基于OPC技術的多線程數據采集系統的實現

喬富強，趙 旭

（天津中德職業技術學院 信息系，天津 300350）

在能源信息化集成過程中，環保局要求各熱電廠的鍋爐實時數據進行上傳，企業內部也需要通過瀏覽器實時監控鍋爐數據。這些數據的傳輸從起點到終點要經過現場工控機（配有OPC服務器）、OPC客戶端、UDP傳輸層和監控主機，其中OPC客戶端為分散于各處的生產數據與中央監控搭建了橋梁。大部分熱電廠都通過配置OPC服務器，向外提供符合OPC標準的統一接口[1]，但傳統的OPC客戶端都是基于一個客戶端訪問一臺服務器開發的[2-3]。為了適應環保局對多個熱電廠數據的同時采集，本系統實現了單一客戶端對多服務器的連接。同時考慮到每個連接應獨立工作，當一個連接出現問題，不影響其它服務器的訪問，采用了多線程模型解決這一問題。另外，數據采集是長期的工作，由于網絡環境的不穩定性，客戶端與服務器的連接經常斷開，因此，系統提供了自動監控連接狀態，斷點續連的功能，減少了操作人員的負擔。

1 OPC技術

OPC（OLE for process control）是一個用于過程控制的技術標準，它基于微軟的OLE（現在的Active X）、COM（部件對象模型）和DCOM（分布式部件對象模型）技術，采用客戶/服務器模式，制定了關于數據采集、歷史趨勢以及事件報警等接口標準[4]。只要遵守這些標準，在客戶機和服務器之間就可以交換數據。

OPC邏輯對象模型中包括3種對象：服務器對 象 （OPCServer）、 組 對 象 （OPCGroup） 和 項 對 象（OPCItem）。這3種對象層次不同，每種對象都包括一系列接口。如圖1所示，一個OPCItem對應實際的硬件裝置上的某一個channel或port，它包括值（Value）、品質（Quality）、時間戳（Time Stamp）3 個基本屬性；一個OPCGroup則包含了許多的OPCItem，同時也定義了這些OPCItem更新的時間、方式，并提供讀取OPCItem屬性的接口；而一個OPCServer則包含若干個OPCGroup，同時提供操作這些OPCGroup的接口[5]。OPC客戶端若要從服務器中采集數據，首先應得到服務器對象的引用，然后通過操作組對象的接口動態創建組對象，最后通過組對象讀取項對象的屬性值。

圖1 OPC服務器結構圖Fig.1 OPC server structure diagram

2 OPC客戶端開發

本系統以Visual Studio 2010為平臺，應用VB.Net語言開發，項目中引入了OPCAutomation.dll組件，其中封裝了客戶端與服務器交互的方法。

項目中建立了3個與功能相關的類，其中Opc-ClientOperator類主要表達了客戶端與服務器一對一的連接，并提供了采集數據方法；ThreadsOperator類封裝了OpcClientOperator類的對象數組，每個對象代表一個與服務器的連接，從而實現客戶端與多服務器的交互，這個類也定義了線程數組，它為每個連接啟動一個線程，避免了多連接情況下的相互沖突；OpcClientObserver類提供了異常處理以及修復連接的方法，當連接發生異常時，調用這些方法實現斷點續連。這3個類的主要成員如圖2所示，詳細介紹這些類的實現細節。

圖2 OPC客戶端類視圖Fig.2 OPC client class view

2.1 OpcClientOperator類

OpcClientOperator對象可完成對一臺OPC服務器的數據采集，其工作過程由以下步驟組成：

步驟1調用ConnectRemoteServer函數連接到指定的服務器，該函數以服務器IP地址或主機名作為參數，若連接成功，MyOpcServer變量保留服務器對象的引用，并用ServerState記錄服務器連通狀態（OPCServerState.OPCRunning），否則捕獲異常，提示錯誤信息。

