摘要：現(xiàn)代化工廠中， 全廠的自動化系統(tǒng)包括了現(xiàn)場設備的管理(智能設備的組態(tài)、參數(shù)整定等)、生產(chǎn)過程管理(DCS、SCADA 等) 及全廠運行調度決策的管理， 不同子系統(tǒng)的應用程序之間有大量的信息交流。
本文概要地介紹了工業(yè)控制軟件互操作性標準OPC 的產(chǎn)生背景，OPC 標準的基本內容和技術特點，OPC 技術的發(fā)展歷史、應用情況及其發(fā)展前景。此外還介紹了OPC 基金會組織的基本情況。
一、引言
現(xiàn)在， 工控自動化系統(tǒng)的應用已經(jīng)非常普及， 工控自動化技術已經(jīng)很先進，DCS 系統(tǒng)得到了廣泛應用， 現(xiàn)場總線技術正在逐步完善、成熟起來。但是目前工控自動化系統(tǒng)絕大多數(shù)是封閉的系統(tǒng)， 缺乏統(tǒng)一、標準的開放式接口。不同廠家的產(chǎn)品如果要集成在一起， 必須為他們開發(fā)專用的接口。隨著工控自動化系統(tǒng)功能要求越來越復雜， 完全用一個廠家的產(chǎn)品來構成整個系統(tǒng)是很困難的， 不同廠家的產(chǎn)品之間接口的復雜性限制了用戶的選擇， 不能根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇最佳的系統(tǒng)集成方案。
現(xiàn)在工業(yè)控制軟件缺乏統(tǒng)一的工業(yè)標準， 不同廠家的SCADA、DCS、HM I 軟件之間進行通訊是非常麻煩的一件事。各個廠家的軟件對控制系統(tǒng)硬件操作的設備驅動程序接口也各不相同， 這樣為了對市場上不同廠家的設備都能管理， 控制軟件廠家必須針對市場上的幾百種常用的硬件都開發(fā)設備驅動程序， 而且當硬件設備升級、修改時， 驅動程序也必須修改， 這是做的代價無疑是非常高的。此外， 一個系統(tǒng)中如果同時運行不同的工業(yè)控制軟件， 他們通過各自的設備驅動程序同時對同一個硬件設備操作， 往往會由于相互之間的不協(xié)調、不兼容造成系統(tǒng)的崩潰， 影響整個系統(tǒng)的運行。如果設備驅動程序由硬件設備制造廠開發(fā)， 那么他也必須為市場上常用的各種工業(yè)控制軟件開發(fā)都開發(fā)驅動程序， 代價同樣是非常高的。如圖1所示。
另外， 現(xiàn)代化工廠中， 全廠的自動化系統(tǒng)包括了現(xiàn)場設備的管理(智能設備的組態(tài)、參數(shù)整定等)、生產(chǎn)過程管理(DCS、SCADA 等) 及全廠運行調度決策的管理， 不同子系統(tǒng)的應用程序之間有大量的信息交流。在各個子系統(tǒng)應用程序之間建立一致、高效、穩(wěn)定的通訊接口對系統(tǒng)的開發(fā)、維護及運行有著非常重要的意義。
圖1 傳統(tǒng)控制軟件與硬件設備之間的接口
圖2 采用OPC 技術的工業(yè)控制軟件與硬件設備之間的接口
OPC (OL E fo r P rocess Con t ro l) 的開發(fā)目的， 正是為了給工業(yè)控制系統(tǒng)應用程序之間的通訊建立一個接口標準， 在工業(yè)控制設備與控制軟件之間建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取規(guī)范， 這個接口規(guī)范不但能夠應用于單臺計算機， 而且可以支持網(wǎng)絡上分布式應用程序之間通訊， 以及不同平臺上應用程序之間的通訊。OPC 的基礎是微軟的OL E. COM 及DCOM 技術， 該技術完全支持上述分布式應用和異構環(huán)境下應用程序之間軟件的無縫集成和互操作性。圖2 為采用OPC 技術的工控軟件與硬件設備之間的連接示意圖。圖3 為采用OPC 技術實現(xiàn)異構環(huán)境下系統(tǒng)集成的示意圖。
圖3 異構環(huán)境下工業(yè)控制系統(tǒng)集成示意圖
二、OPC 技術規(guī)范概述
OPC 技術規(guī)范是以M icro sof t 的OL E? COM 技術為基礎的， 它所定義的是一組接口規(guī)范， 包括OPC自動化接口(A u tomat ion In terface) 和OPC 定制接口(Cu stom In terface)。另外，OPC 技術規(guī)范定義的是OPC 服務器程序和客戶機程序進行接口或通訊的方法， 而不規(guī)定如何來實現(xiàn)這種接口。
1.OPC 對象和接口
