詳細剖析OPC和即插即用技術

要介紹OPC和即插即用技術,重點對OPC實際應用標準的發展、技術、特點及適用范圍與接口應用作分折說明。

1、引言-OPC發展的背景

自動化技術人員都有一個美麗的夢想，是否可以將自動化控制軟件和硬件萬能連接。而不再考慮驅動程序和接口問題，即非常簡單的Plug&Play{即插即用}。使用OPC(用于過程控制的OLE)，可以幫助實現這個夢想。當然用戶對此很感興趣。并且首先贏得了自動化軟件制造商的支持-OPC的第一批產品己先于標準化委員會確定的日期投放市場。在以前的自動化領域的通信技術規范方面，很少有象OPC新技術標準那樣能引起如此強烈轟動。OPC是用于過程控制的OLE(OLE for Process Control)的首字母縮寫詞，在今天已經理所然地被自動化組件的制造商逐步發展成一個事實上的新技術標準，而所謂OLE含義是對象鏈接及嵌入,用于過程控制。
當今，軟件在自動化領域內使用的重要性與日俱增。無論項目是否涉及到操作、可視化、數據存檔或控制，向純粹的、基于PC的軟件解決方案的發展趨勢是不可阻擋的。時間已經證明，這些軟件解決方案不再是開發單個的塊，而是由專用的單個軟件組件組成。采用可重復使用的模塊以及利用這些模塊所具有的柔性構成整個系統，其能力似乎是沒有什么能替代的，唯一例外的是通信接口的不兼容性。用于適配通信接口的時間和資金是必需要投入的，其目的是將這些軟件模塊組合在一起。由此開發出了數以百計的通訊接口軟件程序，例如，用于過程控制或可視化系統與外圍設備進行通信的接口程序。但是，與此同時，亦顯著增加了成本。而OPC(用于過程控制的OLE)為這種情況提供了一個補救方法：OPC使諸如軟件連接器等軟件組件組合在一起，這些組件不需要特殊的適配就能相互通信。 因此，即插即用在自動化中成為現實。于是就可回答為什么需要OPC的問題?

2、為什么需要OPC？

具體可從以下二點說明：

第一、對于早期的計算機系統，為了實現不同的硬件和軟件所構成的計算機之間的數據交換和通信，必須要花費很多時間去開發獨自的通信程序。但是正是由于現在有了數據交換和通信的工業標準，才有可以實現像互聯網那樣，使不同的計算機相互連接為巨大網絡。所以在開發企業的信息系統時，若采用符合工業標準的數據庫和客戶-服務器接口，可以使有效的精力更多地投入到應用程序本身功能的開發去。
第二、工業制造系統也存在同樣的問題。也就是使由不同的供應商提供的機器設備無須特別的軟件開發就可以互相連接。例如在實現象圖1那樣多層生產控制信息系統時，從處理設備數據的現場設備層，到進行過程處理的過程控制系統層，以至最上層的生產管理層，建立和普及一個有效的數據交換工業標準將是當務之急。在這種情況下，利用微軟Windows視窗中的OLE／COM技術實現工業制造系統過程控制中的數據交換標準化，正是OPC本來的目的所在。

3、什么是OPC？ OPC定義了一個開放的接口，在這個接口上，基于PC的軟件組件能交換數據。它是基于Windows的OLE--對象鏈接和嵌入、COM--部件對象模型和DCOM--分布式COM技術。因而，OPC為自動化層的典型現場設備連接工業應用程序和辦公室程序提供了一個理想的方法。 Windows程序的標準接口的引入，使得硬件制造商為其部件所開發的接口程序的數量減少到一個，只需要開發一個針對OPC服務器的接口程序，同樣，軟件制造商也只需要開發唯一的通訊接口程序--OPC客戶機接口。這不但對制造商有利，而且對最終客戶也有利用。值此應對上述基于COM技術的OPC作具體分折。

3.1基于COM技術的OPC

微軟公司為了提供商業應用程序和特定用途的軟件包間的相互連接性，開發了所謂的部件(組件)對象模型技術。COM是一種軟件組件間相互數據交換的有效方法。是一個二進制和網絡的標準。也是DCOM、ActiveX(Active X是對廣泛使用的OLE控件技術的更新和升級。它依賴于COM技術，是OLE控件技術的更名和重構)和OLE技術的核心。

而COM技術具有以下特長：

* 所謂COM并不是一種計算機語言，與運行的機器、機器的操作系統(只要支持COM)以及軟件開發語言均無關，是任意的兩個軟件組件之間都可以相互通信的二進制和網絡的標準。

