摘要：本文主要研究了目前水面艦艇上的各種智能儀表設(shè)備與主機(jī)通信的OPC技術(shù)。介紹了OPC技術(shù)的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及其在不同應(yīng)用環(huán)境下所面臨的問題及其解決方案。此外，重點(diǎn)研究了OPC XML-DA、OPC UA技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，及層次關(guān)系。最后，闡述了OPC技術(shù)在工控領(lǐng)域發(fā)展的廣闊前景與應(yīng)用方向

關(guān)鍵詞：OPC XML-DA ；OPC UA； OPC 接口

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-7953(2009)03-0095-04

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、工業(yè)控制等方面的新技術(shù)的迅速發(fā)展，在大型艦船上如何安全可靠又高速的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換已經(jīng)變得越來越重要。而目前先進(jìn)的艦船上都配備各種類型的傳感器、智能儀表、大型監(jiān)控裝置，這就有可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，影響監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性等。因此，基于解決大型艦船多種智能設(shè)備與主機(jī)的數(shù)據(jù)交互問題，我們引入了用于過程工業(yè)控制的OPC［1］ (OLE For Process Control)技術(shù)，它是基于Windows的OLE(Object Linking and Embedding)、COM(Component Object Model)技術(shù)，包括了自動(dòng)化應(yīng)用的一整套的接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)。

1、OPC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過國際OPC基金會(huì)成員十?dāng)?shù)年的努力，目前已經(jīng)制定了一套適合過程控制應(yīng)用的OPC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，報(bào)警(AE)、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問(HDA)、支持過程數(shù)據(jù)訪問(DA)、安全性標(biāo)準(zhǔn)、OPC XML、OPC Data eXchange以及尚未實(shí)施的OPC UA等標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)提供了多種功能的接口。便于技術(shù)人員完成管控一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，向上可以面向企業(yè)級(jí)的高級(jí)應(yīng)用及管理，向下可以管理設(shè)備級(jí)的儀表設(shè)備等。

2、COM/DCOM概述

2.1COM技術(shù)

現(xiàn)行的所有OPC技術(shù)都是以COM/DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)的。實(shí)際上，OPC技術(shù)就是定義了一些用于數(shù)據(jù)訪問、事件和報(bào)警處理、歷史數(shù)據(jù)訪問的COM對(duì)象和接口。因此，要真正從底層掌握OPC規(guī)范，就必須清楚COM/DCOM技術(shù)。

首先，COM(Component Object Model)是一種以組件為發(fā)布單元的對(duì)象模型，這種模型可以用一種統(tǒng)一的方式進(jìn)行交互。COM既提供了組件之間進(jìn)行交互的規(guī)范，也提供了實(shí)現(xiàn)交互的環(huán)境。由于組件對(duì)象模型之間交互的規(guī)范不依賴于任何特定的語言，因此COM技術(shù)也可以作為不同語言協(xié)作開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)。

其次，COM技術(shù)采用組件化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，不僅繼承了組件易于定制和升級(jí)靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且引入面向?qū)ο蟮乃枷?，?guī)范了組件之間的通信接口。在COM規(guī)范中，COM對(duì)象和接口是兩個(gè)非常活躍的元素，一個(gè)COM組件通常是包含一個(gè)或多個(gè)COM對(duì)象，而在COM對(duì)象上則可實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口。COM規(guī)范采用客戶/服務(wù)器通信模型，客戶端總是先創(chuàng)建服務(wù)器對(duì)象，然后獲得對(duì)象上的接口進(jìn)行通信。

此外，COM規(guī)范還具有語言無關(guān)性、進(jìn)程透明性和對(duì)象的可重用性三個(gè)非常重要的特性。

2.2分布式COM(DCOM)

DCOM是COM在分布式環(huán)境下的擴(kuò)展，它可以支持不同計(jì)算機(jī)上組件對(duì)象與客戶程序之間或者組件對(duì)象之間的相互通信，這些計(jì)算機(jī)可以是在局域網(wǎng)內(nèi)、廣域網(wǎng)內(nèi)，甚至通過Internet進(jìn)行連接。對(duì)于客戶程序而言，組件程序所處的位置是透明的，DCOM擴(kuò)展了COM的位置透明性。因此，無論是本機(jī)上的組件程序，還是網(wǎng)絡(luò)上的組件程序，3在客戶端都可以采用同樣的方式進(jìn)行訪問。

DCOM作為COM的擴(kuò)展，它不僅繼承了COM，由于其本身應(yīng)用環(huán)境的不同，還提供了一些新的特性，包括：網(wǎng)絡(luò)安全性、容錯(cuò)性、跨平臺(tái)調(diào)用等等。從COM轉(zhuǎn)到DCOM，并不僅僅意味著客戶程序與組件程序通信線路的加長，而是協(xié)作運(yùn)行的環(huán)境徹底地發(fā)生了變化。

