摘 要
本文首先分析了OPC產(chǎn)生的背景，介紹了OPC具有的強(qiáng)大可互操作性和對(duì)網(wǎng)絡(luò)的支持，使用SIEMENS公司的SIMATIC WinAC插槽型412和S7-200系列PLC，運(yùn)用OPC技術(shù)開發(fā)出一套飼料配比分布式測(cè)控系統(tǒng)，取得了良好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞
OPC（用于過程的自動(dòng)化） WinAC SCADA（數(shù)據(jù)采集監(jiān)控） 飼料配比

The Application of SIMATIC WinAC OPC in Distributed SCADA

Ren Sicheng Wang Shuhe
（Ren Sicheng：The Key Laboratory of Complex Systems and Intelligence Science，Institute of Automation，
Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080）
（Wang Shuhe：Information Science and Engineering College， Shandong University，
Shandong University-SIEMENS Electrical Engineering Laboratory， Jinan 250100）

一 引言
微處理器在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，大大提高了工廠自動(dòng)化的程度，降低了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率。與此同時(shí)，工業(yè)過程控制本身也發(fā)生了日新月異的變化，控制的規(guī)模日趨龐大，復(fù)雜程度不斷提高，功能也越來越強(qiáng)大。現(xiàn)在的一個(gè)實(shí)際的過程控制系統(tǒng)中可能包含有成千上萬個(gè)不同類型的硬件采集控制設(shè)備和相關(guān)的監(jiān)控程序。如何使它們有機(jī)協(xié)調(diào)地在一起工作，成為過程控制領(lǐng)域研究人員當(dāng)前最為關(guān)心的問題。

圖1 傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1中所示的傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一種單一、專有的模式，任何一種人機(jī)界面（HMI）、數(shù)據(jù)采集與處理軟件（SCADA）等上位監(jiān)控軟件或其他應(yīng)用軟件（如顯示軟件、趨勢(shì)圖軟件、數(shù)據(jù)報(bào)表與分析軟件等）在使用某種硬件設(shè)備時(shí)都需要開發(fā)專用的驅(qū)動(dòng)程序。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)帶來了諸多自身無法克服的問題，新增應(yīng)用軟件或者硬件設(shè)備帶來的只會(huì)是驅(qū)動(dòng)程序種類和數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，開發(fā)人員大量的時(shí)間和精力耗費(fèi)在重復(fù)性編寫通信驅(qū)動(dòng)程序上，原有的驅(qū)動(dòng)程序無法適應(yīng)升級(jí)后的硬件設(shè)備。顯然，傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)過程控制發(fā)展的新要求，我們必須突破舊的模式尋求一種新的解決方法。

二 基于OPC（OLE for Process and Control）的過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解決方案

為了解決上述問題，許多世界領(lǐng)先的自動(dòng)化軟、硬件公司（如SIEMENS公司）與微軟公司合作共同制訂出了OPC標(biāo)準(zhǔn)。OPC標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)新的工業(yè)過程控制軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，定義了應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機(jī)之間交換自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法。

