劉星平，張智慧，胡 廣，陳 興 鄒 騰 徐 楊

（1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院 電氣工程0992班，湘潭 411101）

基于OPC技術(shù)的控制系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)

劉星平1，張智慧2，胡 廣2，陳 興2鄒 騰2徐 楊2

（1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院 電氣工程0992班，湘潭 411101）

使用最合適的技術(shù)，使PLC、工控機(jī)、分布式I／O、過程控制和傳動(dòng)控制等自動(dòng)化環(huán)境建立在一個(gè)集成系統(tǒng)平臺(tái)上，使這些不同的系統(tǒng)有一個(gè)共同的核心，該核心支持組態(tài)和編程的集成，數(shù)據(jù)管理的集成，通信的集成.OPC是一種開放式系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，通過OPC，可以在上位機(jī)上監(jiān)控、處理、調(diào)用控制器（如PLC，變頻器等）的數(shù)據(jù)和事件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的集成.

OPC通信；控制系統(tǒng)集成；服務(wù)器；客戶機(jī)

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的集成已成為發(fā)展趨勢(shì).自動(dòng)化控制系統(tǒng)希望能夠集成不同廠家的控制設(shè)備及應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)各廠家設(shè)備的互操作，真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)從車間級(jí)集成到整個(gè)企業(yè)信息管理系統(tǒng)中.OPC通信是在此背景下產(chǎn)生的，它提供了工業(yè)環(huán)境中信息交換的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口，已成為工業(yè)過程控制的通信標(biāo)準(zhǔn).這樣，數(shù)據(jù)用戶不用為不同廠家的數(shù)據(jù)源開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序或服務(wù)程序，能夠輕松的連接不同廠商生產(chǎn)的控制器設(shè)備和應(yīng)用程序［1］.

1 OPC技術(shù)及其組成

OPC（OLE for Process Control）技術(shù)是用于過程控制的對(duì)象鏈接和嵌入技術(shù)，OLE是Object Linking and Embedding的縮寫，即對(duì)象鏈接與嵌入，是微軟為Windows操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換開發(fā)的技術(shù)［2］.OPC技術(shù)包括2個(gè)組成部分：OPC服務(wù)器及OPC客戶端.OPC服務(wù)器是一種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)源程序，它的作用是收集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)信息，通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口傳送給OPC客戶端，為客戶端提供數(shù)據(jù).OPC客戶端是一個(gè)數(shù)據(jù)接收程序，如上位計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件（SCADA）、人機(jī)界面軟件（HMI）等.OPC客戶機(jī)不用直接從各種控制器（硬件）上讀取數(shù)據(jù)，而是直接從OPC服務(wù)器上讀取數(shù)據(jù)，OPC客戶端通過OPC標(biāo)準(zhǔn)接口與OPC服務(wù)器通信，獲取OPC服務(wù)器的各種信息.符合OPC標(biāo)準(zhǔn)的客戶端都可以訪問來自任何生產(chǎn)者設(shè)計(jì)的OPC服務(wù)器程序.集成管理平臺(tái)（OPC Client）與各個(gè)子系統(tǒng)（OPC Servers）之間必須有OPC接口.有兩套標(biāo)準(zhǔn)接口，即自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)接口（Automation Interface）和定制標(biāo)準(zhǔn)接口（Custom Interface）.通常在設(shè)計(jì)中都采用自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)接口.典型的OPC組成結(jié)構(gòu)體系如圖1所示.通過OPC接口，客戶端應(yīng)用程序可以從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令等.

1.1 OPC的通信

OPC是一種開放式系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，以微軟的組件對(duì)象模型COM／DCOM／COM＋技術(shù)為基礎(chǔ)，建立OLE規(guī)范之上，采用客戶機(jī)／服務(wù)器模式.通過OPC，可以實(shí)現(xiàn)各控制器之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、基于PC的應(yīng)用程序之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交換.可以在上位機(jī)上監(jiān)控、處理、調(diào)用控制器（如PLC，變頻器等）的數(shù)據(jù)和事件.

客戶機(jī)與服務(wù)器的關(guān)系類似于西門子網(wǎng)絡(luò)通信的從站與主站的關(guān)系.服務(wù)器在通信過程中是被動(dòng)的，它總是等待客戶機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)訪問.OPC將數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)方式傳輸?shù)娇蛻魴C(jī)應(yīng)用程序中.由于OPC服務(wù)器提供了用于連接OPC客戶機(jī)應(yīng)用程序的接口.所以客戶機(jī)應(yīng)用程序能執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)源（如控制器中的存儲(chǔ)器）的訪問.多個(gè)不同的OPC客戶機(jī)可以同時(shí)訪問一個(gè)OPC服務(wù)器.

圖1 OPC的組成體系

因此，只要控制設(shè)備生產(chǎn)者的硬件提供了OPC服務(wù)器，任何支持OPC通信的客戶機(jī)程序都可以用統(tǒng)一的方式來對(duì)不同的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行存取訪問.

