（计算机应用技术专业论文）基于dcs的数据交换接口和平台技术研究与设计.pdf

摘要 基于d c s 的数据交换接口和平台技术研究与设计 摘要 d c s ( d i s t 曲u t e dc o n t r 0 1s y s t e m ) 集散控制系统产生于2 0 世纪7 0 年 代，它满足了大型生产的自动化要求，大大提高了单套装置的生产能力。 在某特大型石油化工联合企业中，主要炼油化工装置已经基本实现了d c s 控制，优化了生产过程并提高了生产效率，但由于大多数d c s 系统是封 闭系统，普遍缺乏统一、标准的开放式接口，难以满足企业信息化和管控 一体化的发展要求。 为了加快企业信息化的建设步伐，进一步提高管理水平，解决企业中 异构d c s 系统、d c s 与上层m i s 和e i 冲等管理系统之间的信息阻断， 论文提出和设计了d c s 数据交换接口，并应用统一的w e bs e r v i c e 对象封 装技术，结合x m l 和w r e bs e 而c e 的特点提出了构建面向w r e bs e i c e 的 d c s 数据交换平台的技术方案。 论文首先研究和比较分析了d d e 技术、0 p c 技术和a p i 访问动态库 技术，基于这三种接口技术设计并实现了三类d c s 数据交换接口，能够 满足绝大多数d c s 系统的数据交换要求。然后，论文对提出的面向w | e b s e r v i c e 的d c s 数据交换平台进行了可行性分析和框架结构设计，对w r e b s e r v i c e 、t c p i p 和晰n s o c k 、数据库和l 等相关技术进行了研究和总 结，并基于n e t 框架对各主要功能模块进行了设计和实现。 基于d c s 的数据交换接口和面向w e bs e i c e 的d c s 数据交换平台 i 北京化t 大学硼上学位论文 的提出与设计，为异构的控制系统和管理系统间交换和共享数据提出了一 个可行的解决方案，实现了跨语言和跨平台的企业信息集成，从而优化了 企业资源配置，提高了生产效益。 关键词：d c s ，数据交换，x m i ，平台技术，w 曲s e r v i c e a b s h j a c t r e s e a r cha n dd e s i g no fd csd a t ae x ch a n g e i n t e r f a c ea n dp l a t f o r mt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h ed c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1s y 戳e m ) w a sb o mi nt h el9 7 0 s ， s a t i s f i e dt h ea u t o m a t i o nr e q u i r e m e m so fl a 玛e - s c a l ep m d l l c t i o n ，a n dh a s i i n p r o v e d m e c 印a c i t y o fs i n g l ed e v i c e s i g n i f i c a n t l y i na l a 唱e p e n o c h e m i c a lc o 印o r a t i o n ，出em a i nr e 矗n e 口d e v i c e1 1 a sb e e nc o n t r o l 】e d b yd c s ，b u tm o s to fd c sa r ec l o s e ds y s t e m sa n d1 a c ko fu n i j f i e da n d s t 柚d 甜do p e n e di m e 血c e ，s ot h e ya r ed i 衔c u l tt om e e tt h ed e v e l o p m e n t r e q u i r e m e n t so fi n f o 彻a t i z a t i o ne n t e t p 订s ea n di n t e g r a t e dm a n a g e m e n t c o n n d l i no r d e rt os p e e du pt h ee n t e 巾ds ei n f o 肌a t i o np a c e ，t of u r t h e rr a is e t h e m a n a g e m e ml e v e l ， a n dt 0s 0 1 v et h e p r o b l e mo fi n f o n l l a t i o n i n t e r d i c t i o na m o n gt h eh e t e m g e n e o u sd c sa n dm a n a g e m e ms y s t e m so f m i sa n de r p ，d c sd a t ae x c h a n g ei n t e r = f a c e sa r ep u tf o n a r da n d d e s i g n e d ，t h e nm r o u g