引言
采用opc技術(shù)規(guī)范的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的互操作、無縫集成和現(xiàn)場過程控制設(shè)備的即插即用，為這一領(lǐng)域的軟件和硬件生產(chǎn)廠商以及最終用戶帶來了直接和明顯的經(jīng)濟(jì)利益。因此，國內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)和廠家應(yīng)該加強(qiáng)opc技術(shù)應(yīng)用的研究，積極推廣使用具有opc接口標(biāo)準(zhǔn)軟硬件產(chǎn)品，跟上世界先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)的潮流。
1 簡介
組態(tài)軟件通過i/o驅(qū)動(dòng)程序從現(xiàn)場i/o設(shè)備獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理后，一方面以圖形方式直觀地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給i/o設(shè)備，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制或調(diào)整控制參數(shù)［1，2］。
目前，企業(yè)辦公自動(dòng)化已經(jīng)基本普及，windows操作平臺(tái)以及微軟的com/dcom/ole技術(shù)已成為應(yīng)用軟件之間通信的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。在生產(chǎn)控制領(lǐng)域，dcs、scada、plc等技術(shù)已經(jīng)成熟，各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)正在迅速推廣。但是，管控一體化存在一個(gè)嚴(yán)重的制約因素，即現(xiàn)場設(shè)備與應(yīng)用軟件之間難以實(shí)現(xiàn)開放的、無縫隙的連接。
在生產(chǎn)現(xiàn)場，存在著大量控制器和現(xiàn)場數(shù)字設(shè)備，這些設(shè)備來自不同的制造商，遵從不同的通訊標(biāo)準(zhǔn)，只能組成各自的控制系統(tǒng)，與特定的應(yīng)用軟件通訊。雖然某些網(wǎng)絡(luò)之間可通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，但并不具有普遍性。
傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)中，為使每一個(gè)應(yīng)用程序與設(shè)備交換信息，必須為每個(gè)設(shè)備提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，在數(shù)據(jù)源與客戶程序之間分別建立一對一的驅(qū)動(dòng)連接，如圖1所示。
由于設(shè)備多樣性和驅(qū)動(dòng)程序不兼容性，這種方式存在以下缺陷：
（1）應(yīng)用程序開發(fā)者必須花費(fèi)大量精力開發(fā)各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)接口，計(jì)算機(jī)硬件廠家要為不同的應(yīng)用軟件編寫不同的驅(qū)動(dòng)程序，這種程序可復(fù)用程度低，不符合軟件工程的發(fā)展趨勢，典型的高級語言軟件開發(fā)過程約有25~30%的時(shí)間用于編寫這類接口，使開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用大大增加;
?。?） 設(shè)備不具有互操作性，使用中硬件的升級、變更和增加都可能造成驅(qū)動(dòng)程序的變化，從而在維護(hù)過程中引起二次投資;
?。?） 由于每一驅(qū)動(dòng)軟件有各自的驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)多個(gè)應(yīng)用軟件讀取同一數(shù)據(jù)源時(shí)，經(jīng)常生沖突;
?。?） 設(shè)備廠商雖然可能提供驅(qū)動(dòng)程序，但與用戶開發(fā)應(yīng)用軟件往往不一致，限制了用戶對軟件和設(shè)備的自由選擇。
可見，在現(xiàn)場設(shè)備與應(yīng)用軟件之間提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，實(shí)現(xiàn)開放的、無縫隙的連接，是順利推進(jìn)企業(yè)管控一體化的關(guān)鍵。為此，在微軟的倡導(dǎo)下，世界范圍內(nèi)處于主導(dǎo)地位的硬件和軟件開發(fā)商組成了opc基金會(huì)組織（opc fondation），制定硬件和應(yīng)用軟件之間的接口標(biāo)準(zhǔn)-opc規(guī)范。文章對有關(guān)問題作如下簡要討論。
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2 opc產(chǎn)生的背景
opc（ole for process control）即用于過程控制領(lǐng)域的對象鏈接和嵌入技術(shù)，這一概念是由fisher rosemount公司1995年首次提出的，它借用了微軟的ole（object linking and embedding）和com（component object model）/dcom（ distributed component object model ）技術(shù)，并應(yīng)用于過程控制中。它為過程控制和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的接口、屬性和方法，是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備與過程監(jiān)控級進(jìn)行信息互連，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)開放性的關(guān)鍵技術(shù)［4，5］。
