OPC技术及其在垃圾焚烧监控系统中的应用

1 引言
OPC是OLE for Process Control的缩写，即把OLE应用于工业控制领域。OLE原意是对象链接与嵌入，随着OLE2的发行，其范围已经远远超出了这个概念。现在的OLE包容了许多新的特征，如统一数据传输、结构化存储和自动化，已经成为独立于计算机语言、操作系统的一种规范。OPC建立于OLE规范之上，是过程控制业中的新兴标准，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁[2][3]。
工业控制领域用到大量的现场设备，在OPC出现以前，软件开发商需要开发大量的驱动程序来连接这些设备。现场设备的种类繁多，而且又有产品的不断升级，给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。OPC的出现为工业控制领域提供了一种标准的数据访问机制，它以OLE(对象链接与嵌入)/COM(组件对象模型)/DCO(分布式组件对象模型)机制作为应用程序级的通信标准，采用了客户/服务器模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以OPC服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，完成了系统的集成，提高了系统的开放性和可互操作。
2 OPC的技术原理、特点、体系结构
2.1 技术原理、特点[2][4]
OPC的技术实现主要包括OPC服务器和OPC客户两部分，其实质是在硬件供应商和软件开发商之间建立一套完整的“规则”，只要遵循这套规则，数据交互对于两者来说是透明的，硬件开发商无需考虑应用程序的多种需求和传输协议，软件开发商也无需了解硬件的实质和操作过程。
由图1可以看出OPC服务器主要由三类对象组成:Server服务器、Group组和Item项目。

图1 OPC服务器结构图

(1) OPCServer对象[1]
这是客户应用最先能够连接到的COM对象。OPC- Server对象中包含着与Server有关的信息，同时还充当容纳OPCGroup对象的“容器”。
(2) OPCGroup对象
接下来一层是OPCGroup对象集合，它负责管理和组织OPCItem对象。OPCGroup对象由调用它的应用动态生成，用于组织和管理位号及其属性。例如，各个监控界面可能分别对应了一个OPCGroup对象，该对象负责访问现场数据，并为界面显示提供数据支持。由于用户可以通过编写OPC客户调用程序来决定OPCGroup的内容以及它包含哪些OPCItem对象，因此可以很方便地对现场数据进行重新组织。用户完全按实际的需要重组数据项，以便在需要的时候查看需要的数据，而不会影响底层的控制系统。
(3) OPCItem对象
从OPCGroup往下就是OPCItem对象集合。每个OPCItem对象提供了与一个现场数值的连接，即每个OPCItem与一个信号变量对应。它用来实现OPC服务器与实际数据的连接。
OPC服务器对象提供了一种访问数据源的方法,它通过IOPCServer(OPC Server的主接口)、OPCBrower(OPC浏览器对象)、IPersistFile(根接口文件)向客户提供接口。OPC组对象包含在OPC服务器对象中，并由客户端定义和维护，每个服务器可以包含多个组对象。OPC组对象可以通过IOPCGROUNP增加或删除OPC项目对象，OPC项目对象包含在OPC组对象中，１个组对象可以包含多个项目对象，它同样由客户端定义和维护。
OPC扩展了设备的概念，只要符合OPC Server的规范，OPC客户可与之方便的实现数据交互。接口见图2所示。