OPC 服務器對象提供了對數(shù)據(jù)源進行存取(讀/寫) 或通訊的接口方法， 數(shù)據(jù)源可能是現(xiàn)場的I/O 設備， 也可以是其他的應用程序。通過接口， 一個O PC客戶程序可以同時和一個或多個廠商提供的OPC 服務器連接。如圖3 所示。OPC 服務器內部封裝了與I/O 控制設備通訊及進行設備操作的代碼。
2.OPC 數(shù)據(jù)存取(Data Access) 規(guī)范
總體上說， 一個OPC 的數(shù)據(jù)存取服務器中包括幾類對象： 服務器(Server)、組(Group ) 和項( Item )。
OPC 服務器對象維護有關服務器的信息并作為O PC組對象的包容器， 而OPC 組對象維護有關其自身的信息， 提供包容OPC 項的機制， 并管理OPC 項。
OPC 組提供了客戶程序組織數(shù)據(jù)的手段。例如，一個組中包括了表示一個顯示面板所有數(shù)據(jù)的項， 數(shù)據(jù)可以被讀取或改寫， 在客戶機程序和組中的項之間可以建立基于“例外”的連接， 這種連接根據(jù)需要可以禁止或允許。OPC 客戶機程序可以修改OPC 服務器向客戶程序提交數(shù)據(jù)變化的刷新速率。
有兩種類型的組， 即公共(Pub lic) 的組和局部(Local) 的組。公共組可以被多個客戶共享， 而局部組只能被一個客戶使用。每個組中都可以定義一個或多個OPC 項。
OPC 項代表了與服務器中的數(shù)據(jù)的連接。從定制接口(Cu stom In terface) 的角度看，OPC 項不能被OPC 客戶作為一個對象進行操作。所有對OPC 項的操作都是通過包容此項的OPC 組對象進行的。
每個項有值(V alue)、品質(Q uality) 和時間標簽(T ime Stamp ) 三個屬性， 值的類型為VAR IAN T , 品質的類型是SHORT。
圖4 OPC 客戶機/服務器結構示意圖。
應當注意， 項并不是數(shù)據(jù)源， 而僅僅是與數(shù)據(jù)源的連接。例如， 我們假定有一個DCS 系統(tǒng)， 它提供了OPC 服務器接口， 可以向OPC 客戶提供數(shù)據(jù)， 在系統(tǒng)中定義一個標簽(Tag) , 則這個標簽總是存在的，而不管是否有OPC 客戶程序對它進行存取。
3.OPC 報警與事件(Alarm and Event) 規(guī)范
OPC 報警與事件接口規(guī)范提供了一種機制， 通過這種機制， 當I/O 設備中有指定的事件或報警條件發(fā)生時，OPC 客戶程序可以得到通知。通過這個接口，OPC 客戶程序還可以知道OPC 服務器支持那些事件和條件， 并能得到其當前狀態(tài)。
這里使用了過程控制中常用的報警和事件的概念， 在不嚴格的場合， 報警和事件也可以互換， 兩者意義上的差別不是非常明顯。
圖5 OPC 組和項的關系
在OPC 中， 一個報警是一種非正常情況(condi2t ion) , 因此是一種特殊的情況。一個情況是OPC 事件服務器(Even t Server) 或其所包容的對象中命名了的一個狀態(tài)， 而這個狀態(tài)一般來說是對OPC 客戶程序有意義的。例如， 標簽FC101 可以有以下幾種相關的情況： 上限報警、上上限報警、正常、下限報警、下下限報警。
另一方面， 一個事件是對OPC 服務器、其所表示的I?O 設備或OPC 客戶重要的某種可感覺到的變化。一個事件可以是和某種情況相關的， 也可能與任何情況都無關。例如， 數(shù)據(jù)從正常變化到上限報警或從報警變化到正常狀態(tài)， 這是和某種情況有關的事件。而操作人員的動作(如對系統(tǒng)配置的更改)、系統(tǒng)故障則是與情況無關聯(lián)的事件。
OPC 事件服務器接口類IO PCEven tServer 提供的方法使得OPC 客戶程序能夠完成以下功能。
◆ 決定OPC 服務器支持的事件的類型
◆ 對某些特定的事件進行登記， 以便當這些事件發(fā)生時，OPC 客戶程序能得到通知， 也可以采用過濾器定義這些事件的一個子集
◆ 對OPC 服務器實現(xiàn)的情況進行存取或處理除了接口類IO PCEv en tServer 外，OPC 事件服務器還支持其他的接口， 能夠對服務器中實現(xiàn)的情況進行瀏覽， 或者對公共的組進行管理。
4.OPC 歷史數(shù)據(jù)存取(HistoricalData Access)
歷史數(shù)據(jù)引擎可以向感興趣的用戶或客戶程序提供關于原始數(shù)據(jù)的額外信息。目前大部分歷史數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用自己專用的接口分發(fā)數(shù)據(jù)， 這種方式不能提供即插即用的功能， 從而限制了其應用范圍和功能。
