摘要：針對目前系統(tǒng)中集成能力、可操作性和可擴(kuò)展能力等存在的問題，研究了工業(yè)自動化中數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一個(gè)基于OPC和消息中間件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了集成平臺的實(shí)現(xiàn)。通過應(yīng)用，證明該系統(tǒng)能夠大幅提高數(shù)據(jù)集成的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：OPC；消息中間件；數(shù)據(jù)集成；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

0 引言

流程行業(yè)普遍采用WinCC、RSView32等監(jiān)控組態(tài)軟件對工業(yè)現(xiàn)場采集進(jìn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著企業(yè)信息化程度的深入，這種專用監(jiān)控軟件已不能滿足這種需求：①數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和整合的規(guī)則都融合在定制代碼中，難以靈活地適應(yīng)變化；②提供的都是過時(shí)信息，難以實(shí)時(shí)獲取準(zhǔn)確信息；③只能通過中間庫或者集中庫的方式來解決各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，這樣的做法往往形成新的數(shù)據(jù)孤島。

目前，針對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)品尚不成熟，一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品可以部分地支持一些多數(shù)據(jù)庫的功能。如Honeywell公司推出的Uniformance Database System，它支持多個(gè)PHD的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集成；OSI公司的PI提供PIToPI接口，通過該接口，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可從一個(gè)PI系統(tǒng)傳送到另一個(gè)PI系統(tǒng)。在國內(nèi)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫環(huán)境中的多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成平臺)目前還不多見。

本文提出了一個(gè)基于OPC和消息中間件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成(Real-Time Data Integration，RTDI)方案，其功能為：①用戶系統(tǒng)采用B／S結(jié)構(gòu)，使用瀏覽器就能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和生產(chǎn)運(yùn)行情況的監(jiān)控；②為企業(yè)內(nèi)部各種管理、分析系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源；③具有良好的可擴(kuò)展性，為后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，后續(xù)系統(tǒng)只要遵循標(biāo)準(zhǔn)，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的集成。

本文描述了基于OPC和消息中間件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。第一節(jié)給出了RTDI體系結(jié)構(gòu)；第二節(jié)介紹了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成策略；第三、四節(jié)描述了系統(tǒng)平臺的構(gòu)建方案和桌面工具的設(shè)計(jì)；最后是系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用情況。

1 RTDI系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用多層C／S和B／S的混合結(jié)構(gòu)，集中了傳統(tǒng)多層C／S模式和Web瀏覽器技術(shù)的優(yōu)勢。這種結(jié)構(gòu)充分體現(xiàn)了基于Web軟件集成的獨(dú)到之處，被認(rèn)為是當(dāng)前或今后一段時(shí)期內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)展的主流技術(shù)?；谶@種模式下的監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)自上至下由應(yīng)用層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、綜合數(shù)據(jù)庫層、消息中間件層、數(shù)據(jù)源層組成。下層對上層提供服務(wù)，上層是下層的客戶。最下一層數(shù)據(jù)源層包括了按一定組織結(jié)構(gòu)存放各種被測數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)和現(xiàn)場設(shè)備、儀表等，負(fù)責(zé)采集、發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。消息中間件層訪問底層以O(shè)PC作為通用接口，獲取OPC服務(wù)器發(fā)布的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，打包成消息，發(fā)送到消息隊(duì)列，消息經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)程序解析，發(fā)送至數(shù)據(jù)庫。

綜合數(shù)據(jù)庫層是大型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Sybase AdaptiveServer Enterprise 12.5，負(fù)責(zé)存儲由消息中間件層傳送過來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并接受Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)服務(wù)請求，為其提供數(shù)據(jù)源。Web服務(wù)器為用戶提供仿真環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和在位查詢、趨勢圖分析、綜合查詢等服務(wù)。

整個(gè)系統(tǒng)的核心是消息中間件層，它由OPC數(shù)據(jù)讀送客戶端、MSMQ消息服務(wù)器、OPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序組成；OPC數(shù)據(jù)讀送客戶端負(fù)責(zé)讀取OPC服務(wù)器發(fā)布的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，打包成消息并發(fā)送到目標(biāo)消息隊(duì)列。MSMQ服務(wù)器管理進(jìn)出消息隊(duì)列的消息。OPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序?qū)⒛繕?biāo)消息隊(duì)列的消息對照位號數(shù)據(jù)字典進(jìn)行解析，存放到對應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。消息中間件實(shí)現(xiàn)的是異步通信，在網(wǎng)絡(luò)通暢的情況下，能保證消息通信的實(shí)時(shí)性，在網(wǎng)絡(luò)線路不穩(wěn)定或斷連的情況下，消息發(fā)送方不會因此而阻塞系統(tǒng)運(yùn)行，已發(fā)送消息不會因此丟失。

