基于OPC技術(shù)垃圾焚燒數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

錢 晨

（光大環(huán)保技術(shù)研究院（南京）有限公司 電控所，南京210003）

隨著光大環(huán)保業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，各個(gè)項(xiàng)目公司在垃圾焚燒的過(guò)程中每天都會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)源廣、種類多、時(shí)效性不同，采集并管理好這些數(shù)據(jù)變得尤為重要。因此，擬在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一套基于C/S 模式的OPC（OLE for process control）數(shù)據(jù)采集客戶端，用于采集現(xiàn)場(chǎng)各種類型的終端數(shù)據(jù)包括火焰監(jiān)控?cái)z像頭的信號(hào)狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及與OPC 服務(wù)端的連接情況等，從而對(duì)垃圾焚燒的整個(gè)流程進(jìn)行集中式監(jiān)控和分布式管理，可為生產(chǎn)管理提供高效穩(wěn)定的信息傳輸，進(jìn)一步為公司實(shí)現(xiàn)全廠信息化奠定基礎(chǔ)。

1 OPC 技術(shù)概述

OPC 是一個(gè)用于過(guò)程控制的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它基于微軟的對(duì)象連接與嵌入OLE （object linking and embedding）、組件對(duì)象模型COM（component object model）和分布式COM 技術(shù)，采用C/S 模式制定了關(guān)于數(shù)據(jù)采集歷史趨勢(shì)以及事件報(bào)警等接口標(biāo)準(zhǔn)[1-4]，只要客戶端服務(wù)端之間遵循這套接口規(guī)范，就可以進(jìn)行透明的數(shù)據(jù)交換。基于OPC 的服務(wù)端/客戶端關(guān)系如圖1所示。

圖1 基于OPC 的服務(wù)端/客戶端關(guān)系Fig.1 Relationship between server/client based on OPC technology

由于采用了OPC 技術(shù)規(guī)范，OPC 服務(wù)器作為中介通過(guò)OPC 接口采集到智能儀表、PLC、DCS 以及SCADA 系統(tǒng)中的底層數(shù)據(jù)， 然后再通過(guò)OPC 接口把采集到的數(shù)據(jù)傳送給OPC 客戶端程序。此外，一個(gè)OPC 客戶端程序可以同時(shí)訪問(wèn)多個(gè)OPC 服務(wù)器（包括本地和遠(yuǎn)程），反之，一個(gè)OPC 服務(wù)器也可以作為多個(gè)OPC 客戶端程序的數(shù)據(jù)源。至此可以得出，OPC 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提出， 歸根結(jié)底就是為了能夠方便地采集各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)信息。

OPC 邏輯對(duì)象模型由服務(wù)器（Server）對(duì)象、組（Group）對(duì)象及數(shù)據(jù)項(xiàng)（Item）對(duì)象組成[5]。它們之間有著嚴(yán)格的層次關(guān)系，OPC 邏輯對(duì)象模型如圖2所示。Server 對(duì)象屬于最上層對(duì)象，該對(duì)象中包含OPC服務(wù)器的相關(guān)信息， 并提供創(chuàng)建和管理Group 對(duì)象的功能；Group 對(duì)象屬于中層對(duì)象， 由若干Item 對(duì)象組成， 同時(shí)提供操作Item 對(duì)象的功能；Item 對(duì)象屬于最底層對(duì)象，它是一個(gè)含有實(shí)際意義的過(guò)程變量，包含值（Value）、質(zhì)量（Quality）、時(shí)間戳（Time Stamp）3 個(gè)重要屬性[6]。由此可知，OPC 客戶端程序要從服務(wù)器中采集數(shù)據(jù)，必須首先確定采集哪個(gè)服務(wù)器，其次從哪個(gè)組中采集，最后通過(guò)組對(duì)象讀取要采集的實(shí)際數(shù)據(jù)項(xiàng)即可。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于OPC 接口技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)以Windows 7 32 位操作系統(tǒng)為平臺(tái)， 應(yīng)用VC++6.0基于對(duì)話框的MFC Appwizard 開(kāi)發(fā)。引入公開(kāi)的OPCproxy.dll，OPCDA.dll 動(dòng)態(tài)連接庫(kù)與OPC 讀寫接口，采用OLE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)COM 對(duì)象的連接機(jī)制，通過(guò)COM 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)象間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)采用共享內(nèi)存的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