為了將歷史數(shù)據(jù)和各種不同的應用系統(tǒng)進行集成， 可以將歷史信息認為是某種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)。
目前的OPC 規(guī)范支持以下幾種歷史數(shù)據(jù)服務器。
◆ 簡單趨勢數(shù)據(jù)服務器。這種服務器只是提供原始數(shù)據(jù)和簡單存儲功能， 數(shù)據(jù)一般以OPC 數(shù)據(jù)存取服務器提供的類型存儲， 即取[ 數(shù)值， 品質]元組的形式。
◆ 復合數(shù)據(jù)壓縮和分析服務器。這種服務器可以提供數(shù)據(jù)壓縮功能， 還可以提供數(shù)據(jù)匯總和數(shù)據(jù)分析功能， 如平均值、最大值、最小值等。支持數(shù)據(jù)刷新及刷新歷史記錄， 此外， 保存歷史數(shù)據(jù)的同時還可以記錄對數(shù)據(jù)的注釋信息。
三、OPC 技術規(guī)范的發(fā)展歷史
OPC 規(guī)范最初僅僅是對工業(yè)控制軟件對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)存取規(guī)范， 經(jīng)過幾年的發(fā)展現(xiàn)在包括數(shù)據(jù)存取(Data A ccess)、報警和事件(A larm s and Even t s)、歷史數(shù)據(jù)存取(H isto ricalData A ccess) 三部分。目前正在進行的還有批量過程(Batch) 規(guī)范和安全性(Se2cu rity) 規(guī)范的研究工作。
1995 年夏OPC 工作組成立后， 標準的制定工作即全面展開， 通過高效率的工作， 1996 年8 月完成了最初的OPC 規(guī)范， 即110 版。
1997 年9 月發(fā)布了OPC 規(guī)范的110A 版， 這時OPC 規(guī)范改稱為數(shù)據(jù)存取規(guī)范(Data A ccess Stan2dard) 1. 0A 版。
1998 年10 月發(fā)布數(shù)據(jù)存取(Data A ccess) 規(guī)范210 版， 主要對自動化接口(A u tomat ion In terfaccs)作了較大的修改。
1998 年12 月發(fā)布報警與事件(A larm s andEven t s) 規(guī)范110。
1998 年6 月報警與事件定制接口(Cu stom In2terface) 規(guī)范升級到了1101 版， 主要是對A &E 中的IDL 作了些小的改進。
1999 年5 月數(shù)據(jù)存取規(guī)范各項級到了2102 版。
四、OPC 基金會組織
OPC 基金會的前身是成立于1995 年的OPC 工作組(OPC Task Group )。
在1996 年芝加哥ISA 博覽會上OPC 基金會首次露面。在這次會上來自幾家公司的OPC 服務器在M icro sof t 公司的展位上進行了展示，OPC 成員公司召開了第一次全體會議。此后在世界主要展覽會上都進行了OPC 的聯(lián)合展示。
OPC 技術在國際上得到了廣泛的支持， 截至1999 年11 月會員單位已超過228 家， 世界上幾乎所有主要的工業(yè)自動化設備、儀表及控制系統(tǒng)廠商都是OPC 的成員。1997 年2 月6 日在德國法蘭克福成立了OPC 歐洲委員會。此后成立了OPC 日本委員會。
遺憾的是， 到目前為止， 國內只有北京華控公司是OPC 成員單位， 這與我國的大國地位很不相稱。
五、OPC 兼容產(chǎn)品的一致性測試
OPC 規(guī)范的目的是實現(xiàn)應用程序之間的無縫連接和互操作， 只有通過OPC 兼容性測試的OPC 服務器和客戶應用程序才能保證實現(xiàn)這一點。目前O PC基金會尚未制定權威的兼容性測試程序， 也不提供產(chǎn)品的OPC 兼容認證工作。但OPC 基金會每年在美國和歐洲舉辦兩次互操作性測試研討會， 這期間對來自OPC 成員公司的幾十種OPC 服務器、客戶程序連接起來， 測試和演示相互之間的可互操作性， 只有通過了這種或類似測試的產(chǎn)品才能保證其OPC 規(guī)范兼容性。這樣的測試在1998、1999 年已分別通過了兩次，1999 年有超過30 個廠家的產(chǎn)品參加了OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范兼容性測試， 2000 年1 月31 日至2 月4 日，將在位于美國加州的Wonderw are 公司進行下一次測試活動， 屆時除了可以進行數(shù)據(jù)存取兼容性測試之外， 還可以進行報警與事件(A larm s&Even t s) 規(guī)范的兼容性測試。
