OPC和即插即用技术,重点对OPC实际应用标准的发展

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OPC和即插即用技术,重点对OPC实际应用标准的发展

1.简介-OPC发展背景

自动化技术人员都有一个美好的梦想，是否能够实现自动化控制软件和硬件的通用连接。 不再考虑驱动和接口问题，即非常简单的Plug&Play{即插即用}。 使用OPC（OLE for ）可以帮助实现这个梦想。 用户当然对此感兴趣。 并且首先获得了自动化软件厂商的支持——**批OPC产品已在标准化委员会确定的日期之前投放市场。

就以往自动化领域的通信技术规范而言，很少有像OPC新技术标准那样引起如此轰动的。 OPC是OLE（OLE for）的缩写，用于过程控制。 如今，它已逐渐被自动化组件制造商发展成为事实上的新技术标准。 所谓OLE的意思是对象链接和嵌入式过程控制。

如今，软件在自动化领域的使用变得越来越重要。 无论项目涉及操作、可视化、数据归档还是控制，纯粹的、基于PC的软件解决方案的趋势都是不可阻挡的。 时间已经证明，这些软件解决方案不再作为单独的块开发，而是由专用的单独软件组件组成。 除了不兼容的通信接口之外，用可重用模块构建整个系统的能力以及这些模块所具有的灵活性似乎是无可替代的。 为了将这些软件模块整合在一起，需要时间和金钱来调整通信接口。 因此，数百种通信接口软件程序被开发出来，例如用于过程控制或可视化系统与外围设备通信的软件程序。 但与此同时，成本也大幅增加。

OPC（用于过程控制的 OLE）为这种情况提供了补救措施：OPC 可以组合软件组件，例如无需特殊调整即可相互通信的软件连接器。 因此，即插即用成为自动化的现实。 那么为什么需要OPC的问题就可以得到解答了吗？

2. 为什么需要OPC？

具体可以从以下两点来解释：

首先，对于早期的计算机系统来说，为了实现不同硬件和软件组成的计算机之间的数据交换和通信，需要花费大量的时间开发独立的通信程序。 但正是因为数据交换和通信的工业标准，才有可能将不同的计算机相互连接成一个像互联网这样的巨大网络。 因此，在开发企业信息系统时，如果采用符合行业标准的数据库和客户端-服务器接口，就可以将更有效的精力投入到应用程序本身功能的开发上。

其次，工业制造系统也存在同样的问题。 也就是说，不同供应商提供的机器和设备可以相互连接，无需专门的软件开发。 例如，在实现如图1所示的多层生产控制信息系统时，必须建立并普及从处理设备数据的现场设备层到进行过程处理的过程控制系统层，甚至到*高层的生产管理层。 工业标准将是一个优先事项。 在这种情况下自动化软件开发，利用 中的OLE/COM技术来标准化工业制造系统过程控制中的数据交换，正是OPC的初衷。

3.什么是OPC？

OPC 定义了一个开放接口，基于 PC 的软件组件可以在该接口上交换数据。 它基于 OLE（对象链接和嵌入）、COM（组件对象模型）和 DCOM（分布式 COM 技术）。 因此，OPC 提供了一种在自动化级别将工业应用和办公程序与典型现场设备连接的理想方法。

程序标准接口的引入将硬件制造商为其组件开发的接口程序数量减少到一个。 只需要开发一个OPC服务器的接口程序。 同样，软件厂商只需开发独特的通信接口程序即可。 --OPC客户端接口。 这不仅有利于制造商，也有利于*终客户。

这时就应该对上述基于COM技术的OPC进行详细分析。

3.1 基于COM技术的OPC

为了提供业务应用程序和专用软件包之间的互连性，微软开发了所谓的组件（组件）对象模型技术。 COM 是软件组件之间交换数据的有效方法。 是二进制和网络标准。 也是DCOM（X是目前广泛使用的OLE控制技术的更新和升级，它依托于COM技术，是OLE控制技术的重命名和重构）和OLE技术的核心。

COM技术具有以下特点：

* 所谓COM不是计算机语言，与运行的机器、机器的操作系统（只要支持COM）和软件开发语言无关。 它是一种二进制和网络标准，可以在任何两个软件组件之间相互通信。 。

