基于bacnet协议服务器设计与实现

摘要随着计算机和网络技术的发展以及生产规模的不断扩大，应用于工业监控领域的硬件与软件设备的种类也越来越丰富，系统集成变得越来越复杂和困难。为解决这个问题，OPC技术应运而生，它提供了一种标准的数据访问机制，极大地减少了系统集成过程中的摘要随着计算机和网络技术的发展以及生产规模的不断扩大，应用于工业监控领域的硬件与软件设备的种类也越来越丰富，系统集成变得越来越复杂和困难。为解决这个问题，OPC技术应运而生，它提供了一种标准的数据访问机制，极大地减少了系统集成过程中的重复工作。一般OPC服务器与硬件设备的连接用现场总线技术，而目前各种现场总线产品由于协议的不同无法协同工操作。BACnet标准是一种开放式楼宇自控网络数据通信协议，具有很强性，能实现设备之间的互连互通。因此将BACnet引入到工业监控领域，能有地弥补现场总线的不足本文在对OPC标准和BACnet协议进行深入研究的基础上，提出了基BACnet协议的OPC服务器设计方案，解决了监控系统和现场硬件设备的互连互操作问题，构造出了一个有效、完整的监控体系。同时针对监控系特点，提出了保证MS／TP网络实时性的算法，设计了BACnet底层数据模块，完成了BACnet协议数据与OPC数据的转换，并增加了OPC服务器对机交互界面的支持，从而使OPC服务器具有更强的灵活性。为了向其他工控软件提供数据库接口支持，设计了OPC服务器的数据库系统，提高了OPC据的访问效对外接口是OPC服务器对外提供标准OPC数据的唯一通道，同时也是服务器开发中最难实现的一个部分。本文基于工业监控领域对C服务器对外接口的需求，采用Teaoff技术对接口进行定制开发，只对需要调用的接口进行实例化，这样不仅缩短了开发时间，而且也节省了系统资源。最后，从实时性和应用性的角度对开发完成的服务器各项指标进行了测测试结果表明本系统完成了预期设计目标，能够满足面向专业机械设备现场控的应用需本OPC服务器设计完成以后，在广东省科达机电股份有限公司的恩施中得到应用，效果良好Withcomputerwell thescaleinfieldofindustrialcontrolandmoreandmoreinanddifficult．TosolveincreasinglyintoastandarddatainsystemintegrationofgreatlyserverandhardwaredevicesfieldbusofthedifferencesindueandachievedworkingWithcomputerwell thescaleinfieldofindustrialcontrolandmoreandmoreinanddifficult．Tosolveincreasinglyintoastandarddatainsystemintegrationofgreatlyserverandhardwaredevicesfieldbusofthedifferencesindueandachievedworkingisopenautomationnetworkdatahi曲realizeinterconnectionbetweendevices．BACnetthefieldforthelackofcontrolcaneffectivelystandardoftheOPCandInprotocolsbasedonin—basedonBACnetprotocolistodesignandon-sitehardwareinterconnectionmonitoringeffectiveforcompletemonitoringcharacteristicsofthenetworkmonitoringMS／TPnetworkensurereal—datathedatawiththeOPCandincreaseofthatOPCservertheorderinterfacestootherandcontrolsoftware，designtheOPCserverdatabaseofOPCdataTheexternaliSaOPCserverprovideoutsideonlychannel，OPCserverdevelopmentiSalsoapartofthemostdifficulttoiSbasedontheOPCserverinthefieldofThiscontr01ofTear-offneedtocalltheinterfaceinstantiate，SOthesavesthedesignofpartsoftheOPCserver，andtestreal．timeneedtocalltheinterfaceinstantiate，SOthesavesthedesignofpartsoftheOPCserver，andtestreal．timefromoftheindicatorsontestmeet completetheequipmenton— applicationTheOPCserverisKedaEnshitogoodProvincehasappliedittheprojectStandard；OPCMonitoring本人声明，所呈交的论文是本人在本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作明并表示了谢签名：盟日期．逊咎2扣学位论文使用授服务研究生(签鼽鹾彳导师(签名焉．【～L-,期汐哗驯第1章绪本课题的研究来源于教育第1章绪本课题的研究来源于教育部和广东省共建项目：面向墙材专用机械装现场监控系统1．2随着信息技术的不断发展，工业监控软件也取得了长足的进步，引领着动化领域的深刻发展。但是，由于过程复杂程序的提高以及生产规模的扩硬件设备进行数据交互，那么必须为每一个相应的设备开发相应的通信模块，不但要求开发者要熟悉各厂商的产品，而且还要花大量的时间和精力来开发层通信模块。如果设备数量很多的话，开发者的工作量将会是十分惊人的。外，这将导致工业现场的控制数据很难与生产管理层和经营管理层的应用软Il'在工业信息化高速发展的今天，我们需要解决各离散子系统间的数据和共享，各子系统需要统一和协调的通信规范，再考虑到实时监控系统往往要升级和调整，则各子系统需要具备统一的开放接口。OPC规范正是这一思的产物。