（控制理论与控制工程专业论文）新型dcs组态软件opc客户端和服务器的研究与开发.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 弛咄 e t 期：兰! ! ：竺：! z 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至墨! 毡导师签名： l，一 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i l 】i i ；7 l ? 】 i a ：t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2o p c 技术3 1 2 1o p c 技术产生的背景。3 1 2 2o p c 技术国内外研究现状5 1 3 课题的研究内容和创新点6 1 4 本章小结7 第2 章o p c 规范。8 2 1c o m 技术8 2 1 1c o m 技术简介8 2 1 2c o m 接口9 2 2o p c 数据访问规范l o 2 2 1o p c d a 客户端和服务器1 0 2 2 2o p c d a 服务器对象的组成一1 0 2 2 3o p c 体系结构1 1 2 2 4o p c d a 对象接口一1 2 2 3o p c 历史数据访问规范1 4 2 3 1o p c h d a 客户端和服务器1 4 2 3 2o p c h d a 服务器对象接口1 5 2 3 3o p c h d a 客户端对象接口1 6 2 4 本章小结16 第3 章o p c 客户端的软件设计与实现1 7 3 1o p c 客户端开发的几种方法1 7 3 1 1 使用a c t i v e x 控件开发o p c 客户端1 7 3 1 2 使用o p c 快速开发工具包开发o p c 客户端1 7 3 1 3 使用c o m 技术直接开发o p c 客户端1 7 3 2o p c 系统的功能分析1 8 3 2 1 组态软件的整体结构1 8 3 2 2o p c 系统的功能分析1 8 3 3o p c 客户端的设计2 0 3 3 1 客户端的接口设计2 0 3 3 2 客户端程序的流程2 1 3 4o p c 客户端具体实现2 2 3 4 1o p c 客户端界面实现2 2 3 4 2o p c 客户端接口实现2 2 3 4 3o p c 客户端与服务器的连接2 4 3 5 本章小结2 7 山东大学硕士学位论文 l 1 毫曼詈量暑皇皇詈詈暑曼曼詈詈葛曼! 皇詈詈! 皇皇詈詈! 墨皇詈! ! ! ! 苎! ! 曼曼兰皇皇! 曼詈皇詈量詈量皇鼍詈! 曼! ! ! ! 曼! ! ! 苎! ! ! 皇詈 第4 章o p c d a 服务器的软件设计与实现2 8 4 1o p c 服务器开发的几种方法2 8 4 1 1 使用m f c 提供的c o m 支持开发o p c 服务器2 8 4 1 2 通过a t l 开发o p c 服务器2 9 4 2o p c d a 服务器的设计3 0 4 2 1o p c d a 服务器的整体设计。3 0 4 2 2o p c d a 服务器的功能设计31 4 3 实时数据的读取。3 2 4 3 1 实时数据的采集3 2 4 - 3 2 实时数据的量程变换3 2 4 4o p c d a 服务器的软件实现3 3 4 4 1o p c d a 服务器的工作流程3 3 4 4 2o p c d a 服务器的接口设计3 3 4 4 3 数据存储区的设计3 6 4 4 4 服务器对象的注册3 8 4 5 本章小结3 9 第5 章o p c h d a 服务器的设计与实现4 0 5 1o p c h d a 服务器的整体设计。4 0 5 2 历史数据获取。4 0 5 2 - 1 数据库访问方式4 l 5 2 2 历史数据的读取4 2 5 3o p c h d a 服务器的接口。4 4 5 4 多线程技术4 4 5 5 本章小结。4 5 第6 章o p c 驱动程序软件设计与实现4 6 6 1m o d b u s 通信协议4 6 6 1 1m o d b u s 简介4 6 6 1 2m o d b u st c p 协议4 6 6 2o p c 驱动程序的设计4 8 6 2 1 驱动程序的整体结构4 8 6 2 2 驱动程序相关类的设计4 8 6 3o p c 驱动程序的软件实现4 9 6 3 1 消息接口类4 9 6 3 2 套接字5 l 6 3 3 标签定义5 1 6 4 驱动程序的测试。5 4 6 5 驱动程序的可扩展性实现。5 4 6 5 1 动态链接库技术5 5 6 5 2 二次开发5 5 6 6 本章小结5 6 第7 章o p c 客户端和服务器在i ) c s 系统中的应用5 7 7 1 应用方案设计。5 7 山东大学硕士学位论文 _ii i 7 2d c o m 配置5 8 7 2 1d c o m 概述5 8 7 2 2 服务器和客户端的配置5 9 7 3 客户端实现远程访问6 0 7 3 1 水位监控系统6 0 7 3 2 客户端远程访问6 l 7 4 本章小结6 2 第8 章结论与展望6 3 参考文献。6 5 j $ c 谢6 9 攻读硕士学位期间的研究成果。7 0 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 。i a 】 1 s 】r 1 认：t i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 1 1 2o p c t e c h n o l o g y 3 1 2 1b a c k g r o u n do fo p ct e c h n o l o g y 3 1 2 2r e s e a r c hs t a t u so fo p ca th o m ea n da b r o a d 5 1 3k e yp o i n t sa n dm a i ni n n o v a t i o no f t h ew b r k 6 1 4s u m m a r y 7 c h a p t e r2o p c s t a n d a r d 8 2 1c o m 1 e c h n o l o g y 8 2 1 1i n t r d u c t i o no fc o m 8 2 1 2c o mi n t e r f a c e 9 2 2o p cd a t aa c c e s ss t a n d a r d 1 0 2 2 10 p c d ac l i e n ta n ds e r v e r 。