圖2 OPC 邏輯對(duì)象模型Fig.2 Model of OPC logical object

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。OPC 服務(wù)端和客戶端兩COM 對(duì)象之間通過(guò)OPC 同步和異步接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，OPC 客戶端對(duì)外提供COM 接口接收優(yōu)化控制程序修改后的Tag 數(shù)據(jù)， 同時(shí)通過(guò)管道通訊的方式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序進(jìn)行保存，OPC 客戶端內(nèi)部創(chuàng)建共享內(nèi)存， 利用內(nèi)存共享的方式實(shí)現(xiàn)與人機(jī)界面和優(yōu)化控制程序的數(shù)據(jù)共享。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架Fig.3 Framework of system overall structure

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)配置

在編寫程序之前，首先需要對(duì)Access 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行配置，具體配置如下：

1）點(diǎn)擊OPC 表，設(shè)置OPC 服務(wù)器的名稱、用戶名、 登錄密碼及OPC 域名等， 如果要連接遠(yuǎn)程的OPC 服務(wù)器填寫對(duì)方的IP 地址即可。

2）點(diǎn)擊Tag 表，配置OPC 標(biāo)簽點(diǎn)。項(xiàng)名由OPC服務(wù)器中的通道號(hào)、設(shè)備號(hào)和點(diǎn)名組成，其與OPC服務(wù)器中配置的信息一一對(duì)應(yīng)，以避免在讀取該點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)將發(fā)生錯(cuò)誤；記錄方式（保存方式）分為按時(shí)間間隔保存和按誤差超限保存；記錄間隔用于表示多久保存一次；誤差用于表示超過(guò)誤差閾值通過(guò)管道發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)程序編寫

數(shù)據(jù)庫(kù)配置工作完成后進(jìn)行程序編寫。OPC 客戶端程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 OPC 客戶端程序?qū)崿F(xiàn)流程Fig.4 Flow chart of OPC client program implementation

首先， 初始化ATL 和OLE， 這樣就可以使用COM 組件技術(shù)進(jìn)行編程， 實(shí)現(xiàn)COM 對(duì)象間通訊和信息共享， 通過(guò)RegisterActiveObject 函數(shù)在注冊(cè)表中注冊(cè)EBHKCore。讀EBHKCore 配置文件，初始化相關(guān)全局變量， 創(chuàng)建CameraTag 對(duì)象及其對(duì)應(yīng)的OPCTag 對(duì)象和共享內(nèi)存變量； 讀數(shù)據(jù)庫(kù)文件EBHKCore.mdb，根據(jù)OPC 邏輯對(duì)象模型，按層次的方式創(chuàng)建OPCServer、OPCGroup 以及OPCTag 信息對(duì)象， 同時(shí)為每個(gè)OPCTag 信息對(duì)象創(chuàng)建共享內(nèi)存變量；讀Combination.ini 文件，創(chuàng)建CombiTag 對(duì)象，同時(shí)生成對(duì)應(yīng)的OPCTag 對(duì)象及共享內(nèi)存變量。接著， 創(chuàng)建OPC 處理線程， 如果OPC 服務(wù)器連接成功，刷新OPCServer 的連接狀態(tài)，根據(jù)OPCServer 下的OPCTag 信息對(duì)象，創(chuàng)建OPCTag 對(duì)象；通過(guò)OPC的同步接口讀取OPC 服務(wù)端的Tag 標(biāo)簽并刷新，之后每隔1 s 刷新一次OPC 服務(wù)端的連接情況， 一旦斷開(kāi)后自動(dòng)重連。然后，創(chuàng)建Camera 處理線程，根據(jù)配置文件中設(shè)定的間隔時(shí)間確定多久刷新一次火焰攝像頭的OPCTag 數(shù)值。最后，啟動(dòng)并創(chuàng)建共享內(nèi)存刷新線程，每隔1 s 通過(guò)OPCTag 更新一次共享內(nèi)存變量。在所有線程創(chuàng)建并啟動(dòng)后，初始化UI 列表界面，界面中的數(shù)值每1 s 更新一次。如果要退出則直接點(diǎn)擊退出按鈕，EBHKCore 核心控制程序停止刷新，隱藏UI 界面，釋放內(nèi)存空間后退出。