3、OPC技術(shù)概況

OPC協(xié)議中包括了數(shù)據(jù)訪問規(guī)范、報(bào)警和事件規(guī)范、歷史數(shù)據(jù)存取規(guī)范、批量過程規(guī)范、OPC安全性規(guī)范、數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)的測試工具、過程數(shù)據(jù)的XML規(guī)范、數(shù)據(jù)交換規(guī)范、命令規(guī)范、公共I/O規(guī)范、合成數(shù)據(jù)規(guī)范等。

3.1OPC對(duì)象及接口

3.1.1OPC對(duì)象結(jié)構(gòu)

OPC服務(wù)器對(duì)象用來提供關(guān)于服務(wù)器對(duì)象自身的相關(guān)信息，并作為OPC 組對(duì)象的容器。

OPC組對(duì)象除了提供關(guān)于組對(duì)象自身的相關(guān)信息外，還提供組織和管理項(xiàng)對(duì)象的機(jī)制。OPC組對(duì)象提供了OPC客戶程序用來組織數(shù)據(jù)的一組方法。此外，OPC規(guī)范定義了兩種組對(duì)象：公共組和私有組。公共組由多個(gè)客戶共享，局部組只隸屬于一個(gè)OPC客戶。全局組對(duì)所有連接在服務(wù)器的應(yīng)用程序都有效，而私有組只能對(duì)建立他的CLIENT有效。這一特性類似于C++程序中的全局對(duì)象與局部對(duì)象的區(qū)別，便于公共數(shù)據(jù)共享與私有數(shù)據(jù)的保護(hù)。

OPC項(xiàng)對(duì)象至少包括值(Value)、品質(zhì)(Quality)與時(shí)間戳(Time Stamp)三個(gè)變量。此外，要注意OPC項(xiàng)對(duì)象僅代表了OPC服務(wù)器到數(shù)據(jù)源的一個(gè)物理連接，它本身并不是數(shù)據(jù)源，僅僅是數(shù)據(jù)源的一個(gè)地址索引。最后，OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)不能被直接訪問，而是要通過OPC組對(duì)象提供的接口進(jìn)行訪問，這樣就避免了直接對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)的操作，增加了系統(tǒng)的安全性。

3.1.2OPC接口結(jié)構(gòu)

OPC規(guī)范定義了定制接口與自動(dòng)化接口兩種接口，如圖2： 

其中定制接口多為用C++語言編寫，實(shí)現(xiàn)功能的可定制，由于其編程語言的特性決定其運(yùn)行效率高但開發(fā)難度大，同時(shí)要求開發(fā)者必須掌握COM的開發(fā)知識(shí)。而OPC規(guī)范明確規(guī)定此種接口是必須要實(shí)現(xiàn)的。而自動(dòng)化接口的開發(fā)不要求開發(fā)者懂得COM技術(shù)，使得程序員可以從底層的COM開發(fā)中解脫出來，將精力集中在應(yīng)用程序功能的開發(fā)上，大大加快了OPC應(yīng)用程序的開發(fā)進(jìn)度。

標(biāo)準(zhǔn)的服服務(wù)器對(duì)象與組對(duì)象接口結(jié)構(gòu)如圖3：

自動(dòng)化客戶通過使用WrapperDLL，訪問OPC DA服務(wù)器。WrapperDLL在客戶端進(jìn)程內(nèi)調(diào)用，將服務(wù)器提供的定制接口與客戶端要求的自動(dòng)化接口進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

3.2OPC技術(shù)特點(diǎn)

OPC技術(shù)之所以能引領(lǐng)工控領(lǐng)域數(shù)據(jù)通信的發(fā)展方向，主要是由幾下幾點(diǎn)決定：

1)OPC技術(shù)采用了標(biāo)準(zhǔn)的Windows體系接口，這樣既有利于硬件制造商，也有利于軟件開發(fā)商。硬件制造商為其設(shè)備提供的接口程序的數(shù)量減少到一個(gè)，軟件開發(fā)商也僅需要開發(fā)一套通訊接口程序。

2)可以將各個(gè)子系統(tǒng)從物理上分開，分布于網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)上。因?yàn)镺PC規(guī)范以O(shè)LE/COM/DCOM為技術(shù)基礎(chǔ)，而OLE/DCOM支持TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