hu s i n gak i n do fu n i v e r s a lw 曲s e r v i c eo b j e c t s e n c 印s u l a t i o nt e c h n i q u e ，ap l a t f b n no f 、 ，亡曲s e r l v i c e - o 订e n t e dd c sd a t a e x c h a n g ei sc o n s t r u c t e d _ f i r s t l y ， t e c h n 0 1 0 9 i e s o fd d e ，o p ca n da l p ia c c e s sd l la r e 北京化工人学硕+ 学位论文 r e s e 2 l r c h e da 1 1 dc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d b a s e do nt h et h r e ei n t e r f a c e t e c h n o l o g i e s ，t h r e eh n d so fd c sd a t ae x c h a n g ei n t e r f h c e sa r ed e s i g n e d a n di m p l e m e n t e d t h e ya r ea b l et om e e td a t ae x c h a n g er e q u i r e m e n t so f t h ev a s tm 句o r i t yo fd c s s e c o n d l y ，t h e 仔a m e w o r ka 1 c h i t e c t u r eo fm e w 曲s e r v i c e - o r i e m e dd c sd a t a e x c h a n g ep l a t f o r m i s d e s i g n e d m e 剐：1 、 ，h i l e ，r e l a t i v et e c h n 0 1 0 9 i e so f 、_ e bs e r v i c e ，t c p 1 pa n dv n s o c k ， d a t a b a s ea n dx m la 代r e s e a r c h e da 1 1 dc o n c l u d e d t h e n ，m 旬o rm n c t i o n a l m o d u l e sa r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e do nt h e n e tf r a m e w o r k d e s i g n o ft h ed c sd a t a e x c h a n g e i n t e r f a c ea n dt h ew 曲 s e r v i c e o r i e n t e dd c sd a t ae x c h a n g ep l a t f b n n p r o v i d e saf e a s i b l es o l u t i o n f o rt h eh e t e r o g e n e o u sc o n t r o ls y s t e m s 甜讨m a n a g 啪e n ts y s t e m st o e x c h a n g ea n d s h a r cd a t a a c c o r d i n g i y ， t h e e n t e 印 s e i n f o 珊a t i o n in t i e 剿i o na c r o s sd i 懒e n tp l a t f o m sa n dl a n g u a g e si sr e a l i z e d ，r e s o u r c e a 1 1 0 c a t i o ni so p t i m i z e da n dp r o d u c t i o ne 币c i e n c yi si n c r e a s e d k e yw o r d s ： d c s ，d a t ae x c h a n g e ，) ( m l ，p l a t f b n ：1 1t e c h n 0 1 0 9 y ，w e b s e r v i c e i v 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：鱼垒垒日妇： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在必解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期：兰! 璺：! ! 日期：塑里：i 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题基于某特大型石油化工联合企业，课题研究和设计的部分成果已在 该企业中得到了应用。