趙 峰 ，王 霞

（泰州職業(yè)技術學院，江蘇泰州 225300）

OPC和以太網(wǎng)技術在現(xiàn)場總線中的應用

趙 峰 ，王 霞

（泰州職業(yè)技術學院，江蘇泰州 225300）

文章介紹了OPC和以太網(wǎng)技術在現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡中的應用，分別說明了OPC技術和工業(yè)以太網(wǎng)的相關特點。通過分析OPC/DA和OPC/DX技術規(guī)范以及以太網(wǎng)技術的特點，給出了基于OPC/DA和OPC/DX的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡架構，并提出了一種將以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡相互集成的方案。

現(xiàn)場總線；OPC；以太網(wǎng)；現(xiàn)場控制網(wǎng)絡

現(xiàn)場總線是一種應用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在智能控制設備之間實現(xiàn)雙向、多節(jié)點的串行數(shù)字通信系統(tǒng)，是一種開放的、數(shù)字化的、多點通訊的底層控制網(wǎng)絡，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通訊速率快等特點。然而，現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡在實際應用中仍存在諸多的問題。針對當前多種現(xiàn)場總線在工業(yè)控制中的應用，以及由此產(chǎn)生的不同現(xiàn)場總線相互之間數(shù)據(jù)交換的問題，可采用OPC技術來實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線協(xié)議之間的互連和互操作。

1 OPC技術介紹

OPC（OLE forProcess Control規(guī)范是由OPC基金會以微軟作為技術支持制定的一項工業(yè)標準，是實現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場設備級與過程管理級進行信息交互的關鍵技術，也是實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線協(xié)議之間互操作的重要手段。它以組件對象模型和分布式組件對象模型（COM/DCOM）技術為基礎，采用客戶/服務器模式。其中OPC服務器是數(shù)據(jù)的供應方，負責為OPC客戶提供所需的數(shù)據(jù)；OPC客戶是數(shù)據(jù)的使用方，處理OPC服務器提供的數(shù)據(jù)。不管現(xiàn)場設備以何種形式存在，OPC服務器都以統(tǒng)一的方式去訪問，從而保證軟件對用戶的透明性，使用戶完全從底層的開發(fā)中脫離出來[1]。

OPC服務器規(guī)定了兩套接口：定制接口（Custom Interface）和自動化接口（A utom ationInterface）。其中，定制接口是OPC服務器必須提供的，自動化接口是可選的。OPC客戶既可以支持COM的定制接口，也可以使用自動化接口[2]。典型OPC結構體系如圖1所示。

圖1 典型OPC體系結構

按照功能不同，OPC基金會發(fā)布的OPC規(guī)范說明中分為3類接口，它們分別是：

（1）OPC數(shù)據(jù)訪問接口（OPCD Ata Access）OPC數(shù)據(jù)存取規(guī)范（OPC/DA）是OPC基金會最初制定的一個工業(yè)標準，其重點是對現(xiàn)場設備的在線數(shù)據(jù)進行存取。OPC/DA中主要包括3類對象，分別是服務器對象、組對象和項對象。其中，OPC服務器對象包含服務器的所有信息，同時也是組對象的容器。一個服務器對應于一個OPC服務器，在一個服務器中可以有若干組對象。OPC數(shù)據(jù)項表示與OPC服務器中數(shù)據(jù)的連接，通常指向設備的一個寄存器單元，數(shù)據(jù)項不提供對外接口，客戶不能直接對之進行操作，所有操作都是通過組對象進行的。

（2） OPC報警和事件接口（OPC Alarm and Events）OPC/A E主要負責讓服務器在特定的事件或報警條件發(fā)生時及時通知客戶，分別稱相應的服務器與客戶為A E服務器與A E客戶。

（3）OPC歷史數(shù)據(jù)訪問接口（OPC HistoricalData Access）歷史數(shù)據(jù)服務器可以向關心歷史數(shù)據(jù)的客戶提供有關的歷史信息源。從數(shù)據(jù)集成角度來考慮，歷史數(shù)據(jù)庫可以看做是另一種類型的數(shù)據(jù)庫。OPCH DA服務器可以是一個獨立執(zhí)行的OPC歷史數(shù)據(jù)服務器，它收集OPCH DA服務器或者其他數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，并把它發(fā)布給OPC H DA客戶。OPCH DA服務器也可以是在企業(yè)現(xiàn)有的歷史服務器上實現(xiàn)的一套OPCH DA接口[3]。

