基于OPC技術的二級系統設計探討①

王 琳， 王昌正

(大峘集團有限公司， 江蘇 南京 211112)

引 言

在工控領域，需要通過記錄現場生產設備的諸多參數，來即時反映設備運行情況，所以對于這些參數的監控和采集非常重要。一般根據生產流程要求，一級系統(下位機)負責采集實時生產數據，并將數據存儲到指定數據庫中，二、三級系統(上位機)則需進行復雜的數據運算或處理，實現對一級系統進行自動化智能控制，實現按需定制生產數據報表或通過分析形成智能化方案。要實現這一聯動過程，各級系統之間就存在著數據通訊與存儲。往往由于復雜的生產工藝流程，存在跨區域多個一級系統并存運行的情況，在 OPC 技術出現之前，需要花費大量的時間和精力為不同的設備編寫對應的驅動程序實現數據采集，一旦設備升級或換代，復用可能性非常小，無法繼續正常使用，需要重新開發配套的驅動程序。因而OPC 作為工業自動化控制領域興起的準則，它的出現為基于組態軟件的數據采集系統的集成提供了確實可行的解決方案。本文旨在通過OPC協議通訊機制深層次討論如何盡量以最小成本設計二級系統的思路。

1 OPC技術概述

SCADA雖然經過40多年的發展，智能化程度仍然不高。目前冶金行業應用的 SCADA基本上能夠實現設備日常工作的實時監測，能夠對采集的數據進行處理、顯示、趨勢分析以及報表統計，少數能夠達到遠程遙控的調度輔助目標。目前主流的SCADA廠商都支持OPC協議，很好地解決了過去不同廠商、不同系統以及不同通訊協議之間不能協同作業的問題。

OPC技術最早是于1995 年由Microsoft(微軟)等廠商提出的一種硬件與軟件接口標準，屬于工業標準。目前，OPC 這一標準主要由OPC 基金會管理，主要是以微軟的OLE(Object Linking and Embedding，面對對象的連接與嵌入技術)、現今的Active X 以及COM(Commercial Object Model，組件對象模型)、DCOM(Microsoft Distributed Component Object Model，分布式組件對象模型)等技術為基礎確定的。隨著近年來OPC 技術研究的不斷深入，已形成了系統的接口、方法與屬性標準集，并在自動化領域中得到廣泛應用，成為工業控制及其自動化系統中重要的通信方式，OPC通訊機制如圖1所示。

圖1 OPC通訊機制

在OPC數據存取規范中，一個OPC的數據存取服務器中包括：服務器對象(OPC Server)、組(OPC Group)和項(OPC Item)。OPC服務器對象維護有關服務器的信息并作為OPC組對象的容器，而OPC組對象維護有關其自身的信息，提供包容OPC項的機制，并管理OPC項。

2 二級系統設計需求

受傳統自動化軟件中OPC 服務器工作模式(Client/Server 模式)的影響，很多鋼鐵企業在實施二級自動化系統的時候，也采用C/S結構設計，然而隨著工業生產流程的優化和工藝的改進，面臨該二級系統軟、硬件的技術改造和優化升級需求也日益迫切。

對幾家鋼鐵企業現有二級系統研發技術進行調研后，進行如下幾個維度的分析與歸納(如表1所示)。

表1 二級系統分析歸納

當前主流大品牌SCADA系統日益趨向對工控機硬件高配置、高資源性能占用的要求，一些老牌自動化設備廠商甚至開始提出云端自動化解決方案概念，在客戶投入成本小、運營效率高的項目需求下，無疑大大壓縮了二級系統實施與運行的可用資源空間。

另外，當前C/S架構所實現的二級系統，無法支持用戶在日常生產運營過程中對電子數據的一系列定制要求，生產數據之間無法協同作業，絕大部分工作量由人工手工去實現，造成效率很低、人力成本比較高。

3 二級系統設計思路

3.1 三層結構

OPC接口技術是基于微軟COM/DCOM(Component Object Model/Distributed COM)技術制定的，這項技術的優勢在于：借助微軟已有的技術，減少規范制定的周期，并快速形成相關產品。當然，優點也是缺點，那就是依賴于微軟的技術。