C是以OLE／COM机制作为应用程序的通讯标准。C为多种多样都以统一的方式去访问，可以减化和促进企业内部各系统的集成，更方便现制造企业的“管理和控制一体化BACnet是一种建筑自控领域的数据交换和通讯标准，由于它是基于面向的思想进行设计，因此具有很好的开放性、可拓展性和可复用性。所以能很好的解决了不同厂商生产的楼宇自控设备间的互联和信息共享，实现了互和互操作【3】。而BACnet本课题研究的目的是将BACnet协议应用于工业监控领域，使BACnet与OPC标准达到珠联璧合的效果，开发出具有更加通用性的、可扩展性本课题研究的目的是将BACnet协议应用于工业监控领域，使BACnet与OPC标准达到珠联璧合的效果，开发出具有更加通用性的、可扩展性和更灵活的OPC服务器。并将开发出的成果运用于专用机械装备现场监控之中过现场的检验和测试，使研究成果得以应用。这样既可以深入探索BACnet标在工业领域的应用，又可以促进我国BACnet技术的发展水平，也同时为服务器的开发提供了一种新的思路OPC标准自1996年8引入新的理念以适应当今信息化的快速发展。2006年9月，OPC基金会公OPC的新标准——oPCUA(UmfiedArchitecture)，即OPC统一架构。以现实需求为原动力，依托互联网技术、．NET通讯架构，采用SOA(面向的体系结构)理念，能够从设备控制、SCADA、可视化到资产管理、生产库存管理进行全方位、立体式的监控h国外对OPC的研究及应用非常热门，目前已经有300多家公司加入了基金会，已有600种以上的OPC服务器产品和OPC应用程序产品出现在基金会发行的OPC产品目录上。工业领域代表性公司，如GE、SiemensWonderware、Honeywell等，不但参与了OPCOPC一系列的标准推向工业领域【8】。随着OPC技术的发展，国内也有众多的动化公司已经开始积极探索OPC技术的应用开发。浙大中控是国内第一批会员单位，现在已经开发出大量的符合OPC标准的优秀产品。国内的软件公如北京亚控公司的组态王、三维力控等开发出的OPC产品已经广泛地应用在化、电力、港口、钢铁等领域从理论研究的角度上看，BACnet自成为国际标准以来，就一致被国内多的研究机构所关注。国外对BACnet标准的研究主要是在韩国汉阳大学电子络实验室，该实验室研究主要是研究各种网络通信协议，而BACnet只是其中一部分罢了。从目前国内外研究的现状来看，国内研究主要集中在对的理解，运用以及协议栈设计，国外研究主要集中在网络协议性能分真实验方面16’7J数十家知名公司在进行BACnet技术研究和产品开发，许多产品已经开始商用2而在国内，Ant标准的研究还处于起步阶段，虽然已经引起了一些企业的关注，但是尚未形成能够投向市场的产品【引。究其原因还是由于国内企业目前对标准的研究不足，而且没有熟悉协议设计的开发团队。国内的楼宇产品，要么就是采用私有通信协议的产品；要么采用现有专利技术进行二次开发，这类产品不开放规范，很难和其他厂商的产品相兼容而在国内，Ant标准的研究还处于起步阶段，虽然已经引起了一些企业的关注，但是尚未形成能够投向市场的产品【引。究其原因还是由于国内企业目前对标准的研究不足，而且没有熟悉协议设计的开发团队。国内的楼宇产品，要么就是采用私有通信协议的产品；要么采用现有专利技术进行二次开发，这类产品不开放规范，很难和其他厂商的产品相兼容l。研究基于开放规范的BCnet产品对提高我国产品的自主研发能力非常重要。本课题组借助广东省大力发展企BCnet本课题研究的目标是：将t协议标准应用于现场监控网络的现场控制器和监控服务器，开发出模块化，独立于应用的OPC服务器，实现面向专用机械装备的现场网络监控系统。对所设计的OPC服务器的各项指标进行验证和测深入研究OPC标准，对OPCDA规范进行仔细分析，充分理解服务器存取数据的机制以BACnet协议为标准，设计出OPC通过工业现场测试，验证OPC本文的结构安排如下第二章OPC标准与BACnet协议研究。首先对OPC标准和BACnet行了介绍，然后再对二者进行深入了解的基础之上，提出了BACnetOPC的概念，并总结了BACnetOPC服务器所具有的后对各个部分分别进行设计，提出相应的方案并进行优化，这里面包第四章第四章BACnetOPC服务器的实现。首先通过相应的开发工具对OPC服务4第2章OPC标准和BACnet协议oPC标OPC技术第2章OPC标准和BACnet协议oPC标OPC技术Contr01)标准是一组以组件对象模型和分布式组件OPC(OLEfor象模型(COM／DCOM)技术为基础定义的独立于厂商产品的接口规范，是由微软与世界领先的自动化厂商合作制定的一项工业标准，它为工业自动化领域和自¨基金会发布的OPC规范有二十多种，其中常用的有以下几种：数据访问andEvents)、历Access)、报警及事件处理规范HistoricalAccess)。OPC标准要求所有硬件供应OPCOPC以进行通信，从而实现多种系统之间真正的集成【131。因此，上层的信息集成系PPC采用C(客户／服务器)模式，定义了一组CO对象及其接El规范。OPC的实现，因此OPC服务器可由不同供应商提供，其代码决定了服务器访问物理设备的方法、数据交互等细节Il引。但这些对OPC客户程序而言都是透明的，只需要遵循相同的方法或规范就能读取服务器中的数据。通过COMOPC客户程序可以和一个或多个提供商的OPC服务器连接，而同时一个服务器也可以和多个客户程序相连，形成多对多的关系。任何支持OPC的产品都可以无缝地实现系统集成，达到数据共享的目的。由于OPC技术基于M技术，所以服务器程序和客户可以分布在不同的主机上，从而形成网络化的监控系统【161。OPC技术从一出现就开始受到各大厂商的广泛关注，发展十分迅速。外许多公司纷纷在自己的产品中增加对OPC服务器或接口的支持。很多软件不用关心COM技术复杂的实现细节，很方便定不用关心COM技术复杂的实现细节，很方便定制开发自己的OPC程序。ComCoM原OPCCOMDCOMC的快速开发工具包，能够屏蔽COM技术细节，但是这并不意味着开发COCOMCOPC产品。COCOCOCO前MWNDOWMCOM规范中，对象是一个非常关键的元素，常被人们称之为COM为COM对象提供活动空间，M对象以接口的形式对外提供服务，这个接口被称之为COM接口。COM组件、COM对象以及COM接1：3---者之间的关系图2．