趙曉峰

（1.江蘇省無(wú)線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)開發(fā)中心，無(wú)錫 214153；2.無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214153）

目前，在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，大多采用上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)同工作的模式，需要工作人員在線值守，限制其活動(dòng)范圍，在農(nóng)田灌溉、水利排澇等應(yīng)用環(huán)境下，已經(jīng)顯露出弊端。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，如何對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造或升級(jí)，以瀏覽器、移動(dòng)終端等多方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，已成為工業(yè)控制領(lǐng)域必須解決的問(wèn)題[1]。本文在分析傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于OPC技術(shù)的Web工控系統(tǒng)，采用訂閱發(fā)布機(jī)制處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，解決了數(shù)據(jù)并發(fā)寫入設(shè)備的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)包括3個(gè)部分：（1）PLC硬件，通過(guò)嵌入的程序邏輯完成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的處理，控制硬件運(yùn)行，通過(guò)OPC標(biāo)準(zhǔn)與OPC Server通信；（2）OPC Server屬于中間服務(wù)層，接收 PLC數(shù)據(jù)，對(duì)外提供統(tǒng)一的OPC DA接口；（3）上位機(jī)的組態(tài)軟件訪問(wèn)OPC Server，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊和圖表功能[2]。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展，增加Web應(yīng)用平臺(tái)，直接與OPC Server通訊，就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)工控系統(tǒng)，從而可以為各類的訪問(wèn)終端提供接入服務(wù)。圖1所示為改進(jìn)后的Web工業(yè)控制系統(tǒng)（虛線左側(cè)是傳統(tǒng)工控系統(tǒng)）。

圖1 Web工控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of Web industrial control system

2 工控Web應(yīng)用的結(jié)構(gòu)

工控Web應(yīng)用主要由3部分構(gòu)成，表示層和Restful接口提供應(yīng)用的交互界面；權(quán)限控制用于定義設(shè)備管理上的約束；數(shù)據(jù)中心用于定義應(yīng)用系統(tǒng)范圍內(nèi)PLC設(shè)備及其狀態(tài)變量，為上層應(yīng)用下發(fā)的命令提供解析和執(zhí)行，解決應(yīng)用數(shù)據(jù)與設(shè)備數(shù)據(jù)的同步問(wèn)題；DCOM通訊層通過(guò)DCOM接口，將PLC的數(shù)據(jù)按OPC規(guī)范與OPC Server進(jìn)行相互的通訊[3]。工控Web應(yīng)用的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Web應(yīng)用結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of Web application

3 工控Web應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

考慮應(yīng)用系統(tǒng)的跨平臺(tái)、穩(wěn)定性以及服務(wù)的可擴(kuò)展性，采用Tomcat7.0作為應(yīng)用服務(wù)器，Redis 2.8作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存和消息路由，SQL Server 2008存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)和應(yīng)用配置信息。

3.1 DCOM/OPC訪問(wèn)

OPC定義了一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，基于微軟的COM/DCOM技術(shù)，使任何帶有OPC接口的客戶程序都可以采用統(tǒng)一的方式存取不同硬件廠商的設(shè)備[4]。OPC Server通過(guò)DCOM接口為外部程序提供OPC規(guī)范的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，DCOM通過(guò)對(duì)象遠(yuǎn)程調(diào)用ORPC協(xié)議來(lái)支持對(duì)遠(yuǎn)程對(duì)象的調(diào)用。Java訪問(wèn)OPC Server，可以采用OPC基金會(huì)推薦的Utgard項(xiàng)目，它是一個(gè)純Java實(shí)現(xiàn)的類庫(kù)，相比其它JNI的實(shí)現(xiàn)方式更為可靠和穩(wěn)定，并且不依賴于其它組件。OPC Server在Windows系統(tǒng)中需要進(jìn)行DCOM的配置，分配相應(yīng)的權(quán)限，才能由特定的用戶進(jìn)行DCOM調(diào)用[5]。