為了保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性，該系統(tǒng)不僅采用多線程的方式，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)OPC 連接獨(dú)立運(yùn)行， 還提供OPC 連接斷開(kāi)后自動(dòng)重連的功能，其實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。

通過(guò)循環(huán)一直不停地查看采集系統(tǒng)連接OPC服務(wù)器的狀態(tài)。如果獲取到連接的OPC 服務(wù)器斷開(kāi)，OPCServer 對(duì)象的屬性m_OpcState=OPC_STATE_DISCONNECTED，按層次刪除OPCServer 對(duì)象下所有的OPCGroup 對(duì)象、OpcTag 對(duì)象， 同時(shí)把連接時(shí)間累計(jì)（OPCServer 對(duì)象的屬性m_iConnectingTime-Count） 置為零。當(dāng)再次進(jìn)入循環(huán)時(shí)，m_OpcState=OPC_STATE_CONNECTING（OPCServer 處于正在連接狀態(tài)）。隨著循環(huán)累計(jì)次數(shù)的增加，m_iConnectingTimeCount 也不停增加。當(dāng)m_iConnectingTime-Count 達(dá)到配置文件中設(shè)置的閾值（OPCServer 對(duì)象的屬性g_iConnectingTimeMulti）時(shí)，再次判斷OPCServer 的連接狀態(tài)。如果連接成功則顯示重新連接成功， 同時(shí)根據(jù)OPCServer 對(duì)象下的OPCTag 信息對(duì)象創(chuàng)建OpcTag 對(duì)象， 讀取OPC 服務(wù)端的數(shù)據(jù)并刷新， 此時(shí)UI 界面上Tag 點(diǎn)及其數(shù)據(jù)全部展示出來(lái)； 如果連接失敗，m_OpcState=OPC_STATE_DISCONNECTED， 按層次刪除OPCServer 對(duì)象下所有的OPCGroup 對(duì)象、OpcTag 對(duì)象， 同時(shí)把m_iConnectingTimeCount 置為零。該系統(tǒng)采用時(shí)間累計(jì)機(jī)制代替斷開(kāi)后立刻重連的主要目的在于， 等待（30*m_iConnectingTimeCount）s 后OPC 服務(wù)端所有位號(hào)加載穩(wěn)定后， 再進(jìn)行OPC 客戶端的位號(hào)加載，這樣可以保證采集數(shù)據(jù)的有效性和完整性。

圖5 自動(dòng)重連原理Fig.5 Schematic of automatic reconnection

采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，經(jīng)調(diào)試，運(yùn)行狀態(tài)良好。系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖6所示。界面中自上而下顯示：“OPC 總數(shù)” 即為連接的OPC 服務(wù)器個(gè)數(shù)；“數(shù)據(jù)總數(shù)”即為OPCTag 的個(gè)數(shù)；羅列出所有類型的OPCTag，包括數(shù)據(jù)庫(kù)中的Tag，CameraTag，CombiTag，OPC 服務(wù)端連接狀態(tài)， 等；OPC 服務(wù)器清單羅列出所有連接該系統(tǒng)的Opc 服務(wù)器， 包括本地和遠(yuǎn)程的；“退出”按鈕，點(diǎn)擊該按鈕則程序自動(dòng)退出。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.6 Interface of system operation

4 結(jié)語(yǔ)

所設(shè)計(jì)的基于OPC 技術(shù)垃圾焚燒數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言和傳統(tǒng)的OPC 接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單一客戶端對(duì)多個(gè)OPC 服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)提供COM 接口、共享內(nèi)存技術(shù)、C/S 匿名管道的通訊方式給優(yōu)化控制程序、人機(jī)界面以及后臺(tái)歷史服務(wù)程序使用。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了在線測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行階段，已正式投入使用，并在各個(gè)項(xiàng)目公司取得良好的效果。

