李福先，楊亮亮

(1.武漢數(shù)字工程研究所，湖北 武漢 430074;2.浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018)

0 引言

在一個(gè)現(xiàn)代化的大型風(fēng)電場(chǎng)中，有效地監(jiān)視和控制各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)，保證整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行至關(guān)重要。近年來(lái)在風(fēng)電行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)為解決大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)監(jiān)控提供了基本的技術(shù)途徑，但傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)既存在與不同廠商的硬件設(shè)備之間通訊接口協(xié)議不一致的難題，又存在跨平臺(tái)和提升網(wǎng)絡(luò)通信能力的瓶頸，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、擴(kuò)展帶來(lái)不便。而OPC接口既能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把風(fēng)機(jī)控制設(shè)備的原始數(shù)據(jù)提供給人機(jī)接口、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)等應(yīng)用程序，也適用于應(yīng)用程序和物理設(shè)備的直接連接，具有接口標(biāo)準(zhǔn)的高度柔軟性，有效地解決了硬件廠商和軟件開(kāi)發(fā)商之間通訊接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的問(wèn)題。本文提出了一種基于OPC-XML-DA規(guī)范、在Internet環(huán)境下以Web服務(wù)層為監(jiān)控系統(tǒng)中間層的B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案，既解決了風(fēng)機(jī)控制硬件設(shè)備通訊接口協(xié)議兼容的問(wèn)題，又增強(qiáng)了風(fēng)電遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)跨平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信的能力，并在1MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中成功應(yīng)用。

1 基于OPC-XML-DA的風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 OPC XML-DA規(guī)范介紹

OPC是一個(gè)用于訪問(wèn)過(guò)程數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接口，它基于微軟的COM/DCOM，并在自動(dòng)化領(lǐng)域訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)需求將其擴(kuò)展。OPC技術(shù)采用C/S模式，用于客戶(hù)程序和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，把開(kāi)發(fā)訪問(wèn)接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，以O(shè)PC服務(wù)器的形式提供給用戶(hù)，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統(tǒng)的集成，提高了系統(tǒng)的開(kāi)放性和可互操作性。它具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點(diǎn)［1，2］。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和風(fēng)電行業(yè)管理系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控要求的提高，基于COM技術(shù)的OPC標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始無(wú)法滿(mǎn)足要求。為此，OPC基金會(huì)正式發(fā)布了OPC XML-DA規(guī)范1.0版［3］。OPC XML-DA規(guī)范建立在OPC DA基礎(chǔ)上，重點(diǎn)定義在數(shù)據(jù)訪問(wèn)規(guī)范上，用于將OPC數(shù)據(jù)向Internet上的應(yīng)用程序開(kāi)放。OPC XML-DA既兼容了原有OPC DA提供的不用開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)通信軟件就可以訪問(wèn)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，又能輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和跨平臺(tái)數(shù)據(jù)的交換。該規(guī)范基于XML的Web Senrice技術(shù)。Web Service主要提供通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接獲取各種服務(wù)的接口，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供給網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)，在Intemet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)，便于不同的應(yīng)用程序在Internet上共享和交換數(shù)據(jù)［4］。

1.2 基于OPC-XML-DA的B/S模式風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的基于OPC-XML-DA規(guī)范、以Web服務(wù)層為監(jiān)控系統(tǒng)中間層的B/S模式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。該方案實(shí)現(xiàn)了瀏覽器或客戶(hù)端應(yīng)用程序通過(guò)Intemet對(duì)OPC服務(wù)器的訪問(wèn)，可實(shí)時(shí)地讀取機(jī)組的數(shù)據(jù)、發(fā)布機(jī)組控制指令。