2 基于OPC和消息中間件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成策略

現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集成是流程行業(yè)信息集成的核心，能否將現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)安全地集成到中心數(shù)據(jù)庫，這是事關(guān)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。鑒于此，本文提出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取及傳送策略，即基于OPC和消息中間件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成策略，它保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的規(guī)范化獲取和可靠傳輸。

2.1 OPC技術(shù)及數(shù)據(jù)獲取策略

實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成首要的問題是如何從多樣的工控設(shè)備或組態(tài)軟件中將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取出來。為保證數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，我們采用了一些世界上占領(lǐng)先地位的自動化系統(tǒng)以及硬件、軟件公司與Microsoft緊密合作而建立的工廠數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)交換的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OPC。

OPC是Object Linking and Embedding(OLE)for ProcessControl的縮寫，它是Microsoft公司的對象鏈接和嵌入技術(shù)在過程控制方面的應(yīng)用。OPC以O(shè)LE／COM／DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)，采用C／S模式。它為工業(yè)自動化軟件面向?qū)ο蟮拈_發(fā)提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機(jī)之間交換自動化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法。采用這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)后，硬件開發(fā)商可取代軟件開發(fā)商為自己的硬件產(chǎn)品開發(fā)統(tǒng)一的OPC接口程序，而軟件開發(fā)者可免除開發(fā)驅(qū)動程序的工作。這樣不但可避免開發(fā)的重復(fù)性，也提高了系統(tǒng)的開放性和互操作性。圖2示出了OPC客戶端與OPC服務(wù)器端之間的接口。

本文建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，OPC技術(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信接口的規(guī)范化上。這里OPC Server位于數(shù)據(jù)源層上，它主要是發(fā)布從現(xiàn)場設(shè)備獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；OPC Client以中間件的形式位于消息中間件層，它的任務(wù)是從OPC接口獲取OPC Server發(fā)布的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后打包發(fā)送到消息隊(duì)列。這些接口定義符合OPC基金會數(shù)據(jù)訪問用戶接口標(biāo)準(zhǔn)(Data Access Custom InterfaceStandard V3，O)。有關(guān)OPC的更多信息，參見文獻(xiàn)[5][6]。

2.2 消息中間件及數(shù)據(jù)傳輸策略

RTDI平臺采用分布式系統(tǒng)。OPC數(shù)據(jù)讀送程序和綜合數(shù)據(jù)層之間的通信是影響系統(tǒng)整體性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。RPC和消息中間件均可在異構(gòu)的分布環(huán)境下提供通信框架。RPC采用的是面向連接的通信技術(shù)，主要提供的是同步通信功能。基于同步通信框架所構(gòu)造的分布式系統(tǒng)是緊耦合型的，即當(dāng)發(fā)送方將信息發(fā)送到目的地時(shí)，若目的地的相應(yīng)服務(wù)未啟動，就會造成發(fā)送失敗。消息中間件采用無連接技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)異步通信，當(dāng)然它也可結(jié)合應(yīng)用邏輯一起實(shí)現(xiàn)同步通信。利用消息中間件，程序之間不僅可以進(jìn)行一對一通信，還可以進(jìn)行一對多和多對一通信，或是它們的組合方式通訊。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成平臺，在網(wǎng)絡(luò)通暢的情況下，要保證消息通信的實(shí)時(shí)性；在網(wǎng)絡(luò)線路不穩(wěn)定或斷連的情況下，消息發(fā)送方要保證不會因此而阻塞系統(tǒng)運(yùn)行，已發(fā)送消息不會因此丟失。另外實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成平臺應(yīng)支持可擴(kuò)展性，即實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)(位號)可動態(tài)加入，因此要求支持一對多的通信連接。基于上述需求，系統(tǒng)采用了消息中間件。它使用MSMQ作為消息的緩沖存儲，具有高度的可靠性；在消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，避免了在較差網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下消息傳輸?shù)摹岸秳訂栴}”；同時(shí)，傳輸由操作日志控制，保證同一消息不會多次重復(fù)發(fā)送。