图2 OPC技术实现接口图

OPC标准是以Microsoft的OLE技术为基础的，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM完成的。OPC技术中使用的是OLE 2技术。COM的全称是Componet Object Model，它主要是提供了一种对象与编程语言无关的标准，即将Windows下的对象定义为独立单元，可不受限制地访问这些单元。当COM规范扩展到可访问本机以外的其它对象，也就是一个应用程序的使用对象可分布在网络上，COM的这个扩展就称为DCOM(Distributed COM)。通过DCOM技术和OPC标准，完全可以创建一个开放的、可互操作的控制系统软件。
由此可见，OPC具有如下特点:
●硬件供应商只需提供一套符合OPC Server规范的程序组，无须考虑工程人员的要求;软件开发商无须重写大量的设备驱动程序;工程人员可以有更方便地选择设备装置;
●实现在线数据检测，方便灵活地读写数据;
●借助Microsoft的DCOM技术，OPC实现了高性能的远程数据访问能力。
2.2 OPC的体系结构[1]
OPC规范提供了两套接口方案，即COM接口和自动化接口。COM接口效率高，通过该接口，客户能够发挥OPC服务器的最佳性能，这是专门为C++等高级编程语言而制定的标准接口。自动化接口使解释性语言和宏语言可以访问OPC服务器，采用VB、Delphi等语言的客户一般采用自动化接口。自动化接口是解释性语言和宏语言编写客户的程序变得简单，但是却牺牲了程序的运行速度。
典型的OPC体系见图3所示。

图3 OPC典型体系结构图

3 OPC技术在监测控制系统中的应用
OPC因为其特点和优越性已经在工业控制领域中比较广泛地应用了。通常，使用OPC技术进行工业过程控制中对数据的采集。OPC通过数据订阅和数据的动态绑定，为具有数据绑定功能的所有ActiveX控件提供数据源，用户可以很方便地观察到来自OPC服务器的实时数据。
图4是一个OPC在垃圾焚烧系统中的应用实例。系统分为生产管理监控级和现场控制级两层结构。

图4 垃圾焚烧系统设计框图

管理层主要包括工业控制机或计算机、视频监视器等设备，这些设备均安装在中央控制室里。在管理层中，通过组态王工业组态软件开发设计的软件监控平台，可以实时观察底层设备的工作状况，及时对系统出现的故障点报警处理、实时保存报表数据。同时，在同一计算机中进行算法的程序演算，通过该操作平台实现对底层设备的远程智能控制。
控制层均主要包括各种硬件设备，例如PLC控制器、各种测量仪器仪表等。这些硬件均安装在垃圾焚烧系统的工作现场，对系统进行直接控制。其中，底层硬件设备采用常用的西门子S7系列的PLC，其中包括S7-200和S7-300系列。
同时，利用高速工业以太网(TCP/IP协议)进行管理层和控制层之间的连接，以实现信息和资源的共享，具备完善的控制能力、极高的可靠性和方便灵活的扩展能力;系统设计从工艺流出发，实现对生产过程的自动控制。现场控制级接受生产管理级的调度，但并不依赖于生产管理级而运行:若监控计算机出现故障或并没有投入使用或通信网络出现故障，各现场控制站仍继续正常工作，对整个工艺过程没有影响。
在实现控制层与管理层之间的数据交换的时候，组态王这种工业组态软件提供了一种通过建立OPC服务器的方式来实现数据的通信方式。故而，在管理层与控制层的通信之间建立了一个OPC服务器。其简体框图如图5所示。

图5 管理层-OPC-控制层的通信模式

图中通过OPC连接了应用广泛的PLC系统，底层设备信息通过OPC服务器进入上一层的人机界面。这些系统与最上层的质量控制软件、生产管理软件和Internet应用软件再通过OPC接口互换信息，从而使信息能够在各个系统之间充分流动。
如果系统具备OPC的应用条件，则当现有系统需要添加新设备时，只需将新设备接入系统，安装用于访问该设备的OPC服务器，扩展后的系统则可正常工作。新设备的添加并不影响系统其他部分的运行和使用。
4 结束语
由上看出，此套关于垃圾焚烧系统的控制方案基于计算机技术的“集中管理，分散控制”模式，数字化、信息化环保工程的思想，着眼于企业“管控一体化”信息系统的建设，建立一个先进、可靠、高效、安全且便于进一步扩充的集过程控制、监视和计算机、调度管理于一体并且具备良好开放性的监控系统，来实现对整个焚烧过程及全部生产设备的监测与控制，达到整个生产过程处于安全稳定、高效节能的目标。