1 0 2 2 2c o m p o n e n t so f o p c d as e r v e ro b j e c t 1 0 2 2 30 p ca r c h i t e c t u r e 1 l 2 2 4o p c d as e r v e ri n t e r f a c e s 1 2 2 3o p c h i s t o r yd a t aa e c e s s l “j 1 4 2 4 1o p c h d ac l i e n ta n ds e r v e r 1 4 2 4 2o p c h d as e r v e ri n t e r f a c e s 1 5 2 4 3o p c h d ac l i e n ti n t e r f a c e s 1 6 2 4s u m m a r y 1 6 c h a p t e r3d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo p c c l i e n t 1 7 ：；1m e t h o do f d e v e l o p i n go p cc l i e n t 1 7 3 1 1d e v e l o po p cc l i e n tw i t ha c t i v e x 17 3 1 2d e v e l o po p cc l i e n t 、析t ho p ct o o l k i t 1 7 3 1 3d e v e l o po p cc l i e n t 谢t hc o m 1 7 3 2o p cf u c t i o n a n a l y s i si nd c s 1 8 3 2 1a r c h i t e c t u r eo f t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 1 8 3 2 2o p cf u n c t i o na n a l y s i s 1 8 ：；3d e s i g no f o p cc l i e n t 2 0 3 3 1i n t e r f a c ed e s i g no fo p cc l i e n t 2 0 ：；：；2f l o w c h a r td e s i g no f o p cc l i e n t 2 1 3 4i m p l e m e n to fo p cc l i e n t 2 2 3 4 1u s e ri n t e r f a c ei m p l e m e n to f o p cc l i e n t 2 2 3 4 2i n t e r f a c ei m p l e m e n t a t i o no f o p cc l i e n t 2 3 3 4 3c o n n e c t i o no f 0 p cc l i e n ta n ds e r c v e r 2 5 3 5s u m m a r y 2 7 v 山东大学硕士学位论文 c h a p t e r 4d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo p c d as e r v e r 2 8 4 1m e t h o do f d e v e l o p i n go p c d as e r v e r 2 8 4 1 1d e v e l o po p cs e r v e r 嘶mc o mp r o v i d e db ym f c 2 8 4 1 2d e v e l o po p cs e r v e rw i t ha t l 2 9 4 2d e s i g no fo p c d as e r v e r 3 0 4 2 1g e n e r a ld e s i g no fo p c d as e r v e r 3 0 4 2 2f u n c t i o nd e s i g no f o p c d as e r v e r 3 1 4 3a c q u i s i t i o no fr e a l t i m ed a t a 3 2 4 3 1a c q u i s i t i o no f r e a l t i m ed a t a 3 2 4 3 2m e a s u r i n gr a n g ec o n v e r s i o no f r e a l t i m ed a t a 3 2 4 4s o f t w a r ed e s i g no fo p c d as e r v e r 3 3 4 4 1f l o w c h a r to fo p c d as e r v e r 3 3 4 4 2i n t e r f a c ed e s i g no f o p c d as e r v e r 3 3 4 4 3d a t am e m o r yd e s i g n 3 6 4 4 4s e r v e rr e g i s t r a t i o n 3 8 4 5s u m m a r y 3 9 c h a p t e r5d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo p c h d a s e r v e r 4 0 5 1g e n e r a ld e s i g no f o p c h d as e r v e r 4 0 5 2a c q u i s i t i o no fh i s t o r yd a t a 4 0 5 2 1d a t a b a s ea c c e s sm e t h o d 4 1 5 2 2a c q u i s i t i o no fh i s t o r yd a t a 4 2 5 3o p c h d as e r v e ri n t e r f a c e 4 4 5 4m u l t i t h r e a dt e c h n o l o g y 4 4 5 5s u m m a r y 4 5 c h