1所示f221CoM组对象对象图COM组件、对象一个组件程序可以包含多个COM对象，而一个COM对象也能实现多个接口。当客户程序需要调用组件的功能时，它必须先要创建一个COM对象或者通过其他方法来获得COM对象，然后通过该对象所提供的COM接口来调用服务。当服务完成以后，客户程序要释放该对象。(1)COM以对象形式封装的软件实体。COM组件和客户程序通过对象进行信息交互6件的模块名称和位置对客户而言是透明的。COM对象也包含属性和方法，也被称之为状态和操作。对象的属性反映了对象的特点和数据，而对象的方法大多是对象提供给外界的接121，客户程序只有通过接121才能获得对象服务【251。在COM规范中，COM对象对于客户来说是不可见件的模块名称和位置对客户而言是透明的。COM对象也包含属性和方法，也被称之为状态和操作。对象的属性反映了对象的特点和数据，而对象的方法大多是对象提供给外界的接121，客户程序只有通过接121才能获得对象服务【251。在COM规范中，COM对象对于客户来说是不可见的，客户只能通过接来请求服务，也只能通过接口来查询COM对象。每个COM对象都有一个Identifier，全局唯一标识符)标识符来标位的GUID(Globally存在。GUID是一个随机数，可以通过C++6．O提供的GUID生工具UUIDGenl．exe来生成【Z引(2)COM接口的定义是COM规范的核心内容，接口其实就是包含了一组函数的数据为了适应COM规范以及应对软件的升级，COM接口应具有以下特性【29】可扩展性。COM接口虽然具有不变性，但是还是可以扩展的。COM口通过继承原有的接口而进行扩展，但是与面向对象中的继承不一样的是接口只继承说明，并不能继承接口的实现。标识符。客户成功地创建了COM～个指向该对象某个接口的指针，客户程序可以通过这个指针来访问这个接口，从而得到想要的服务。COM规范规定如果一个COM对象实现了多个接口，那么可以从任意某一个接32得该对象提供的所有的服务(3)COMCOM库是COM规范中唯一实现的部分，它的存在使得对象和客户程序够在二进制代码级进行交互。这些实现在WINDOWS系统中以DLL文件的形存在。COM库负责组件程序的定位。当客户在创建组件对象时，COM库负7启动组件进程或装入组件模块，为M对象创建做好前期的准备工作【3。启动组件进程或装入组件模块，为M对象创建做好前期的准备工作【3。1。如果客户是在另一台机器上创建对象，则两台机器上的COM库会协同完成M对象的创建工作，并在客户进程中创建一个代理对象，客户程序直接与代理对发生了变化，客户程序也不用重新编译就可以照常使用OPC标准总体OPC数据存取规范描述了由OPC服务器实现的OPCCM对象及相应接口的定义。规范指出多个OPC客户程序可以同时连接到一个C服务器上，一个OPC客户程序也可以连接多个不同厂商生产的OPC服务器程序。OPC然可以有不同的厂商提供，但是他们的接口都是统一的，所不同的是服务器要由OPC标准可知，OPC服务器是由服务器(Server)对象、组(Group)对象和项(Item)对象组成。OPC服务器对象除了包含服务器的信息还作为组对象的容器而存在，组对象不仅要包含其自身的信息还要为项对象的存在提供逻辑组织。OPC组对象的主要作用是为客户程序提供一种数据的组织方式【36。。在每一个组对象中可以定义一个或多个C项。C据源的连接，是OPC从硬件设备上读取到的数据的存放处。从自定义接口的角度看，OPC客户程序不能直接访问OPC项数据的。因此，没有为OPC项定义xraC项相关的信息有值(alu)，品质(Qulit)和时间戳(TieStamp)[37oVARIANT类型，这是WINDWS系统定义的一种数据结构，品质指的是项的内在属性，如数据是否有效等，时间戳则指明了项值产生的时间。OPC体系结构是客户／N务器模式，OPC对象接口向OPC要实现一个OPC服务器，从物理设备或其它数据源获取数据的速率一般来讲比现场总线要慢，所以OPC服务器最好设计成一个本地服务器，这样可有效收集物理设备或数据库中的数据。可以通过OPC客户端来对OPCOP服务器对象和组对象。因为这两个对象能够被OPC客户端所识别，如果没有这两个对象，C服务器就没有存在的必要了。通过实现这两种标准的COM服务器对象和组对象。因为这两个对象能够被OPC客户端所识别，如果没有这两个对象，C服务器就没有存在的必要了。通过实现这两种标准的COMOPC服务器对象是客户端需要访问的第一个对象。客户端通过访问服务对象的接口与之进行交互。一个服务器对象里可以包含一个以上的组对象。服务器对象的主要功能为是管理服务器内部的状态信息，并且创建和管理组对象，浏览服务器内部的数据组织结构，将服务器的错误代码翻译成描述性语句，同步读写数据等。组对象的主要作用是组织和管理服务器内部的实时数据信息，它作为C项对象的容器而存在。正因为有了组对象，OPC应用程序就大批量地对所需要的数据同时进行访问，提高数据的访问效率，当然也可以以组为单位启动或停止数据访问。其主要功能为：管理组对象内部的状态信息，创建和管理项对象，进行数据访问等。CC异步访问方式，OPC客户端向服务器发送访问请求，但是客户端不用C据访问时，触发OPC订阅访问方式，订阅不同于同步和异步访问，因为这两者都需要客户端发送访问请求，而订阅方式则是客户端自动接收服务器送来变化数据的通知。OPC服务器会按一定的更新周期来更新缓冲区的数值，一旦发现缓冲区数据接收的准备工作BACnet协议分BACnet(Aforand9BACnet协议则，BACnet协议以四个层次的简化分层作为其协议的主要体系结构，这四层相当于OSI模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层，如图2．2所示。的灵活性【12’14JBACnet协议层OSI次应用层BACnet应用BACnet网络网络IS08802- lMS／TP88IoS20一3[ARCNET[EIA-485IEIA一图2．2BACnet体系结物理BACnet应用层。应用层是BACnet协议的最具特色的一部分，也是t协议定义最丰富，最难于实现的一层。该层的协议以面向对象的思来设计，包含应用层服务，对象模型，应用层状态机等。与OS—RM的应用层相比，它综合了更多的功能，将OSI．RM的传输层，会话层，表示层和应用层四个层次概括为一个应用层。