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OPC服务器在SCADA系统中的应用研究
介绍了OPC技术的原理和特点,分析了OPC数据存储的规范,根据OPC数据规范对OPC标准接口进行实现。针对实际工业中上位机组态软件WinCC6.0直接读取牛顿7000系列模块的采集信号较为困难,提出利用OPC技术开发服务器,采集牛顿模块数据,通过对OPC服务器的访问,便可实现上位机组态软件对数据的访问,解决了从不同硬件厂商获取数据的难题。
1 引言
目前，工业控制中的各种仪器、仪表、PLC和单片机系统等都提供了与计算机的通讯协议，为计算机控制系统的设计提供了极大的方便。但是，由于不同的厂商提供的协议不同，甚至同一厂商的不同类型设备和计算机通信的协议也不相同，所以要与这些设备交换数据编写接口程序就比较复杂。近年来，OPC技术的出现很好地解决了这一难题。
2 OPC数据访问服务器开发概述
2．1 COM概述
COM即组件对象模型，是关于如何建立组件以及如何通过组件建构应用程序的—个规范。将单个应用程序分隔成多个独立的应用部分，也即组件。如图1所示，组件对象模型(COM)对象是—个使用COM规格的可以重复使用的软件组件。
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图1 单个应用程序分隔成多个应用组件
对使用组件集成的开发者来说，一个组件就是一个接口集，只有通过接口才能与组件通信，而对于组件来说，接口是包含一个函数指针数组的内存结构。每个指针数组元素的内容是—个由组件所实现的函数的地址。
类似于C++语言中类的概念，COM对象也包括属性和方法，
对象的属性反映了对象的存在，也是区别于其他对象的要素：而对象所提供的方法就是对想提供给外界的接口，客户必须通过接口才能获得对象的服务。
COM组件的位置对客户来说是透明的，因为客户并非直接去访问COM组件，客户程序通过—个全局标识符进行对象的创建及初始化工作。COM规范采用了128位全局唯一标识符GUID来标识COM对象。
2．2 OPC服务器的通用结构
OPC是一种客户朋匮务器模式。OPC服务器提供接口，OPC客户使用接口访问和管理OPC对象．OPC规范提供了两套标准接口：Custom标准接口(又称COM接口)，OLE自动化标准接口。COM接口效率高通过该接口客户能够发挥OPC服务器的最佳性能，是专门为c++等高级编程语言而制定的标准接口。自动化接口通常是为基于脚本编程语言而定义的标准接口。OPC自定义接口是服务器必须提供的，而自动化接口不一定提供。
3 OPCDA服务器实现的整体结构
OPCDA服务器的整体结构，如图2所示。
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图2 OPCDA服务器的整体结构
3．1 OPC对象与接口设计
3．1．1 OPC对象
oPc对象主要由服务器对象、组对象和项对象组成。
oPcServer：OPC服务器对象维护服务器的有关信息并包容OPC组对象，可以动态地创建或释放组对象。
OPCGroup：OPC组对象维护有关其自身的信息并包容OPC项，逻辑上管理OPC项。
OPCItem：存储具体Item的定义、数据值、状态值等信息。
总的来说：服务器对象和组对象实现了聚合关系，即OPC服务器对象创建OPC组后，将组对象的指针传递给客户，由客户直接操纵组对象．而组对象只是简单地包容OPC对象。OPC项不可以由OPC客户直接操作，因为OPC项没有定义外部接口，所有对OPC项的操作都是通过包容该项的OPC组对象进行的。OPC服务器通过浏览地址空间的功能供客户程序来查看OPC服务器可用的ITEM信息。IOPCBrowse Server Address Space接口实现OPC服务器这个功能。
3．1．2 OPC接口设计中的关键问题
(1)进程内和进程外服务器的实现
COM组件是以win32动态链接库(DLLs)或可执行文件(EXEs)的形式发布的可执行代码组成。若应用程序已经是一个EXE文件，那么就使用EXE实现组件。EXE中的组件和客户将在不同的进程中运行，而与此不同，DLL将被映射的到链接它们的EXE文件的进程空间中。所以DLL也被称作进程内服务器，而EXE则被称作是进程外服务器。EXE也被称作本地服务器，以同另外一种进程外服务器——远程服务器相区别。远程服务器指的是运行于另外—个不同的机器上的进程外服务器。
进程内服务器的实现：先将相应的DLL装载到进程空间中并刨建此组件。组件中客户所需的所有函数都通过—个IUnknown()接口指针而访问到，因此需要在DLL中输出Createlnstance函数以便客户可以调用它，这是DLL中唯一需要客户显式链接的函数。