* COM服务器是根据COM客户端的要求提供COM服务的程序，可以在Win32服务器上发布为可执行文件。

* COM客户端和COM服务器可以用完全不同的语言开发。 这使得用C++、Basic等不同语言开发的程序以及在Excel中用作宏的应用程序的Basic可以相互连接。

* COM组件可以以二进制形式发布给用户。

* 与过去DLL（动态链接数据库）版本管理的非常困难的问题相比，COM技术可以提供不同版本的COM服务器和COM客户端程序之间的*大兼容性。

* 作为COM技术的延伸，分布式COM技术还可以使COM组件分布在不同的计算机上，通过网络相互连接，并相互交换数据。 因此，对于COM客户端程序来说，连接远程计算机上的COM服务器与连接本地计算机上的COM服务器是一样的。 当然，通讯速度不一样，但重要的是不用修改服务器程序就可以在网络上使用。 以上使用COM和DCOM（分布式COM）自由配置组件互连如图2所示。

COM技术的出现为简单地实现控制设备与控制管理系统之间的数据交换提供了技术基础。 然而，如果不提供工业标准化的COM接口，各控制设备制造商开发的COM组件之间的互连仍然是不可能的。 提供此类行业标准就是OPC 的目的。 总而言之，OPC是一种被定义为行业标准的特殊COM接口。

3.2 OPC与DDE的比较

在OPC技术出现之前，DDE（动态数据交换）技术曾经为过程控制做出了巨大的贡献。 但DDE是一种基于信息传输的技术，因此DDE技术存在以下问题：

* 数据传输速度慢

* 无安全管理机制

* 开发困难

* 功能缺乏灵活性

* 可靠性也不尽如人意

因此，顺理成章的是，基于先进COM技术的OPC技术将逐渐取代目前在过程控制中广泛应用的DDE。 随着OPC技术的引入，与过去的DDE技术相比，它表现出以下几个方面的优越性：

* 高速数据传输性能

* 基于分布式COM的安全管理机制

* 降低开发成本

* 实现具有高灵活性功能的系统

* 实现高可靠性系统

图3是分别使用OPC和DDE的数据传输性能的实验结果示例。 从这里我们也可以看出OPC技术在传输速度上的优越性。

4. 用户如何从OPC中受益？

过去，通常只有有限的接口程序与专用自动化组件兼容。 众所周知，不可能为所有专用接口开发接口程序。 今天明显的创新是用户可以通过 OPC 将任何可视化或控制系统与他们选择的任何硬件（即 PC 插件板）结合起来，如图 4 所示。从图 4 中可以看出，OPC 标准软件总线能够实现各种现场总线系统的集成，例如网络、（开放控制区域）网络、Net（设备网络）等。图4也可以深刻地反映OPC与现场总线标准化之间的关系：OPC提供了超越的重要附加性能现场总线，而现场总线领域标准化的主要目标是快速可靠的数据传输。 OPC 支持标准通信，任何 OPC 服务器和应用软件都可以毫无问题地在网络上运行。

图4是国际公认的开放式现场总线标准，是国际标准的组成部分。 接口程序和OPC服务器质量的提高进一步扩展了这一优势。 制造商可以集中精力开发独特的OPC服务器，因为他们不必处理众多的接口程序，而是可以将精力投入到添加附加功能上。 性能并提高操作员友好性。 此外，OPC 基金会专门致力于实施的一致性测试有助于提高 OPC 产品质量。

过去，专有接口的使用通常仅限于单个应用程序。 现在，应用程序可以通过 OPC 接口与多个客户端访问 OPC 服务器。 这提供了对 OPC 服务器的功能和内部数据的更灵活的访问。 这种多客户端能力不仅给本地PC带来好处，而且还可以通过DCOM（分布式组件对象模型）在分布式网络上使用。

例如，通过这种方式，在办公室计算机上运行的可视化系统可以链接到位于工厂车间的 OPC 服务器，而无需购买额外的接口软件。

OPC 的灵活性和高水平移动性可以为制造商和用户提供以下 OPC 优势：

* 设备开发商； 可以使单一设备驱动程序的开发成为可能。

* 应用软件开发人员：可以使用常用的开发工具。 无需开发特殊接口，使得设备接口的开发更加简单、容易。

* 用户：多种商业软件包可供选择，大大降低系统建设成本。 同时，更容易实现由不同供应商提供的设备混合组成的工业控制系统。

随着基于OPC标准的控制组件的推广和普及，不仅使控制系统的添加和组件的更换变得更加简单，而且过程数据的访问也变得更加容易。 例如，过程控制程序可以直接连接到数据分析软件包或电子表格应用程序，以实现工厂控制系统的高度信息化。

