引言

以太網(wǎng)作為一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)正向自動(dòng)化領(lǐng)域逐步滲透，從企業(yè)決策層、生產(chǎn)管理調(diào)度層向現(xiàn)場(chǎng)控制層延伸。

以太網(wǎng)由于采取沖突競(jìng)爭(zhēng)的傳輸方式，具有傳輸不確定性的特點(diǎn)。但隨著帶寬的增加、冗余措施的加強(qiáng)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(shí)時(shí)性的要求。同時(shí)以太網(wǎng)具有相關(guān)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品價(jià)格低廉，開(kāi)放性好、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。目前，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、Ｄｅｖｉｃｅｎｅｔ、Ｃｏｎｔｒｏｌｎｅｔ和Ｌｏｎｗｏｒｋｓ等都使用以太網(wǎng)傳送它們的報(bào)文，制定現(xiàn)場(chǎng)裝置與以太網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)，使以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備將現(xiàn)場(chǎng)信息通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)后，存在著信息共享與交互的問(wèn)題。一方面，監(jiān)控計(jì)算機(jī)內(nèi)部應(yīng)用程序需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行處理，另一方面，企業(yè)生產(chǎn)管理層需要與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)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(wèn)題。

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

ＯＰＣ技術(shù)是以Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ的ＯＬＥ／ＣＯＭ技術(shù)為基礎(chǔ)建立的一項(xiàng)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，它采用客戶／服務(wù)器（Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ）模型，定義了一組ＣＯＭ對(duì)象及其雙接口（Ｄｕａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）。

ＯＰＣ對(duì)象主要包括服務(wù)器（Ｓｅｒｖｅｒ）、組（Ｇｒｏｕｐ）和項(xiàng)（Ｉｔｅｍ）。ＯＰＣ服務(wù)器對(duì)象除了維護(hù)自身信息外，還作為組對(duì)象的容器，可動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建或釋放組對(duì)象；而組對(duì)象相對(duì)于項(xiàng)而言也是一個(gè)包容器，它提供一套管理項(xiàng)的機(jī)制；ＯＰＣ項(xiàng)則表示了與ＯＰＣ服務(wù)器中數(shù)據(jù)的連接，包括值（Ｖａｌｕｅ）、品質(zhì)（Ｑｕａｌｉｔｙ）、時(shí)間戳（Ｔｉｍｅ Ｓｔａｍｐ）３個(gè)基本屬性。

ＯＰＣ對(duì)象雙接口由ＯＰＣ自動(dòng)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(guò)接口與ＯＰＣ服務(wù)器連接，調(diào)用ＯＰＣ對(duì)象的方法。一般來(lái)說(shuō)自動(dòng)化接口能為高級(jí)語(yǔ)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(yǔ)言編寫(xiě)的客戶程序帶來(lái)靈活高效的調(diào)用手段。

ＯＰＣ技術(shù)建立了一組符合工業(yè)控制要求的接口規(guī)范，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與ＳＣＡＤＡ、ＨＭＩ等軟件無(wú)縫連接起來(lái)，同時(shí)將硬件和應(yīng)用軟件有效地分離開(kāi)。只要硬件開(kāi)發(fā)商提供帶有ＯＰＣ接口的服務(wù)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(shè)備，無(wú)須重復(fù)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。這樣大大提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性。

２ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器在以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

圖１示意了以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的總體層次結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)場(chǎng)控制層，以ＰＣ１０４嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)，其外接模擬量輸入輸出、開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入輸出等Ｉ／Ｏ卡，主要作用是執(zhí)行各種控制功能及進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并將采集的數(shù)據(jù)上傳；監(jiān)控計(jì)算機(jī)則采用ＰＣ機(jī)，裝有兩塊網(wǎng)卡，利用其中一塊與下位機(jī)ＰＣ１０４通信，而通過(guò)另一塊網(wǎng)卡與生產(chǎn)管理調(diào)度層的其他計(jì)算機(jī)組成局域網(wǎng)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)中運(yùn)行ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器程序，將現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)傳上來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)ＯＰＣ接口送到監(jiān)控軟件進(jìn)行監(jiān)控，并利用組態(tài)軟件進(jìn)行復(fù)雜的組態(tài)工作，將組態(tài)信息下載到ＰＣ１０４上，調(diào)整其控制算法和參數(shù)。而其他管理調(diào)度層的計(jì)算機(jī)ＯＰＣ客戶程序則通過(guò)ＤＣＯＭ的方式訪問(wèn)ＯＰＣ服務(wù)器程序，進(jìn)行信息交互。