11月份工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量企穩(wěn)回升

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)或?qū)⒂瓉?lái)拐點(diǎn)。近日，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，2019年11月份，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量達(dá)16080 臺(tái)，同比增長(zhǎng)4.3%，這是繼2018年9月份工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量開(kāi)始陷入負(fù)增長(zhǎng)后，連續(xù)兩個(gè)月回正。專家表示，受到汽車產(chǎn)業(yè)下滑影響，工業(yè)機(jī)器人需求一度大幅下降，但長(zhǎng)期來(lái)看機(jī)器換人大勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)，未來(lái)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)還將保持高景氣度。不過(guò)，工業(yè)機(jī)器人增長(zhǎng)將放緩，服務(wù)機(jī)器人將保持高位增長(zhǎng)。

經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者了解到，目前搬運(yùn)和上下料仍然是機(jī)器人最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是汽車和電子信息行業(yè)，占比達(dá)到60%。

“盡管今年以來(lái)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)面臨壓力，一些核心技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)零部件受制于人，但這恰好是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)健康發(fā)展的黃金時(shí)期。”工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)司副司長(zhǎng)羅俊杰表示，從國(guó)內(nèi)看，應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景不斷拓展，機(jī)器人發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁。

“機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的短期下滑只是周期性的，長(zhǎng)期來(lái)看仍將保持快速增長(zhǎng)。”李群自動(dòng)化聯(lián)合創(chuàng)始人、CEO 石金博告訴經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者， 在剛結(jié)束的2019日本IREX 機(jī)器人展上， 該公司自主研發(fā)的全品類、9 大系列、30 款型號(hào)產(chǎn)品首次亮相就引來(lái)全世界的關(guān)注。在石金博看來(lái)，李群自動(dòng)化之所以在國(guó)際舞臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)中不落下風(fēng)，關(guān)鍵在于自主創(chuàng)新。“從應(yīng)用層到頂層，包括機(jī)器人設(shè)計(jì)、系統(tǒng)、控制、應(yīng)用，自主研發(fā)的核心技術(shù)，正是李群自動(dòng)化產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。”石金博說(shuō)。

根據(jù)中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院預(yù)測(cè)， 未來(lái)3年機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將保持27%以上的增速，2019年中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)761 億元。從細(xì)分市場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人的規(guī)模比例仍然占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但增速放緩，服務(wù)機(jī)器人將保持快速增長(zhǎng)。企業(yè)智能化改造、行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)優(yōu)化，以及人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的應(yīng)用，都成為驅(qū)動(dòng)中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)快速發(fā)展的主要因素。

有數(shù)據(jù)顯示，目前中國(guó)機(jī)器人企業(yè)已經(jīng)占據(jù)了中國(guó)市場(chǎng)近三分之一的份額。在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，與國(guó)際巨頭相比，中國(guó)企業(yè)也有不少競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

“中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有不小差距，但在某些領(lǐng)域國(guó)外并沒(méi)有相關(guān)應(yīng)用，比如通用型機(jī)器人，正是市場(chǎng)突出重圍的機(jī)會(huì)。”石金博認(rèn)為，中國(guó)制造業(yè)體系非常龐大，當(dāng)中有大量需要靠自動(dòng)化技術(shù)提升的環(huán)節(jié)，中國(guó)機(jī)器人企業(yè)能夠更有針對(duì)性地優(yōu)化。“這需要到第一線獲得客戶的工藝要求，進(jìn)而將工藝提前應(yīng)用到機(jī)器人上，后續(xù)可以服務(wù)更多集成商或客戶。”

當(dāng)前，機(jī)器人應(yīng)用主要集中在汽車和電子產(chǎn)業(yè)，其他領(lǐng)域的推廣潛力巨大。電子、汽車、新能源等領(lǐng)域只是很小的一部分。隨著智能制造的推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用正在從汽車和電子行業(yè)快速向冶金、輕工、金屬加工、石油化工、食品飲料、醫(yī)藥健康等行業(yè)發(fā)展。其應(yīng)用行業(yè)已從2015年國(guó)民經(jīng)濟(jì)87 個(gè)種類擴(kuò)展到2018年的129 個(gè)種類。未來(lái)，服務(wù)機(jī)器人將從過(guò)去掃地、清潔等機(jī)器人，向教育、醫(yī)療、陪護(hù)、配送等多維度延伸。

來(lái)源：經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)