t标准应用层的功能是根据楼宇自控网络的特点对OSI—M中传输层、会话层、表示层和应用层中定义的功能进行定制，删除不必要的功能并将保留的功能进行重新合理安排。这样t要是可靠性传输及有关规程协议的定义以及互操作信息抽象语法与传输语法的ACet网络层。由于互联网的庞大和复杂，SI．M和流量控制是非常复杂。而楼宇自控网络首先是一个局域网，不需要这么复杂Intere域网络。其次，楼宇自控网络一般都是比较固定的，一旦施工完成中传输大多是开关量等非常少的数据量，因此是“短消息"，即使传输“长消"，也可由BACnet标准应用层的分段机制来完成，而不需要网络层再做任(3)物理层和数据链路层。BACnet标准的数据链路层和物理层与I．中的两层无论是在功能上还是在实现上都是匹配的。物理层传输无结构的比特流，链路层实现无差错的帧传输，并为网络层提供服务。BACnet标准定义了5种具体的物理层和相应的数据链路层，以适应不同性能／价格比的要求【17l于要将BCnet协议推广到工业领域的考虑，在设计方案时将选择S／PBC低成本上有很好的优势MS／TP协议实时(1如)传输介质的接入延迟，具体的说就是数据链路层的控制问题，即MAC效MSTP不场监控网络的特点，提出了一种新的算法，来保证MS／TP网络的实时其实MS／TP链路层协议的调度机制比较简单，一般是通过控制节点握牌的时间来改变每个节点分配的带宽。其中令牌握有时间主要是由蛾MM惚的基础是单个节点已知全网各数据节点的负载，从而动态调整Ⅳm甜他节点的报文请求队列负载值，所以实际上通过计算其他节点负载比动态改变本节点的带宽大小是不可能做到的。因此该算法不能够应用程当中，只能作为实程当中，只能作为实验室骓网络性能的一种手段【201性要求，数据通信量大小，优先级高低等方面各不相同。要想保证整个网络的实时性，就要对不同的报文类型进行区别传送，对优先级较高的报文要优先进行传送，优先级较低的报文要推后传送【221。对于实时性算法，若要其能够应用于实际，就必须满足以下情况任何算法的提出都必须保证符合MS／TP协议的一致性，否则将影响协议的正常运行假设整个网络负载为LoadB笥报文产生长度，乃是节点对艮文产生间隔，这是一个对网络负载性能进行评估公式节点的延迟要求不同(净lt0Ⅳ)，为满足周期报文的延迟限制，则乃必须小于准周期Tf，和报文发送间隔比节点的延迟要求不同(净lt0Ⅳ)，为满足周期报文的延迟限制，则乃必须小于准周期Tf，和报文发送间隔比值为为№2巧 毛=Kff=1．--Nl第二步 发送窗口大小，．，Qt指在周期T。内网络平均报文产生数(2—第三步：发送报文的初相，即发送报文的起始时间，所以Tl(2-BACnet协议三要由于采用了面向对象分析和设计的先进方法来设计BACnetCnet协议中定义了一组标准的对象类型，来作为建立t服务的一种框架。而应用层所提供的服务就是对这些标准对象的属性进行操作或访问。毫无疑问，对象(Object)、属性(Property)和服务(Service)构成24261。(1)BACnet对象：在BACnet和封装，所得到的模型就是BACnet对象模型。它将楼宇自控设备看作由一定量“基本控制功能单元”所组成的，且任何楼宇自控设备均可用有限数量本控制功能单元”进行描述和表示。这些“基本控制功能单元’’在BACnet中称为“对象(Object)”t对象，最后所有的楼宇自控系统都可以用这些对象来组合，就像搭积木一样，能够非常快速是建立起一个自控系统12¨AnBAnBC标准中，共定义了23个标准类型对象【3一两t服务：服务即为对象的方法，服务提供了如何访问和操作这的编码。从通信的整个流程来看，服务还具有要求接收服务的环境对服务是否应答的消息。从是否应答的时序行为上来分，服务可分为“非确认服务(UnconfirmedService)"和“确认服务(ConfirmedService)"两类。标准中定义了35个服务，分为6个类别【j111OPC与BACnet结合可行性OPAnOPC效果呢。从以下的几点分析，我们可以看出，OPC标准与BACnet(1)由于OPC标准的实现是以COM／DCOM技术为基础的，而COM技目前只有WINDOWS操作系统支持，所以OPC服务器目前只能运行WINDOWS平台，但是所有的工业现场设备的数据都在厂房内，那将厂房内设备的信息送到监控计算机里面去，只有这样OPC服务器业现场的数据。厂房设备与计算机的连接目前大部分采用的都是现场总线形最常用的现场总线技术是N总线和PROFIBUS总线。但是现在没有哪一种总最常用的现场总线技术是N总线和PROFIBUS总线。但是现在没有哪一种总线能够应用到所有的工业控制领域，而各总线因为协议的不同而无法实现互连互通和互操作，这给用户的选择带来极大的不便。通过前一小节的分析我们知道，t协议是面向对象设计、独立于应用的协议，能够很好地弥补现场总性的要求高，所以要想将BACnet协议应用到工业控制领域还需要对BACnet网络实时性进行相应的改进。本文在上-d,节中，已经对BACnet协议中网络的实时性进行了研究也提出了相应的改进算法。并且这种改进是在tBCneBACnet协议与OPC标准的结合对双方都是十分有好处的。OPC标准因为采用了BACnet协议作为其底层数据的采集层，可以使OPC服务器具有更强的通用性和灵活性，使其应用不再受底层数据采集的限制。对于BACnet而言，通过在OPCBACn楼宇控制系统，这对BACnet协议的发展是十分有好处的本章首先对OPC标准进行了较为深入的研究，分析了OPC标准所采用的COM／DCOM技术，并且对OPC标准规范进行了研究，了解了OPC服务器的总体架构以及设计思路；然后介绍了BACnet的体系结构，对于BACnet实时性上的要求提出了一种保证实时性的算法，对BCt协议的三要素进行了仔细的分析，这对于后续章节中OPC服务器数据采集的设计有很大的帮助；最后分析了OPC标准与BACnet协议相结合的可行性，为OPC服务器的设计提供了理论上的支第3章BACnetOPC服务器的设为了方便对专第3章BACnetOPC服务器的设为了方便对专业术语的描述以及理解，本文将基于BACnet协议的OPC器简称为OPC服务器。本章主要研究OPC服务器的整体设计OPC服务器总体3．1．1系统设计需求BACnetOPC服务器的设计必需要能够满足工业监控现场的需要，为工业监工业信息化的发展作出相应的贡献。