由此可見(jiàn)，ＯＰＣ服務(wù)器在以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中將企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制層與生產(chǎn)管理調(diào)度層有機(jī)地連接起來(lái)，組成一個(gè)開(kāi)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(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器可按圖２的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它主要由服務(wù)器對(duì)象、組對(duì)象、項(xiàng)對(duì)象、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和ＴＣＰ／ＩＰ通信接口組成。

由于ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器既要通過(guò)網(wǎng)卡與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信，又要通過(guò)ＯＰＣ接口與客戶程序進(jìn)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(shí)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，還需要考慮對(duì)臨界區(qū)的互斥控制。

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

３．１ ＯＰＣ通用接口的實(shí)現(xiàn)

首先定義ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器的名稱(chēng)（ＰｒｏｇＩＤ）和類(lèi)標(biāo)識(shí)（ＣＬＳＩＤ），實(shí)現(xiàn)ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器類(lèi)廠對(duì)象。然后由ＯＰＣ規(guī)范中定義的ＯＰＣＳｅｒｖｅｒ類(lèi)、ＯＰＣＧｒｏｕｐ類(lèi)和ＯＰＣＩｔｅｍ類(lèi)，分別派生出裝置Ｄｅｖｉｃｅ、板卡Ｂｏａｒｄ、通道Ｃｈａｎｎｅｌ３個(gè)新類(lèi)。

ＯＰＣ規(guī)范中定義的接口可分為可選接口和必選接口，但對(duì)任何ＯＰＣ服務(wù)器而言，應(yīng)實(shí)現(xiàn)必選接口的成員函數(shù)。因此在派生類(lèi)中重載其父類(lèi)中必選接口成員函數(shù)，并根據(jù)實(shí)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(shí)際要求，還需要定義各個(gè)派生類(lèi)的特殊屬性和方法并實(shí)現(xiàn)其方法。例如，在裝置類(lèi)中增加ＩＰ地址屬性，用以標(biāo)識(shí)現(xiàn)場(chǎng)ＰＣ１０４智能節(jié)點(diǎn)。另外增加搜索函數(shù)，自動(dòng)列出已連入現(xiàn)場(chǎng)控制層的ＰＣ１０４智能節(jié)點(diǎn)的ＩＰ地址。

３．２ 以太網(wǎng)通信接口的實(shí)現(xiàn)

通信接口的設(shè)計(jì)是ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器應(yīng)用于工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的關(guān)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(shí)時(shí)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(kāi)發(fā)通信程序，這將大大降低開(kāi)發(fā)難度。在利用ｓｏｃｋｅｔ編程時(shí)，主要用到的有流式套接字（ＳＯＣＫ＿ＳＴＲＥＡＭ）和數(shù)據(jù)報(bào)套接字（ＳＯＣＫ＿ＤＧＲＡＭ）兩種，其對(duì)應(yīng)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(dāng)采用ＵＤＰ協(xié)議時(shí)，它提供不可靠的無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)，不提供報(bào)文到達(dá)確認(rèn)、排序以及流量控制等功能，因此報(bào)文可能會(huì)丟失、重復(fù)以及亂序等。ＴＣＰ則是建立在連接的抽象概念上的，它標(biāo)識(shí)的是一個(gè)虛電路連接，需要兩個(gè)端點(diǎn)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(gè)序列劃分為若干段，在傳輸過(guò)程中，具有確認(rèn)重傳功能；此外ＴＣＰ使用專(zhuān)門(mén)的滑動(dòng)窗口機(jī)制來(lái)解決傳輸效率和流量控制等問(wèn)題。為保證可靠性在本系統(tǒng)中采用ＴＣＰ通信協(xié)議。

（２）實(shí)時(shí)性考慮以太網(wǎng)采用的是一種隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議——帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（ＣＳＭＡ／ＣＤ）介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議，這種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議雖比較簡(jiǎn)單，但它由沖突引起的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的隨機(jī)性，成了阻礙以太網(wǎng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的根源。在目前應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)中，通過(guò)限制連接在以太網(wǎng)上的結(jié)點(diǎn)數(shù)目、控制網(wǎng)絡(luò)流量、使總線保持輕載工作條件，可以滿足控制的實(shí)時(shí)性要求。

ＴＣＰ／ＩＰ通信方式采用的是客戶端／服務(wù)器模式，服務(wù)器程序被動(dòng)地等待通信，而客戶程序則主動(dòng)地啟動(dòng)通信。在本系統(tǒng)中，由于下位機(jī)ＰＣ１０４采用ＤＯＳ系統(tǒng)，處于單線程方式，不但要負(fù)責(zé)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(jì)算機(jī)采用支持多線程方式Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ／２０００系統(tǒng)，可作為通信服務(wù)器方。因此在ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器中專(zhuān)門(mén)創(chuàng)建一個(gè)線程用于監(jiān)聽(tīng)是否有客戶程序請(qǐng)求連接。如果有請(qǐng)求，則另創(chuàng)建一個(gè)線程來(lái)處理此次通信，將收到的數(shù)據(jù)存放到專(zhuān)為ＯＰＣ服務(wù)器開(kāi)辟的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，通信結(jié)束后關(guān)閉此通信線程，監(jiān)聽(tīng)線程則一直運(yùn)行。這樣可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