提出opc技術(shù)最初是為了解決應(yīng)用軟件與各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通信問題，簡化系統(tǒng)的i/o驅(qū)動(dòng)開發(fā)方式。沒有采用opc技術(shù)以前，對一個(gè)有m種應(yīng)用程序、n種設(shè)備的系統(tǒng)，共需開發(fā)m×n個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，而opc采用客戶/服務(wù)器體系，為服務(wù)器與客戶程序的鏈接提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范。采用了opc技術(shù)以后，只需要開發(fā)m+n個(gè)與opc的接口，如圖2所示。
正是opc的這種數(shù)據(jù)訪問特點(diǎn)使得使用opc技術(shù)有很大的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。它的優(yōu)點(diǎn)概括起來大致有以下3個(gè)方面：開放性（openness）、高生產(chǎn)率（productivity）、和“即插即用”的可連接性（connectivity），因此可以說opc=openness+productivity+connectivity。
3 opc的應(yīng)用模式及意義
現(xiàn)在opc技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)超出了原來取代驅(qū)動(dòng)程序的初衷，而成為微軟公司的制造業(yè)分布式網(wǎng)間應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)（dna-m，distributed internet application architecture for manufacturing）的核心，如圖3所示。
在這個(gè)體系結(jié)構(gòu)中，作為核心的opc就相當(dāng)于一塊軟件“主板”，它能夠直接連接現(xiàn)場的plc、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集和windowsce設(shè)備，通過快速有效的方式從現(xiàn)場獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。pc機(jī)內(nèi)的各種監(jiān)視應(yīng)用、控制應(yīng)用、管理應(yīng)用等則像是插在opc主板上的軟件“芯片”，這些芯片之間按照opc協(xié)議進(jìn)行通信，它們可以通過opc獲取現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可以通過opc彼此交換信息。所以opc為企業(yè)內(nèi)部的信息交換提供了一個(gè)開放平臺(tái)。任何應(yīng)用軟件只要能夠支持opc接口就可以插入這塊opc主板，就像是將芯片插入到計(jì)算機(jī)主板中一樣，只要芯片的管腳和協(xié)議遵從主板的要求，它就可以即插即用。
綜合而言，采用opc技術(shù)的意義在于：
?。?） 計(jì)算機(jī)硬件廠家只需要編寫一套驅(qū)動(dòng)程序、提供一套符合opc serve規(guī)范的程序組就可以滿足不同用戶的需要;
?。?） 對于一個(gè)應(yīng)用程序，開發(fā)者只需要編寫一個(gè)驅(qū)動(dòng)接口，設(shè)備便可以連接不同的設(shè)備，軟件開發(fā)商無需為硬件特性的修改或增加而重寫驅(qū)動(dòng)程序;
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（3） 用戶在開發(fā)集成制造系統(tǒng)時(shí)有了更多的軟件和設(shè)備選擇余地。
在現(xiàn)場總線應(yīng)用方面，opc技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備層與過程監(jiān)控層進(jìn)行信息交互，是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)開放性的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用模式如圖4所示。
有了opc作為通用接口就可以把現(xiàn)場信號與scada上位監(jiān)控軟件、hmi人機(jī)界面軟件方便地鏈接起來，還可以把它們與pc機(jī)的某些通用開發(fā)平臺(tái)和應(yīng)用軟件平臺(tái)鏈接起來，如：vb、vc、c++、excel、access等。這幾部分的信號傳遞關(guān)系如圖5所示。
opc開發(fā)的目的是為了給工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用程序之間的通訊建立一個(gè)接口標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)控制設(shè)備與控制軟件之間建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取規(guī)范，這個(gè)接口規(guī)范不但能夠應(yīng)用于單臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)部，而且可以支持網(wǎng)絡(luò)上分布式應(yīng)用程序之間通訊，以及不同平臺(tái)上應(yīng)用程序間的通訊。opc的基礎(chǔ)-微軟的ole/com及dcom技術(shù)完全支持上述分布式應(yīng)用和異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用的無縫集成。opc服務(wù)器在企業(yè)信息系統(tǒng)中的作用表現(xiàn)為，opc服務(wù)器在底層控制系統(tǒng)中采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序與現(xiàn)場設(shè)備的有效連接，發(fā)揮了橋梁作用，促進(jìn)了企業(yè)現(xiàn)場控制層和過程監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層以及經(jīng)營決策層的集成。opc服務(wù)器在企業(yè)信息系統(tǒng)內(nèi)的作用如圖6所示。
4 opc的技術(shù)本質(zhì)-com/dcom技術(shù)
隨著計(jì)算機(jī)軟件科學(xué)的發(fā)展，應(yīng)用系統(tǒng)功能日趨復(fù)雜，程序愈加龐大，軟件開發(fā)的難度也更大。為此，需要將應(yīng)用程序化分為多個(gè)功能獨(dú)立的模塊，由各模塊協(xié)同完成實(shí)際的任務(wù)。這些模塊被稱為組件，它們可以被進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)、編輯和調(diào)試，因此具有開放性、易升性、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