1.2 OPC服務(wù)器的對(duì)象

OPC服務(wù)器中包含了服務(wù)器（Server）對(duì)象，組（Group）對(duì)象和項(xiàng)（Item）對(duì)象.數(shù)據(jù)訪問時(shí)，因?yàn)镾erver對(duì)象是客戶應(yīng)用程序訪問OPC服務(wù)器的惟一入口，所以首先必須獲取OPC服務(wù)器中的OPC Server對(duì)象.其次，創(chuàng)建Group類對(duì)象，繼而，創(chuàng)建Item對(duì)象.獲取Item對(duì)象后，就可以進(jìn)行各種讀寫操作了.這種OPC服務(wù)器是由提供所使用設(shè)備的制造商作為一攬子產(chǎn)品予以提供的.

圖2 數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的對(duì)象

圖2所示為西門子PLC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的對(duì)象，從圖可看出，一個(gè)OPC服務(wù)器可以包括多個(gè)Server對(duì)象.每個(gè)Server對(duì)象可以包含多個(gè)Group對(duì)象，每個(gè)Group對(duì)象又可以包含多個(gè)Item對(duì)象，OPC服務(wù)器對(duì)象維護(hù)有關(guān)服務(wù)器的信息并作為OPC組對(duì)象的包容器，能動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建或釋放組對(duì)象；OPC組對(duì)象提供包容OPC項(xiàng)的機(jī)制，從邏輯上實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC項(xiàng)的管理；OPC項(xiàng)對(duì)象代表與OPC服務(wù)器到數(shù)據(jù)源的一個(gè)連接，包括品質(zhì)（Quality）、值（Value）、時(shí)間戳（Time Stamp）等幾個(gè)基本屬性［3］.

服務(wù)器對(duì)象主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建和管理組對(duì)象，管理服務(wù)器對(duì)象內(nèi)部的狀態(tài)信息，瀏覽服務(wù)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu).并將服務(wù)器中的錯(cuò)誤代碼翻譯成描述性的語句等.組對(duì)象主要負(fù)責(zé)管理組對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)信息，創(chuàng)建和管理項(xiàng)目對(duì)象，完成OPC服務(wù)器內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存取服務(wù)（同步或異步方式）.在OPC通信中，數(shù)據(jù)傳輸是以組為單位進(jìn)行的.同一個(gè)組對(duì)象中的Item對(duì)象的數(shù)據(jù)源可以位于不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中.這樣，客戶可以方便的把經(jīng)常需要訪問的一些項(xiàng)放在一個(gè)組中進(jìn)行管理，可以對(duì)組進(jìn)行讀寫，還可以設(shè)置客戶端的數(shù)據(jù)更新頻率.

圖3 PC Access的典型應(yīng)用

服務(wù)器對(duì)象和組對(duì)象都是標(biāo)準(zhǔn)的COM對(duì)象.這兩種對(duì)象需要完成與客戶程序的交互，但都不與特定的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生聯(lián)系，都只是一個(gè)邏輯概念而已.

項(xiàng)對(duì)象則代表了與特定數(shù)據(jù)源的連接.通常指向設(shè)備具體的寄存器單元，例如一個(gè)端口或者一個(gè)通道.項(xiàng)對(duì)象是服務(wù)器端定義的對(duì)象，客戶并不需要與項(xiàng)直接交互.

2 基于OPC的控制系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)

2.1 基于OPC的S7－200PLC的系統(tǒng)集成

S7－200PC ACCESS是專用于S7－200PLC的OPC Server（服務(wù)器）軟件，該軟件能與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC客戶機(jī)配合使用.S7－200PC ACCESS可使用多種通信方式與PLC通訊，能同時(shí)從8個(gè)PLC讀取數(shù)據(jù)，并且服務(wù)器讀取的項(xiàng)目數(shù)是沒有限制的.

PC Access軟件通過計(jì)算機(jī)與S7－200PLC通訊，作為服務(wù)器.支持OPC標(biāo)準(zhǔn)的HMI軟件（例如WINCC），作為 OPC Client（客戶端）與PC Access通訊，從而可以訪問S7－200的數(shù)據(jù).其典型應(yīng)用如圖3所示.

2.2 基于OPC技術(shù)的S7－300／400PLC控制系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)

以下是利用OPC技術(shù)通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)組態(tài)王軟件對(duì)西門子PLC控制系統(tǒng)的監(jiān)控應(yīng)用.在該監(jiān)控系統(tǒng)中，組態(tài)王軟件和西門子PLC都支持OPC協(xié)議，組態(tài)王作為OPC的客戶機(jī)，西門子的SIMATIC NET作為OPC的服務(wù)器，通過OPC服務(wù)器定義好數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)控變量，通過OPC協(xié)議，組態(tài)王可以訪問西門子PLC控制系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)的通信速度可以達(dá)100MB／s.這樣，在集中控制室的PC機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)PLC控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控.