3)可以使用戶完全從底層的開發(fā)中脫離出來。因?yàn)镺PC按照面向?qū)ο蟮脑瓌t，將一個(gè)應(yīng)用程序(OPC服務(wù)器)作為一個(gè)對(duì)象封裝起來，只將接口方法暴露在外面，客戶以統(tǒng)一的方式去調(diào)用這個(gè)方法，從而保證軟件對(duì)客戶的透明性。

4)可以使系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。因?yàn)镺PC實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程調(diào)用，使得應(yīng)用程序的分布與系統(tǒng)硬件的分布無關(guān)，便于系統(tǒng)硬件配置，使得系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。

5)提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。因?yàn)椴捎肙PC規(guī)范，便于系統(tǒng)的組態(tài)，將系統(tǒng)復(fù)雜性大大簡化，可以大大縮短軟件開發(fā)周期，提高軟件運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)的升級(jí)與維護(hù)。

6)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性。因?yàn)镺PC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性，易于實(shí)現(xiàn)與其它系統(tǒng)的接口。

3.3OPC XML-DA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)

OPC XML-DA規(guī)范采用基于XML(eXtensible Markup Language)的Web Service技術(shù)，Web Services 是一套基于XML進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)交換、服務(wù)調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)，它定義了應(yīng)用程序如何在Web上實(shí)現(xiàn)互操作性，是建立可互操作的分布式應(yīng)用程序的平臺(tái)。此外，它還定義了數(shù)據(jù)表示(XML)、消息交換(SOAP)、服務(wù)描述(WSDL)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)與發(fā)布(UDDI和WS-Inspection)等相關(guān)組成部分。Web Services的最大優(yōu)點(diǎn)就是它在Internet上的無障礙傳輸。

Web Service提供了通過網(wǎng)絡(luò)直接獲取各種服務(wù)的接口，并通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供給網(wǎng)絡(luò)用戶，在Internet上任何節(jié)點(diǎn)、任何平臺(tái)上的應(yīng)用程序只要符合Web Service的標(biāo)準(zhǔn)都可以從它的公共接口獲取服務(wù)，使得不同的應(yīng)用程序在Internet上共享和交換數(shù)據(jù)變得更加容易。其基本結(jié)構(gòu)如圖4：

5OPC UA技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展和企業(yè)管理系統(tǒng)對(duì)互操作性要求的提高，基于COM技術(shù)的OPC標(biāo)準(zhǔn)開始無法滿足要求，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1)缺少跨平臺(tái)通用性。由于COM技術(shù)對(duì)Microsoft平臺(tái)的依賴性，使得基于COM的OPC接口很難被應(yīng)用到其它系統(tǒng)的平臺(tái)上。

2)較難與Internet應(yīng)用程序集成。由于網(wǎng)絡(luò)防火墻會(huì)過濾掉大多數(shù)基于COM傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，因此基于COM的OPC接口無法與Internet應(yīng)用程序進(jìn)行正常的交互。

3)較難與企業(yè)應(yīng)用程序連接。企業(yè)應(yīng)用程序(如ERP)需要實(shí)時(shí)的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常來自O(shè)PC服務(wù)器。但是這些上層的應(yīng)用程序缺少與OPC服務(wù)器交互的接口，因而不能進(jìn)行通信連接，無法滿足企業(yè)更高層次的需求。

為了解決以上問題，OPC基金會(huì)提出了OPC UA標(biāo)準(zhǔn)。OPC UA(OPCUnified Architecture)，顧名思義就是指OPC的統(tǒng)一架構(gòu)，OPC UA在功能上集成了Data Access、Alarms and Events、Commands、Historical Data Access、Batch、Data Exchange的功能。實(shí)質(zhì)上就是對(duì)OPC DA功能上進(jìn)行了擴(kuò)展，將多種功能接口集成在同一平臺(tái)上。

OPC UA不僅完成了設(shè)備之間現(xiàn)場級(jí)的整合，而且完成了企業(yè)級(jí)的垂直整合。它不僅可以為設(shè)備之間提供快速的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)也可以為企業(yè)大型管理系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

6結(jié)束語

隨著OPC協(xié)議的逐步完善，越來越多的國內(nèi)外廠商給予了高度的重視， 很多公司都在原來產(chǎn)品的基礎(chǔ)上添加了對(duì)OPC協(xié)議的支持，它的應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣。由于OPC協(xié)議統(tǒng)一了數(shù)據(jù)訪問的接口，使控制系統(tǒng)進(jìn)一步走向開放，實(shí)現(xiàn)信息的集成和共享。而且OPC協(xié)議技術(shù)改變了原有的控制系統(tǒng)模式，給工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域帶來了勃勃生機(jī)，也給國內(nèi)系統(tǒng)生產(chǎn)廠商提出了一個(gè)發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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