为此，您能详细分析一下OPC是如何解决您的问题的吗？

5.OPC如何解决您的问题？

应该说，在OPC诞生之前，硬件驱动程序和与之相连的应用程序之间的接口并没有统一的标准。 例如，在FA工厂自动化领域，连接PLC和SCADA/HMI软件等控制设备需要不同的FA网络系统配置。 据调查，在开发控制系统软件的成本中，各种机器的应用程序的设计占成本的70%，而机器与设备之间的连接接口的开发则占30%。

另外，在PA-过程自动化领域，当想要将集散控制系统（DCS-）中的所有过程数据传输到生产管理系统时，必须根据各个供应商的各个型号开发特定的接口，例如，使用 C 设计应用程序，例如使用 FTP（文件传输协议）连接到语言 DLL（动态链接数据库）或文本的 DDE（动态数据交换）服务器。 例如，当一个系统由四种类型的控制设备和与其连接的三种应用组成：监控、趋势图和报表时，必须花费大量时间来开发与设备A对应的监控、趋势图和表格， B、C、D。应用接口软件共使用12种驱动程序。 同时，由于系统中多种驱动程序并存，维护运行环境的稳定性和可靠性也变得更加困难。

OPC的提出是为了标准化不同厂商的设备和应用程序之间的软件接口，简化它们之间的数据交换。 从而可以为用户提供可以自由组合使用的过程控制软件组件产品，而不依赖于特定的开发语言和开发环境。

使用OPC的系统由根据应用程序（客户端程序）的要求提供数据收集服务的OPC服务器、使用OPC服务器所需的OPC接口以及接收该服务的OPC应用程序组成。 OPC服务器是根据各个供应商的硬件来开发的，这样就可以吸收各个供应商的硬件和系统的差异，从而实现不依赖于硬件的系统配置。 同时，使用一种称为数据类型的数据类型，可以根据应用程序的要求提供数据格式，而不依赖于硬件中固有的数据类型。

利用OPC标准化接口可以形成如图5所示的系统。

从图5可以看出，用户可以选择独立于设备A、B、C、D及其供应商的内部结构的监控、趋势图和报告应用程序。

6.OPC适用于哪些地方？

OPC是一种用于连接数据源（OPC服务器）和数据用户（OPC应用程序）的软件接口标准。 数据源可以是PLC、DCS、条码阅读器等控制设备。 根据控制系统的构成，作为数据源的OPC服务器可以是与OPC应用程序运行在同一台计算机上的本地OPC服务器，也可以是运行在另一台计算机上的远程OPC服务器。 如图6所示。

从图6可以看出OPC在控制系统中占据的位置。 OPC接口可通过网络、HMI（硬件监控接口）/SCADA（监控和数据采集）、批处理等自动化方式，将*底层控制设备的原始数据提供给数据用户（OPC应用程序）程序，甚至历史数据库等更高级别的应用程序，也可以应用于应用程序和物理设备之间的直接连接。 因此，OPC接口是一种厚度高、灵活性强、适合多种系统的接口标准。 OPC的应用范围如图7所示。

既然提到了OPC接口，就有必要解释一下OPC接口的定义。

6.1 OPC接口定义说明

OPC 接口定义了某些组件类型并确定这些组件必须具有哪些属性。 这样的“服务提供者”称为 OPC 服务器。 独特的 OPC 服务器可以连接到现有的通信系统。 OPC服务器的服务用户称为OPC客户端。 OPC 客户端可以是操作和监控系统、归档系统和许多其他过程数据用户。 该服务将通过面向对象的属性和方法来实现。 每个 OPC 服务器都提供具有此属性和模式的程序段。 因此，不同制造商的组件产品之间的协作不会成为问题——自动化技术软件的即插即用技术。

6.2 OPC接口有哪些应用？

用户在什么情况下需要使用OPC接口？ 即，提供过程数据（通信系统、测量仪器等）的组件制造商将组件与OPC服务器一起使用。 OPC服务器可以与数据源连接。 与数据源的通信转换组件由组件制造商全权负责。 OPC服务器的用户无需向制造商询问具体细节。