a p t e r 6s o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fo p cd r i v ep r o g r a m 一4 6 6 1m o d b u sp r o t o c o l 4 6 6 1 1m o d b u si n t r o d u c t i o n 4 6 6 1 2m o d b u st c pp r o t o c o l 4 6 6 2d e s i g no f o p cd r i v ep r o g r a m 4 8 6 2 1g e n e r a ls t r u c t u r eo f0 p cd r i v e 4 8 6 2 2c l a s sd e s i g no fo p cd r i v e 4 8 6 3s o f e w a r ed e s i g no fo p cd r i v ep r o g r a m 4 9 6 3 1m e s s a g ei n t e f a c ec l a s s 4 9 6 3 2s o c k e t 5l 6 3 31 a gd e f i n i t i o n 51 6 4t e s t i n go fd r i v ep r o g r a m ：5 4 6 5i m p l i m e n t a t i o no fd r i v ep r o g r a me x p a n s i b i l i t y 5 4 6 5 1t e c h n o l o g yo fd y n a m i cl i n kl i b r a r y 5 5 6 5 2s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 5 5 6 6s u m m a r y 5 6 c h a p t e r7a p p l i c a t i o no fo p c c l i e n ta n ds e r v e ri nd c s 5 7 7 1a p p l i c a t i o nd e s i g n 5 7 山东大学硕士学位论文 7 2d c o mc o n f i g u r a t i o n 5 8 7 2 1d c o mi n t r o d u c t i o n 5 8 7 2 2c o n f i g u r a t i o no f0 p cs e r v e ra n dc l i e n t 5 9 7 3i m p l e m e n t a t i o no fr e m o t ea c c e s s 6 0 7 3 1w a t e rl e v e lm o n i t o r i n gs y s t e m 。6 0 7 3 2c l i e n tr e m o t ea c c e s s 6 1 7 4s u m m a r y 6 2 c h a p t e r8c o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s 6 3 r e f e r e n c e s 6 5 a c k n o w l e d g m e n t s 6 9 r e s e a r c h 7 0 山东大学硕士学位论文 摘要 集散控制系统( d c s ) 主要用于实现对生产过程的计算机控制和管理，它在 工业过程控制的各个领域中得到广泛应用。传统d c s 系统中，由于上层组态软 件与现场智能设备之间没有统一的接口标准，现场智能设备之间以及智能设备 与上位监控软件之间的信息共享是通过驱动程序来实现的。针对每一个硬件设 备，每个应用软件都要根据自己的需求开发一套相应的硬件驱动程序，这导致 了驱动程序重复开发，设备不可互换，改造升级困难，访问冲突等一系列问 题。 o p c 技术的提出彻底改变了使用驱动程序实现数据共享的开发模式。上层 应用软件作为o p c 的客户端，可以不包含任何硬件通讯接口程序，不关心底层 硬件的类型。只要遵循o p c 数据接口协议，就能够从不同的硬件厂商提供的 o p c 数据服务器中读取数据，从而实现了组态软件对各种硬件设备数据的灵活 配置和多种系统的真正集成。本文针对新型d c s 组态软件的具体需求，对o p c 技术进行了深入研究。 本课题的来源是山东省科技厅的重大科研攻关项目，项目名称是基于工业 以太网与现场总线技术的新型控制系统，项目编号为3 1 4 0 0 0 0 4 0 1 0 4 3 7 。根据组 态软件开发的实际需求，在w i n d o w s2 0 0 0 平台下，采用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 作为开发环境，完成了针对此新型d c s 组态软件的o p c 客户端和服务器的 软件设计与开发。 本文首先介绍了课题的研究背景和意义，o p c 技术的产生、发展及其研究现 状。接着，简要叙述了o p c 技术的本质一o m 技术，o p c 数据访问规范和 o p c 历史数据访问规范。然后，在研究国内外先进组态软件的基础上，依据 o p c d a 规范，提出了o p c 客户端和服务器的整体架构。分析了o p c 的体系结 构和通讯方式，设计了o p c 客户端，使其能够读取本地或者远程的o p c 服务 器；同时，分析了新型d c s 系统的实时数据库，历史数据库，并设计了具体的 软件解决方案，采用a t l 和m f c 进行软件编程，开发了o p c d a 和o p c h d a 服务器。在o p c h d a 服务器的设计中，需要对大量历史数据进行读取，速度 慢，效率低。本设计采用了多线程技术，提高了数据读取的效率。而且，本文 山东大学硕士学位论文 还初步探索了o p c 驱动程序的软件设计与实现方法，设计开发了基于t c p i p 协 议的驱动程序，并通过m o d b u s 从站软件进行了验证。最后，对客户端和服务器 分别进行d c o m 配置，结合d c s 具体运行系统，实现了实时数据的远程读取和 实时监控。通过对o p c 服务器和客户端进行测试，证实了本论文提出的新型 d c s 组态软件o p c 客户端和服务器设计方案和实现方法的正确性和可行性，具 有很好的实际应用价值。 