OPC 基金會計劃在不久的將來向會員公司提供一個兼容性測試工具， 通過了該工具的測試，OPC 產(chǎn)品就可以認為通過了兼容性認證。
目前有一些公司提供OPC 兼容性測試工具， 主要用于本公司產(chǎn)品的兼容性測試， 但也有的公司聲稱可提供OPC 兼容性的完整測試。例如美國In tellu2t ion 公司與西部Case 大學聯(lián)合開發(fā)了OPC 兼容性測試工具包， 其包括兩級兼容性測試， 最小功能集(M in imum Set) 定義了對OPC 服務器兼容性的最低要求，OPC 服務器必須滿足此要求， 可選功能集(Op2t ional Set) 則定義了OPC 服務器的其它功能， 并可對其進行測試。其他的還有Rockw ell 公司的OPC TestClien t, Facto rySof t 公司的OPC In specto r 等。
六、OPC 技術的最新進展及發(fā)展方向
In ternet 技術已經(jīng)滲透到社會生活的各個方面，工業(yè)控制領域也不例外。1999 年10 月在美國費城舉行的ISA Tech 99 會議上，OPC 基金會宣布將發(fā)布與微軟的B izTalk 體系結構兼容的XML (Ex ten sib leM arkup L aguage) 綱要(XML schema) , 該綱要將是基于OPC 規(guī)范的。為此OPC 基金會成立了以In tel2lu t ion 公司技術主管、OPC 技術促進委員會主席A lCh isho lm 為負責人的XML 工作組。OPC XML 工作組將建立XML 數(shù)據(jù)綱要， 用于將OPC 數(shù)據(jù)向In ter2net 上的應用程序開放， 從而增強OPC 兼容應用程序的電子商務功能。OPC XML 將建立描述工業(yè)設備、控制系統(tǒng)OPC 數(shù)據(jù)項及其他方面特性的關鍵字及屬性， 從而提供與整個企業(yè)環(huán)境下應用程序共享生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)的能力。
復雜數(shù)據(jù)(Complex Data ) 工作組和公共I?O(Common I?O ) 接口工作組也是OPC 新成立的兩個工作組。
OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范提供了應用程序之間傳送單個數(shù)據(jù)的靈活、高效的方法， 但對于傳送結構數(shù)據(jù)和可執(zhí)行的命令串并不合適。例如當OPC 服務器傳送一個大的二進制對象(如設備的組態(tài)配置信息、PLC的梯形圖程序、或高速采樣設備獲得的信號波形數(shù)據(jù)) 時，OPC 客戶將不知道如何對此對象進行解碼，或者命令串可能名含保留的變量名。復雜數(shù)據(jù)工作組的工作就是對OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范(Data A ccessSpecification) 進行擴展或定義一個新的接口集， 這些新的接口將允許OPC 客戶和服務器能夠識別、交換和解碼結構性數(shù)據(jù)， 并能夠傳送命令串和監(jiān)視命令串在設備中的執(zhí)行情況。新的接口集應是對現(xiàn)有接口的補充， 而且不能與現(xiàn)有的接口重復。
一些高效、低層的應用程序， 如軟PLC、軟控制，需要對數(shù)據(jù)進行簡單、快速的存取， 而OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范包括許多這類應用程序并不需要的高級功能， 此外OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范大量使用服務器定位的“out”參數(shù)， 這降低了其運行效率， 限制了在實時環(huán)境下的應用。公共I?O 接口工作組的任務就是開發(fā)一個簡單、高效的數(shù)據(jù)存取規(guī)范， 特別是對物理I?O 的直接操作。該接口應盡可能基于現(xiàn)有的IEC1131 標準的功能， 以支持傳統(tǒng)PLC 的編程; 該工作組還希望定義一組由一個DLL 庫導出的“純”C 接口函數(shù)， 并由一個簡單的COM 接口封裝。當然， 這個接口應該是對現(xiàn)有數(shù)據(jù)存取規(guī)范的補充， 而不是與之進行競爭， 該接口將被嚴格限制于實時應用中。