3.2 數(shù)據(jù)服務(wù)中心

數(shù)據(jù)服務(wù)中心的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)同步，主要在OPC Server和Redis之間進(jìn)行，Redis是一個(gè)高效的鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)，支持字符串類型、散列類型、列表類型、集合類型等鍵值數(shù)據(jù)，是一個(gè)高效的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，支持訂閱/發(fā)布方式對(duì)消息進(jìn)行處理[6]。在本系統(tǒng)中，Redis作為Web應(yīng)用的緩沖，保存設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)訂閱發(fā)布機(jī)制幫助應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

數(shù)據(jù)同步服務(wù)以多線程方式工作，運(yùn)行的基本流程如圖3所示，左側(cè)是讀取OPC Server數(shù)據(jù)流程，右側(cè)是寫入OPC Server數(shù)據(jù)流程，采用讀寫分離的雙線程工作模式，減少相互影響。Web應(yīng)用寫入OPC Server采用了訂閱發(fā)布機(jī)制，由Redis通過(guò)匹配訂閱條件，將訂閱者感興趣的消息從消息隊(duì)列里進(jìn)行提取，然后通過(guò)路由轉(zhuǎn)發(fā)，投遞給相應(yīng)的訂閱者[7-8]。

圖3 數(shù)據(jù)同步讀、寫模型Fig.3 Read and write model of data synchronization

讀取OPC Server數(shù)據(jù)，由SyncAccess對(duì)象根據(jù)更新頻率自動(dòng)觸發(fā)事件，事件處理由注冊(cè)在SyncAccess中的DataCallback對(duì)象完成，該對(duì)象的changed方法負(fù)責(zé)接收事件中包含的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)值由Variant類型轉(zhuǎn)換成Java基本數(shù)據(jù)類型，以“變量名-值”的形式保存在Redis中。

寫入OPC Server數(shù)據(jù)，采用了訂閱發(fā)布模式，由業(yè)務(wù)層把數(shù)據(jù)以JSON格式發(fā)布到指定的Channel中。Redis通知訂閱該Channel的對(duì)象接收數(shù)據(jù)，創(chuàng)建OPC Item對(duì)象，把數(shù)據(jù)寫入OPC Server。訂閱對(duì)象需要繼承JedisPubSub，實(shí)現(xiàn)onMessage方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.3 客戶端接口

客戶端接口主要包括兩部分，一是由瀏覽器訪問(wèn)的Web動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，二是為移動(dòng)終端提供的一組Web API接口，也能訪問(wèn)設(shè)備數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制設(shè)備。移動(dòng)端的Web API接口采用Restful風(fēng)格，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一采用JSON格式來(lái)描述。Web界面借助于HTML5的WebSocket通訊方式，可以在Web頁(yè)中實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器實(shí)時(shí)通訊，通過(guò)頁(yè)面動(dòng)態(tài)展示設(shè)備數(shù)據(jù)和圖形[9]。

4 應(yīng)用案例

本文所實(shí)現(xiàn)的Web工控系統(tǒng)已運(yùn)行于某市水利項(xiàng)目，項(xiàng)目由5個(gè)PLC控制的泵、閘站組成，利用水利系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)Web瀏覽器遠(yuǎn)程控制泵站水泵啟停和閘門升降，并在查詢系統(tǒng)中顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、水位過(guò)程線等過(guò)程控制信息，數(shù)據(jù)每隔15 min或1 min內(nèi)功率變化＞10%時(shí)，自動(dòng)存入SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)。案例的泵閘遠(yuǎn)程控制界面如圖4所示。

圖4 泵閘遠(yuǎn)程控制界面Fig.4 Remote control interface of pump and gate

5 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的背景下，基于Web的工業(yè)控制系統(tǒng)越來(lái)越受關(guān)注。本文研究的基于OPC技術(shù)的Web工業(yè)控制系統(tǒng)，有效解決了Web應(yīng)用的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和設(shè)備并發(fā)控制問(wèn)題；而且對(duì)傳統(tǒng)工控系統(tǒng)的擴(kuò)展不影響原系統(tǒng)運(yùn)行，通過(guò)OPC Server與Web平臺(tái)的相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。未來(lái)會(huì)將本文所開發(fā)的遠(yuǎn)程工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

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