OPC接口与具体应用无关。 即使是传统的办公应用程序也可以连接到自动化系统； 用户自己决定，不考虑驱动程序或接口，可以选择安装带有OPC的自动化组件，匹配驱动程序既费力又费时。 工作将永远消失，这大大降低了项目成本。

7.OPC有多强大？

为了定性判断 OPC 的性能，使用两台商用 PC 对所选仪器进行了测试（软件）。 这些计算机配置有 90 处理器和 48 或 64 MB RAM。 故意选择低端性能配置的计算机，以排除良好的测量结果归因于高性能计算机。 这两台计算机上的操作系统是NT4.0。

对于本地测试，小型 OPC 客户端测试应用程序与 DP OPC 服务器一起安装在一台 PC 上。 为了测试包括 DCOM 在内的分布式 OPC 应用程序，OPC 测试客户端安装在第二台远程 PC 上。 开始。

5000个过程变量的变化值（非常实用的可视化系统）可以在OPC服务器和OPC客户端之间1秒内本地传输以及两台计算机之间传输。 对于仅 500 个过程变量，这只需要 100 毫秒。 因此，OPC 被认为非常适合在短时间内收集大量动态过程变量的应用程序。

这就是为什么除了过程可视化和数据收集中使用的产品之外。 用于时间关键目的的控制程序（例如 S0ft-PLC）将完全基于 OPC 原因。 在此配置中OPC和即插即用技术,重点对OPC实际应用标准的发展，远程 PC 通过公司内部网络连接到**台 PC。

选择进行测试的是事件驱动数据提供的每日报告。 OPC服务器不断生成值，并将其传输到OPC客户端。 测试组反复测试从**次从NT（网络终端）接口程序的缓存中读取有限数量的数据值到OPC客户端收到所有值后确认的时间。 结果是只需要考虑服务器和客户端之间的纯粹传输时间，而不是从自动化设备收集值的时间。

由于 OPC 在测试客户端收到数据后立即丢弃数据，因此所有特定于应用程序的过程（例如数据归档或可视化）都包含在测试中。 不同时间连续测量的值取平均值。 传输到OPC客户端的值的数量范围为1到5000，用于调查对传输时间的依赖性。

8. 集成OPC服务器

系统中包含的“零项目”可视化功能是从 IEC 源代码汇编自动生成的，并且可以通过标准浏览器在任何地方查看。 如果预先生成的可视化效果不满足要求，用户可以使用 SCADA（监控和数据采集）制造商提供的可视化系统包。 并且通过OPC接口，可以作为可视化专用的OPC服务器。 OPC 接口现已用于所有过程可视化系统。 所有IEC控制程序中的所有变量、功能块、程序和任务都以OPC条目/OPC变量的形式显示在可视化窗口中； 用户输入通过集成服务器直接传输到控制程序。

借助OPC和AS控制程序等新标准，可以在具有不同偏差要求的工厂中使用具有不同功率要求的硬件。 开放的OPC接口为客户提供了高度的自由度，让客户摆脱制造商的要求，以高度的灵活性使用现有技术和其他先进技术。

9. 总结

利用OPC（OLE for）技术，首次可以实现自动化控制软件与硬件之间的无缝链接，而无需考虑驱动程序和接口问题。

基于OPC的COM/DCOM技术定义了工业应用领域，并使用独立于制造商的接口。 即使非常流行的程序也可以连接到自动化世界。

OPC 不仅为自动化组件制造商提供了如此多的优势。 用户**次可以完全灵活地选择硬件和软件模块。 通过标准化的通信接口，多个供应商的产品可以组合、匹配在一起并相互交互，而无需修改程序。 OPC 使自动化应用中的即插即用成为现实，并且还允许集成各种现场总线系统。 OPC 提供的诸多优点可概括如下：

* 过程控制和机械制造行业中的“即插即用”

* OPC 使自动化环境中的即插即用愿景成为现实。 OPC允许不同厂商开发的硬件设备和应用软件之间通过通用接口进行数据交换。技术和OPC接口使得可编程控制硬件和软件的结合成为可能，而无需开发大量专用通信接口程序，从而节省了成本。大量的人力、物力。

* OPC 使从办公产品访问过程数据变得简单、灵活和可靠。

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