RTDI平臺采用了圖3所示的通信框架。采用持久遠(yuǎn)程隊(duì)列(遠(yuǎn)程隊(duì)列是真正的目的地隊(duì)列在本地的代理)傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，OPC數(shù)據(jù)讀取發(fā)送程序只需與本地的MSMQ服務(wù)器相連，然后將消息存放到遠(yuǎn)程隊(duì)列中。MSMQ負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程隊(duì)列中的消息送到遠(yuǎn)程目的地的隊(duì)列上。接收方即OPC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序與當(dāng)?shù)氐腗SMQ服務(wù)器相連，從本地專用隊(duì)列中獲取消息。

這樣，即使目標(biāo)隊(duì)列的MSMQ服務(wù)器未啟動，OPC數(shù)據(jù)讀送程序也可以成功地向目標(biāo)隊(duì)列發(fā)送數(shù)據(jù)，而且向目標(biāo)隊(duì)列發(fā)送的數(shù)據(jù)不會丟失，保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 RTDI系統(tǒng)平臺構(gòu)建

在解決數(shù)據(jù)集成的技術(shù)問題之后，怎樣更容易地獲取數(shù)據(jù)以及自動化地處理數(shù)據(jù)就成為構(gòu)建RTDI平臺的主要問題。

為了更直觀、容易地獲取數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的表達(dá)和展示方面，系統(tǒng)使用基于Web的B／S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并大量采用模擬控制現(xiàn)場的圖示、在位查詢和智能提示等多種手段，為用戶提供易于使用的信息獲取方式。RTDI系統(tǒng)Web結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。其功能區(qū)域如下：

(1)開始菜單：系統(tǒng)功能導(dǎo)航。

(2)系統(tǒng)標(biāo)題區(qū)：顯示系統(tǒng)名稱。

(3)各庫站子系統(tǒng)入口：為其它后續(xù)庫站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)提供入口。

(4)子頁面標(biāo)題區(qū)：顯示當(dāng)前功能區(qū)的標(biāo)題。

(5)功能區(qū)：顯示庫站各工區(qū)主要功能信息，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、在位查詢等。

(6)子系統(tǒng)導(dǎo)航區(qū)：庫站內(nèi)所有工區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控頁面導(dǎo)航。

(7)功能描述區(qū)：功能區(qū)頁面內(nèi)容的簡要介紹。

(8)刷新設(shè)置區(qū)：默認(rèn)情況下顯示系統(tǒng)時(shí)間。雙擊此區(qū)可設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的刷新時(shí)間和報(bào)警持續(xù)次數(shù)。

(9)報(bào)警區(qū)：以紅色報(bào)警器圖片的形式給出，點(diǎn)擊圖片可以查看詳細(xì)的報(bào)警信息。一旦有新的報(bào)警信息，報(bào)警器會閃爍報(bào)警，用戶可以對報(bào)警信息進(jìn)行確認(rèn)。

(10)狀態(tài)提示區(qū)：提示鼠標(biāo)的指向隱含的操作，顯示訪問量及當(dāng)前用戶信息。

(11)技術(shù)咨詢聯(lián)系方式及滾動提示信息：顯示技術(shù)咨詢聯(lián)系方式，用戶可以在后臺設(shè)置滾動新聞信息和其他提示信息。

這種頁面劃分方式的好處是將不同的功能在頁面上以模塊化分開，便于功能頁面的調(diào)換，讓各區(qū)域各負(fù)其責(zé)，同時(shí)也便于系統(tǒng)的維護(hù)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控需要進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)刷新。如何對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行刷新，并且不能閃屏，這是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。這里的做法是把數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)展示用不同的頁面來操作。刷新設(shè)置區(qū)定時(shí)獲取當(dāng)前功能區(qū)內(nèi)所有位號的實(shí)時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過Javascript腳本將數(shù)據(jù)賦值給功能區(qū)內(nèi)相應(yīng)的位號層。用戶只看到刷新設(shè)置區(qū)內(nèi)系統(tǒng)時(shí)間和功能區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在變動，整個(gè)系統(tǒng)界面很穩(wěn)定，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

項(xiàng)目為后期其它庫站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)開發(fā)提供了統(tǒng)一的集成標(biāo)準(zhǔn)。其他系統(tǒng)開發(fā)需要注意到以下幾點(diǎn)：

(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集遵循OPC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲??；