基于這種技術思想，在考慮系統設計時，不妨可以考慮基于微軟技術去開發二級系統，比如使用：Visual Studio + SQL Server去實現Windows平臺的應用程序。因為通過實地調研發現，傳統的冶金行業的企業基本都使用Windows平臺的IT管理方式，那么在這樣的信息化模式下，建議還是以微軟技術去實現系統設計的基本選型，系統的穩定性和兼容性會更穩妥，也會更貼合用戶的實際運營需要。

基于 ASP.NET構建B/S架構的二級系統，如圖2所示，將該系統分解為3層結構進行工作。

圖2 二級系統的3層結構示意圖

3.2 技術實現分析及說明

3.2.1 關鍵技術原理

VS插件程序：可視化的設計環境，用Winform的方式來進行UI設計，高效、方便。

ASP.NET組件：在ASP.NET，用DataWindow控件來對數據庫進行操作，把由VS插件程序生成的窗口控件，生成為 XML傳到客戶端。

ActiveX控件：瀏覽器加載ActiveX控件，ActiveX控件根據窗口的XML數據，生成窗口UI控件，Javascript通過COM對象接口調用窗口控件功能。

使用DataWindow的原因：

(1)瀏覽器的功能不能解決企業化應用開發的全部業務處理功能。

(2)HTML，CSS，JS開發效率相對較慢，后期的維護性也不如 DataWindow。

(3)瀏覽器需要顯示Flash、PDF，就需要安裝相應的插件程序。

(4)Flex，SilverLight都是用插件來開發RIA Web應用程序。

3.2.2 開發概述

設計實現的技術語言是C#，它借鑒了Delphi語言的一個特點：與COM是直接集成的，適合為獨立和嵌入式的系統編寫。對OPC接口進行訪問，需要在C#中添加對OPC自動化接口OPCAutomation(OPC基金會提供的OPC自動化接口標準文件)的引用。另外，若OPC Server和Client不在同一臺工控機上，則需要對Server和Client所在的兩臺機器分別做DCOM設置，才能實現數據互通，否則Client將不能正常訪問到Server。

如圖2所示的3層結構，采用Socket(雙向通信連接)+AJAX (Asynchronous Javascript and XML，即異步 JavaScript 和 XML)異步通訊技術實現Web應用程序。 OPC異步訪問優點是：效率更高，不僅能改善網絡擁塞，而且還能系統節約資源。

3.2.3 系統頁面加載過程及運行

利用ActiveX控件，把窗口加載到一個普通的html頁面里面，如圖3所示。

圖3 加載運行流程示意圖

3.2.4 上位機與下位機之間通過OPC的聯動機制

上位機與下位機之間通過OPC的聯動機制如圖4所示。

圖4 聯動機制示意圖

(1)OPC協議是一項通用的工業標準，介于一級系統與上層軟件之間，它為上層的數據及軟件應用提供一個統一的訪問接口，使得上層系統在數據集成時無需考慮下層控制系統的協議和實現方式，只要符合OPC客戶端的接口規范即可，這樣大大節省了上層軟件在數據集成方面的重復工作。

(2)OPC中間服務器，在中間服務器完成統一采集數據和數據庫服務器集群就近存儲數據，使用自動化接口結合動態鏈接庫設計，開發具有較強通用性和面向過程數據通信的中間服務器。

(3)采用Web 服務器的二級分布式動態緩存結構，是針對服務器集群而言的，這樣設計的作用是：在跨區域的復雜生產環境中，采用就近優先的訪問及存取原則，在緩存的替換策略中引入最近緩存命中時間因子，能夠增加緩存命中率，將生產網絡中的數據利用資源合理分配，提升用戶訪問速度。如果是在單一的工藝或工序級的生產車間，少量工控機的生產環境下，則不需要有此設置。

4 結束語

OPC 技術作為工業自動化控制領域的統一通訊接口標準，對基于它的技術性研究還將繼續并且不斷更新，而選擇C#語言開發OPC Client相比其它語言工具而言，比較方便快捷，并且在穩定性和數據讀取的速度上也有不錯的優勢。在二級應用系統軟件設計中應用OPC 技術，不僅能夠提升系統自動化水平，達到自動化技術應用目標，還能夠增強數據生產與傳輸的準確性和安全性，促進生產數據資源的有效共享，強化系統各設備間的有效溝通，規范系統應用程序，避免軟件系統與硬件設備間“信息孤島”問題的產生。