圖1 基于OPC-XML-DA的B/S模式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用三層B/S架構(gòu)。應(yīng)用層的OPC DA客戶(hù)為基于COM/DCOM的客戶(hù)端應(yīng)用程序，OPC XML-DA客戶(hù)為IE瀏覽器，操作者通過(guò)HTTP向Web服務(wù)器發(fā)送XML文件請(qǐng)求，Web服務(wù)器接收到該請(qǐng)求后，將XML文件傳送給客戶(hù)瀏覽器，瀏覽器閱讀頁(yè)面并顯示出來(lái)。

業(yè)務(wù)邏輯層的Web服務(wù)器主要用來(lái)接受客戶(hù)端的響應(yīng)，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)布到瀏覽器上供監(jiān)控操作者查看，將收到的客戶(hù)端的控制信息存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，供OPC應(yīng)用服務(wù)器提取;OPC應(yīng)用服務(wù)器主要功能是通過(guò)OPC標(biāo)準(zhǔn)接口從OPC服務(wù)器采集數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶(hù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，既能通過(guò)ODBC把數(shù)據(jù)送人實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中，又可以通過(guò)ODBC從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取來(lái)自遠(yuǎn)程瀏覽器端的控制信息，并對(duì)這些控制信息進(jìn)行判斷，然后通過(guò)OPC標(biāo)準(zhǔn)接口將修改的參數(shù)值等控制信息遞交到OPC服務(wù)器中，OPC服務(wù)器再將控制信息傳遞給風(fēng)機(jī)控制器;OPC服務(wù)器既執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的控制策略、協(xié)調(diào)管理數(shù)據(jù)服務(wù)層，又處理風(fēng)機(jī)控制器向OPC應(yīng)用服務(wù)器的各種請(qǐng)求。

數(shù)據(jù)服務(wù)層用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)源查詢(xún)更新，事務(wù)管理，高速緩存，安全及多用戶(hù)存取控制等，并以統(tǒng)一的格式向OPC應(yīng)用服務(wù)器提供訂閱風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

該B/S模式的架構(gòu)便于遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶(hù)端用Web瀏覽器，向Web服務(wù)器發(fā)送各種請(qǐng)求，接收所需的網(wǎng)頁(yè)，不需要與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)連接，而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心建立的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)可專(zhuān)門(mén)用來(lái)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、查詢(xún)發(fā)電機(jī)組歷史數(shù)據(jù)，擬合風(fēng)電參數(shù)歷史曲線、描繪風(fēng)電系統(tǒng)要求反應(yīng)的圖形和歷史趨勢(shì)。這樣，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)各層內(nèi)部的參數(shù)修改、完善不會(huì)影響監(jiān)控中心整個(gè)系統(tǒng)的使用，提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護(hù)性。

1.3 OPC服務(wù)器的架構(gòu)

B/S架構(gòu)中數(shù)據(jù)服務(wù)層的OPC服務(wù)器主要用來(lái)讀取/寫(xiě)入數(shù)據(jù)從風(fēng)電機(jī)組控制器PLC/到OPC應(yīng)用服務(wù)器，通過(guò)它瀏覽器客戶(hù)端或客戶(hù)端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)組控制器操作指令的下達(dá)和緩存區(qū)數(shù)據(jù)的讀取分析。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)的1 MW風(fēng)電機(jī)組B/S模式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的OPC服務(wù)器架構(gòu)如圖2所示。