该石化企业目前的原油加工能力8 5 0 万吨年，乙烯生产 能力7 1 万吨年，拥有生产装置8 8 套和辅助生产装置7 1 套，应用的5 2 套d c s 系统来自于1 1 个厂家2 1 个型号的产品，其中h o n e y w e l l 、y o k o g a w a 和 f o x b o r o 三家公司的d c s 产品在该企业中是主流产品，和利时和浙大中控两 家国内制造商的产品虽有应用，但在大项目和主装置上还没有业绩，具体配置情 况如表1 1 所示。与此同时，公司的e r p 系统已经顺利上线，并在继续完善该 系统，将企业资源和经营效益初步结合起来。 表1 1 d c s 系统配置情况 t h b i e1 1d c ss c h e r n e 生产厂家型号规格数量小计 h o n e y w e l lt d c 3 0 0 01 0 t p s1 m i c r 0 3 0 0 0l p k s1 1 3 套 y o k o g a w ax l3 ux l2 c s4 c s l 0 0 0l c s 3 0 0 08 1 8 套 f o x b o r o姒 7 a 2 18 套 r o s e m o u n td e l t a v2 2 套 m o o r ea p a c sl 1 套 f u j i m i c r e x1 1 套 北京化工丈学硕上学位论文 y a m a t a k el l 套 u o pa c c s1 1 套 西雅诗c i t e c t 1 1 套 和利时m a c s i i1 s m a r t p r o2 3 套 浙大中控j ) ( 3 0 0 x 1 s u p e r c o n2 3 套 共计：5 2 套 d c s 系统的使用，不仅实现了原来常规仪表所难以实现的控制功能，而且 提高了控制精度、控制准确率、分散了系统风险，大大降低了操作工人、仪表工 人的劳动强度和操作、维护难度。但由于大多数d c s 是封闭系统，缺乏统一、 标准的开放式接口【l 】，造成异构d c s 系统之间、d c s 与上层m i s 和e r p 等管理 系统之间交换和共享数据困难，使得管理者不能及时准确地掌握生产一线的信 息，缺乏协调，延误决策和指令的下达，同时很难对生产资源进行有效分配，缺 乏高效的生产分析能力和手段。 课题通过研究和设计基于d c s 的数据交换接口和平台技术，为异构的控制 系统和管理系统提供了一个开放的、统一的应用集成环境，能够大大优化企业的 资源配置，提高企业的经营效益。 1 2d c s 概述 1 2 1d c s 的概念和组织结构 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n 臼d ls y s t 锄) 全称为集散型计算机控制系统【2 1 。d c s 的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构，这与工业 生产过程的行政管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级、 控制管理级和生产管理级，各级既相互独立又相互联系，每一级又可按水平分解 为若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级的设备又类似的功能。按照 这种思想来设计集散型控制系统的硬件和软件，就是要贯彻既集中又分散的原 则。 集散控制系统概括起来由集中管理部分、分散控制监视部分和通信部分组 成【3 1 。集中管理部分又可以分为工程师站、操作站和管理计算机。工程师站是用 2 第一章绪论 来组态和维护，操作站则用于监视和操作，管理计算机用于全系统的信息管理和 优化控制。分散控制监视部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，它用 于控制和监测。通信部分连接集散型控制系统的各个分步部分，完成数据、指令 及其他信息的传递。典型的d c s 系统结构如图1 1 所示。集散型控制系统软件 是由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应 用软件组成。 1 操作员站操作员站工程师站管理计算机 通信网络 现场控制站现场控制站 主处理器主处理器 、 1 、 uyny f i off 的f i o i o i 弓j 现场变送器、执行器 图1 1 典型的d c s 系统结构 f i g 1 - 1 聊i c a ld c ss ) ，s t e mc o n f i g u 豫t i o n 1 2 2d c s 的特点及应用情况 d c s 自2 0 世纪7 0 年代问世以来，经过几代技术变迁和更新发展，现已广 泛应用于石油、化工、电力、冶金、建材和造纸等工业领域【4 】，其中在石油和化 工企业的应用更为普及，技术改造项目用d c s ，新建项目也用d c s ，逐步替代 了常规仪表控制系统。 d c s 应用之所以如此普遍，主要因为它有以下一系列特点和优点： 1 分散性，是指分散控制、地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。 硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散，进而提 高系统的可靠性和安全性。 2 集中性，是指集中监视、操作和管理。