OPC和以太網技術在現場總線中的應用

趙 峰 ，王 霞

（泰州職業技術學院，江蘇泰州 225300）

OPC和以太網技術在現場總線中的應用

趙 峰 ，王 霞

（泰州職業技術學院，江蘇泰州 225300）

文章介紹了OPC和以太網技術在現場總線控制網絡中的應用，分別說明了OPC技術和工業以太網的相關特點。通過分析OPC/DA和OPC/DX技術規范以及以太網技術的特點，給出了基于OPC/DA和OPC/DX的現場總線控制網絡架構，并提出了一種將以太網和現場總線控制網絡相互集成的方案。

現場總線；OPC；以太網；現場控制網絡

現場總線是一種應用于生產現場，在智能控制設備之間實現雙向、多節點的串行數字通信系統，是一種開放的、數字化的、多點通訊的底層控制網絡，具有可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、通訊速率快等特點。然而，現場總線控制網絡在實際應用中仍存在諸多的問題。針對當前多種現場總線在工業控制中的應用，以及由此產生的不同現場總線相互之間數據交換的問題，可采用OPC技術來實現不同現場總線協議之間的互連和互操作。

1 OPC技術介紹

OPC（OLE forProcess Control規范是由OPC基金會以微軟作為技術支持制定的一項工業標準，是實現控制系統現場設備級與過程管理級進行信息交互的關鍵技術，也是實現不同現場總線協議之間互操作的重要手段。它以組件對象模型和分布式組件對象模型（COM/DCOM）技術為基礎，采用客戶/服務器模式。其中OPC服務器是數據的供應方，負責為OPC客戶提供所需的數據；OPC客戶是數據的使用方，處理OPC服務器提供的數據。不管現場設備以何種形式存在，OPC服務器都以統一的方式去訪問，從而保證軟件對用戶的透明性，使用戶完全從底層的開發中脫離出來[1]。

OPC服務器規定了兩套接口：定制接口（Custom Interface）和自動化接口（A utom ationInterface）。其中，定制接口是OPC服務器必須提供的，自動化接口是可選的。OPC客戶既可以支持COM的定制接口，也可以使用自動化接口[2]。典型OPC結構體系如圖1所示。

圖1 典型OPC體系結構

按照功能不同，OPC基金會發布的OPC規范說明中分為3類接口，它們分別是：

（1）OPC數據訪問接口（OPCD Ata Access）OPC數據存取規范（OPC/DA）是OPC基金會最初制定的一個工業標準，其重點是對現場設備的在線數據進行存取。OPC/DA中主要包括3類對象，分別是服務器對象、組對象和項對象。其中，OPC服務器對象包含服務器的所有信息，同時也是組對象的容器。一個服務器對應于一個OPC服務器，在一個服務器中可以有若干組對象。OPC數據項表示與OPC服務器中數據的連接，通常指向設備的一個寄存器單元，數據項不提供對外接口，客戶不能直接對之進行操作，所有操作都是通過組對象進行的。

（2） OPC報警和事件接口（OPC Alarm and Events）OPC/A E主要負責讓服務器在特定的事件或報警條件發生時及時通知客戶，分別稱相應的服務器與客戶為A E服務器與A E客戶。

（3）OPC歷史數據訪問接口（OPC HistoricalData Access）歷史數據服務器可以向關心歷史數據的客戶提供有關的歷史信息源。從數據集成角度來考慮，歷史數據庫可以看做是另一種類型的數據庫。OPCH DA服務器可以是一個獨立執行的OPC歷史數據服務器，它收集OPCH DA服務器或者其他數據源的數據，并把它發布給OPC H DA客戶。OPCH DA服務器也可以是在企業現有的歷史服務器上實現的一套OPCH DA接口[3]。

2 OPC技術與現場總線

現場總線控制系統憑借其開放性、分散性和可互操作性等特點，正成為新型工業控制系統的發展方向，但由于支持各種現場總線技術的各集團間的利益競爭，多種現場總線協議標準共存是不爭的客觀事實。例如Device Net、Lon Works、Pro Fi Bus、基金會現場總線F F等。