步驟2調用CreateGroup函數創建組對象，MyOpcGroup保存組對象的引用，當成功創建了組對象，可添加即將被采集的項對象序列，其中組名稱及項變量名稱由項目的配置文件導入，關鍵語句如下：

步驟3調用SetGroupProperty函數設置組的屬性，主要包括下列內容：

步驟4采集數據，StartClientChannel是本類中的主要函數，也是啟動線程時的綁定函數，該函數內部首先執行了以上3個過程，然后開始從服務器采集數據，而本類定義了3種客戶端與服務器的通信方式：

①同步方式MyOPCGroup_SyncRead

OPC服務器把項對象的值、品質和時間戳作為函數的參數返回給客戶端，在結果被返回之前客戶端程序必須處于等待狀態。

②異步方式MyOPCGroup_AsyncRead

OPC服務器接到客戶端的請求后，幾乎立即將方法返回。OPC客戶端隨后可以進行其他處理。當完成數據訪問時，OPC服務器主動觸發客戶端的異步訪問完成事件，將數據訪問結果傳送給OPC客戶端。OPC客戶端在事件處理過程中接收傳來的數據。

③訂閱方式MyOPCGroup_DataChange

服務器按一定的更新周期（UpdateRate）更新數據緩沖區的數值時，如果發現數據有變化，就會觸發組對象的DataChange事件通知客戶端，而發生變化的數據作為事件處理函數的參數返回給客戶端。

步驟5啟動定時器timer，定期監測服務器連接狀態 CheckServerState，若連接異常，則觸發OffLine事件通知OpcClientObserver來處理。

2.2 OpcClientObserver類

為解決斷點續連問題，本系統采用了事件和委托機制[6]，事件是對象發送的消息，以通知操作的發生。操作可能是由用戶交互引起的，也可能是由某些其他的程序邏輯觸發的。引發事件的對象稱為事件發送方。捕獲事件并對其作出響應的對象叫做事件接收方。這種機制源自于Observer（觀察者）模式，事件的發送方是被觀察的主體，事件的接收方是觀察者，當主體發生變化時，觀察者被自動告知更新[7]。在事件通信中，事件發送方不知道哪個對象或方法將接收并處理該事件。因此在發送和接收方之間必須存在一個媒介 （類似函數指針）。.NET Framework定義了一個特殊的類型–委托類型（Delegate），該類型提供函數指針的功能。委托是可保存對方法的引用的類，與其他的類不同，委托類具有一個簽名，并且它只能引用與其簽名匹配的方法。這樣委托就等效于一個類型安全的函數指針或一個回調。

根據事件和委托機制，首先在OpcClientOperator類中聲明了一個委托類型OffLineEventHandler，以及依托于該委托的事件OffLine，當觸發事件時，由該委托所指向的函數來處理。

其中參數sender表示引發事件的對象，而參數e中記錄了事件接收方感興趣的信息，比如服務器的連接狀態ServerState和地址等，接收方通過這些值判斷異常的類型以及重新連接的地址。

接下來在OpcClientObserver類中定義了3個函數，其中RepairConnection是符合OffLineEventHandler委托類型的事件處理函數，它先調用ExceptionHandle來判斷連接異常的類型，若為物理性斷網，則通知用戶手動操作，否則嘗試重新建立與Opc服務器的連接，若一次連接不成功，則等待若干秒后重新嘗試，反復幾次，其中等待時間和最大重連次數由用戶在ThreadWaitingTime和MaxConnCount成員變量中的賦值所決定。若連接成功則調用ThreadHandle恢復數據采集的線程；若達到最大重連次數仍未成功，則提示用戶手動操作，并結束數據采集線程。