(2)對各現(xiàn)場設(shè)備、位號進(jìn)行統(tǒng)一的編號，避免數(shù)據(jù)獲取發(fā)生沖突；

(3)集成平臺已為后續(xù)系統(tǒng)的加入預(yù)留了入口；

(4)本系統(tǒng)為后續(xù)系統(tǒng)開發(fā)提供了模板，確保系統(tǒng)頁面風(fēng)格一致；

(5)可動態(tài)增加位號，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

4 桌面工具

狀態(tài)發(fā)布工具可設(shè)置和顯示3種類型的圖：PFD圖(過程流程圖)、趨勢圖和報(bào)警圖。在狀態(tài)發(fā)布工具中，用戶可以把過程數(shù)據(jù)按照它內(nèi)在的物理或邏輯關(guān)系編輯、組織成PFD圖顯示來自不同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。用戶通過PFD圖可以對企業(yè)的運(yùn)作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在狀態(tài)發(fā)布工具中，用戶可設(shè)置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的客戶端刷新周期，它與服務(wù)器端提供的數(shù)據(jù)采集刷新周期一起決定了最終呈現(xiàn)給用戶的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。

狀態(tài)發(fā)布工具可以定義和顯示趨勢圖，用戶可查看來自一個(gè)／多個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的一個(gè)／多個(gè)點(diǎn)在任一時(shí)間段的數(shù)據(jù)，可回顧一個(gè)，多個(gè)點(diǎn)在過去任一時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)值，可任意放大、縮小趨勢圖，借助于過程數(shù)據(jù)的趨勢圖，用戶可以對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和跟蹤。狀態(tài)發(fā)布工具還提供設(shè)置、篩選和查看運(yùn)行狀態(tài)報(bào)警的功能，現(xiàn)在的報(bào)警設(shè)置包括高限報(bào)警、低限報(bào)警。PFD圖、趨勢圖和報(bào)警圖在狀態(tài)發(fā)布工具的工作空間中以樹型結(jié)構(gòu)組織，用戶通過展開樹型結(jié)構(gòu)，可直接定位到所需的圖結(jié)點(diǎn)上。各種圖也能用按鈕進(jìn)行連接，用戶可通過點(diǎn)擊按鈕以超鏈接(Hyperlink)方式瀏覽各種數(shù)據(jù)。另外，狀態(tài)發(fā)布工具還是一個(gè)OLE自動服務(wù)器，因此，趨勢圖可以輸出到任一個(gè)OLE自動客戶如Word中，供用戶組織有關(guān)的文檔。

Excel Add-in擴(kuò)展了Excel的功能，使得用戶可在Excel中通過擴(kuò)展的菜單導(dǎo)入各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在可導(dǎo)入的數(shù)據(jù)包括點(diǎn)的實(shí)時(shí)值、點(diǎn)的計(jì)算值(一段時(shí)間的歷史值／平均值／最高值，最低值)、點(diǎn)的屬性等。有了這些數(shù)據(jù)，用戶可利用Excel的功能方便地對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)分析或編寫各種數(shù)據(jù)報(bào)告。

Web發(fā)布工具與Web應(yīng)用服務(wù)器框架協(xié)同工作，用戶可在普通瀏覽器界面上瀏覽趨勢圖。

5 應(yīng)用情況

采用本文敘述的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成技術(shù)所構(gòu)造的RTDI平臺已在Windows2000server環(huán)境下開發(fā)完畢。該平臺引入了松耦合型的基于消息隊(duì)列中間件的分布式體系結(jié)構(gòu)；采用工業(yè)OPC標(biāo)準(zhǔn)和消息隊(duì)列中間件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的規(guī)范獲取和可靠傳輸，基于這種技術(shù)的數(shù)據(jù)集成方法國內(nèi)文章未見相關(guān)報(bào)道；解決了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用問題，保證分布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可達(dá)性、一致性。該平臺現(xiàn)已應(yīng)用到石油行業(yè)的生產(chǎn)一線，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)，為工藝改進(jìn)、安全管理、生產(chǎn)管理、預(yù)測分析和決策支持提供準(zhǔn)確、可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高了企業(yè)的應(yīng)變和創(chuàng)新能力?？梢詮囊韵聝蓚€(gè)方面完善RTDI平臺：繼續(xù)對RTDI平臺進(jìn)行性能優(yōu)化，提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可用性；逐步增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘功能。下一步的工作將圍繞這兩方面展開，以便更好地為實(shí)際應(yīng)用服務(wù)，進(jìn)一步提高企業(yè)的信息化水平。