为此，本文提出BACnetOPC服务器的五OPC服务器作为一种数据服务器，应该能够向其他软件或系统提供数据服务，这是对OPC服务器最基本也是最本质的要求。所以BCnetOC器也不例外，因此BACnetOPC服务器必须要实现OPC标准所定义的接口规范，从而使得其他监控软件的OPCBACnetOPC为OPC服务器上已经存在了大量的工业现场的数据，因此用户可以在该服务器上能够查看这些数据，并进行数据分析。这就要求BACnetC较高。因此一个小型的，功能较为齐全的监控软件不失为他们的最佳选择(3)BACnetACnt协议与C不同，因此，要想将BACnet协议数据应用于OPC服务器，这里也必须要有一个数据的转换过程i转换的思路就是要将ACnt协议与C不同，因此，要想将BACnet协议数据应用于OPC服务器，这里也必须要有一个数据的转换过程i转换的思路就是要将BACnet对象的数据属性转换为与工业监控软件相兼容，BACnetOPC服务器应该具有相应的数据库系统是要有内存数据库系统。因为内存数据库存在于计算机内存上，实时性非常高有利于数据的快速传输。另外，该服务器还应具有历史数据库系统，以便综上所述OPC服务器应该是能够提供多种功能，满足不同场合求，非常灵活的一种数据服务器3．1．2根据上一小节需求分析，BACnetOPC服务器的总体架构如图3．1终端电图OPC服务器总体框由图3．1可知，BACnetOP由图3．1可知，BACnetOPC服务器有四部分组成：数据驱动层、数据缓存层、对外接口层以及数据库系统。各个部分之间具有很强的层次性，数据驱动层通过S／P网络获得工业现场的数据，然后将数据送入数据缓存层；数据缓存层对数据进行映射处理，向对外接口层以及内存数据库提供数据来源。现对数据驱动层。该层的主要作用是获得工业监控现场的数据，计算机与工业现场设备通过S／P网络连接。数据驱动层要完成两个功能，一个是完成工业现场数据与t协议数据的转换，另一个功能是完成BACet务对底层数据的读取工作。数据缓存层。从t底层驱动所获得的数据要存储在缓存层，并进行相应的转换，即将BACnet协议数据转换为OPC项对象数据，同时在这一层还要为OPC的服务器对象和组对象设计合理的数据结构，以实现服务器对象对外接口层。该层是OPC服务器向外提供OPC标准数据源的唯一出口，该层必须实现OPC标准的对外接口，否则C客户端将不能获得该服务器数据驱动层主要完成对工业现场设备数据源的读取。读取的要求就是必要保证数据的实时性，这个已经在第二章中得到了论证。读取数据的分为两个部分：数据转换和数据转输3．2．1工业现场数据与BACent工业监控系统虽然不同于智能楼宇控制系统，但是二者都是控制系统，在很多方面都有相似之处。对于数据形式而言，在工业监控领域有很多的复杂的数是变量的开或关两种状态，如阀门的值、传送带的运行或停止等，也而在BACnet协议中，表示数据的对象一共有六种：模拟输(AnalogInputObjectType，简称AI)、模拟输出对象类型(AnalogOutputType，简称AO)、二进制输入对象类InputOutputObjectType，简称BO)、模拟值对象类(AnalogValueObjectType，简称AV)、二进制值对象类Type，简称BV)。通过比较可以得知，工业现场的开关量数据相当于表3．1工业现场数据与BACnet数据的对应关BACnet数据对象类开关BI、AI、状态中间由表3．1BACnetBIBACeO，显示输出的封装为AOAIA4状态量最大数值容量的需要；将中间量卦为BACnet协议中的AV，因为AV的数值占用8法，就可以完成工业现场数据向BACnet数据的3．2．2数据驱动流程数据驱动的过程也就是BACnet应用层向数据链路层索取服务的过程。驱动流程与BACnetBACnet其他的请求由计算机来完成。BACnet协议数据服务请求流程即数据驱动流程读取下一设图3．2数据图3．2中的设备指的是BACnet设备对象，对应于工业现场中现实的工业设(1)配置S／P网络，这包括定义网络名称和网络号、配置串口或口的属性、MAC地址、最大连接数等MS／TP网络参数，这些参数对于调节网络的实时性有很大的帮助，用户可以根据自己的需求选择适合自己的参数，从而避免对网络资源的浪费中所有设备的设备号，所有的设备号保存在设备列表中以供使用态则转入步骤(4信息，并将该信息存储在变量信息列表中，以供OPC服务器来使用。读信息，并将该信息存储在变量信息列表中，以供OPC服务器来使用。读根设计服务器对象和组对象3．3．1BACnet数据转换为oPC数BACnet协议所获得的数据具有以下几个属性：数据所属的设备的设备号(DevicelD)、数据所属的数据类型(DataType)、数据的标识号(Objectl)、以及数据所对应的值(ae1】。t数据必须转换为C项对象才能供服务器所使用，而C项对象，也被称为标签(Tag)，具有值(Valu)、品质(Quality)、时间戳(TimesStamp)三个基本属性。其中值的类型为VARINAT，表示实际的数值，品质则标识数值是否有效，时间戳则反应了从设备读取数据的时间或服务器刷新数据存储区的时间。因此、必须要设计一种数据结构，能够同时兼容BACnet协议数据与OPC数据的属性，并且还应具有显示特性。用这种数据结构来缓存所得到的数据，可以很好地实现BACnt数据与OPC数据的映射。这种数据结构可以设计成为一个结构体。结构的定义如下所示typedefstruct{／／设备／／类型／／数据标识／／OPC／／OPC／／OPC／／OPC项的时间该结构体除了包含BACet与OPC的数据属性，而且还增加了一个OPC项名称的属性，增加该属性的目的是为了在服务器的界面显示上能够很好地展示OPC所具有的数据项。vARIN该结构体除了包含BACet与OPC的数据属性，而且还增加了一个OPC项名称的属性，增加该属性的目的是为了在服务器的界面显示上能够很好地展示OPC所具有的数据项。vARINT类型是WINDWS系统定义的一种数据类型，它的T属性指明了该值所属的类型，如整型、字符型、符点型、字节型等。正因为如此，则可以很方便的将BACnet对象数据转换成OPC项对象数据。转换方式是将BACnet中的BI、BO转换成VT属性为字节型的VARIANT类型的量，将AI、AO转换为T属性为符点型的VRIAT类型的变量，将AV转换为VVARIAT类型的变量。