.NET Framework允許用戶將事件與處理程序動態綁定，當主程序啟動后，分別為每個OpcClient-Operator對象綁定事件處理函數。

這樣，在對數據采集線程實施定時監控過程中，如果發現某個連接斷開，則引發OffLine事件，根據委托，操作系統自動調用事件處理函數重新建立連接。

2.3 ThreadsOperator類

該類封裝了OpcClientOperator類的對象數組ClientOp，和.Net線程數組 Threads。DoClientJob 是客戶端工作的啟動函數，它首先初始化ClientOp數組的每個對象，為每個對象設置連接服務器的地址，組信息及項信息，然后將這些對象的Start-ClientChannel函數分別綁定到Threads數組的每個線程對象，作為工作線程的函數，最后依次啟動這些線程。

每個線程獨立處理客戶端與一臺服務器的連接及數據采集工作，當一個連接異常時，不影響其它線程的工作[8]。

雖然本系統實現了斷點續連的功能，但在某些情況下，比如網絡物理性斷開，或重新連接數次達到上限都不成功，還是需要人員手工操作，基于這些考量，本類也提供了動態管理線程的方法。ResetOneThread函數用于重置某個指定的線程，當某個線程異常而中止工作時，可以調用該函數重新啟動這個線程。當客戶端不再需要訪問某個服務器時，可以調用StopOneThread函數停止某個指定的線程，它們以服務器地址和線程對象的下標為參數。OPC客戶端完整的工作流程如圖3所示。

圖3 OPC客戶端工作流程圖Fig.3 OPC client working flow chart

3 系統測試

系統測試工作在一個真實的環境下進行，應用該OPC客戶端采集天津市濱能集團5組鍋爐的參數，首先在各自的工控機上搭建OPC服務器環境，應用的服務軟件是西門子的WinCC。然后設置組和項的參數，并將這些參數導出到配置文件供OPC客戶端使用，這些參數包括OPC服務器地址、類型、組名、項變量名以及相關注釋。最后在一個遠程主機上啟動客戶端，開始訪問這5個OPC服務器。

配置客戶端的操作如圖4所示，列表框中導入了所有服務器的地址，當選擇某個地址時，文本框中會顯示該服務器類型和已添加的組。當點擊“導入參數項”時，系統會讀取配置文件中的項變量信息，包括序號、變量名和標題。啟動客戶端以后開始采集所有服務器的項變量數據。

圖4 配置OPC客戶端Fig.4 Configure OPC client

在列表中選擇某個服務器地址，可以查看從該服務器上接收的項變量的值、質量和時間戳信息。通過“重置線程”和“終止線程”，用戶可以手動的重啟或停止當前線程，而不影響另外4個線程的采集工作。當重啟某個OPC服務器時，連接發生異常，此時斷點續連機制生效，經過數次的重連、等待，連接恢復，照常接收數據。

4 結語

本系統通過OPC技術，采用面向對象封裝的思想，充分利用VB.NET的多線程機制進行多服務器的連接，動態地管理線程，提高了系統的穩定性，完成了企業鍋爐數據的采集與發送的開發。系統提供了便利的人機界面，方便了使用者的操作，在實際應用過程中達到了預期的效果。

[1]蔣近，段斌.基于OPC技術的監控主站實時數據傳輸[J].電力自動化設備，2008，28（9）：97-100.

[2]黃錦花，常喜茂.基于快速開發工具的OPC客戶端的開發與實現[J].化工自動化及儀表，2013，40（7）：893-897.

[3]蘇磊，李茜，湯偉.OPC數據訪問客戶端的研究與實現[J].計算機工程，2010，36（11）：80-82.

[4]陳燁，倉小金，彭蓬，袁小平.基于OPC中問件技術的網絡控制系統[J].電力自動化設備，2011，31（1）：100-104.

[5]望荊沙.基于OPC DA 3.0的OPC服務器與客戶端的研究與實現[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[6]任玉輝，張新海.動態連接多服務器的OPC客戶端在燒結控制系統中的應用[J].燒結球團，2011，36（1）：19-24.

[7]James W.Cooper.C#設計模式[M].北京：科學出版社，2011.

[8]Gastón C.Hillar.C#并行編程高級教程：精通NET 4 Parallel Extensions[M].北京：清華大學出版社，2012.