OPC技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，利用OPC服務(wù)器快速開發(fā)工具KOSRDK設(shè)計了OPC服務(wù)器程序，采用工控組態(tài)軟件組態(tài)王開發(fā)了OPC客戶端應用程序，設(shè)計構(gòu)建了具有開放接口功能的DCS監(jiān)控系統(tǒng)。
??? 關(guān)鍵詞：OPC；集散控制系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)；組態(tài)王
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??? 在工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和系統(tǒng)復雜程度的提高，需要把種類豐富、數(shù)量眾多的軟件與硬件設(shè)備集成于系統(tǒng)之中。過去，為了實現(xiàn)不同生產(chǎn)裝置的集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System,)和數(shù)據(jù)采集接口之間的數(shù)據(jù)通信，需要花費很多時間開發(fā)專用的通信接口程序，而OPC標準的出現(xiàn)解決了這一難題。
??? 基于OPC技術(shù)規(guī)范，設(shè)計構(gòu)建了具有開放接口功能的DCS監(jiān)控系統(tǒng)。利用OPC服務(wù)器快速開發(fā)工具KOSRDK在Visual C++ 6.0中設(shè)計了OPC服務(wù)器程序，實現(xiàn)了DCS監(jiān)控級設(shè)備對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集。采用工控組態(tài)軟件組態(tài)王開發(fā)了OPC客戶端應用程序，完成DCS操作員站的監(jiān)控畫面設(shè)計。
1 OPC規(guī)范
??? OPC(OLE(Object Linking and Embedding)for Process Control)，是以O(shè)LE/COM/DCOM 機制作為應用程序級的通信標準，采用Client/Server模式，把開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，以O(shè)PC服務(wù)器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性[1]。OPC為工業(yè)控制設(shè)備與應用軟件之間建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取規(guī)范，這個接口規(guī)范不但能夠應用于獨立計算機，而且可以支持網(wǎng)絡(luò)上不同應用程序之間的通信，以及不同平臺上應用程序之間的通信[2]，具有語言無關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點。OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都可以統(tǒng)一的方式訪問，從而保證軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來[3]。
??? OPC基金會已經(jīng)推出了OPC數(shù)據(jù)訪問、報警與事件、歷史數(shù)據(jù)訪問、批量過程、數(shù)據(jù)交換、安全規(guī)范和XML-DA規(guī)范[4]，本文主要應用OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范進行DCS監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。
??? OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范主要解決服務(wù)器和客戶端之間實時數(shù)據(jù)存取問題。在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應用OPC技術(shù)規(guī)范數(shù)據(jù)存取機制，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提升監(jiān)控系統(tǒng)的開放性和設(shè)備兼容性。當各應用軟件都采用OPC的接口規(guī)范時，它們便可通過OPC接口方便地實現(xiàn)連接，從而增強軟件間的數(shù)據(jù)交換效率。
2 DCS監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
2.1 DCS的總體構(gòu)成
??? 面向中小型用戶的需求進行集成開發(fā)的集散控制系統(tǒng)主要由現(xiàn)場控制級和監(jiān)控級構(gòu)成。
??? 現(xiàn)場控制級硬件裝置采用臺灣研華公司MIC-2000系列的機箱、核心控制器和I/O 板卡?？刂茩C箱為MIC-2000/11，自帶電源，共有11個插槽，ISA總線為機箱內(nèi)部印刷電路板，把控制器和 I/O 板卡連接在一起。核心控制器采用一體化集成網(wǎng)絡(luò)功能的MIC-2352模塊板，提供了一個小尺寸、全功能、低費用、在有限空間內(nèi)支持網(wǎng)絡(luò)和顯示器的全方位的板上解決方案。本系統(tǒng)中，將嵌入式實時操作系統(tǒng) Windows CE.NET和基于Embedded VC開發(fā)的應用程序固化在一張256MB電子盤上。I/O 板卡主要有模擬量輸入模塊(AI)MIC-2718、模擬量輸出模塊(AO)MIC-2728、數(shù)字量輸入模塊(DI)MIC-2732、數(shù)字量輸出模塊(DO)MIC-2752和符合RS-485總線協(xié)議的遠程采集ADAM4000系列模塊[5]。