2 OPC技術與現(xiàn)場總線

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)憑借其開放性、分散性和可互操作性等特點，正成為新型工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，但由于支持各種現(xiàn)場總線技術的各集團間的利益競爭，多種現(xiàn)場總線協(xié)議標準共存是不爭的客觀事實。例如Device Net、Lon Works、Pro Fi Bus、基金會現(xiàn)場總線F F等。

由于現(xiàn)場總線種類繁多，如何實現(xiàn)信息的集成和共享是必須面對的問題?？紤]到各種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的通用性，通信協(xié)議可以普遍采用OPC技術作為開發(fā)標準。此外，OPC還規(guī)范了一整套的接口函數(shù)、屬性和方法，可以實現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)中軟件的互操作和無縫集成，以及現(xiàn)場監(jiān)測、控制設備的即插即用，大大提高多現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性。

2.1 基于OPC/DA的現(xiàn)場總線系統(tǒng)

OPC數(shù)據(jù)訪問規(guī)范簡化了不同總線標準之間的數(shù)據(jù)訪問機制，為不同總線標準提供了通過標準接口訪問現(xiàn)場數(shù)據(jù)的基本方法。OPC/DA服務器屏蔽了不同總線通信協(xié)議之間的差異，為上層應用程序提供統(tǒng)一的訪問接口，可以很容易地在應用程序?qū)訉崿F(xiàn)對來自不同總線協(xié)議的設備進行互操作。可見，OPC/DA規(guī)范有效解決了現(xiàn)場信息在控制網(wǎng)絡中縱向傳輸問題。

利用OPC/DA規(guī)范對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的訪問機制如圖2所示。OPC/DA服務器通過主設備訪問現(xiàn)場總線設備中的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)用統(tǒng)一的OPC/DA接口形式進行組織，從而可以被任何一個具有OPC/DA訪問接口的上層應用程序所訪問；上層應用程序只需要開發(fā)一個OPC/DA訪問接口程序，就可以訪問任何一種總線所提供的OPC/DA服務器，而不必針對每一種總線協(xié)議開發(fā)不同的訪問接口和硬件驅(qū)動程序[4]。

圖2 基于OPC/DA的現(xiàn)場總線系統(tǒng)

由設備生產(chǎn)商開發(fā)針對自己產(chǎn)品的OPC/DA服務器，不僅可以利用技術優(yōu)勢縮短開發(fā)時間和提高產(chǎn)品性能，而且可以很好地解決數(shù)據(jù)訪問沖突的問題。當多個應用程序同時訪問一個現(xiàn)場設備時，如果該設備沒有處理并發(fā)請求的能力，會造成訪問失敗甚至使該設備不能正常工作。采用OPC技術后，一方面，設備生產(chǎn)商在針對自己的總線設備開發(fā)OPC/DA服務器時，可以根據(jù)設備的具體性能特點進行適當?shù)脑L問調(diào)度，以避免造成訪問沖突。另一方面，上層應用程序的開發(fā)人員可以致力于更好地滿足用戶的要求，而不必考慮應用程序與總線設備數(shù)據(jù)訪問的問題。

2.2 基于OPC/DX的現(xiàn)場總線系統(tǒng)

數(shù)據(jù)交換規(guī)范OPC/DX（OPCD Ata Exchange）提供了在以太網(wǎng)上服務器端到服務器端可互操作的數(shù)據(jù)通信方法，使得系統(tǒng)間可以使用相同的標準交換數(shù)據(jù)，而無需擔心協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題。這樣一個OPC服務器就能直接與另一個OPC服務器相連，使得駐留在不同體系中的現(xiàn)場總線控制器上的服務器數(shù)據(jù)可以直接交換，從而很好地解決現(xiàn)場信息在控制網(wǎng)絡中的橫向傳輸問題。

圖3 基于OPC/DX的現(xiàn)場總線系統(tǒng)