* COM服務器是根據COM客戶的要求提供COM的服務的執行可能的程序，可以作為Win32服務器上可執行的文件發布。

* COM客戶程序和COM服務器可以用完全不同的語言開發。這樣使利用C++，Visual Basic，以及Excel中作為宏使用的應用程序的Visual Basic等不同語言所開發的程序可以相互連接。

* COM組件可以以二進制的形式發布給用戶。

* 與過去DLL(動態鏈數據庫)的版本管理非常困難的問題相比，COM技術可以提供不同版本的COM服務器和COM客戶程序之間的最大的兼容性。

* 作為COM技術擴展的分布式COM技術，更可以使COM組件分布在不同的計算機上，并通過網絡互相連接并互相交換數據。所以對于COM客戶程序來說，同樣像連接本地計算機上的COM服務器一樣，去連接遠程計算機上的COM服務器，當然通信的速度不太一樣，但是重要的是不必對服務器程序進行修正就可以在網絡上自由構成如圖2那樣的利用COM和DCOM(分布式COM)達成的組件的互相連接。

COM技術的出現使簡單地實現控制設備和控制管理系統之間的數據交換提供了技術基礎。但是如果不提供一個工業標準化的COM接口，各個控制設備廠家開發的COM組件之間的相互連接仍然是不可能的。這樣的工業標準的提供乃是OPC的目的所在?？偠灾?，OPC是作為工業標準定義的特殊的COM接口。

3.2 OPC與DDE的比較

在OPC技術出現以前，DDE(動態數據交換)技術曾經對過程控制作出巨大貢獻。但是DDE是基于Windows信息傳遞而建立的技術，所以DDE技術存在以下問題： * 數據的傳送速度較慢 * 沒有安全性管理機制 * 開發困難 * 功能缺乏柔軟性 * 可靠性也難以令人滿意所以基于先進的COM技術的OPC技術將逐漸取代現在在過程控制中廣泛使用的DDE的位置乃是順理成章的事情。隨著OPC技術的導入，和過去的DDE技術相比，在以下方面顯示出它的優越性： * 高速的數據傳送性能 * 基于分布式COM的安全性管理機制 * 開發成本的降低 * 實現具有高度柔軟性功能的系統 * 實現具有高可靠性的系統

圖3是分別利 用OPC和DDE進行數據傳送性能的實驗結果的例子。從這里也可以看出OPC技術在傳送速度上的優越性。

4、用戶如何從OPC得到好處?

在過去，通常僅有有限的接口程序能與專用的自動化組件兼容。眾所周知，為所有的專用接口開發接口程序是不可能的。在今天明顯的創新是，用戶能夠把任何一個可視化或控制系統與所選擇的任一硬件(即PC插板)通過OPC組合在一起，見圖4所示。 從4圖中可看出，OPC-標準的軟件總線使多種現埸總線系統得以集成，如PROFIBUS網絡、CANopen(開放式控制局域)網絡、Device Net(設備網絡)等。從圖4的中也可深入反映出OPC和現場總線的標準化的關系：OPC提供現場總線以外的重要的附加性能,現場總線領域標準化的主要目標是快速，可靠的數據傳輸。而OPC使標準通信達到這樣的程度，即任何OPC服務器和應用軟件能聯網運行而不會產生任何問題。

圖4中PROFIBUS是國際公認的開放式的現場總線標準，是國際標準IEC61158的組成部分TypeIII。接口程序和OPC服務器質量的提高進一步擴展了這種優點，制造商能夠把它們的精力專注于開發一個獨特的OPC服務器，因為不用面對眾多的接口程序，就能把精力投入到增加附加的功能性和提高操作者友好性方面的工作。而且，由專門的OPC基金會工作實施的一致性測試促進了OPC產品質量的提高。過去，使用專用接口程序經常受限于單個應用程序?，F在一個應用程序能通過有若干個客戶機的OPC接口訪問OPC服務器。因而，能更靈活地訪問OPC服務器的功能性和內部數據。這種多客戶機能力不僅給本地PC帶來好處，還能通過DCOM(分布式組件對象模型)用在分布式網絡上。這樣，例如一個運行在辦公室計算機上的可視化系統不必購買附加的接口程序軟件就能與位于工廠車間內的OPC服務器鏈接在一起。OPC所具有的靈活性和高水平的機動能性，對于制造廠商和用戶來說分別可以從OPC得到以下的實惠：