关键字：o p c ；服务器；客户端；驱动程序；d c s ；组态软件 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ( d c s ) ，m a i n l y f o r c o m p u t e r c o n t r o la n d m a n a g e m e n ti nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ，i sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d so f i n d u s t r i a l p r o c e s sc o n t r 0 1 d r i v ep r o g r a mi sa p p l i e dt os h a r i n gi n f o r m a t i o nn o to n l yb e t w e e n s m a r td e v i c e s ，b u ta l s os m a r td e v i c ea n du p p e rm o n i t o r i n gs o f t w a r eb e c a u s et h e r ei s n ou n i f o r mi n t e r f a c es t a n d a r db e t w e e nt h eu p p e rc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n do n s i t e i n t e l l i g e n td e v i c e si nt r a d i t i o n a ld c ss y s t e m s d r i v ep r o g r a mo fe a c hd e v i c er e q u i r e s d e v e l o p i n ga c c o r d i n gt ot h en e e d so fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e a sar e s u l t ，p r o b l e m so c c u r , s u c ha sd r i v ep r o g r a mr e d u n d a n t l yd e v e l o p e d ，e q u i p m e n ti m p o s s i b l yi n t e r c h a n g e a b l e ， r e f o r ma n du p g r a d ed i f f i c u l t y , a c c e s sv i o l a t i o na n ds oo n c h a n g e si nd e v e l o p m e n tm o d eh a v et a k e np l a c ea so p ci su s e d t h eu p p e r a p p l i c a t i o ns o f t w a r ea so p cc l i e n tc o u l dr e a d d a t af r o mo p cs e r v e rw h i c hi s p r o v i d e db yd i f f e r e n td e v i c ec o m p a n i e si nt h ec o n d i t i o no ff o l l o w i n gt h eo p cd a t a i n t e r f a c ep r o t o c 0 1 a tt h em e a n w h i l e ，o p cc l i e n td o e sn o tn e e dt oc o n t a i na n y h a r d w a r ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mo rc a r ew h a tt h eu n d e r l y i n gh a r d w a r ei s f l e x i b l e c o n f i g u r a t i o no fd a t aa n di n t e g r a t i o no fm u l t i p l es y s t e m sa r ei m p l e m e n t e d i nt h i s p a p e r , t h eo p ct e c h n o l o g yi ss t u d i e di nd e p t hb a s e do nt h es p e c i f i cn e e d so ft h en e w d c sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h et o p i ci st h em a j o rs c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y o f f i c ei ns h a n d o n gp r o v i n c e ，w h o s en a m ei sn e wc o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a l e t h e m e ta n df i e l d b u sa n di t e mn u m b e ri s314 0 0 0 0 4 010 4 3 7 c o n s i d e r i n g t h e i d i o g r a p h i cr e q u i r e m e n to fd e v e l o p m e n t ，t h es o f t w a r ed e s i g no fo p cc l i e n ta n ds e r v e r b a s e do nt h en e wd c sc o m et r u eo nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w s2 0 0 0 ，c h o o s i n g