因为一个结构体只能表示一个数据，而服务器要处理的数据是大量的，那么织呢，考虑到服务器配置的时候有可能会增加或者删除某个OPC3．3．2服务器对象OPCServer类设OCSevr类实现C服务器对象。它的主要功能是对组对象的创建进行管理，并且提供在枚举时使用的组对象快照。另外，OPC服务器对象还是组对示m宰OPCServer类维护所有接口的引用生存周期，这是通过管理接口的引用计数来实现的，当有使用接151时，引用计数加l，当使用完接口时引用计算减1。当引用数为0后，就可以释放服务器对象中该接口的指针GenerateTransaction(DWORD幸LPOLESTR*幸GroupList，int木LPOLESTR*幸GroupList，int木围查到的当前组对象列表，从而确定组对象的属性在OPCGroupist结构体中列举了该OPCServer所包含的组对象。它包括一个显示该组对象是由存在的指示器和组对象的接口指针。OCSeverOPCServer类接口的全部功能将由IRealOPCServer类实现，其都严格遵守OPC规范。它通过一个溯源指针(OPCSerVer毒OPCServer交互3．3．3组对象OPCGroup类设OPC组对象是OPC项对象的包含容器，因此它管理着对OPCOPC组对象拥有很多辅助函数来实现模块化功能。OPCGroup事奉m·m幸事·m事事木士OPCGroup中定义了异步、同步通信时所需OPCGroup中定义了异步、同步通信时所需的变量和功能函数，它也包含一枚举对象的结构，对项对象的控制就是通过该结构来完IRealOPCItemMgt类与IRealOPCServer的功能相似，唯一的不在OPCGroup内管理项，而IRealOPCServer是在OPCPCSeⅣer内管理OPCGroup。该类实现IOPCItemMgt的所有方法，并提供一个溯源变量木parenO用来与其所属的OPCGroupIRealOPCSynclO类实现IOPCSynclO接口的所有方法，该接口项对象数据的同步读写，并提供一个溯源变量与所属的OPCGroup所属的OPCGroup类相关个溯源变量与所属的OPCGroup对外接口层是OPC服务器对外提供标准OPC数据服务器最关键的一部分，该部分所有的接口都已经由OPC标准定义好了，开发者只要实现它就行了。但是只实现对外接口是不能完成OPC服务器对外提供数据功能，还需要对该接口层进行辅助的设计，比如对外接口的配置、客户端访问流程设计等【403．4．1对外接口配置功能设对外接口的配置功能主要是对服务器的各个参数以及运行状态进行设定，其主要目的是为了向外界提供更好的接口服务，这些配置的实现主要是由用户通过界面进行操作来实现的，当然也可由服务器来自动完成。这五项功能作详细介绍注册／注销服务器：因为OPC服务器是基于OLE／COM／DCOM技术，所以只能运行在WINDOWS系统，为了使客户端软件能够访问到OPCOPC从系统中注销。OPC从系统中注销。图3-3激活标签：只有被激活的标签，客户端才能访问到对应的实时的数据，否则是不一样的。因此，为了增加服务器的灵活性，需要对刷新周期进行设3．4．2数据访问的流程设开发者可以根据自身的需求对接口进行实现。那么实现接口就要考虑到客程序访问数据的流程方式，因为不同的访问数据流程对于数据的访问一样的【42舢】。访问流程要力争简捷，本文结合一样的【42舢】。访问流程要力争简捷，本文结合工业监控现场的实际情况．对于数据访问流程进行了较为合理的设计。客户程序访问数据流程如下所示(1)启动OPC服务器，一般OPC动而自动启动。当然设计中也考虑到了可以让用户手动启动或注销服务器启动以后，等待客户端的连接请求，一旦发现有客户端要连接到服务器上，此时服务器将会创建服务器对象。服务器对象将承载客户进一步服务器启动以后，等待客户端的连接请求，一旦发现有客户端要连接到服务器上，此时服务器将会创建服务器对象。服务器对象将承载客户进一步删除项对象的功能函数，对项对象进行添加／删除操作。操作完成以后服务器返回到状态如果请求行为是设置项的状态，服务器将首先根据请求参数找到该项对象，然后对项对象的状态进行设置。设置的结果以函数返回参数的方式返回。如果成功返回0，如果失败返回相应的代码编号。操作完成以后，服务器返回到(2如果客户端请求行为是断开连接请求，此时服务器将会根据引用计数来判断是否还有客户端其他的数据请求没有完成。如果引用计数不为00，则进入状态(9)。已经与服务器断开连接基本上所有的监控软件都带有数据库系统，这是因为现在工业现场要的数据量越来越大，而数据的组织形式也越来越复杂，不只要获取单一的E．R实体分为保证数据库的设计更具有通用性，能够和BCet协议与OPC容，就必须对工业现场的所有实体做最高级别的抽象，使其独立于具体的应用。工业现场中最高级别的抽象就是设备，因为所有的工业数据都在设备之上。根据t协议标准，设备其实也是一种对象，但是设备上还包含有数据对象和其实体关系图如图3．5图3．5工业系统E—R实体关系而只从属于一个设备，也就是说设备与数据对象之间是1：N的关系；同样道理，说设备与报警对象之间是1：N的关系3．5．2根据E．R实体关系图，可以确定数据库表的结构，即系统至少需要三个表：记录工业现场的人员信息。段如表3．2所示主数据要设备Dev非4设备非64字(2)数据对象表，由于设备对象与数据对象是l：N系划分原则，在数据对象表中要有设备对象的3．5．2根据E．R实体关系图，可以确定数据库表的结构，即系统至少需要三个表：记录工业现场的人员信息。段如表3．2所示主数据要设备Dev非4设备非64字(2)数据对象表，由于设备对象与数据对象是l：N系划分原则，在数据对象表中要有设备对象的属性。对象表如表3．3所示表3—3对象数据表对象对象数据类长要求说主4非空4非空设备4当前实8非描状态标l事件标lOut脱离服1非空单8非空8COV8非COV增量属实(3)报警对象表，由于设备对象与数据对象是1：N域数据类要求说报警整非空主4Dev整非空4日8报警时8报警类整非报警描字报警优8整1布确认标l非布(3)报警对象表，由于设备对象与数据对象是1：N域数据类要求说报警整非空主4Dev整非空4日8报警时8报警类整非报警描字报警优8整1布确认标l非布(4表3．5实时信息表域变量数据类要求所属设备所属对象Dev4非空主非空字主非空Obj——主非空4非空最大Max——44Min——4优先整非本章首先对BACnetOPC第4章BACnetOPC由于OPC技第4章BACnetOPC由于OPC技术是基于微软的0L剧cOM／DcOM技术，因此对OPC开发可以采用微软的v+6．