* 設備開發者；可以使設備驅動器開發的單一化成為可能。* 應用程序軟件開發者：可以使用通用的開發工具。不必開發特別的接口，使得設備接口的開發更為簡單易行。* 用戶：可以選用各種各樣的商業軟件包，使得系統構成的成本大為降低。同時可以更加容易地實現由不同供應廠商提供的設備所混合構成的工業控制系統。隨著基于OPC標準的控制組件的推廣和普及，不僅使控制系統的增設和組件的置換，更加簡單，而且使過程數據的訪問也變得容易。比如，過程控制程序可以直接和數據分析軟件包或電子表格應用程序連接，從而達成高度的工廠控制系統的信息化。為此，可以詳細地分折出OPC怎樣解決你的問題?
5、OPC怎樣解決你的問題

應該說，OPC誕生以前，硬件的驅動器和與其連接的應用程序之間的接口并沒有統一的標準。例如，在FA-工廠自動化領域，連接PLC等控制設備和SCADA／HMI軟件，需要不同的FA網絡系統構成。根據某調查結果，在控制系統軟件開發的所需費用中，各種各樣機器的應用程序設計占費用的7成，而開發機器設備間的連接接口則占了3成。

此外，在PA-過程自動化領域，當希望把分布式控制系統(DCS-Distributed Control System)中所有的過程數據傳送到生產管理系統時，必須按照各個供應廠商的各個機種開發特定的接口,例如，利用C語言DLL(動態鏈路數據庫)連接的DDE(動態數據交換)服務器或者利用FTP(文件傳送協定)的文本等設計應用程序。如由4種控制設備和與其連接的監視、趨勢圖以及表報3種應用程序所構成的系統時，必須花費大量時間去開發分別對應設備A，B，C，D的監視，趨勢圖以及表報應用程序的接口軟件共計要用1 2種驅動器。同時由于系統中共存各種各樣的驅動器，也使維護運轉環境的穩定性和信賴性更加困難。而OPC是為了不同供應廠商的設備和應用程序之間的軟件接口標準化，使其間的數據交換更加簡單化的目的而提出的。作為結果，從而可以向用戶提供不依靠于特定開發語言和開發環境的可以自由組合使用的過程控制軟件組件產品。利用OPC的系統，是由按照應用程序(客戶程序)的要求提供數據采集服務的OPC服務器，使用OPC服務器所必需的OPC接口，以及接受服務的OPC應用程序所構成。OPC服務器是按照各個供應廠商的硬件所開發的，使之可以吸收各個供應廠商硬件和系統的差異，從而實現不依存于硬件的系統構成。同時利用一種叫做Variant的數據類型，可以不依存于硬件中固有數據類型，按照應用程序的要求提供數據格式。

利用OPC使接口標準化可以構成如圖5所示的系統。

從圖5可此看出,用戶可以不依存于設備A，B，C，D的內部結構及它的供應廠商，來選用監視，趨勢圖以及表報應用程序。

6、OPC適用于哪些地方

OPC是為了連接數據源(OPC服務器)和數據的使用者(OPC應用程序)之間的軟件接口標準。數據源可以是PLC，DCS，條形碼讀取器等控制設備。隨控制系統構成的不同，作為數據源的OPC服務器即可以是和OPC應用程序在同一臺計算機上運行的本地OPC服務器，也可以是在另外的計算機上運行的遠程OPC服務器。如圖6所示。

圖6中可看出，在控期制系統中OPC所占的位置。OPC接口既可以適用于通過網絡把最下層的控制設備的原始數據提供給作為數據的使用者(OPC應用程序)HMI(硬件監督接口)／SCADA(監督控制與數據采集)，批處理等自動化程序，以至更上層的歷史數據庫等應用程序，也可以適用于應用程序和物理設備的直接連接。所以OPC接口是適用于很多系統的具有高厚度柔軟性的接口標準。其OPC的應用范圍通過圖7可見。

既然提到OPC接口那末有必要對OPC接口的定義作說明

6.1 OPC接口定義說明

OPC接口定義了一定的組件類型，并確定這些組件必須具有哪些性能。這樣一種“服務提供者”人們稱作為OPC服務器。獨特的OPC服務器實現了已有通訊系統的連接。OPC服務器的服務用戶稱為OPC客戶機。OPC客戶機可以是操作和監控系統、歸檔系統和許多其他過程數據用戶。這種服務將通過面向對象的屬性和方法來體現。每一個OPC服務器都提供這種屬性和方式的程序段。因此，不同生產商組件產品之間的協作將不成問題一自動化技術軟件的即插即用技術。

6.2那OPC接口的應用?