圖2 1MWB/S模式風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)OPC服務(wù)器架構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組的控制程序被下載到PLC控制器時(shí)，會(huì)生成一個(gè)符號(hào)文件，該文件被存入OPC網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。符號(hào)文件包含條目信息，一個(gè)條目嚴(yán)格對(duì)應(yīng)一個(gè)風(fēng)機(jī)參數(shù)變量，利用這些條目可調(diào)用控制器中的風(fēng)機(jī)參數(shù)變量值。OPC服務(wù)器從網(wǎng)關(guān)服務(wù)器中請(qǐng)求符號(hào)文件的內(nèi)容后生成一個(gè)條目列表，條目列表會(huì)在控制器定義的時(shí)間間隔內(nèi)被更新。讀取和寫(xiě)入風(fēng)機(jī)參數(shù)變量值的使用取決于被設(shè)為“激活的”條目的數(shù)量。OPC服務(wù)器支持?jǐn)?shù)據(jù)分組，分為由OPC服務(wù)器分配的“公共組”和由一個(gè)客戶(hù)端組成的“私有組”。如果在配置中激活相應(yīng)的選項(xiàng)，OPC服務(wù)器將條目分組成智能塊，每個(gè)塊生成一個(gè)“公共組”，在客戶(hù)端中可按需求將獨(dú)立的條目組合成“私有組”，“私有組”可根據(jù)它們是否被訪問(wèn)這一命令去激活或取消激活特定的變量組，OPC服務(wù)器可同時(shí)讀取所有變量。OPC服務(wù)器不是一個(gè)被動(dòng)的子程序庫(kù)，而是一個(gè)在客戶(hù)端與服務(wù)器之間建立連接時(shí)被啟動(dòng)的可執(zhí)行程序［5］。當(dāng)啟動(dòng)客戶(hù)端瀏覽器或客戶(hù)端軟件并建立通訊時(shí)，OPC服務(wù)器自動(dòng)啟動(dòng)，從條目列表中選擇相應(yīng)的風(fēng)機(jī)參數(shù)變量。設(shè)計(jì)客戶(hù)端軟件時(shí)須優(yōu)化通訊，將條目分到獨(dú)立的組中，這些組以一種方式定義，且只包含必須同時(shí)被更新的條目，這些組只在需要時(shí)被激活。瀏覽器客戶(hù)端或客戶(hù)端應(yīng)用程序根據(jù)監(jiān)測(cè)和控制風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)的需要來(lái)指定條目，通過(guò)Web服務(wù)器、OPC應(yīng)用服務(wù)器和OPC服務(wù)器來(lái)操作發(fā)電機(jī)組控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和指令控制。

2 系統(tǒng)功能及實(shí)例

圖3 客戶(hù)端應(yīng)用程序與OPC服務(wù)器的部分通訊數(shù)據(jù)

實(shí)現(xiàn)的1 MW風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與機(jī)組控制器通訊成功后，客戶(hù)端應(yīng)用程序與OPC服務(wù)器的部分通訊數(shù)據(jù)如圖3所示。該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)綜合實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集、記錄備份，數(shù)據(jù)的組織、數(shù)據(jù)關(guān)系的建立，機(jī)組的控制，故障報(bào)警指示與分類(lèi)查詢(xún)，報(bào)表圖形曲線、系統(tǒng)安全、分布式網(wǎng)絡(luò)管理等功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于OPC-XML-DA規(guī)范、以Web服務(wù)層為監(jiān)控系統(tǒng)中間層的B/S模式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)解決了風(fēng)機(jī)控制設(shè)備硬件之間通訊接口協(xié)議不一致的問(wèn)題，完成了分散在風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享、各子控制系統(tǒng)控制指令的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)地對(duì)風(fēng)電機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)以及事故報(bào)警等功能，為風(fēng)電場(chǎng)的管理者和運(yùn)營(yíng)商提供了系統(tǒng)、完整的風(fēng)電場(chǎng)信息，幫助快速診斷系統(tǒng)故障，提高了生產(chǎn)效率，代表了風(fēng)電能源監(jiān)控的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］ 唐置玲，汪小澄.基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)INFI—90系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)開(kāi)放［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(6):88－90.

［2］ 陳坤，冷杉，劉哲.基于OPC的虛擬DCS對(duì)象調(diào)試軟件開(kāi)發(fā)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2004，24(10):39－44.

［3］ OPC Foundation.OPC XML-DA 1.0 Specification［DB/OL］.［2003－7－12］.http://www.opcfoundation.org.

［4］ 徐進(jìn)學(xué)，胡紅武，劉玉梅.基于OPC技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)［J］.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(5):574－577.

［5］ 潘愛(ài)明.COM原理和應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006:34－45.