??? 為解決傳統(tǒng)系統(tǒng)開放性差和互操作性不強的問題，基于OPC技術(shù)構(gòu)建了監(jiān)控系統(tǒng)。選用高性能PC機，Windows XP操作系統(tǒng)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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??? 基于OPC技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)劃分為3層進行：(1)OPC數(shù)據(jù)源層;(2)OPC服務(wù)器層；(3)OPC客戶層。實現(xiàn)了各廠商間的大量設(shè)備互聯(lián)和過程數(shù)據(jù)共享，構(gòu)成完全意義上的全開放系統(tǒng)，解決了產(chǎn)品兼容性問題。
2.2 OPC數(shù)據(jù)源層設(shè)計
??? 數(shù)據(jù)源層的硬件設(shè)備是控制站機柜，通過各種I/O板卡(MIC2000系列)對現(xiàn)場設(shè)備進行連接，作為數(shù)據(jù)源，通信協(xié)議符合TCP/IP標準?？刂普緳C柜通過KOSRDK.DLL的接口函數(shù)將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，形成本地列表，并經(jīng)過OPC服務(wù)器的驅(qū)動將數(shù)據(jù)進行傳遞，生成OPC服務(wù)器列表，供客戶層的組態(tài)軟件使用。
2.3 OPC服務(wù)器層設(shè)計
??? OPC服務(wù)器屏蔽了現(xiàn)場數(shù)據(jù)源層的設(shè)備驅(qū)動程序，應用程序開發(fā)人員看到的只是OPC服務(wù)器提供的統(tǒng)一接口，不必關(guān)心現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動程序。利用OPC服務(wù)器快速開發(fā)工具包KOSRDK進行OPC服務(wù)器的開發(fā)。KOSRDK工具使用面向?qū)ο蟮募夹g(shù),并將OPC規(guī)范所定義的COM接口實現(xiàn)封裝動態(tài)鏈接,定義了Callback基類、Browser基類和Tag基類,這些類中定義了構(gòu)建數(shù)據(jù)路徑、訪問數(shù)據(jù)和提交數(shù)據(jù)的虛函數(shù)接口,開發(fā)者通過類的派生以及重載這些虛函數(shù)對數(shù)據(jù)的訪問和提交進行定制，簡化了OPC服務(wù)器的開發(fā)過程。
??? OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范規(guī)定OPC服務(wù)器包含3種對象：(1)Server對象；(2)Group對象；(3)Item對象。Server對象包含了OPC Server的相關(guān)信息，可以對Group對象進行添加和刪除，是Group對象的容器。Group對象包含了這個組的相關(guān)信息，并提供邏輯上包含組織Item對象的機制。Item對象與數(shù)據(jù)項關(guān)聯(lián)，每個數(shù)據(jù)項須具備Value、Quality和Timestamp 3個屬性[6]。
??? 利用KOSRDK工具開發(fā)了OPC服務(wù)器程序，通過標準接口向客戶層提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。同時，OPC客戶端通過OPC服務(wù)器對設(shè)備進行驅(qū)動訪問，從而實現(xiàn)了OPC服務(wù)器對上、對下的數(shù)據(jù)傳輸過程。主要實現(xiàn)過程及其相關(guān)的函數(shù)如下：
??? (1)服務(wù)器初始化：調(diào)用KOS_Init( )函數(shù)。
??? (2)設(shè)置CALLBACK回調(diào)函數(shù)。
??? 實現(xiàn)客戶程序和OPC Server DLL之間的數(shù)據(jù)通信，主要調(diào)用如下函數(shù)：
??? (1)客戶端寫數(shù)據(jù)ClientWrite Proc
??? 當連接到服務(wù)器的客戶端發(fā)出寫請求時，OPC Server DLL將會調(diào)用此回調(diào)函數(shù)，寫數(shù)據(jù)請求的參數(shù)作為該函數(shù)的參數(shù)：KOS_SetCIientWriteProc(&ClientWriteProc)。
??? 客戶端的ClientWriteProc定義：
??? Void CALLBACK EXPORT ClientWriteProc(HANDLE Handle,VARIANT*pVar)
??? (2)客戶端關(guān)閉ClientShutdownProc
??? 當連接到服務(wù)器的客戶端從服務(wù)器斷開時，OPC Server DLL將調(diào)用下面函數(shù):
??? KOS-SetClientShutdownProc(&ClientShutdownProc);
??? 客戶端的ClientShutdownProc定義:
??? Void CALLBACK EXPORT ClientShutdownProc(UINT wClientCount)
??? wClientCount為剩余客戶端數(shù)目，為0時表示可以停止掃描、關(guān)閉服務(wù)器。
??? (3)注冊和反注冊
??? OPC服務(wù)器必須在系統(tǒng)中注冊后才能被OPC客戶程序檢索，注冊和反注冊將使用CLSID、服務(wù)器名稱等參數(shù)：
??? KOS_Register(CLSID_Svr,m_strSvrName,m_strSvrDesc,strFile);