現(xiàn)場控制層作為企業(yè)整個信息系統(tǒng)的底層部分，必然需要與生產(chǎn)過程管理層和經(jīng)營決策層進行集成，因此也存在著監(jiān)控計算機如何與其他計算機進行信息溝通和信息傳遞等相關問題。由于控制系統(tǒng)往往是不同廠商開發(fā)的專用系統(tǒng)，為了解決現(xiàn)場信息在不同種類控制網(wǎng)絡中傳輸?shù)膯栴}，可以采用如圖3所示的基于OPC/DX的現(xiàn)場總線集成方案。

3 以太網(wǎng)技術與現(xiàn)場總線

以太網(wǎng)是目前應用最為廣泛的局域網(wǎng)，它以其先進的技術、低廉的價格、高度的靈活性和可靠性，在當前的網(wǎng)絡中廣泛流行。以太網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡的重要特點是，它采用的介質(zhì)訪問控制方法CSMA/CD是一種非確定性或隨機性通信方式，其基本工作原理是：某節(jié)點要發(fā)送報文時，首先監(jiān)聽網(wǎng)絡，如網(wǎng)絡忙，則等到其空閑為止，否則將立即發(fā)送，并同時繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡。如果兩個或更多的節(jié)點監(jiān)聽到網(wǎng)絡空閑并同時發(fā)送報文時，將會發(fā)生碰撞，同時節(jié)點立即停止發(fā)送，并等待一段隨機時間后重新發(fā)送。多次碰撞后，控制器將停止發(fā)送并向節(jié)點微處理器回報失敗信息。

隨著現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的發(fā)展，信息管理決策層需要了解的底層信息會越來越多。然而，企業(yè)管理層網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)報文通常都比較長，吞吐量也較大，因此要求網(wǎng)絡必須具有較大的帶寬。如果采用以太網(wǎng)的TCP/IP技術，就會大大提高數(shù)據(jù)傳輸效率，從而進一步提高工業(yè)控制要求的實時性?；谝陨蟽煞矫嬖颍瑢⒁蕴W(wǎng)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡進行集成勢在必行。

3.1 以太網(wǎng)應進入現(xiàn)場控制網(wǎng)絡的瓶頸和對策

（1）實時性。實時控制往往要求對某些變量的數(shù)據(jù)準確定時刷新。由于以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問的媒體訪問控制方式，在網(wǎng)絡負荷較高時，以太網(wǎng)上存在的數(shù)據(jù)碰撞成了主要問題，因為它極大地影響了數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸延時。而且在一系列碰撞后，數(shù)據(jù)報文可能會丟失，因此節(jié)點與節(jié)點之間的通信將無法得到保障。然而，對于工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡，以太網(wǎng)的這種網(wǎng)絡傳輸延時和通信“不確定性”會導致系統(tǒng)控制性能下降，甚至會引起系統(tǒng)振蕩；在有緊急事件信息需要發(fā)送時，還會因報警信息不能及時得到響應，而導致災難事件的發(fā)生，成為以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制網(wǎng)絡的主要障礙之一。

為了解決實時性問題，可以采取諸多的措施：采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機；采用全雙工的通信模式；使用虛擬局域網(wǎng)技術和優(yōu)先級服務等。

（2）可靠性。由于以太網(wǎng)絡是針對辦公自動化設計的，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等抗干擾性能都較差，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。因此它在惡劣的工業(yè)環(huán)境中是不能很好地進行工作的。而現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡有本質(zhì)安全防爆的要求，并且能夠抗擊各種電磁干擾，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和可靠性。為了滿足可靠性的要求，主干網(wǎng)可采用光纖傳輸，現(xiàn)場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網(wǎng)段還可采用冗余網(wǎng)絡技術，以此提高網(wǎng)絡的可靠性和系統(tǒng)抗干擾的能力。

（3）總線供電。所謂總線供電是指連接到現(xiàn)場設備的線纜不僅傳送數(shù)據(jù)信號，還能給現(xiàn)場設備提供電源。對需要防爆隔離的危險場所，總線供電的意義十分重要，而以太網(wǎng)原來主要用于商業(yè)場所，沒有總線供電的要求。目前可采用直接電源耦合、電源冗余管理等總線供電技術實現(xiàn)總線供電的以太網(wǎng)集線器。另外，可以在以太網(wǎng)標準的基礎上適當?shù)匦薷奈锢韺拥募夹g規(guī)范，將以太網(wǎng)的曼徹斯特信號調(diào)制到直流或低頻交流上，在工業(yè)現(xiàn)場再將這兩種信號分離出來[5]。