圖2 基于OPC的過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖2中的基于OPC過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用客戶/服務(wù)器模式，通常把符合OPC規(guī)范的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序稱為OPC服務(wù)器，而將符合OPC規(guī)范的應(yīng)用軟件統(tǒng)稱為OPC客戶。服務(wù)器充當(dāng)客戶與硬件設(shè)備之間的橋梁，客戶對(duì)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫操作由服務(wù)器代理完成，客戶不需要同硬件設(shè)備直接打交道，或者說客戶是獨(dú)立于設(shè)備的（即不管現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以何種形式存在，客戶都以統(tǒng)一的方式去訪問）。在客戶端和服務(wù)器端各自定義了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)“接口”，接口具有不變特性，OPC所提供的接口標(biāo)準(zhǔn)事實(shí)上是一種“軟件接口標(biāo)準(zhǔn)”或“軟件總線”，它明確定義了客戶同服務(wù)器之間的通信機(jī)制，是連接客戶同服務(wù)器的橋梁和紐帶。這樣，我們可以自由選擇最符合我們實(shí)際要求的軟、硬件產(chǎn)品，然后將它們像“搭積木”一樣組合在一起進(jìn)行無縫地工作，這一切都來源于OPC所提供的強(qiáng)大互操作性的特點(diǎn)，對(duì)此我們可以作一個(gè)形象的比喻：盡管家用電器的種類繁多，但它們的電源插頭與插座卻是統(tǒng)一的。可以這樣說，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口是OPC的實(shí)質(zhì)和靈魂。
類似于工業(yè)組態(tài)軟件中的相關(guān)概念，OPC規(guī)范主要定義了數(shù)據(jù)訪問規(guī)范、報(bào)警和事件處理規(guī)范及歷史數(shù)據(jù)訪問規(guī)范三部分，對(duì)應(yīng)于每種規(guī)范可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的OPC服務(wù)器。OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器在結(jié)構(gòu)上由服務(wù)器（Server）、組（Group）和項(xiàng)（Item）三級(jí)對(duì)象組成。在邏輯關(guān)系上，上一級(jí)對(duì)象是下一級(jí)對(duì)象的父對(duì)象，下一級(jí)對(duì)象則是上一級(jí)對(duì)象的子對(duì)象，OPC數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器正是通過這種“集合”的概念來組織和管理其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。項(xiàng)對(duì)象作為結(jié)構(gòu)層次中最基本的單元直接對(duì)應(yīng)著物理硬件設(shè)備的某個(gè)具體數(shù)據(jù)單元，項(xiàng)對(duì)象作為物理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)載體，主要包含數(shù)據(jù)值（當(dāng)前設(shè)備單元中的數(shù)據(jù)）、時(shí)間標(biāo)簽（當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)時(shí)間定位）和品質(zhì)信息（當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)可靠程度）等信息。
客戶對(duì)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫操作分為同步和異步兩種方式。同步方式適合于發(fā)送、接收數(shù)據(jù)量較少的場(chǎng)合；相比同步方式，異步方式占用較少的資源，效率更高，適合大數(shù)據(jù)量的場(chǎng)合，在實(shí)際中的應(yīng)用也更為廣泛。在沒有開發(fā)出OPC標(biāo)準(zhǔn)之前，異步方式的存取是不可能的，會(huì)導(dǎo)致存取沖突的發(fā)生。
OPC除了具有高效的互操作性外，另一顯著特點(diǎn)是能夠方便地實(shí)現(xiàn)在分布式環(huán)境下的應(yīng)用，也就是說，客戶和服務(wù)器可以位于局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)或Internet上的不同計(jì)算機(jī)上，它同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用緊密結(jié)合突破了空間上的限制。為了實(shí)現(xiàn)在分布式環(huán)境下的應(yīng)用，OPC采用了分布式組件對(duì)象模型（DCOM，Distributed Component Object Model）技術(shù)，DCOM是在組件對(duì)象模型（COM，Component Object Model）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展得到的，通過DCOM我們可以將現(xiàn)有的服務(wù)器和客戶程序轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)化的分布式計(jì)算環(huán)境中來；另一方面，DCOM負(fù)責(zé)處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議低層次的細(xì)節(jié)問題，從而使我們能夠集中精力解決其他問題。DCOM直接使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如TCP/IP、UDP、IPX/SPX以及NetBIOS等，我們可以在不改變網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)用，而且我們不用關(guān)心具體采用的是何種協(xié)議。

