基于OPC技術的Web工控系統的研究與實現

趙曉峰

（1.江蘇省無線傳感系統應用工程技術開發中心，無錫 214153；2.無錫商業職業技術學院 物聯網技術學院，無錫 214153）

目前，在工業過程控制領域，大多采用上位機和下位機協同工作的模式，需要工作人員在線值守，限制其活動范圍，在農田灌溉、水利排澇等應用環境下，已經顯露出弊端。在“互聯網+”背景下，如何對傳統的工業控制系統進行改造或升級，以瀏覽器、移動終端等多方式實現遠程監控，已成為工業控制領域必須解決的問題[1]。本文在分析傳統工業系統基礎上，設計基于OPC技術的Web工控系統，采用訂閱發布機制處理實時數據，解決了數據并發寫入設備的問題。

1 系統結構

傳統的工業控制系統包括3個部分：（1）PLC硬件，通過嵌入的程序邏輯完成模擬信號和數字信號的處理，控制硬件運行，通過OPC標準與OPC Server通信；（2）OPC Server屬于中間服務層，接收 PLC數據，對外提供統一的OPC DA接口；（3）上位機的組態軟件訪問OPC Server，提供實時數據通訊和圖表功能[2]。在傳統的工業控制網進行擴展，增加Web應用平臺，直接與OPC Server通訊，就能實現遠程的實時工控系統，從而可以為各類的訪問終端提供接入服務。圖1所示為改進后的Web工業控制系統（虛線左側是傳統工控系統）。

圖1 Web工控系統結構Fig.1 Architecture of Web industrial control system

2 工控Web應用的結構

工控Web應用主要由3部分構成，表示層和Restful接口提供應用的交互界面；權限控制用于定義設備管理上的約束；數據中心用于定義應用系統范圍內PLC設備及其狀態變量，為上層應用下發的命令提供解析和執行，解決應用數據與設備數據的同步問題；DCOM通訊層通過DCOM接口，將PLC的數據按OPC規范與OPC Server進行相互的通訊[3]。工控Web應用的邏輯結構如圖2所示。

圖2 Web應用結構Fig.2 Architecture of Web application

3 工控Web應用的實現

考慮應用系統的跨平臺、穩定性以及服務的可擴展性，采用Tomcat7.0作為應用服務器，Redis 2.8作為實時數據緩存和消息路由，SQL Server 2008存儲歷史數據和應用配置信息。

3.1 DCOM/OPC訪問

OPC定義了一個工業標準接口，基于微軟的COM/DCOM技術，使任何帶有OPC接口的客戶程序都可以采用統一的方式存取不同硬件廠商的設備[4]。OPC Server通過DCOM接口為外部程序提供OPC規范的數據訪問，DCOM通過對象遠程調用ORPC協議來支持對遠程對象的調用。Java訪問OPC Server，可以采用OPC基金會推薦的Utgard項目，它是一個純Java實現的類庫，相比其它JNI的實現方式更為可靠和穩定，并且不依賴于其它組件。OPC Server在Windows系統中需要進行DCOM的配置，分配相應的權限，才能由特定的用戶進行DCOM調用[5]。

3.2 數據服務中心

數據服務中心的主要任務是數據同步，主要在OPC Server和Redis之間進行，Redis是一個高效的鍵值數據庫，支持字符串類型、散列類型、列表類型、集合類型等鍵值數據，是一個高效的內存數據庫，支持訂閱/發布方式對消息進行處理[6]。在本系統中，Redis作為Web應用的緩沖，保存設備的實時數據，同時通過訂閱發布機制幫助應用實現對設備的實時控制。

數據同步服務以多線程方式工作，運行的基本流程如圖3所示，左側是讀取OPC Server數據流程，右側是寫入OPC Server數據流程，采用讀寫分離的雙線程工作模式，減少相互影響。Web應用寫入OPC Server采用了訂閱發布機制，由Redis通過匹配訂閱條件，將訂閱者感興趣的消息從消息隊列里進行提取，然后通過路由轉發，投遞給相應的訂閱者[7-8]。

圖3 數據同步讀、寫模型Fig.3 Read and write model of data synchronization

讀取OPC Server數據，由SyncAccess對象根據更新頻率自動觸發事件，事件處理由注冊在SyncAccess中的DataCallback對象完成，該對象的changed方法負責接收事件中包含的數據，將數據值由Variant類型轉換成Java基本數據類型，以“變量名-值”的形式保存在Redis中。

寫入OPC Server數據，采用了訂閱發布模式，由業務層把數據以JSON格式發布到指定的Channel中。Redis通知訂閱該Channel的對象接收數據，創建OPC Item對象，把數據寫入OPC Server。訂閱對象需要繼承JedisPubSub，實現onMessage方法，對數據進行處理。

3.3 客戶端接口

客戶端接口主要包括兩部分，一是由瀏覽器訪問的Web動態網頁，二是為移動終端提供的一組Web API接口，也能訪問設備數據和遠程控制設備。移動端的Web API接口采用Restful風格，數據格式統一采用JSON格式來描述。Web界面借助于HTML5的WebSocket通訊方式，可以在Web頁中實現與服務器實時通訊，通過頁面動態展示設備數據和圖形[9]。

4 應用案例

本文所實現的Web工控系統已運行于某市水利項目，項目由5個PLC控制的泵、閘站組成，利用水利系統內網通訊，實現Web瀏覽器遠程控制泵站水泵啟停和閘門升降，并在查詢系統中顯示實時數據、歷史數據、水位過程線等過程控制信息，數據每隔15 min或1 min內功率變化＞10%時，自動存入SQL Server2008數據庫。案例的泵閘遠程控制界面如圖4所示。

圖4 泵閘遠程控制界面Fig.4 Remote control interface of pump and gate

5 結語

在工業互聯網和移動互聯網的背景下，基于Web的工業控制系統越來越受關注。本文研究的基于OPC技術的Web工業控制系統，有效解決了Web應用的實時數據存儲和設備并發控制問題；而且對傳統工控系統的擴展不影響原系統運行，通過OPC Server與Web平臺的相互協作，實現對工業控制系統的實時控制。未來會將本文所開發的遠程工業控制系統應用于其他領域。

[1]劉宇.基于Android平臺的遠程工業監控系統[J].計算機測量與控制，2014，22（4）：1087-1089.

[2] 崔嵩.OPC技術與分布式實時數據庫在SCADA系統中的開發與應用[D].山東：山東大學，2014.

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[4]王立萍.基于OPC標準的數據存取客戶端應用開發[J].機床與液壓，2015，43（4）：171-173.

[5]楊海鵬，戴波.石油化工廠實時數據采集系統的設計[J].江南大學學報：自然科學版，2014，13（6）：698-705.

[6]Josiah L Carlson.Redis in Action[M].Manning Publications，2013.

[7]虞海江，馬建剛，葉丹，等.基于發布訂閱模式的數據集成中間件系統設計與實現[J].計算機系統應用，2007（11）：12-15.

[8]張舒，李超，赫陽，等.基于訂閱發布的車輛GPS應急監控調度平臺[J].計算機工程與設計，2008，29（2）：445-450.

[9]楊建業，耿建平.基于HTML5的實時Web數據監測系統[J].桂林電子科技大學學報，2015，35（2）：136-141.