用通信网络把分散的设备构成统 北京化工大学硕上学位论义 一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。人们可 以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。 3 自治性，是指系统中的各台设备均可独立地工作。控制站自主地进行输 入、运算、控制和输出，操作员站自主地实现监视、操作和管理，工程师站可以 在线或离线组态。 4 协调性，是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起，相互 传递信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。d c s 的分散和集中、自治 和协调不是相互对立，而是相互补充。 5 灵活性和扩展性，硬件采用积木式结构，可以灵活地配置成小、中、大 各类系统，并可以根据企业的发展逐步扩展系统。软件采用模块式结构，提供输 入、输出、运算和控制功能块，可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统， 并可以根据生产工艺流程的改变，随时修改控制方案。 6 可靠性和适应性，分散性带来系统的可靠性，并采用一系列冗余技术、 热插拔技术、故障诊断和故障屏障技术。采用高性能的元器件、先进的制造工艺 和抗干扰技术，使d c s 能够适应恶劣的工作环境。 7 先进性和继承性，硬件上采用先进的计算机、通信网络和人机接口；软 件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和控制语言；控制算法上采用自适 应、预测、推理、优化等先进控制技术。d c s 更新换代比较快，继承性体现在 新、老系统互相兼容，可以给用户带来更好的利益。 d c s 系统的使用，不仅实现了原来常规仪表所难以实现的控制功能，而且 提高了控制精度、控制准确率、分散了系统风险，大大降低了操作工人、仪表工 人的劳动强度和操作、维护难度。使用d c s 给企业带来的直接效益有： 1 减少非计划停车次数 通过对影响过程运行状态关键参数的监控，使生产运行状态保持平稳，当生 产状态发生变化时，可以及时地做出反应，避免或减少装置及设备停车造成的不 必要损失。 2 优化生产过程，提高产品的产量及质量 生产管理人员以及工艺管理人员可以利用实时的和历史的数据对工艺过程 进行在线分析，及时发现过程运行的规律，通过调整工艺参数，使生产过程处于 优化状态。同时也可以通过对影响产量及质量的过程参数的监控，及时发现问题、 解决问题，优化控制，避免或减少不必要的事故发生，达到提高产量及产品质量 的目的。 3 分析故障原因 当发生故障时，可以利用实时数据和历史数据，对故障进行及时的分析，明 4 第一章绪论 确故障发生的原因，以避免故障再次发生。 4 提高控制准确率，提高生产效率 生产过程中，操作工原来只能完成简单的单回路控制操作，而d c s 系统则 可以根据不同生产状况，进行多回路关联控制，从而提高了控制的准确性和可靠 性，显著提高生产的效率。 除了给企业带来直接效益外，d c s 系统作为过程控制层中最重要的组成部 分，其是一切后续过程信息加工、处理的基础和平台，在此平台之上实现的企业 综合自动化系统还可以对生产经营进行科学地分析、评价和预测，对生产计划和 经营策略及时进行调整，以适应多变的市场要求。 1 2 3 基于d c s 的数据交换概述 数据在不同的信息实体之间交互的过程称为数据交换。根据参与交换的信 息实体不同，数据交换可以分为个人数据交换，企业数据交换和政府( 组织) 数 据交换。不管是哪一类数据交换，信息实体之间的信息交互过程都无一例外的划 分为三个阶段，即数据生成、数据传输和数据处理。不同之处在于，各种信息实 体在每个阶段有各自的需求和规范，因而具体使用的技术和工作流程有很大差 别。总的来说，个人数据交换的灵活性最高而可靠性最低，而政府数据交换和企 业数据交换则需要可靠性高而灵活性相对较低。 具体来说，企业数据交换的数据内容以及格式相对固定，数据交换的业务 流程比较规范。同时企业数据交换对数据交换过程的可靠性与安全性要求较高。 当前的企业数据交换，根据其应用范围和特点大致可分为企业内部数据交 换和企业之间的数据交换。企业内部数据交换的数据格式比较单一，业务流程固 定，数据交换的架构相对紧凑，有较高的耦合度和数据交换效率。企业之间数据 交换的数据格式繁杂，数据交换的架构相对松散，耦合度低，数据交换效率也相 对较低【5 】o 数据类型方面，d c s 系统在生产过程控制中要管理成千上万个数据，这些 数据可分为内存变量和i o 变量。i o 变量基本上可分为两种类型：一种是由模 拟量传感器送来的模拟量的输入信号和送往现场执行机构的模拟量输出信号。这 种模拟量信号包括m v 信号、热电阻信号及4 2 0 n 认的标准信号等。这些信号通 过模拟量输入模块( a i ) 输入和通过模拟量输出模块输出4 2 0 n 认标准模拟量信 号，称之为模拟量数据类型。另一种是现场送来的开关量信号( 跳闸开关，继电 器及电子软开关) 和送往现场的开关信号( 机泵开停，指示灯等) 。这种信号通 过开关模块输入和通过开关量输出模块送往现场。这种类型的信息称为开关量数 据类型。