0开发工具。根据结构化程序设计思想以及本服务器的需求，程序实现应该分为四大块；程序界面实现、BACnet模块实现、OPC服务器模块实现和数据库系统实现。程序界面主要是显示服务器的状态，并为用户提供友好的人机交互的接口，咀方便用户对服务器进行操作。Bnt模块实现主要是对数据驱动模块进行实现。OPC服务器模块主要实现数据缓存部分和OPC的对外接[1部分。数据库系统部分主要实现数据库表的设计。为了使服BACnet模块和BACnetdll和OPCSvr．dll4．1．1菜单栏／工具栏：主要为了操作BACrtet底层数据驱动和配置OPC提供的用户接口，这些接口简单、实用，操作起来非常方便，给用户'f三到数据的实时值，因此在实时数据显示区显示数据的实时值以及其OPC属性，其中最主要的属性就是获得数据的时间。BACneI模块实数据驱动模块主要是利用BCet协议提供的服务机制实现S／TP动工业现场设备的功能。按着数据驱动流程．首先实现S／P网络配置，然后罄蓥盘霞■圈瞳酋■鞠曹醴童■瞄■睡瞄醢目 r_————日镕日圉4．2网络配置武汉理12太学硕士学位武汉理12太学硕士学位论Ts厂rP需要配置的几个参数。网络名是BACnctBACetBCnetMSffP网卡目USBMACs，r网卡的地址，最大连接数指的是Ms，rP网络能承载的最』=节点数。最大帧长度指的是应用层编码帧的最大字节数，一般为125个字节扫描网络是用户通过菜单栏的扫描网络命令来实现的，该命令的实质用BACnet应用层扫描网络的服务。该服务的描述如下所示intbacnapiBACNAPI函数的出口参数是设备号列表，里面存有设备标识符、生产商标识息，调用成功函数返回0，调用失败返回错误型，如I、O、I、O等：然后就是读取对象的范围，是读一个还是读多个4．1．3OPCOPC服务器中关于OPC标准接口的实现通过Tear-4．1．3OPCOPC服务器中关于OPC标准接口的实现通过Tear-o印4”技术米完成。f技术只实例化OPC标准接口中必须宴例化的部分即IUnnown接口，而其他接口将不会被实例化。只有当有客户请求需要实例化这部分代码时才会去实例化。客户程序只会频繁地调用它所需要的接【】，而对它不关心的接口可能一次也不会调用。因此，如果要实例化OPC所有的接口，将会增加系统开销，造成不必要的浪OPC标准接口的实现可以分为以下几步来完成实现OPCServer类、OPCGroup类和OPCTag4_4]口拄 0{℃表不需睦取黄姑魄标1代袭当盲r需里鞋取z4e．确取I图4—4设置标签类型界武汉理丁大学硕士武汉理丁大学硕士当用户决定需要螨时增加对某一设备中某个变量的访问，这时就需要要图4．5添加4．1．4而且该数据库系统只是一种添加的功能，不属于OPC服务器的主体部分。因此文选择MySQL数据库作为数据库管理系统的支撑。之所|三I选择MySQL数据主要基于以下几点考虑MySQL数据库的存储速度非常快．并且结构简单，安装方便，数据存储的容量也很大。虽然MySQL在其他性能上比不上那些大型数据库，但是在工业监控领域，使用MySQLMySQL于内存数据库．对内存读取数于内存数据库．对内存读取数据的速度将非常快，能够满足工业现场时陛的要求。因此，本系统就不需要再开发单独的内存数据库系(3)MySQL数据库是款开源的软件系统，用户可以根据自身的需求对数据库功能进行修改，具有很大的灵活性。另外，由于是开源，所以是免费的，这样就降低了企业的成本以MySQL作为数据库系统的支撑，只需要将设计好的数据库袁在数据库中进行实现，就能完成数据库的设计功能。当然，同时要为数据库访问6显示了对数据库表的实现通过卜一节的开发实现，BACnetOPC服务器的开发部分已经完成。但这并不意味着所有工作的结束。开发完成以后，理所当然要进行测试，以对开发的结果进行验证。本小节将从四个方面对BACnetOPC服务器进行测试，首先测试MS／TP网络实时性测假设MS／TP网络节点的数量Ⅳ为10，节点从0到MS／TP网络实时性测假设MS／TP网络节点的数量Ⅳ为10，节点从0到9的周期报文最大允许迟蛾分别为O．7，0．6，1．1，1．3，1．4，1．5，1．7，2．0，2．3，2．8(单位S)。根乃=疹SK2{1，l，1，2，2，2，3，3，4，4>t网络节点周期报文产生的间隔情况如图4．7报文，使得令牌轮询周期中，整个报文的窗口大小始终保持在6了令牌轮询周期n玎的抖动，使得其他节点能及时获取令牌，从而保证了全网逻亚⋯节点：＆⋯旦⋯叟一叟⋯旦⋯曼一叟⋯殳一凸亿砘如．心嘲节点＆⋯⋯一旦⋯⋯叟⋯⋯叟⋯⋯凸¨．。。．～节点t迎⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯m．s叟⋯⋯妙俳池．。锄。节点。⋯一旦⋯⋯一叟⋯⋯．叟⋯⋯曼节点，⋯一叟⋯⋯一业⋯⋯一旦⋯⋯殳⋯帆．：一一节点8⋯⋯．T8节点9一旦一h图4．7MS题，进一步增强了网络的可靠性和实时性，最重要的是该算法符合工程实践的应用条件，具有现实意义4．2．2服务器数据访问量测服务器的数据访问量表明了服务器吞吐数据的能力，是数据服务器的非常重要的指标。本章通过逐步加大数据访问量的方式，来对 OPC服图4—8服务器数据访问图4—8服务器数据访问从图48中可以看出．当数据量比较少时，服务器的响应时间非常快，当数据量大约在100-10000个的时候，服务器的响应时间基本上稳定在800ms左右，这是因为OPC服务器的数据读取是以组为单位，所以在组所能容纳的范围之内，响应速度基本上差不多。但是当服务器的数据访问量增大到15000左右时，服务器的响应时间达到了3500ms，这说明服务器的性能大幅F降。因此，通过测试可以肯定，服务器的最大数据容量为10000个。这个数据与大型监控软件相4．2．3本地监控软件它具有监控软件所应具有的基本功能，用户能够在该服务器上查看工业现场的实BCaetOPC图4-9OPC武议理工大学硕士从图49况，并且也能够很好地显示出数据的值及其变化，根据测算，数据在本地服务100as，武议理工大学硕士从图49况，并且也能够很好地显示出数据的值及其变化，根据测算，数据在本地服务100as，4．2．4第三方软件测第三方软件测试包含两方面的内容，一个测试OPC服务器向OPC供标准OPC数据服务器的测试．