m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0a sp r o g r a md e v e l o p m e n tt 0 0 1 i nt h i st h e s i s ，r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c ta n dt h eg e n e r a t i o n ， d e v e l o p m e n ta n dc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fo p ct e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a di s i n t r o d u c e da tf i r s t t h e n ，c o m ，w h i c hi ss h o r tf o rc o m p o n e n to b j e c tm o d e la n dt h e k e yo fo p ct e c h n o l o g y , i ss t u d i e d ，嬲w e l la so p cd a t aa c c e s sa n do p ch i s t o r y i i i 山东大学硕士学位论文 d a t aa c c e s s b e s i d e s ，a c c o r d i n gt oo p c d a s t a n d a r d ，t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fo p c c l i e n ta n ds e r v e ri s g i v e n ，w h i c hi s b a s e do nr e s e a c ho fa d v a n c e dc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e w h a ti sm o r e ，a r c h i t e c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o ni sa n a l y z e da n do p cc l i e n t i sd e s i g n e dt or e a dd a t af r o mo p cs e r v e rl o c a lo rr e m o t e i na d d i t i o n ，a n a l y s i so f r e a l t i m ed a t a b a s ea n dh i s t o r i c a ld a t a b a s eo ft h en e wd c ss y s t e ma n dd e s i g no f s p e c i f i cs o f t w a r es o l u t i o n s ，o p cd a t aa c c e s ss e r v e ra n do p ch i s t o r yd a t aa c c e s s s e r v e rw i t l la t la n dm f ca r eg i v e n al a r g en u m b e ro fh i s t o r i c a ld a t at ob er e a d w h i c hm a k et h eo p c h i s t o r yd a t aa c c e s ss e r v c rs l o wa n di n e f f i c i e n t ，m u l t i t h r e a d i n gi s u s e dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd a t aa c q u i s i t i o n m o r e o v e r , o p cd r i v e rs o f t w a r e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o na n dd r i v e rp r o g r a mb a s e do nt c p i pp r o t o c o li sp r e s e n t e d ， w h i c hh a sb e e nv e r i f i e dt h r o u g ht h em o d b u ss l a v es o f t w a r e a tl a s t ，t h en e wd c s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r er e a l i z e sd a t ar e m o t ea c c e s sa n dr e a l t i m em o n i t o rw i t hd c o m c o n f i g u r a t i o no ft h eo p cc l i e n ta n ds e r v e r t h et e s tr e s u l tp r o v e st h a tt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h eo p cc l i e n ta n do p c s e r v e rb a s e do nt h en e wd c si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e ri sv a l i da n df e a s i b l e t h i ss o f t w a r eh a sg o o da p p l i c a t i o nv a l u ea sw e l l k e yw o r d s ：o p c ；s e r v e r ；c l i e n t ；d e v i c ed r i v e r ；d c s ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，又称分布式控制系统， 它是以微处理器为核心，并综合了计算机、通讯、显示和控制技术