内存变量是指在控制方案的实现过程中，各功能模块运算的中间变量以 北泵化工人学硕_ f ：学位论文 及给定点。它们也存放在实时数据库中，以供报警、检测、显示及记录或者工艺 生产状况分析之用。这些点称为计算点和给定点的数据类型。 功能性方面，基于d c s 的数据交换主要是指企业内部或企业之间的异构 d c s 系统之间以及d c s 与其他工业控制系统、管理信息系统、数据库管理系统 之间的数据交换，包括实时数据交换和历史数据交换。 1 2 4 基于d c s 的数据交换和信息集成现状 2 0 世纪9 0 年代以来，企业d c s 控制系统和管理系统都得到了迅猛的发展， 但是d c s 控制系统由于过多强调了其现场控制的特殊性，其发展相对比较封闭， 与上层管理系统之间交换和共享数据困难，信息集成程度低，导致企业的管理层 不能及时地了解生产现场的实时隋况，因而无法快速地调整经营管理决策，各个 生产部门之间也不能有效地交流生产信息，达不到生产调度优化的目的。 目前，几家知名的d c s 产品在不断提高系统控制性能的同时向全面企业管 理功能扩充，集成了控制和管理功能。例如，h o n e y w e n 公司在最新推出的t p s 中集成了s a p 公司的刚s 管理软件；a b b 公司则直接推出了c i m s ( c o m p u t e r i n t e 酉a t e dm a k i n gs y s t e m ，计算机集成制造系统) 的整个系统平台，包括过程控 制层、m e s 和e r p 。 发达国家已经把e l 冲和d c s 进行了有效地集成，实现了以生产过程自动化、 计算机网络体系、e i 冲软件为依托，把工厂的测量、控制、管理等方面的数据进 行实时汇总，进行必要的整理，得到关系企业利润、成本费用、生产等方面的数 据及分析、预测结果，企业管理者以便随时进行调整和决策，维持企业的优势【6 1 。 目前，我国在石油、化工、电力、冶金等重要行业正全面建立管控一体化系统， 有的已取得初见成效，但是资源和数据的利用率还很低，与发达国家相比我们还 有很大差距，具体表现在： 1 、在企业或机构内部，局部的自动化水平已经很高，但是各个部门、单元 问缺乏信息共享，形成了一个个自动化孤岛，需要将各个自动化孤岛连接成一个 有机整体。 2 、有些单位虽然也实现了装置联网，但是缺乏对数据的处理手段，没有充 分发挥生产实时数据的作用。 3 、生产装置的实时信息不能完全实现自动采集，还依赖手工录入。 4 、新建装置在建设时忽视生产的信息化要求，虽然也设计接口但缺乏系统 规划，在建设初期不能够引起足够重视，导致信息化建设滞后。 6 第一章绪论 1 3 课题研究的目的和意义 随着企业信息化进程的进一步深化，许多企业已不能满足于d c s 控制系统 和上层管理系统的分离应用，而是需要将两者紧密地结合起来，达到彻底的信息 集成，以便解决企业管理中的许多复杂问题。在此背景下，实现上层管理系统与 底层控制系统的紧密集成就成为企业综合自动化的迫切要求，也将对企业的发展 产生重大的经济和社会效益。具体地说，控制系统与管理系统的集成将为企业信 息化带来如下好处： ( 1 ) 可以建立统一的分布式数据库系统，保证数据的一致性、完整性和可 互操作性，为企业优化控制、生产调度、计划决策提供依据。 ( 2 ) 现场设备与信息网络的实时通信，使企业管理人员可以随时随地了解 现场的生产情况，也便于相关人员进行设备的远程监控、诊断与维护。 为了解决异构d c s 系统之间、d c s 与上层管理系统之间的信息阻断，要求 d c s 具有网络化和开放化的特点，本论文提出了d c s 数据交换接口的概念，应 用d d e 技术、o p c 技术和a p i 访问动态库技术，设计并实现了三类d c s 数据 交换接口，能够满足市场上绝大多数d c s 系统的数据交换和共享要求。然后， 论文提出并设计了一种面向w 曲s e r 、r i c e 的d c s 数据交换平台技术，为异构的控 制系统与管理系统间交换和共享数据提供了一个开放的、统一的应用集成环境， 能够大大优化企业的资源配置，提高企业的经营效益。 1 4 课题的主要研究内容 本论文各章的内容如下： 第一章绪论，介绍了d c s 的组织结构及其特点和应用，阐述了数据交换的 概念和基于d c s 的数据交换的特点，说明了论文研究的意义，以及论文的研究 内容和组织结构。 第二章基于d c s 的数据交换接口技术，介绍了三种数据交换接口技术：d d e 技术、o p c 技术、a p i 和动态库技术，分析了各项技术的规范和特点，然后对三 种接口技术进行了比较和选择。 第三章d c s 数据交换接口的设计与实现，基于上一章的三种接口技术设计 了三类d c s 数据交换接口：d d e 数据交换接口、o p c 数据交换接口和a p i 数据 交换接口。o p c 数据交换接口又包括0 p c 自定义接口和o p c 自动化接口，a p i 数据交换接口包括基于w i n d o w s 平台的a p i 接口和基于u n i x 平台的a p i 接口。 北京化工大学硕十学位论文 详细阐述了各类接口设计的主要步骤，给出了关键源代码，并以i n t o u c h 和组态 王的示例工程为例，说明了接口的主要功能和应用结果。 