三 SIMATIC WinAC中對(duì)OPC的支持

SIMATIC WinAC是SIEMENS公司基于PC的自動(dòng)化套件的核心部分。它在通用的標(biāo)準(zhǔn)PC平臺(tái)上，將控制、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)處理和通訊等功能組合在一起予以解決；并基于Windows NT/2000操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的接口（ActiveX、OPC），作為一種靈活開放的體系結(jié)構(gòu)，便于集成第三方的應(yīng)用程序（如OPC客戶程序）。SIMATIC WinAC產(chǎn)品系列包括軟件型（基本型、實(shí)時(shí)型）和插槽型（412、416）兩種，分別適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，每種產(chǎn)品均提供了對(duì)OPC的功能支持。具體地講，WinAC中的Computing軟件提供了一個(gè)OPC服務(wù)器，OPC客戶應(yīng)用程序通過該服務(wù)器與控制引擎（如WinLC、CPU 416-2 DP ISA或其他的S7系列PLC等）通訊，并對(duì)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行存取。另外，SIMATIC Computing還允許用戶使用OPC服務(wù)器與多個(gè)控制引擎建立連接，用戶也可以通過網(wǎng)絡(luò)（如局域網(wǎng)）建立與控制引擎的連接。以下OPC客戶程序代碼簡(jiǎn)單示范了在分布式環(huán)境中如何建立與服務(wù)器的連接、創(chuàng)建并管理各級(jí)對(duì)象和實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫操作。
CoInitialize（NULL）；
//初始化COM
CLSIDFromProgID（L（“OPCServer.WinAC”），&clsid）；
//查詢Computing提供的OPC服務(wù)器的CLSID
CoCreateInstanceEx（clsid，NULL，CLSCTX_SERVER，pServerInfo，cmq，pResults）；
//pServerInfo參數(shù)制定要連接的Computing OPC服務(wù)器的相關(guān)信息，并建立連接
POPCUnknown->QueryInterface（IID_IOPCServer，（viod **）&pOPCServer）；
//獲得服務(wù)器對(duì)象的指針，并進(jìn)行相關(guān)操作
…
AddGroup…
//新建組對(duì)象，進(jìn)行相關(guān)操作
Read…
Write…
//數(shù)據(jù)項(xiàng)讀寫
…
Release…
CoUninitialize…
//釋放接口，客戶程序結(jié)束

四 Computing OPC服務(wù)器和OPC客戶應(yīng)用程序在分布式環(huán)境中的參數(shù)配置

當(dāng)Computing OPC服務(wù)器組件同OPC客戶程序分別運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)上的不同計(jì)算機(jī)上時(shí)，它們之間的通信連接是通過DCOM來完成的。如何對(duì)DCOM的參數(shù)進(jìn)行正確的配置，筆者經(jīng)過大量的實(shí)踐摸索，總結(jié)出了一套簡(jiǎn)單、可行的辦法。配置具體步驟如下：
Computing OPC服務(wù)器組件運(yùn)行時(shí)所在的計(jì)算機(jī)信息：
計(jì)算機(jī)名：ComputerofServer 用戶名： UserofServer
OPC客戶程序運(yùn)行時(shí)所在計(jì)算機(jī)信息：
計(jì)算機(jī)名：ComputerofClient 用戶名： UserofClient
1 對(duì)服務(wù)器端參數(shù)配置。
運(yùn)行dcomcnfg（由操作系統(tǒng)提供的DCOM參數(shù)配置工具），在“應(yīng)用程序”一欄中選中“OPC_WinAC”，在其屬性對(duì)話框中各參數(shù)設(shè)置如下：
“常規(guī)”—“身份驗(yàn)證級(jí)別”—“默認(rèn)值”；
“位置”—“在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用程序”；
“安全性”—“使用自定義訪問權(quán)限”—添加“UserofClient” （允許訪問）；
—“使用自定義啟動(dòng)權(quán)限”—添加“UserofClient、Administrators、System、Interactive” （允許訪問）；
—“使用自定義配置權(quán)限”—添加“UserofServer、UserofClient、Everyone、System、Creator Owner、Power Users、Administrators”；
“身份標(biāo)識(shí)”—“交互式用戶”；
確認(rèn)返回到“分布式COM配置屬性”窗口后，在“默認(rèn)屬性”欄中分別設(shè)定“在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行分布式COM”、“默認(rèn)身份驗(yàn)證級(jí)別”為“連接”、“默認(rèn)模擬級(jí)別”為“匿名”；在“默認(rèn)安全機(jī)制”一欄中的“默認(rèn)訪問權(quán)限”中加入“Everyone、UserofClient”（允許訪問），“默認(rèn)啟動(dòng)權(quán)限”中加入“Everyone、Interactive、Administrators、System、UserofClient”（允許訪問），“默認(rèn)配置權(quán)限”中加入“UserofServer、Everyone、System、Creator Owner、Power Users、Administrators”。至此，完成服務(wù)器端配置。
2 對(duì)客戶端參數(shù)配置。
運(yùn)行dcomcnfg，在“應(yīng)用程序”一欄中選中“OPC_WinAC”，在其屬性對(duì)話框中各參數(shù)設(shè)置如下：
“常規(guī)”—“身份驗(yàn)證級(jí)別”—“默認(rèn)值”；
“位置”—“在下列計(jì)算機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用程序”,計(jì)算機(jī)名：“ComputerofServer”；
“安全性”—“使用自定義訪問權(quán)限”—添加“UserofClient、Ever