com（component object model）—組件對象模型，是由微軟公司提出的編程模型，其設(shè)計(jì)目的是提高軟件組態(tài)之間的互操作性并提高代碼的可復(fù)用能力。com標(biāo)準(zhǔn)包括規(guī)范和實(shí)現(xiàn)兩大部分，規(guī)范部分定義了組件之間通信的機(jī)制，這些規(guī)范不依賴于任何特定的語言和操作系統(tǒng)，具有語言無關(guān)性;com標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)部分是com庫，com庫為com規(guī)范的具體實(shí)現(xiàn)提供了一些核心服務(wù)。由于com以客戶/服務(wù)器模型為基礎(chǔ)，因此具有良好的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的擴(kuò)展能力。在com模型中，軟件的功能被分解為一些組件，這些組件通過com協(xié)議在一定條件下連接起來，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。一般來說，com對象可分為客戶端和服務(wù)器兩類，客戶端通過com接口實(shí)現(xiàn)對服務(wù)器的訪問。
dcom（distributed component object model）—分布式組件對象模型是建立在com之上的一種規(guī)范和服務(wù)，提供了一種使com組件加入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的透明網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了在分布式計(jì)算環(huán)境下不同進(jìn)程之間的通信與協(xié)作。
客戶程序和com組件程序進(jìn)行交互的實(shí)體是com對象。com對象類似c++中的對象的概念，它是某個(gè)類（class）的一個(gè)實(shí)例，包括一組邏輯相關(guān)函數(shù)的集合。客戶程序必須通過接口才能獲得com對象的服務(wù)。
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基于上述技術(shù)，opc技術(shù)具有如下特點(diǎn)：
（1） 客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，端組件之間的通信由com/dcom提供底層支持，使底層的通信過程對客戶端和服務(wù)器透明;
?。?） 標(biāo)準(zhǔn)的訪問接口，接口標(biāo)準(zhǔn)由opc基金會(huì)提供;
?。?）高速可靠的數(shù)據(jù)通信，對于本地服務(wù)器的訪問，如果采用奔騰p233cpu，典型的速度為每秒5000個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，此時(shí)客戶端和服務(wù)器的總cpu負(fù)載為8%;
?。?） 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，由于應(yīng)用微軟的dcom（分布式組件對象模型）技術(shù)，opc可以方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。
5 opc的接口方式
opc規(guī)范提供了2套接口方案，即自定義接口（custom interface）和自動(dòng)化接口（automation interface）。自定義接口是一組com接口，可以通過c/c++來進(jìn)行開發(fā)的訪問。opc基金會(huì)提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)，但對于服務(wù)器端的開發(fā)，在不改動(dòng)原有接口函數(shù)的基礎(chǔ)上，也可以增加一些函數(shù)來擴(kuò)展功能。自動(dòng)化接口是對自定義進(jìn)一步封裝，實(shí)際上是屏蔽了自定義的接口虛函數(shù)表，使自定義com接口轉(zhuǎn)換為自動(dòng)化的ole接口。
這兩種接口的關(guān)系如圖7所示。對于服務(wù)器端開發(fā)，opc技術(shù)規(guī)范規(guī)定opc服務(wù)器必須提供自定義接口，而自動(dòng)化接口可以有選擇地提供。對于客戶端開發(fā)，可以選擇訪問兩種接口的任意一種。一般來說，自定義接口的功能比較強(qiáng)大，需要掌握com技術(shù)，而自動(dòng)化接口的開發(fā)比較容易，缺點(diǎn)是易受接口本身功能的限制。
opc服務(wù)器對象被分為3層結(jié)構(gòu)：服務(wù)器對象（sever）、組（group）和項(xiàng)（item）。server是group的容器，group是item的容器。opc規(guī)范定義了com接口，規(guī)定了服務(wù)器程序和客戶程序通過接口交互的標(biāo)準(zhǔn)，但并沒有說明具體實(shí)現(xiàn)的方法。opc服務(wù)商必須根據(jù)各自硬件特性實(shí)現(xiàn)這些接口的成員函數(shù)。不論定制接口還是自動(dòng)化接口都可分為必選接口和可選接口。必選接口包括了客戶程序與服務(wù)器進(jìn)行交換的最基本功能;可選接口則規(guī)定了一些額外的高級功能，可根據(jù)需要有選擇地實(shí)現(xiàn)?？蛻舫绦驊?yīng)通過查詢接口的方式來判斷服務(wù)器程序是否實(shí)現(xiàn)了可選接口的功能。
6 結(jié)束語
采用opc技術(shù)規(guī)范的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)之間的互操作、無縫集成和現(xiàn)場過程控制設(shè)備的即插即用，為這一領(lǐng)域的軟件和硬件生產(chǎn)廠商以及最終用戶帶來了直接和明顯的經(jīng)濟(jì)利益。因此，國內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)和廠家應(yīng)該加強(qiáng)opc技術(shù)應(yīng)用的研究，積極推廣使用具有opc接口標(biāo)準(zhǔn)軟硬件產(chǎn)品，跟上世界先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)的潮流。
（轉(zhuǎn)載）
