OPC技術及其在垃圾焚燒監控系統中的應用

1 引言
OPC是OLE for Process Control的縮寫，即把OLE應用于工業控制領域。OLE原意是對象鏈接與嵌入，隨著OLE2的發行，其范圍已經遠遠超出了這個概念。現在的OLE包容了許多新的特征，如統一數據傳輸、結構化存儲和自動化，已經成為獨立于計算機語言、操作系統的一種規范。OPC建立于OLE規范之上，是過程控制業中的新興標準，它的出現為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁[2][3]。
工業控制領域用到大量的現場設備，在OPC出現以前，軟件開發商需要開發大量的驅動程序來連接這些設備。現場設備的種類繁多，而且又有產品的不斷升級，給用戶和軟件開發商帶來了巨大的工作負擔。OPC的出現為工業控制領域提供了一種標準的數據訪問機制，它以OLE(對象鏈接與嵌入)/COM(組件對象模型)/DCO(分布式組件對象模型)機制作為應用程序級的通信標準，采用了客戶/服務器模式，把開發訪問接口的任務放在硬件生產廠家或第三方廠家，以OPC服務器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統的集成，提高了系統的開放性和可互操作。
2 OPC的技術原理、特點、體系結構
2.1 技術原理、特點[2][4]
OPC的技術實現主要包括OPC服務器和OPC客戶兩部分，其實質是在硬件供應商和軟件開發商之間建立一套完整的“規則”，只要遵循這套規則，數據交互對于兩者來說是透明的，硬件開發商無需考慮應用程序的多種需求和傳輸協議，軟件開發商也無需了解硬件的實質和操作過程。
由圖1可以看出OPC服務器主要由三類對象組成:Server服務器、Group組和Item項目。

圖1 OPC服務器結構圖

(1) OPCServer對象[1]
這是客戶應用最先能夠連接到的COM對象。OPC- Server對象中包含著與Server有關的信息，同時還充當容納OPCGroup對象的“容器”。
(2) OPCGroup對象
接下來一層是OPCGroup對象集合，它負責管理和組織OPCItem對象。OPCGroup對象由調用它的應用動態生成，用于組織和管理位號及其屬性。例如，各個監控界面可能分別對應了一個OPCGroup對象，該對象負責訪問現場數據，并為界面顯示提供數據支持。由于用戶可以通過編寫OPC客戶調用程序來決定OPCGroup的內容以及它包含哪些OPCItem對象，因此可以很方便地對現場數據進行重新組織。用戶完全按實際的需要重組數據項，以便在需要的時候查看需要的數據，而不會影響底層的控制系統。
(3) OPCItem對象
從OPCGroup往下就是OPCItem對象集合。每個OPCItem對象提供了與一個現場數值的連接，即每個OPCItem與一個信號變量對應。它用來實現OPC服務器與實際數據的連接。
OPC服務器對象提供了一種訪問數據源的方法,它通過IOPCServer(OPC Server的主接口)、OPCBrower(OPC瀏覽器對象)、IPersistFile(根接口文件)向客戶提供接口。OPC組對象包含在OPC服務器對象中，并由客戶端定義和維護，每個服務器可以包含多個組對象。OPC組對象可以通過IOPCGROUNP增加或刪除OPC項目對象，OPC項目對象包含在OPC組對象中，１個組對象可以包含多個項目對象，它同樣由客戶端定義和維護。
OPC擴展了設備的概念，只要符合OPC Server的規范，OPC客戶可與之方便的實現數據交互。接口見圖2所示。