第四章基于d c s 的数据交换平台设计，提出了面向w | e bs e i c e 的d c s 数 据交换平台，对平台进行可行性分析和框架结构设计，对w 曲s e i c e 、t c p i p 和w i n s o c k 、数据库和x m l 等相关技术进行了介绍和总结，并基于n e t 框架对 平台的主要功能模块进行了设计和实现，说明了设计的主要步骤和关键源代码。 第五章总结和展望，对本文的工作做了总结，并对进一步的研究工作提出 了展望。 第二章基于d c s 的数据交换接l j 技术 2 1 引言 第二章基于d c s 的数据交换接口技术 目前，除了d c s 产品各自的专用接口，基于d c s 的数据交换主要通过d d e 和o p c 通信方式，大部分d c s 也集成了d d e 服务器和o p c 服务器，从而可以 实现基于d c s 的各种上层应用。但是，d d e 和o p c 技术都是基于w i n d o w s 平 台进行设计和应用，对于没有集成d d e 和o p c 服务器以及基于u i l i x 平台的 d c s ，本文提出了a p i 数据交换接口，应用a p i 和动态链接库技术达到d c s 数 据交换的目的。 2 2 叩e 技术概述 d d e ( d y n 锄i cd a t ae x c h a n g e 动态数据交换) 协议是一种开放的、与语言 无关的、基于消息的协议 7 1 ，它允许多个应用程序以任何人为约定的格式交换数 据或命令。它是应用程序之间通过共享内存进行进程间通信的一种形式，也是目 前不需要用户干预的最好的数据交换方法。应用程序用d d e 协议建立的连接不 仅可以进行一次数据传送，而且当数据更新时不需要用户参与即可进行数据交换 【8 1 。如果操作系统支持d d e 协议，那么应用程序仅需要与操作系统有接口，而 应用程序之间无需接口。 2 。2 1d d e 技术的产生与发展 自从m i c r o s o rw i n d o w s2 1 版发布以来，d d e 就已经成为了w i n d o w s 的一 部分，并且许多应用程序都采用了d d e 技术，d d e 作为一种基本机制已经应用 于对象链接和嵌入( o l e ，o b j e c tl i i l l ( i n ga n de m b e d d i n g ) 中。近些年来，随着 o l e 和c o m 技术的逐渐成熟和发展，使用d d e 方式的程序间通信有所减少， 但是这并不意味着使用d d e 方式进行程序间的通信不再有价值，d d e 在许多应 用程序中仍得到了普遍的支持，如m i c r o s o 最o 伍c e 、a c r o b a tr e a d e r 和众多的组 态软件。并且d d e 是一项非常成熟的技术，经历了多年的发展和完善，拥有众 多的客户和使用者，不论是为了保持与旧版本及早期的软件兼容，还是实现资源 复用，充分利用和发挥早期丌发的应用程序巾的功能和优点，d d e 都还有其存 9 北京化工大学硕上学位论文 在的价值及意义，而且编写d d e 应用程序相对要容易，因此在对实时性和可靠 性要求不是很高的应用中，应用d d e 通信方式可以大大缩短开发周期，同时比 用c o m 和o l e 方式可以占用更少的系统资源。因此，目前设计和开发d d e 功 能的应用程序仍然有着非常现实的意义。 d d e 技术在控制网络的集成中也得到了实际应用，一是因为这种方法实时 性较好，可以采用标准的w i n d o w s 技术；二是因为作为连接控制网络与信息网 络的通信处理机在硬件上比较容易实现。当控制网络与信息网络有一个共享工作 站或通信处理机时，就可以通过d d e 技术实现控制网络中实时数据与信息网络 中数据库数据的动态交换【9 1 ，从而能够实现控制网络与信息网络的集成。 2 2 2 叩e 的通信原理 d d e 协议为控制通信对象划分为：应用程序名( a p p l i c a t i o n ) 、主题名( t o p i c ) 和项目名( n e m ) ，每次d d e 会话由应用程序名和主题名唯一确定。应用程序名 是由服务器应用程序注册，客户应用程序想要与服务器应用程序建立会话时必须 指明的字符串标识；主题名深刻地定义了服务器应用程序会话的主题内容，用以 识别逻辑数据关联的字符串，是数据的总分类，在会话期间可以交换其中的多个 数据项，服务器应用程序可支持一个或多个主题名；项目名用于标识交换数据单 位的字符串，是与应用程序间交换的主题的有关实际信息。d d e 通道有3 种处 理方式：热链接、温链接、冷链接。d d e 热链接在服务软件的数据发生变化时 立即自动改变客户软件的数据；温链接在服务软件数据有变化时，它会向客户软 件报信，但不主动向客户软件传递数据，只在客户软件提出要求时才向客户软件 传递数据；d d e 冷链接仅当服务软件发出d d e r e o u e s t 请求命令时才改变客 户软件的数据【l0 1 。 网络动态数据交换( n e t 、) l ，o r kd d e n e t ) 是工作于网络之上的特殊形式的 d d e ，它用来实现不同计算机上w i n d o w s 以应用程序之间的实时数据交换。 n e t d d e 技术的最大优点在于，它不是全新的数据交换机制，而是在原有的d d e 技术上的适当扩展。