圖4 上位機(jī)的OPC應(yīng)用設(shè)置

2.2.1 通信處理器及其應(yīng)用

CP1612PCI是用于PC的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器，CP1612是自適應(yīng)以態(tài)網(wǎng)卡，通信速率可達(dá)10 M／100MB／s，CP1612PCI以太網(wǎng)卡與配套的軟件包一起支持OPC通信，可以生成OPC服務(wù)器，生成數(shù)據(jù)庫.CP443－1是用于工業(yè)以太網(wǎng)ISO和TCP／IP的S7CP，是用于S7－400PLC的工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器.這樣，通過以太網(wǎng)（IE）的連接，上位機(jī)通過OPC通信可以直接訪問S7－300／400PLC中的變量或數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)交換格式為S7connection（本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換格式）.

2.2.2 工業(yè)以太網(wǎng)的構(gòu)建

在西門子編程軟件STEP7的硬件組態(tài)中組態(tài)一個(gè)S7－400的PLC站，該S7－400通過工業(yè)以太網(wǎng)處理器CP443－1構(gòu)建一條工業(yè)以太網(wǎng)，然后在硬件組態(tài)中新建一個(gè)上位機(jī)站SIMTIC PC Station，在該站中配置工業(yè)以太網(wǎng)卡CP1612，在硬件目錄的user application中調(diào)用OPC服務(wù)器（OPC server）及應(yīng)用程序（application）.如圖4所示.形成的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2.3 組態(tài)王的設(shè)置

組態(tài)王組態(tài)軟件有靈活多樣的組態(tài)方式，提供良好的用戶界面和簡(jiǎn)捷使用方法.可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的各項(xiàng)控制功能.組態(tài)王6.53提供了資源管理器式的操作主界面，具有豐富的圖形、圖表功能和很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，組態(tài)王支持OPC規(guī)范，具有通信速率高、兼容性好、工作性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)［4］.組態(tài)王目前支持?jǐn)?shù)百種各種硬件設(shè)備，目前流行的各種板卡、儀表、PLC等均能在組態(tài)王的驅(qū)動(dòng)程序列表中找到.包括目前常用的西門子、ABB等公司的PLC控制器、變頻器等設(shè)備.

圖6 組態(tài)王中OPC服務(wù)器的添加

組態(tài)王與其它控制系統(tǒng)（如GIS系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)、配網(wǎng)分析等）交換數(shù)據(jù)有多種途徑，采用OPC的方式與組態(tài)王動(dòng)態(tài)交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方式更加有利于不同廠家的控制器的系統(tǒng)集成，建立與OPC服務(wù)器的連接也非常方便.

圖7 系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)框圖

組態(tài)王可作為OPC客戶從OPC服務(wù)器采集數(shù)據(jù)，又可作為OPC服務(wù)器送出控制結(jié)果或向其他應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù).PLC的OPC服務(wù)器構(gòu)建好以后，使用組態(tài)王來讀寫上面的數(shù)據(jù)，以S7－400PLC為例，在組態(tài)王中定義I／O變量，步驟如下：

（1）添加OPC設(shè)備，在打開的設(shè)備窗口中選擇OPC SimaticNET.

（2）在數(shù)據(jù)詞典里定義I／O變量.定義變量名，變量類型、及連接設(shè)備OPC SimaticNET.如圖6所示.系統(tǒng)集成的組成結(jié)構(gòu)如圖7所示，系統(tǒng)的組態(tài)開發(fā)監(jiān)控畫面如圖8所示.

圖8 系統(tǒng)集成的總監(jiān)控畫面

3 結(jié) 論

OPC是一種設(shè)備服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)接口，能夠被連接到I／O裝置、可編程邏輯控制器（PLC）、現(xiàn)場(chǎng)總線等.OPC技術(shù)能提供一種即插即用的硬、軟件組件，用戶很容易將它們集成為完整的自動(dòng)化系統(tǒng).OPC規(guī)范了接口函數(shù)，不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式訪問，從而保證了軟件對(duì)客戶的透明性.OPC采用客戶機(jī)／服務(wù)器模式，把開發(fā)訪問接口的任務(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，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)的開放性和可互操作性.可以有效地實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，保證工程順利投運(yùn)，保障用戶的投資利益.

［1］廖常初.S7－300／400PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］王 鯤，袁中凡.OPC接口技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)測(cè)控技術(shù)，2005（1）：95－97.

［3］楊憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］劉星平.PLC原理及工程應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

Realization of Integration of Control System Based on Communication of OPC

LIU Xing－ping1，ZHANG Zhi－h(huán)ui2，HU Guang2，CHEN Xing2，ZOU Teng2，XU Yang2
（1.College of Electrical and Information，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China；2.Class 0992，Electrical Engineering，Hunan Institute of Engineering，Xiangtan 411101，China）

Using the fit technology，the PLC，IPC，distributing I／O，process control and drive control are built on a flat roof of integration system.There is a common center for those different systems.The center supports the integration of configuration，programme，data manage and communications.OPC is a standard of opening systems.Via OPC，PC can supervise，handle and transfer data or event so as to realize the integration of automation control system.

OPC communication；integration of control system；server；client

TP391

A

1671－119X（2012）03－0005－04

2012－04－06

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011GK3057）；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（湘教通［2011］272號(hào)）

劉星平（1966－），男，碩士，副教授，研究方向：電力電子和傳動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制、自動(dòng)化系統(tǒng)集成.