引言

以太網(wǎng)作為一項比較成熟的技術正向自動化領域逐步滲透，從企業(yè)決策層、生產(chǎn)管理調度層向現(xiàn)場控制層延伸。

以太網(wǎng)由于采取沖突競爭的傳輸方式，具有傳輸不確定性的特點。但隨著帶寬的增加、冗余措施的加強和自診斷程序的完善，以太網(wǎng)完全可以滿足中小型控制系統(tǒng)實時性的要求。同時以太網(wǎng)具有相關網(wǎng)絡產(chǎn)品價格低廉，開放性好、技術成熟等優(yōu)點。目前，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、Ｄｅｖｉｃｅｎｅｔ、Ｃｏｎｔｒｏｌｎｅｔ和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ等都使用以太網(wǎng)傳送它們的報文，制定現(xiàn)場裝置與以太網(wǎng)通信的標準，使以太網(wǎng)進入工業(yè)自動化的現(xiàn)場級。當現(xiàn)場智能設備將現(xiàn)場信息通過工業(yè)以太網(wǎng)傳至監(jiān)控計算機后，存在著信息共享與交互的問題。一方面，監(jiān)控計算機內部應用程序需要對現(xiàn)場信息進行處理，另一方面，企業(yè)生產(chǎn)管理層需要與監(jiān)控計算機進行信息溝通和傳遞。ＯＰＣ的出現(xiàn)則解決了控制系統(tǒng)突破“信息孤島”的瓶頸問題。

１ＯＰＣ（ＯＬＥ ｆｏｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）技術規(guī)范與意義

ＯＰＣ技術是以Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ的ＯＬＥ／ＣＯＭ技術為基礎建立的一項技術規(guī)范與標準，它采用客戶／服務器（Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ）模型，定義了一組ＣＯＭ對象及其雙接口（Ｄｕａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）。

ＯＰＣ對象主要包括服務器（Ｓｅｒｖｅｒ）、組（Ｇｒｏｕｐ）和項（Ｉｔｅｍ）。ＯＰＣ服務器對象除了維護自身信息外，還作為組對象的容器，可動態(tài)地創(chuàng)建或釋放組對象；而組對象相對于項而言也是一個包容器，它提供一套管理項的機制；ＯＰＣ項則表示了與ＯＰＣ服務器中數(shù)據(jù)的連接，包括值（Ｖａｌｕｅ）、品質（Ｑｕａｌｉｔｙ）、時間戳（Ｔｉｍｅ Ｓｔａｍｐ）３個基本屬性。

ＯＰＣ對象雙接口由ＯＰＣ自動化接口（Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）和定制接口（Ｃｕｓｔｏｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）組成。在Ｃ／Ｓ工作模式下，客戶程序通過接口與ＯＰＣ服務器連接，調用ＯＰＣ對象的方法。一般來說自動化接口能為高級語言客戶程序提供極大的便利，但數(shù)據(jù)傳輸效率較低，而定制接口則為用Ｃ／Ｃ＋＋語言編寫的客戶程序帶來靈活高效的調用手段。

ＯＰＣ技術建立了一組符合工業(yè)控制要求的接口規(guī)范，將現(xiàn)場信號按照統(tǒng)一的標準與ＳＣＡＤＡ、ＨＭＩ等軟件無縫連接起來，同時將硬件和應用軟件有效地分離開。只要硬件開發(fā)商提供帶有ＯＰＣ接口的服務器，任何支持ＯＰＣ接口的客戶程序均可采用統(tǒng)一的方式存取這些設備，無須重復開發(fā)驅動程序。這樣大大提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應性。

２ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器在以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的層次結構

圖１示意了以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的總體層次結構。在現(xiàn)場控制層，以ＰＣ１０４嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)場智能節(jié)點，其外接模擬量輸入輸出、開關信號輸入輸出等Ｉ／Ｏ卡，主要作用是執(zhí)行各種控制功能及進行數(shù)據(jù)采集，進行狀態(tài)監(jiān)測和報警，并將采集的數(shù)據(jù)上傳；監(jiān)控計算機則采用ＰＣ機，裝有兩塊網(wǎng)卡，利用其中一塊與下位機ＰＣ１０４通信，而通過另一塊網(wǎng)卡與生產(chǎn)管理調度層的其他計算機組成局域網(wǎng)。監(jiān)控計算機中運行ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器程序，將現(xiàn)場智能節(jié)點傳上來的數(shù)據(jù)通過ＯＰＣ接口送到監(jiān)控軟件進行監(jiān)控，并利用組態(tài)軟件進行復雜的組態(tài)工作，將組態(tài)信息下載到ＰＣ１０４上，調整其控制算法和參數(shù)。而其他管理調度層的計算機ＯＰＣ客戶程序則通過ＤＣＯＭ的方式訪問ＯＰＣ服務器程序，進行信息交互。

由此可見，ＯＰＣ服務器在以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中將企業(yè)現(xiàn)場控制層與生產(chǎn)管理調度層有機地連接起來，組成一個開放性好、可靠性高的分布式控制系統(tǒng)，發(fā)揮了重要的橋梁作用。

３ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器的設計與實現(xiàn)

ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器可按圖２的系統(tǒng)結構設計。它主要由服務器對象、組對象、項對象、數(shù)據(jù)存儲區(qū)和ＴＣＰ／ＩＰ通信接口組成。

由于ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器既要通過網(wǎng)卡與現(xiàn)場設備進行通信，又要通過ＯＰＣ接口與客戶程序進行交互，所以采用多線程模型以保證數(shù)據(jù)存取的效率。為避免不同線程同時對數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)進行操作，還需要考慮對臨界區(qū)的互斥控制。

ＯＰＣ技術是以微軟的ＣＯＭ技術為基礎，同時需要直接與底層硬件打交道，所以采用ＶＣ實現(xiàn)比較靈活方便。ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器主要分為ＯＰＣ通用接口、硬件接口以及數(shù)據(jù)存儲區(qū)的實現(xiàn)，在本系統(tǒng)中硬件接口的實現(xiàn)主要是實現(xiàn)以太網(wǎng)通信接口。

３．１ ＯＰＣ通用接口的實現(xiàn)

首先定義ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器的名稱（ＰｒｏｇＩＤ）和類標識（ＣＬＳＩＤ），實現(xiàn)ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器類廠對象。然后由ＯＰＣ規(guī)范中定義的ＯＰＣＳｅｒｖｅｒ類、ＯＰＣＧｒｏｕｐ類和ＯＰＣＩｔｅｍ類，分別派生出裝置Ｄｅｖｉｃｅ、板卡Ｂｏａｒｄ、通道Ｃｈａｎｎｅｌ３個新類。

ＯＰＣ規(guī)范中定義的接口可分為可選接口和必選接口，但對任何ＯＰＣ服務器而言，應實現(xiàn)必選接口的成員函數(shù)。因此在派生類中重載其父類中必選接口成員函數(shù)，并根據(jù)實際情況重載可選接口成員函數(shù)，例如ＩＯＰＣＢｒｏｗｓｅＳｅｒｖｅｒＡｄｄｒｅｓｓＳｐａｃｅ接口等。

為了滿足實際要求，還需要定義各個派生類的特殊屬性和方法并實現(xiàn)其方法。例如，在裝置類中增加ＩＰ地址屬性，用以標識現(xiàn)場ＰＣ１０４智能節(jié)點。另外增加搜索函數(shù)，自動列出已連入現(xiàn)場控制層的ＰＣ１０４智能節(jié)點的ＩＰ地址。

３．２ 以太網(wǎng)通信接口的實現(xiàn)

通信接口的設計是ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器應用于工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的關鍵。由于控制系統(tǒng)不同于普通局域網(wǎng)，所以通信的可靠性和實時性是必須考慮的重要因素。

（１）可靠性考慮 由于以太網(wǎng)支持ＴＣＰ／ＩＰ協(xié)議，因此可利用ｓｏｃｋｅｔ套接字開發(fā)通信程序，這將大大降低開發(fā)難度。在利用ｓｏｃｋｅｔ編程時，主要用到的有流式套接字（ＳＯＣＫ＿ＳＴＲＥＡＭ）和數(shù)據(jù)報套接字（ＳＯＣＫ＿ＤＧＲＡＭ）兩種，其對應的通信方式也有兩種，一種是面向連接的，采用ＴＣＰ協(xié)議；一種是非面向連接的，采用ＵＤＰ協(xié)議。當采用ＵＤＰ協(xié)議時，它提供不可靠的無連接數(shù)據(jù)報傳輸服務，不提供報文到達確認、排序以及流量控制等功能，因此報文可能會丟失、重復以及亂序等。ＴＣＰ則是建立在連接的抽象概念上的，它標識的是一個虛電路連接，需要兩個端點都同意連接才能通信；它將數(shù)據(jù)流看作字節(jié)的序列，為了便于傳輸又將這個序列劃分為若干段，在傳輸過程中，具有確認重傳功能；此外ＴＣＰ使用專門的滑動窗口機制來解決傳輸效率和流量控制等問題。為保證可靠性在本系統(tǒng)中采用ＴＣＰ通信協(xié)議。

（２）實時性考慮以太網(wǎng)采用的是一種隨機訪問協(xié)議——帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（ＣＳＭＡ／ＣＤ）介質訪問控制協(xié)議，這種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議雖比較簡單，但它由沖突引起的數(shù)據(jù)傳輸時間的隨機性，成了阻礙以太網(wǎng)進入工業(yè)控制領域的根源。在目前應用于工業(yè)控制領域的以太網(wǎng)中，通過限制連接在以太網(wǎng)上的結點數(shù)目、控制網(wǎng)絡流量、使總線保持輕載工作條件，可以滿足控制的實時性要求。