??? KOS_UnRegister(CLSID_Svr,m_strSvrName);
??? (4)添加OPC項
??? 服務(wù)器的初始化完成后需要添加項OPC Server DLL中，客戶才能檢索和使用OPC項。
??? HANDLE WINAPI KOS_AddItem(Cstring Name,VARIANT Value,WORDInitialQuality,BOOL IsWritable);
??? (5)更新OPC項的值
??? BOOL WINAPI KOS_UpdateItem(HANDLE ItemHandle,VARIANT Value,WORD Quality);
??? (6)關(guān)閉服務(wù)器
??? ① 如果有客戶連接，發(fā)出斷開連接請求。
??? ② 如果用戶使用了new等操作符，釋放所有這些已分配內(nèi)存。
??? ③ 調(diào)用KOS_RemoveItem( )從OPC服務(wù)器中刪除己添加OPC項。
??? ④ 調(diào)用KOS_UnInit()完成OPC服務(wù)器的退出。
??? 編譯運行OPC DA服務(wù)器程序后，進行注冊，在服務(wù)器主界面中可顯示Item的名稱、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)值、時間戳和數(shù)據(jù)質(zhì)量。
2.4 OPC客戶層的設(shè)計
??? 客戶端采用北京亞控自動化軟件科技有限公司開發(fā)的工控組態(tài)軟件——組態(tài)王，訪問由OPC服務(wù)器層提供的數(shù)據(jù)。組態(tài)王支持OPC規(guī)范，并提供強大、高效的組態(tài)功能和網(wǎng)絡(luò)應用?？蛻魧邮褂媒M態(tài)王軟件完成DCS監(jiān)控系統(tǒng)的畫面組態(tài)、歸檔、報警、報表等功能，為工廠管理信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場操作員和工程師可以方便地在客戶監(jiān)控界面上監(jiān)視生產(chǎn)流程，控制設(shè)備運行和調(diào)整工藝配方等。
??? 采用組態(tài)王做OPC客戶端，實現(xiàn)與OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)鏈接，主要通過3個步驟實現(xiàn)：
??? (1)在組態(tài)王中建立OPC服務(wù)器設(shè)備
??? 當組態(tài)王作為OPC客戶端使用時，OPC服務(wù)器就作為組態(tài)王的一個設(shè)備。需要在組態(tài)王工程瀏覽器的“設(shè)備”項目中將“OPC服務(wù)器”加入。
??? (2)在數(shù)據(jù)庫中定義變量
??? 在DCS監(jiān)控系統(tǒng)中通常由數(shù)據(jù)庫來管理大量的數(shù)據(jù)，組態(tài)王中數(shù)據(jù)庫變量的集合稱為“數(shù)據(jù)詞典”，為了實現(xiàn)OPC服務(wù)器端與客戶端的數(shù)據(jù)交換，需在組態(tài)王的數(shù)據(jù)字典中定義變量，OPC服務(wù)器作為連接設(shè)備提供數(shù)據(jù)。
??? 在組態(tài)王的數(shù)據(jù)詞典中，選擇I/O類型變量，連接設(shè)備選擇OPC服務(wù)器。寄存器下拉式菜單中列出了在OPC服務(wù)器中定義過的所有項目名及數(shù)據(jù)項，選擇對應的數(shù)據(jù)項和各自的數(shù)據(jù)類型和讀寫屬性后，就將OPC服務(wù)器中的Item加入到了客戶端數(shù)據(jù)詞典中，完成了各變量的連接，如圖2所示。
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??? (3)OPC服務(wù)器與客戶端的連接測試
??? 完成OPC服務(wù)器程序和客戶端組態(tài)王工程后，先對OPC服務(wù)器進行注冊操作，再進行連接測試，檢驗OPC服務(wù)器是否能把它從設(shè)備端讀到的數(shù)據(jù)正確傳給OPC客戶端；同時檢驗OPC客戶端是否能對設(shè)備操作值進行改寫，是否完成數(shù)據(jù)的雙向傳送。
??? 圖3所示為OPC服務(wù)器與客戶端連接成功的測試實例。客戶端的“主汽溫度”和“閥門開度”，對應服務(wù)器的Item項是“a.a.f”和“a.a.c”?！爸髌麥囟取笔怯煞?wù)器傳給客戶端的現(xiàn)場實時采集數(shù)據(jù)，“閥門開度”是客戶端發(fā)送給服務(wù)器的操作員指令?？梢?，OPC服務(wù)器中Item的時間戳(Timestamp)同客戶端的顯示時間一致，品質(zhì)(Quality)為“OPC_QUALITY_GOOD”，Item的值(Value)與客戶端監(jiān)控畫面顯示一致，由此實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳送。
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??? OPC技術(shù)規(guī)范是新興的工業(yè)控制領(lǐng)域標準，把硬件供應商和應用軟件開發(fā)者分離開，使得雙方的工作效率都有了很大提高。OPC標準的制訂，使所有的通信連接問題變得簡單，對開發(fā)DCS全開放性的監(jiān)控系統(tǒng)起到了重要作用，實現(xiàn)了各廠商之間的大量設(shè)備互聯(lián)和過程數(shù)據(jù)共享，解決了產(chǎn)品兼容性問題。本文遵循OPC標準，利用KOSRDK工具包和組態(tài)王軟件，構(gòu)建了DCS監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)方法效率高，周期短。
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