其原理是通过操作系统在后台运行的内置模块进行网络映 射，将本机上d d e 交谈所需的数据重新映射到网络上的其它工作站上，从而实 现不同计算机上应用程序的通信。n e t d d e 实际上只是d d e 消息的路由器，它 在后台监控所有的d d e 交谈。如果一个d d e 交谈发生在不同机器上，那么 n e t d d e 就将d d e 消息通过网络传递给运行d d e 服务器的计算机，然后由服务 器方将消息转换为标准的d d e 消剧1 。n e t d d e 的通信机制如图2 1 所示： l o 第二章基于d c s 的数据交换接口技术 客户机 2 30 p c 技术概述 少l j n 卜广 服务器 图2 1n e t d d e 通信机制 f i g 2 - ln e t d d ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m 0 p c 【1 2 】( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是一个开放的工业接口标准，意指用于 过程控制的o l e ( o b j e c tl i n k i n ga i l de m b e d d i n g ，对象链接与嵌入) 技术。o p c 基于微软的o l e ( 现在的a c t i v e x ) 、c o m ( c o m p o n e l l to b j e c tm o d e l ，组件对象 模型) 和d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，分布式组件对象模型) 技术【l3 1 ，包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化 系统。o p c 技术实质上是允许任何设备与其它设备自由通讯的一种机制，是一 种用于过程控制和工业自动化的即插即用的软件技术，是一种过程实时数据交换 的工业标准【1 4 1 。这个接口规范不但能够应用于单台计算机，而且可以支持网络上 分布式应用程序之间通讯，以及不同平台上应用程序之间的通讯。 2 3 10 p c 技术的产生与发展 在工业领域，各种计算机系统在不同控制领域得到了广泛应用。但是长期以 来，它们之间普遍不能进行有效的通信，其中最关键的问题就是接口的不标准。 在接口不标准的情况下，过程控制系统和信息系统各有专用技术接口以及a p i ( 应用程序接口) ，尽管可以编写定制的驱动程序和接口程序，但因不同类型硬 件及软件包都需相互通信，使得驱动程序的种类迅速地增长，并且连接程序开发 没有一个统一、开放的标准，不同程序间易相互冲突，导致重复开发，这种情况 大大加重了软件开发商的负担，使其无法全身心地投入到其核心产品的开发中 去，而且在实际上并不能真正解决不同系统的互操作性【l 5 1 。 在传统的控制系统中，智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的信息 共享足通过驱动程序来实现的。任何一种h m i ( h u m a i lm a c h i n ei n t e r f a c e ，人机 北京化工大学硕_ f ：学位论文 接口) 等上位监控软件或其它应用软件( 如趋势图软件、数据报表与分析等) 在 使用某种硬件设备时都需要开发专用的驱动程序，如图2 2 所示： 图2 2 传统控制系统结构 f 堙2 2c o n v e n t i o n a lc o n 缸d ls y s t e i ns 虹u c t i l r e 为了解决上述问题，硬件制造商们一直试图开发出一种可以被任何客户使用 的超级“i o 驱动程序。o p c 标准的制定正好为上述问题的解决开辟了新的道 路。 采用o p c 标准后，针对硬件的驱动程序不再由软件开发商开发，而是由硬 件开发商根据硬件的特征提供统一的o p c 接口程序。由于硬件开发商对自己的 硬件特征了如指掌，从而能够最大限度地挖掘硬件的潜力，提高驱动程序的性能。 基于o p c 标准的数据访问方式如图2 3 所示。采用o p c 标准后，由硬件开发商 提供统一的o p c 接口程序，从而避免了开发重复性，使开发费用大大降低。o p c 规范采用客户服务器模型【l 】，其实质是在硬件供应商和软件供应商之间建立一套 “游戏规则”，只要遵循这套规则，数据交互对两者来说都是透明的。从而硬件 供应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，这样可以灵活而有效地在应用和过程控制设备之间读写数据。 图2 - 3 采用o p c 的控制系统结构 f i g 2 - 3c o n 心o ls y s t e ms t m c t i l r ea r e ro p c 第二章基于d c s 的数据交换接l j 技术 负责制定和管理o p c 规范的组织是o p c 基金会( o p cf o u l l d a t i o n ) 。其前 身是一个于1 9 9 5 年由f i s h e r - r o s e m o u n t 、r o c k w e l ls o f 啊a r e 、s i 锄e n s 、0 1 ) t 0 2 2 、 i n t e l l u t i o n 和i n t u i t i v et e c l l l l 0 1 0 9 y 等著名大公司组成的o p c 工作组( o p c 协k g m u p ) 。