七、OPC 標準帶來的好處
采用OPC 技術的意義就象即插即用技術對于計算機工業(yè)的意義一樣重要。更多的選擇性、對過程數(shù)據(jù)的方便存取、監(jiān)控設備的即插即用、開發(fā)工具的高效率應用， 這些只是采用OPC 技術的主要好處。
OPC 支持規(guī)范就象其他標準一樣能為最終用戶帶來利益。這包括用戶培訓費用、系統(tǒng)開發(fā)費用的降低， 此外還可降低系統(tǒng)的長期維護費用。符合OPC 規(guī)范的產(chǎn)品可無縫地集成在一個系統(tǒng)中， 徹底解決了不同廠家設備之間的互操作性問題， 從而用戶可以有更多的選擇， 為了達到系統(tǒng)功能最好、價格最低， 用戶可以選擇不同廠家的產(chǎn)品集成在一起構成系統(tǒng)， 而不必擔心相互之間的不兼容。同樣地， 也不必擔心將來系統(tǒng)維護、升級時的設備兼容性問題， 從而降低了系統(tǒng)的長期維護費用。
對于硬件設備廠家來說， 采用OPC 技術意味著他們只需開發(fā)一個符合OPC 規(guī)范的OPC 服務器， 該服務器可與所有的OPC 客戶程序通訊， 這些OPC 客戶程序可以是DCS 或SCADA 程序， 也可以是其他的工業(yè)控制或MIS 系統(tǒng)應用軟件。硬件設備廠家不必再把時間花在如何與各種不同的軟件進行通訊上。
此外，OPC 兼容的I/O 硬件設備之間的互操作性問題得到了完全的解決， 相對于采用專用接口的I/O設備， 這是一個明顯的優(yōu)點， 從而使其具有更好的應用前景。
對于工業(yè)控制系統(tǒng)軟件廠家來說， 采用了OPC技術他們就可以專注于其核心部分如HMI、SCADA及控制策略等的研究， 而不必再為市場上多達幾百種的I?O 硬件測控設備編寫設備驅動程序， 因為只需提供標準的OPC 客戶接口， 即可對各種OPC 兼容的硬件設備進行操作。而且也可以方便地與OPC 兼容的任何其他軟件(如其他控制軟件或MIS 系統(tǒng)軟件)進行通訊， 實現(xiàn)軟件之間的互操作。
八、結論
基于COM/DCOM 技術的OPC 技術規(guī)范在短短幾年內獲得了極大的發(fā)展， 并得到了國際上自動化領域領先廠商的廣泛支持。采用OPC 技術規(guī)范的產(chǎn)品實現(xiàn)了工業(yè)自動化系統(tǒng)中軟件之間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， 為該領域的硬件、軟件廠商及最終用戶帶來了直接和明顯的巨大利益。符合OPC 規(guī)范的硬件、軟件產(chǎn)品開始大量地開發(fā)出來并開始得到廣泛應用， 支持OPC 技術開發(fā)的各種開發(fā)工具正在不斷地得到完善， 并且可以容易地得到。國內工業(yè)自動化領域的研究機構和廠家應積極行動起來， 跟上世界先進技術的發(fā)展。
采用OPC 技術的意義就象即插即用技術對于計算機工業(yè)的意義一樣重要。更多的選擇性、對過程數(shù)據(jù)的方便存取、監(jiān)控設備的即插即用、開發(fā)工具的高效率應用， 這些只是采用OPC 技術的主要好處。
OPC 支持規(guī)范就象其他標準一樣能為最終用戶帶來利益。這包括用戶培訓費用、系統(tǒng)開發(fā)費用的降低， 此外還可降低系統(tǒng)的長期維護費用。符合OPC 規(guī)范的產(chǎn)品可無縫地集成在一個系統(tǒng)中， 徹底解決了不同廠家設備之間的互操作性問題， 從而用戶可以有更多的選擇， 為了達到系統(tǒng)功能最好、價格最低， 用戶可以選擇不同廠家的產(chǎn)品集成在一起構成系統(tǒng)， 而不必擔心相互之間的不兼容。同樣地， 也不必擔心將來系統(tǒng)維護、升級時的設備兼容性問題， 從而降低了系統(tǒng)的長期維護費用。
對于硬件設備廠家來說， 采用OPC 技術意味著他們只需開發(fā)一個符合OPC 規(guī)范的OPC 服務器， 該服務器可與所有的OPC 客戶程序通訊， 這些OPC 客戶程序可以是DCS 或SCADA 程序， 也可以是其他
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