３．３ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)是ＯＰＣ服務(wù)器程序中的重要組成部分，其中包含了由服務(wù)器程序方定義的數(shù)據(jù)項(xiàng)。ＯＰＣ客戶程序通過(guò)ＯＰＣ通用接口來(lái)訪問(wèn)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)，硬件驅(qū)動(dòng)部分也不斷地將最新的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)區(qū)。如果服務(wù)器程序?qū)崿F(xiàn)了ＩＯＰＣＢｒｏｗｓｅＳｅｒｖｅｒＡｄｄｒｅｓｓＳｐａｃｅ可選接口，那么客戶程序可通過(guò)該接口瀏覽到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中數(shù)據(jù)項(xiàng)的名稱(chēng)。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中模仿ＯＰＣ規(guī)范中組織數(shù)據(jù)的方法來(lái)組織數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的ＣＧｌｏｂａｌＳｅｒｖｅｒ、ＣＧｌｏｂａｌＧｒｏｕｐ、ＣＧｌｏｂａｌＩｔｅｍ ３個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)類(lèi)來(lái)管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。其中ＣＧｌｏｂａｌＳｅｒｖｅｒ包容了ＣＧｌｏｂａｌＧｒｏｕｐ類(lèi)對(duì)象的實(shí)例并定義了一些成員函數(shù)對(duì)ＣＧｌｏｂａｌＧｒｏｕｐ類(lèi)對(duì)象的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，而ＣＧｌｏｂａｌＧｒｏｕｐ類(lèi)包容了ＣＧｌｏｂａｌＩｔｅｍ類(lèi)對(duì)象的實(shí)例并定義了一些成員函數(shù)來(lái)對(duì)ＣＧｌｏｂａｌＩｔｅｍ類(lèi)對(duì)象的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，ＣＧｌｏｂａｌＩｔｅｍ數(shù)據(jù)項(xiàng)類(lèi)包括了數(shù)值（Ｖａｌｕｅ）、品質(zhì)（Ｑｕａｌｉｔｙ）、時(shí)間戳（Ｔｉｍｅ Ｓｔａｍｐ）３個(gè)基本屬性，另外還有數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱(chēng)、工程量單位等屬性。由于數(shù)據(jù)項(xiàng)總是和具體的硬件相關(guān)，因此需要添加與設(shè)備有關(guān)的屬性以及相關(guān)函數(shù)來(lái)設(shè)置和獲取這些屬性。

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

為了更好的解決信息交互問(wèn)題，ＯＰＣ基金會(huì)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(shí)是一個(gè)ＯＰＣ以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)數(shù)據(jù)存取規(guī)范（ＤＡ）的擴(kuò)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(chǎng)信息在控制網(wǎng)絡(luò)中縱向傳輸問(wèn)題，而數(shù)據(jù)交換規(guī)范（ＤＸ）解決的是現(xiàn)場(chǎng)信息在控制網(wǎng)絡(luò)中的橫向傳輸問(wèn)題。該規(guī)范提出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)接口架構(gòu)，使得任何控制網(wǎng)絡(luò)上的ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器之間只要支持該接口就能通信。同時(shí)它還支持遠(yuǎn)程的組態(tài)、診斷、監(jiān)控、管理，目標(biāo)是Ｐｌｕｇ ＆ Ｐｌａｙ（即插即用）。圖３顯示了ＯＰＣ數(shù)據(jù)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取服務(wù)器間信息交互的結(jié)構(gòu)，這時(shí)候就不再需要雙口／多口的客戶端來(lái)支持ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器之間的通信。

５結(jié)束語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)的ＯＰＣ數(shù)據(jù)存取服務(wù)器已在以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中運(yùn)行良好，整個(gè)控制系統(tǒng)也已通過(guò)測(cè)試和考核，證明能夠滿足一般工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)鬏敃r(shí)延的要求，其可操作性、開(kāi)放性、可靠性也較高，完全適用于中小型控制領(lǐng)域。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，相信它能逐步勝任那些目前由工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)的控制任務(wù)。將ＯＰＣ技術(shù)引入工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)能有效地促進(jìn)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的發(fā)展以及企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制層和生產(chǎn)過(guò)程管理層、調(diào)度決策層的集成。