另一个则是测试远程监控对本地数据库系统的(1)OPCOPC客户端读取服务器数据测试首先要测试能否读到本服务器上的数然后再测试读到的数据的变化速率是否满足要求。只有这两点都达到了，才能保证OPC服务器提供的数据服务是合格的。OPC客户端读取数据效果如图4—所示。从图可以看出，OPC客户端能够读取本服务器的数据，并且数据的变化茹目∞目口#d《d黧瓣瓣雨⋯⋯～～口⋯⋯w‘5口⋯¨I霜蕊r篙焉崔溢嚣m焉凳器器m纛黼百图4一10OPC客户端读取服务器数(2r～一-一r～一-一一o遍运篷量盈医受壁囊：=．一：=。乏：矗日a翟＆翟g口目_《■i墨《目t&警§j目岱∞■■目l面：玉。图4-11远程监控系统访问数据本章首先阐述了OPC服务器的实现思路，然后从四个方面：界面分、BACnet数据驱动部分、服务器模块实现部分、数据库系统对OPC行了编码实现，接着对服务器的各项指标和性能进行了测试。测试结果表明本文所设计的服务器完全能达到要求。至此，BACnetOPC服务器的开发工作已经基本上完成第5章总结与第5章总结与OPC标准是在工业监控领域的一种新兴标准，它的出现很好地解决了工业现场数据不能与企业生产管理和经营管理的数据进行交互的问题，有效地避免了“信息孤岛"现象。但是OPC服务器一般采用现场总线对工业现场数据进行采集，而现场总线由于厂商不同导致通信协议不同从而造成了不同厂商的现场总线数据不能互通。而Ant协议具有很好的开放性和通用性，其最大的优点就是独立于应用，实现楼宇设备间的互连互通，是楼宇自控网络领域的通用标准。因此将Ant协议引入到工业监控领域，能有效地解决现场总路线所存在的问题。C标准与BACet协议相结合，将会使C服务器具有更强的通用性，同时对“管控一体化”的发展具有现实意义。本文深入研究了OPC规范和BACnet协议标准，并从理论上认证了二者结合的可能性和必要性。在此基础之上提出了基于BACnet协议OPC服务器的总体设计方案，并按设计方案对服务器的各个部分进行了实现，完成服务器的编码工作。最后对服务器的各项指标和性能进行测试，测试结果表明服务器达到了设计要求。本服务器在广东省产学研合作项目中得了应用，反应良好。现将服务器进行论证与设计。为适应工业监控的需求，在原有算法的基础之上提出了重点对BACnetOPC服务器进行了设计，使用结构化设计方器的总体设计划分为四个部分，并分别对这四个部分进行了详细的设计和论证以保证设计的可行性(3)利用Tear-off技术实现了OPC标准接口的开发，分别利用VC6．0工和MySQL数据库实现了服务器界面和数据库系统的开发。最后对服务器进行测试，结果表明设计达到了预期效果OPC标准和BOPC标准和BACnet协议都是开放式的、具有通用性的协议标准，随着信息技术的不断发展，以及协议本身的不断完善，它们将会在工业控制领域发挥着越来越重要的作用。本文虽然完成了服务器的设计与实现，但是仍然有以下几OPC标准的其他规范进行实现，如OPC报警与事件处理规范、OPC(2)对于BACnet的参考文[1高强，张亮，李月风．基于OPC技术的虚拟DCS监测系统设计[J】．自动化【2柴凯，侯立刚，姜军银．OPC技术在工业过程控制中的应用研究[J】．工业仪表置，2005(3)：70—董春桥．智能楼宇BACnet原理与应用．北京：电子工业出版社[M】，2003：159—pFoundation．OPCOverviewDefinitionsand1．O[S】，1998．1p眵FoundationDataAccess参考文[1高强，张亮，李月风．基于OPC技术的虚拟DCS监测系统设计[J】．自动化【2柴凯，侯立刚，姜军银．OPC技术在工业过程控制中的应用研究[J】．工业仪表置，2005(3)：70—董春桥．智能楼宇BACnet原理与应用．北京：电子工业出版社[M】，2003：159—pFoundation．OPCOverviewDefinitionsand1．O[S】，1998．1p眵FoundationDataAccessInterface1．O【SofModelofBACnet-陋Tae InternationalConferenceIndustrialLighting深圳市鑫王科技发展有限公司．BACnet楼宇自动控制网络数据通信协议【M】．广东经济VuYi．ModemDistributed【8Tan,Dae-AnnualInternationalComputer-15-【9AnalysisofBuildingAutomationIEEE2003InternationalConferenceInformation．2003．4(6)：140--廖方诚．基于BACnet协议的现场网络监控系统的研究与设计：[硕士学位论文】．武汉武汉理工大学【10罗刚，张浞．基于OPC数据访问标准客户端软件的开发【J】．微处理机，2006(4)：71-【1l【12惠晓实，刘贤德，石岩．BACnet数据链路／物理层规范【J】．工程设计CAD与智能建筑1999．4(12)：15-【13赵红洲，潘西明．基于OPC协议的数据集成实现与应用[J】．微计算机信AutomationDataCommunication【14【15Iizuka,MakotoDe—ConstraintsforStandardLayouts[C]．Proceedingsofthe【16】Interfaces，2006，28(4)：386—Standards【17】谢希仁．计算机网络第四版[M】．北京：电子工业出版社，2003．70--Communicationbetween【l8】IEEEInternationalConferenceSystems，ManCybernetics．TheTolerantBBMDinthe【 9】Protoc01．2006InternationalConference【16】Interfaces，2006，28(4)：386—Standards【17】谢希仁．计算机网络第四版[M】．北京：电子工业出版社，2003．70--Communicationbetween【l8】IEEEInternationalConferenceSystems，ManCybernetics．TheTolerantBBMDinthe【 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