进程外服务器的实现：每—个EXE都有自己的进程空间，所以客户组件之间的交互就会跨越进程边界。DLL中组件同其客户共享相同的地址空间，组件把一个接口传给客户。—个接口实际上就是—个函数指针的数组。为调用接口中的函数，客户必须能够访问同接口相关联的内存，DLL是很容易实现的。
(2)OPC数据访问的方法
OPC规范规定了两种通讯方式：同步通讯方式和异步通讯方式。
同步通讯方式：OPC客户程序对OPC服务器进行相关操作时，OPC客户程序必须等到OPC服务器对应的操作全部完成以后才返回，在此期间，OPC客户程序一直处于等待状态。因此在同步通讯时，如果有大量的数据进行操作或者很多OPC客户程序对OPC服务器进行读、写操作，必然造成OPC客户程序的阻塞现象。所以同步通讯适合于OPC客户程序较少．数据量小的场合。
异步通讯方式：OPC客户程序对服务器进行相关操作时，OPC客户程序操作后立刻返回，不用等待OPC服务器的操作，可以进行其他操作。当OPC服务器完成后再通知OPC客户程序。因此相对于同步通讯而言，异步通讯的效率更高，适合于多客户访问同一0PC服务器和数据量比较打的场合。
3．1．3 OPC对象与接口部分的实施
OPC对象与接口部分是OPC服务器程序与客户程序进行交互的部分，需要与数据存储区和硬件驱动部分相联系，以便获得
(1)继承OPC规范中定义的OPCserver类、OPCgroup类和OPCItem类，实现其接El成员函数。具体实现时可从IUnknown派生出的CMyServer，CMyGroup和CMyltem三个类来分别代表服务器对象、组对象和项对象。服务器对象仅有IUnknown—个接口，需要增加OPC规范OPC定义的标准接口及实现其功能。组对象及其接口功能的实现与之类似。OPC项没有自己的接口，无需实现任何接口功能，只需增加相应的功能P痢数。OPC客户程序通过OPC组对象的接口函数来间接调用OPC项的这些成员函数。
(2)定义OPCDA服务器的名称ProglD和类标识CLSID。类标识可用VC包含的UUIDGEN或GUIDGEN程序自动产生。然后根据规范对各个接口ID进行定义。
(3)实现OPC数据服务器类厂对象。
(4)将OPC对象设计的头文件和实现文件添加到工程中。接着在应用程序类的初始化函数中完成COM库初始化、类厂注册功能。
3．2数据存储区
在读取数据时，客户可以选择从CACHE读数据或从DEVICE读数据。由于直接从数据提供设备读取数据速度比较慢，所以为了提高数据读取速度，OPC服务器按照一定的刷新率把数据读迸—个数据缓存区(CACHE)，当客户需要数据时可以直接从数据缓存区读取数据。而直接从设备读取数据主要用于在一些诊断操作或一些关键操作中。
数据存储区中存放着数据项，它与OPC部分的项对象不—样，项对象包含了—些客户需要得到的基本信息，侧重点是与上层组对象和服务器对象的联系，存储Ⅸ的数据项侧重点是与底层硬件的连接，主要包含与硬件相关的属性。客户程序通过组对象添加OPC项时将OPC项与数据项关连起来，读取数据时返回其基本属性，对客户来讲是透明的，不直接接触数据存储区。数据存储区需要动态地管理和维护数据项，并与其他部分尚亍数据交互。
4 OPCDA服务器开发方法
OPCDA服务器开发的三种方法：使用MFC的COM库函数开发OPC服务器、通过ATL开发OPC服务器和利用开发工具快速开发0Pc服务器。
MFC通过多重继载的方式来实现COM对象，具有简单，易于管理、能够深入地掌握COM内部技术细节等特点。但是需从底层开始编写代码，工作繁琐，工程比较复杂。
ATL是通过多继载的方式来实现COM对象，然后在COM类中实现COM接口，ATL是专门用来开发小型的、快速的COM组件，其代码也是经过优化的。但最大不足是不仅要熟悉COM机制，还需深入理解ATL各个模板类间的关系及许多原始的WINDOWS API。
对于第三种方法，开发工具将OLE／COM／DCOM技术和OPC技术细节隐藏起来，使用户开发OPC服务器的工作集中在自己特定的数据采集任务上来，能提高OPC服务器程序的开发速度和质量，但快速开发工具的某写实现部分是通过DLL的形式封装起来，当用户需要增加某些功能时会受到一定的限制。
根据硬件的种类和特性，自行开发驱动程序，或者调用硬件厂商提供的I／O DLL实现对现场设备进行设置以及数据存取的功能。
5 OPC客户程序WinCC实现对服务器的访问
上位机组态软件WinCC西门子公司研发的，它本身支持OPC协议，既可以用做是OPC服务器，也可以当作是OPC客户端。WinCC软件中给客户提供了OPC条目管理器，OPC条目管理器列出了当前可用的OPC服务器名称，选择需要访问的OPC服务器，便可以访问到服务器中通过硬件设备采集到的数据。
6 结束语
通过对OPC服务器的设计，实现了上位机组态软件WinCC对牛顿7000系列模块的数据访问与实时监控，解决了工业生产中从不同硬件厂商获取数据的难题，实现了系统开放性的要求。