它的宗旨是在微软c o m 、d c o m 和a c t i v e x 技术的功能规程基础上开 发一个开放的和互操作的接口标准，这个标准的目标是促使自动化控制应用、 现场系统设备和商业办公室应用之间具有更强大的互操作能力。同年，开发了 原始的o p c 标准。 o p c 基金会是于1 9 9 6 年9 月2 4 日在美国达拉斯举行了第一次理事会，并 在同年1 0 月7 日在美国芝加哥举行的第一次全体大会上宣告正式成立。现在的 o p c 基金会的理事会是由f i s h e r - r o s 锄e n t 、h o n e v w e l l 、i n t e l l u t i o n 、r o c k w e u s o f 啊a r e 、n a f i o n a l1 1 1 s t r u m e n t 以及欧洲代表的s i e m e l l s 和远东代表的东芝所组成 【1 6 】 o 1 9 9 6 年l o 月1 7 日正式成立了日本o p c 协会( o p c j ) 。几乎与此同时欧洲 o p c 协会( 0 p c e ) 也正式成立。在中国，也由5 家公司作为发起人于2 0 0 1 年 1 2 月正式成立了中国o p c 促进会( o p c c ) 。o p c 技术的发展，源于o p c 基金 会及其3 0 0 多家公司成员的共同努力。世界领先的工业自动化软硬件厂商，作为 o p c 基金会的成员，为o p c 技术的发展做出着重要的贡献。目前现存的和正在 发开的o p c 标准如表2 1 所示： 表2 1o p c 标准 t h b i e2 1o p cs t a n d a r d 标准 最新版本内容 o p cd a t aa c c e s s3 0 0 数据访问标准 o p c a l a 瑚& e v 芒i n t s1 1 0 报警和事件标准 o p cb a t c h2 o o 批处理标准 o p cd a t ae x c h 鲫g e1 0 0 服务器间数据交换标准 o p ch i s t o c a ld a t aa c c e s s1 2 0 历史数据访问标准 o p cs e c u r i t ) ，1 0 0 安全性标准 o p cx m l d a1 0 1 x m l 数据访问标准 o p cc o m m a n d s 1 0 0命令标准 o p cc o m p l e xd a t a 1 0 0 复杂数据访问标准 北京化- t 大学硕十学位论文 2 3 20 p c 技术的主要规范 ( 1 ) o p c 数据访问规范【1 7 1 8 】( 0 p cd a t a a c c e s ss p e c i 丘c a t i o n ) o p c 数据访问服务器有3 类对象模型：o p c 服务器对象、o p c 组对象、o p c 项对象。0 p c 服务器对象包含了服务器的信息并且作为o p c 组对象的容器。o p c 组对象包含了组的信息并且提供了包含和逻辑组织0 p c 项对象的机制。o p c 项 对象表示服务器中连接的数据源。o p c 服务器对象和o p c 组对象是标准的c o m 对象，它们都具有接口和属性，但是o p c 项对象不是标准的c o m 对象，它不 提供接口。所有c o m 对象的访问必须通过接口。因此，o p c 客户端与o p c 服 务器也是通过接口进行连接和通信。在客户端只能看到服务器提供的接口，其中 的对象是不可见的。特别是o p c 项对象，作为一个对象，o p c 客户端是不可见 的，同时o p c 项对象还没有提供访问接口，所有访问项对象必须通过包含该项 的0 p c 组对象进行。 o p c 客户端与o p c 服务器交互有四种基本方式：同步读、异步读、订阅和 刷新；客户端向服务器写数据有两种方式：同步写和异步写。也就是说，o p c 服务器与0 p c 客户端的交互存在四种方式：同步、异步、订阅和刷新。 同步 同步包括同步读和同步写。它的过程为o p c 客户端通过调用接口函数来访 问o p c 服务器，o p c 服务器根据0 p c 客户端的请求来搜索数据项，完成之后， o p c 服务器向o p c 客户端发送结果。在数据返回完成之前o p c 客户端一直运行， 在整个操作过程中0 p c 客户端一直在等待。 同步是一种简单而又相当有效的方法，它比较适合相对简单的客户端，用于 读取数量相对较少的数据，它不考虑最大效率。在本质上，使用这种方法客户端 是复制服务器已经完成的操作。 异步 与同步相似，异步也包括异步读和异步写操作，但是它与同步存在着一些差 异，它比同步要复杂的多。它的操作过程为：0 p c 客户端向o p c 服务器发送请 求，这个操作被排列起来，函数立即返回以便客户端能够继续运行，每个操作被 看作一个“事务”，并且有一个事务i d 。当操作完成后，在客户端产生一个回调， 在回调的信息中指明了事务i d 和操作结果。 订阅 订阅与上述两种方式不同。在整个过程中，o p c 客户端不必向o p c 服