3.2 以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的集成

將以太網(wǎng)技術與現(xiàn)場總線相結合，可以有多種途徑，比如借助于轉(zhuǎn)換接口，采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，采用動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術（D D E）等。

利用多個數(shù)據(jù)網(wǎng)關來實現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的集成，集成后的系統(tǒng)結構如圖4所示。從圖中可以看出，以太網(wǎng)通過多個數(shù)據(jù)網(wǎng)關和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡互連，可以訪問和監(jiān)控現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡中的任何節(jié)點，從而很好地實現(xiàn)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的集成[6]。其中，網(wǎng)關構成網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃瑢崿F(xiàn)不同網(wǎng)絡通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，具備互連網(wǎng)絡雙方都能識別的統(tǒng)一尋址方式，還有統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀格式。

圖4 以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線集成結構

現(xiàn)場總線的協(xié)議與通用的以太網(wǎng)協(xié)議相比，雖然在層次結構上相似，但在內(nèi)容上卻大相徑庭。因此，要將控制網(wǎng)絡中的特定信息提取出來，又不影響原有系統(tǒng)的功能，只有在遵循現(xiàn)場總線的協(xié)議規(guī)范下，對現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)報文進行解釋，而后提交給數(shù)據(jù)網(wǎng)關，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關解析出所需要的數(shù)據(jù)信息。對于從數(shù)據(jù)網(wǎng)關送來的信息，也必須依據(jù)現(xiàn)場總線的協(xié)議規(guī)范，轉(zhuǎn)換為相應的現(xiàn)場總線控制報文，隨后發(fā)送到現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡系統(tǒng)中，實現(xiàn)對網(wǎng)絡節(jié)點的訪問控制。

4 結論

OPC技術提供了標準化訪問接口，它將底層硬件驅(qū)動程序和上層應用程序的開發(fā)有效地分隔開，應用程序可以使用一致的方式訪問設備中的數(shù)據(jù)，有效實現(xiàn)了不同現(xiàn)場總線協(xié)議之間的互連與互操作。以太網(wǎng)技術的日趨成熟也為現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的發(fā)展帶來了新的契機。將以太網(wǎng)技術融入現(xiàn)場總線，信息管理決策層能夠更加及時地掌握底層信息，從而大大提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，很好地滿足工業(yè)控制的實時性要求。

[1]陳丹丹等.OPC在現(xiàn)場控制網(wǎng)絡中的應用[J].微計算機信息,2005,21（21）:62-63.

[2]姚曉偉等.基于OPC技術的現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成研究[J].天津理工大學學報,2005,21（4）:12-15.

[3]OPC Foundation.OPC Data Access Custom Interface Specification[S],2003.

[4]呂勇等.OPC技術在現(xiàn)場總線互操作中的應用[J].儀表技術與傳感器,2004,6（3）:39-40.

[5]馬世平等.現(xiàn)場總線標準的現(xiàn)狀和工業(yè)以太網(wǎng)技術[J].機電一體化,2007,（3）:6-8.

[6]張玉春等.如何實現(xiàn)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡的集成[J].電器工業(yè),2007,（6）:62-64.

Application of OPC and Ethernet Technology in FCS

ZHAO Feng,WANG Xia
（Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China）

The article describes how to apply OPC and Ethernet technology in the field bus control network,analyzing the characteristics of OPC and Ethernet.By analyzing the OPC/DA and OPC/DX technical specifications,as well as the features of Ethernet technology,it gives the field bus control network architecture,which is based on the OPC/DA and OPC/DX,and proposes a way to integrate Ethernet and fieldbus control networks.

FCS；OPC；ethernet；field control network

TP393文獻標設碼：A

1671-0142（2011）02-0063-04

趙峰（1979-）,男,江蘇揚州人,講師.

（責任編輯李冠楠）