圖2 OPC技術實現接口圖

OPC標準是以Microsoft的OLE技術為基礎的，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM完成的。OPC技術中使用的是OLE 2技術。COM的全稱是Componet Object Model，它主要是提供了一種對象與編程語言無關的標準，即將Windows下的對象定義為獨立單元，可不受限制地訪問這些單元。當COM規范擴展到可訪問本機以外的其它對象，也就是一個應用程序的使用對象可分布在網絡上，COM的這個擴展就稱為DCOM(Distributed COM)。通過DCOM技術和OPC標準，完全可以創建一個開放的、可互操作的控制系統軟件。
由此可見，OPC具有如下特點:
●硬件供應商只需提供一套符合OPC Server規范的程序組，無須考慮工程人員的要求;軟件開發商無須重寫大量的設備驅動程序;工程人員可以有更方便地選擇設備裝置;
●實現在線數據檢測，方便靈活地讀寫數據;
●借助Microsoft的DCOM技術，OPC實現了高性能的遠程數據訪問能力。
2.2 OPC的體系結構[1]
OPC規范提供了兩套接口方案，即COM接口和自動化接口。COM接口效率高，通過該接口，客戶能夠發揮OPC服務器的最佳性能，這是專門為C++等高級編程語言而制定的標準接口。自動化接口使解釋性語言和宏語言可以訪問OPC服務器，采用VB、Delphi等語言的客戶一般采用自動化接口。自動化接口是解釋性語言和宏語言編寫客戶的程序變得簡單，但是卻犧牲了程序的運行速度。
典型的OPC體系見圖3所示。

圖3 OPC典型體系結構圖

3 OPC技術在監測控制系統中的應用
OPC因為其特點和優越性已經在工業控制領域中比較廣泛地應用了。通常，使用OPC技術進行工業過程控制中對數據的采集。OPC通過數據訂閱和數據的動態綁定，為具有數據綁定功能的所有ActiveX控件提供數據源，用戶可以很方便地觀察到來自OPC服務器的實時數據。
圖4是一個OPC在垃圾焚燒系統中的應用實例。系統分為生產管理監控級和現場控制級兩層結構。

圖4 垃圾焚燒系統設計框圖

管理層主要包括工業控制機或計算機、視頻監視器等設備，這些設備均安裝在中央控制室里。在管理層中，通過組態王工業組態軟件開發設計的軟件監控平臺，可以實時觀察底層設備的工作狀況，及時對系統出現的故障點報警處理、實時保存報表數據。同時，在同一計算機中進行算法的程序演算，通過該操作平臺實現對底層設備的遠程智能控制。
控制層均主要包括各種硬件設備，例如PLC控制器、各種測量儀器儀表等。這些硬件均安裝在垃圾焚燒系統的工作現場，對系統進行直接控制。其中，底層硬件設備采用常用的西門子S7系列的PLC，其中包括S7-200和S7-300系列。
同時，利用高速工業以太網(TCP/IP協議)進行管理層和控制層之間的連接，以實現信息和資源的共享，具備完善的控制能力、極高的可靠性和方便靈活的擴展能力;系統設計從工藝流出發，實現對生產過程的自動控制。現場控制級接受生產管理級的調度，但并不依賴于生產管理級而運行:若監控計算機出現故障或并沒有投入使用或通信網絡出現故障，各現場控制站仍繼續正常工作，對整個工藝過程沒有影響。
在實現控制層與管理層之間的數據交換的時候，組態王這種工業組態軟件提供了一種通過建立OPC服務器的方式來實現數據的通信方式。故而，在管理層與控制層的通信之間建立了一個OPC服務器。其簡體框圖如圖5所示。

圖5 管理層-OPC-控制層的通信模式

圖中通過OPC連接了應用廣泛的PLC系統，底層設備信息通過OPC服務器進入上一層的人機界面。這些系統與最上層的質量控制軟件、生產管理軟件和Internet應用軟件再通過OPC接口互換信息，從而使信息能夠在各個系統之間充分流動。
如果系統具備OPC的應用條件，則當現有系統需要添加新設備時，只需將新設備接入系統，安裝用于訪問該設備的OPC服務器，擴展后的系統則可正常工作。新設備的添加并不影響系統其他部分的運行和使用。
4 結束語
由上看出，此套關于垃圾焚燒系統的控制方案基于計算機技術的“集中管理，分散控制”模式，數字化、信息化環保工程的思想，著眼于企業“管控一體化”信息系統的建設，建立一個先進、可靠、高效、安全且便于進一步擴充的集過程控制、監視和計算機、調度管理于一體并且具備良好開放性的監控系統，來實現對整個焚燒過程及全部生產設備的監測與控制，達到整個生產過程處于安全穩定、高效節能的目標。