ＴＣＰ／ＩＰ通信方式采用的是客戶端／服務器模式，服務器程序被動地等待通信，而客戶程序則主動地啟動通信。在本系統(tǒng)中，由于下位機ＰＣ１０４采用ＤＯＳ系統(tǒng)，處于單線程方式，不但要負責通信，而且還要執(zhí)行特定的控制功能，所以將ＰＣ１０４作為通信客戶方；而監(jiān)控計算機采用支持多線程方式Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ／２０００系統(tǒng)，可作為通信服務器方。因此在ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器中專門創(chuàng)建一個線程用于監(jiān)聽是否有客戶程序請求連接。如果有請求，則另創(chuàng)建一個線程來處理此次通信，將收到的數(shù)據(jù)存放到專為ＯＰＣ服務器開辟的數(shù)據(jù)存儲區(qū)，通信結束后關閉此通信線程，監(jiān)聽線程則一直運行。這樣可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

３．３ 數(shù)據(jù)存儲區(qū)的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)存儲區(qū)是ＯＰＣ服務器程序中的重要組成部分，其中包含了由服務器程序方定義的數(shù)據(jù)項。ＯＰＣ客戶程序通過ＯＰＣ通用接口來訪問存儲區(qū)數(shù)據(jù)，硬件驅動部分也不斷地將最新的現(xiàn)場數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)區(qū)。如果服務器程序實現(xiàn)了ＩＯＰＣＢｒｏｗｓｅＳｅｒｖｅｒＡｄｄｒｅｓｓＳｐａｃｅ可選接口，那么客戶程序可通過該接口瀏覽到數(shù)據(jù)存儲區(qū)中數(shù)據(jù)項的名稱。

在實際的設計過程中模仿ＯＰＣ規(guī)范中組織數(shù)據(jù)的方法來組織數(shù)據(jù)存儲區(qū)，通過設計對應的ＣＧｌｏｂａｌＳｅｒｖｅｒ、ＣＧｌｏｂａｌＧｒｏｕｐ、ＣＧｌｏｂａｌＩｔｅｍ ３個數(shù)據(jù)項類來管理數(shù)據(jù)存儲區(qū)。其中ＣＧｌｏｂａｌＳｅｒｖｅｒ包容了ＣＧｌｏｂａｌＧｒｏｕｐ類對象的實例并定義了一些成員函數(shù)對ＣＧｌｏｂａｌＧｒｏｕｐ類對象的具體數(shù)據(jù)進行操作，而ＣＧｌｏｂａｌＧｒｏｕｐ類包容了ＣＧｌｏｂａｌＩｔｅｍ類對象的實例并定義了一些成員函數(shù)來對ＣＧｌｏｂａｌＩｔｅｍ類對象的具體數(shù)據(jù)進行操作，ＣＧｌｏｂａｌＩｔｅｍ數(shù)據(jù)項類包括了數(shù)值（Ｖａｌｕｅ）、品質（Ｑｕａｌｉｔｙ）、時間戳（Ｔｉｍｅ Ｓｔａｍｐ）３個基本屬性，另外還有數(shù)據(jù)項名稱、工程量單位等屬性。由于數(shù)據(jù)項總是和具體的硬件相關，因此需要添加與設備有關的屬性以及相關函數(shù)來設置和獲取這些屬性。

４ＯＰＣ 數(shù)據(jù)交換服務器在以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中的應用

為了更好的解決信息交互問題，ＯＰＣ基金會于２００３年３月發(fā)布了ＯＰＣ數(shù)據(jù)交換（Ｄａｔａ ｅＸｃｈａｎｇｅ）的１．０規(guī)范。它其實是一個ＯＰＣ以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標準，是對數(shù)據(jù)存取規(guī)范（ＤＡ）的擴展，與數(shù)據(jù)存取規(guī)范的最大不同在于數(shù)據(jù)存取規(guī)范解決的是現(xiàn)場信息在控制網(wǎng)絡中縱向傳輸問題，而數(shù)據(jù)交換規(guī)范（ＤＸ）解決的是現(xiàn)場信息在控制網(wǎng)絡中的橫向傳輸問題。該規(guī)范提出一個標準的組態(tài)接口架構，使得任何控制網(wǎng)絡上的ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器之間只要支持該接口就能通信。同時它還支持遠程的組態(tài)、診斷、監(jiān)控、管理，目標是Ｐｌｕｇ ＆ Ｐｌａｙ（即插即用）。圖３顯示了ＯＰＣ數(shù)據(jù)交換技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取服務器間信息交互的結構，這時候就不再需要雙口／多口的客戶端來支持ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器之間的通信。

５結束語

本文中設計的ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務器已在以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中運行良好，整個控制系統(tǒng)也已通過測試和考核，證明能夠滿足一般工業(yè)控制領域對傳輸時延的要求，其可操作性、開放性、可靠性也較高，完全適用于中小型控制領域。隨著以太網(wǎng)技術的發(fā)展，相信它能逐步勝任那些目前由工業(yè)自動化網(wǎng)絡承擔的控制任務。將ＯＰＣ技術引入工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)能有效地促進以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的發(fā)展以及企業(yè)現(xiàn)場控制層和生產(chǎn)過程管理層、調度決策層的集成。