在哪些情況下，用戶需要使用OPC接口?即提供過程數據的組件制造商(通訊系統、測量儀器等)，將組件和OPC服務器一起使用。OPC服務器可以與數據源連接。與數據源的通訊轉換組件是組件制造商的唯一職責。OPC服務器的用戶不用過問制造商的詳細細節。

OPC接口與具體應用無關，即使傳統的辦公應用程序都可自動化系統相連接；用戶將自己決定，不用考慮驅動器或接口，就可選擇安裝有OPC的自動化組件，既費勁又耗時地匹配驅動程序的工作將一去不復返,這樣特大大降低工程成本。

7、OPC有多強大?

為了定性地判斷OPC的性能,所選的儀器設備在Softing(軟性)進行了測試，使用兩臺商用PC機。配置有奔騰90處理器、48或64兆內存,故意選用低檔性能配置的計算機以排除好的測量結果是歸因于高性能的計算機，這兩臺計算機上的操作系統為Windows NT4.0。

對于本地的測試 ，一臺小型的OPC客戶機測試應用程序以及來自Softing的PROFIBUS DP OPC服務器安裝在一臺PC上.對于包含DCOM的分布式OPC應用程序的測試，OPC測試客戶機在第二臺遠程PC上啟動。在本地以及兩合計算機之間，5000個過程變量(一個非常實用的可視化系統)的變化值能在1秒內在OPC服務器和OPC客戶機之間傳送。對于只有500個過程變量的情況，只需100毫秒時間。因而 OPC被認非常適合于在很短的更新速率內采集大量的動態過程變量的應用場合。

這就是為什么除那些應用在過程可視化以及數據采集的產品。諸如S0ft-PLC 4CONTROL用于時間臨界的控制程序將完全基于OPC的原因。在這個配置中，遠程PC通過公司內部的網絡連接到第一臺PC。選擇測試的是由事件驅動數據傳送的每日報表。其中OPC服務器連續地產生數值，這些數值傳送給OPC客戶機。測試組重復地測試從第一次由NT(網絡終端)接口程序的高速緩存器讀出限定數量的數據值到全部數值收到后由OPC客戶機所確認的時間。結果是只有純粹的服務器與客戶機間的傳送時間需要考慮，而無須考慮從自動化設備采集數值的時間。

因為OPC在測試客戶機收到數據后就將其丟棄，因而，所有特定的應用流程如數據歸檔或可視化均包括在測試中。從不同時間連續測得的數值取平均值。傳送到OPC客戶機的數值其數量從1到5000，用于調查對傳送時間的依賴程度。

8、集成的OPC服務器

包括在4CONTROL系統中的“零工程”可視化特性自動地由IEC源代碼匯編生成，并且能夠通過標準的Internet瀏覽器在任何地方看到。萬一預生成的可視化不能滿足要求用戶能使用一個由SCADA(監督控制與數據采集)制造商提供的可視化系統軟件包。并通過OPC接口，4CONTROL能作為可視化專用的OPC服務器，OPC接口此時用于全部的過程可視化系統。所有IEC控制程序中的全部變量、功能塊、程序和任務作為OPC條目／OPC變量顯示在可視化窗口；通過集成的4CONTROLOPC服務器，用戶的輸入直接傳送到控制程序。隨著諸如OPC和4CONTROL作為控制程序的新標準，具有不同電源要求的硬件能用于具有不同偏離要求的工廠內。開放的OPC接口為客戶提供高度的自由度使客戶能夠擺脫制造商的要求，而使用現有技術及其它先進技術并具有高度的靈活性。

9、總結

使用OPC(OLE for process control)技術，第一次實現了不用考慮驅動程序和接口問題，就可以在自動化控制軟、硬件之間實行無縫鏈接。OPC基于Microsoft Windows的COM/DCOM技術，定義了工業應用領域,使用起來與制造商不相關的接口。即使是非常歡迎的Office程序，都可以連接到自動化的世界。OPC不僅給自動化組件的制造商提供了如此多的優點。用戶第一次在選擇它們的硬件和軟件模塊時具有充分的靈活性。通過標準化通信接口，多種供應商的產品能被組合、匹配在一起，并且在無需修改程序的情況下能夠相互作用。OPC使得即插即用在自動化應用中成為現實，并且還允許集成各種各樣的現場總線系統。將OPC提供眾多的優點歸納為：* 在過程控制和機器制造工業領域的“即插即用”

* OPC使自動化環境中的即插即用設想成為現實。OPC允許在不同供應商開發的硬件裝置和應用軟件之間通過共同的接口進行數據交換。Windows技術和OPC接口使之有可能將可編程序控制揣的硬件和軟件組合在一起，而不需要開發大量專用的通訊接口程序由此節省不少人力物力

* OPC使從辦公室產品到過程數據的訪問簡單易行而且靈活可靠。