由于現場總線種類繁多，如何實現信息的集成和共享是必須面對的問題。考慮到各種現場總線控制系統的通用性，通信協議可以普遍采用OPC技術作為開發標準。此外，OPC還規范了一整套的接口函數、屬性和方法，可以實現工業自動化系統中軟件的互操作和無縫集成，以及現場監測、控制設備的即插即用，大大提高多現場總線控制系統的互操作性。

2.1 基于OPC/DA的現場總線系統

OPC數據訪問規范簡化了不同總線標準之間的數據訪問機制，為不同總線標準提供了通過標準接口訪問現場數據的基本方法。OPC/DA服務器屏蔽了不同總線通信協議之間的差異，為上層應用程序提供統一的訪問接口，可以很容易地在應用程序層實現對來自不同總線協議的設備進行互操作。可見，OPC/DA規范有效解決了現場信息在控制網絡中縱向傳輸問題。

利用OPC/DA規范對現場數據的訪問機制如圖2所示。OPC/DA服務器通過主設備訪問現場總線設備中的數據信息，并將這些數據用統一的OPC/DA接口形式進行組織，從而可以被任何一個具有OPC/DA訪問接口的上層應用程序所訪問；上層應用程序只需要開發一個OPC/DA訪問接口程序，就可以訪問任何一種總線所提供的OPC/DA服務器，而不必針對每一種總線協議開發不同的訪問接口和硬件驅動程序[4]。

圖2 基于OPC/DA的現場總線系統

由設備生產商開發針對自己產品的OPC/DA服務器，不僅可以利用技術優勢縮短開發時間和提高產品性能，而且可以很好地解決數據訪問沖突的問題。當多個應用程序同時訪問一個現場設備時，如果該設備沒有處理并發請求的能力，會造成訪問失敗甚至使該設備不能正常工作。采用OPC技術后，一方面，設備生產商在針對自己的總線設備開發OPC/DA服務器時，可以根據設備的具體性能特點進行適當的訪問調度，以避免造成訪問沖突。另一方面，上層應用程序的開發人員可以致力于更好地滿足用戶的要求，而不必考慮應用程序與總線設備數據訪問的問題。

2.2 基于OPC/DX的現場總線系統

數據交換規范OPC/DX（OPCD Ata Exchange）提供了在以太網上服務器端到服務器端可互操作的數據通信方法，使得系統間可以使用相同的標準交換數據，而無需擔心協議轉換的問題。這樣一個OPC服務器就能直接與另一個OPC服務器相連，使得駐留在不同體系中的現場總線控制器上的服務器數據可以直接交換，從而很好地解決現場信息在控制網絡中的橫向傳輸問題。

圖3 基于OPC/DX的現場總線系統

現場控制層作為企業整個信息系統的底層部分，必然需要與生產過程管理層和經營決策層進行集成，因此也存在著監控計算機如何與其他計算機進行信息溝通和信息傳遞等相關問題。由于控制系統往往是不同廠商開發的專用系統，為了解決現場信息在不同種類控制網絡中傳輸的問題，可以采用如圖3所示的基于OPC/DX的現場總線集成方案。

3 以太網技術與現場總線

以太網是目前應用最為廣泛的局域網，它以其先進的技術、低廉的價格、高度的靈活性和可靠性，在當前的網絡中廣泛流行。以太網區別于其他網絡的重要特點是，它采用的介質訪問控制方法CSMA/CD是一種非確定性或隨機性通信方式，其基本工作原理是：某節點要發送報文時，首先監聽網絡，如網絡忙，則等到其空閑為止，否則將立即發送，并同時繼續監聽網絡。如果兩個或更多的節點監聽到網絡空閑并同時發送報文時，將會發生碰撞，同時節點立即停止發送，并等待一段隨機時間后重新發送。多次碰撞后，控制器將停止發送并向節點微處理器回報失敗信息。

隨著現場總線控制網絡的發展，信息管理決策層需要了解的底層信息會越來越多。然而，企業管理層網絡的數據報文通常都比較長，吞吐量也較大，因此要求網絡必須具有較大的帶寬。如果采用以太網的TCP/IP技術，就會大大提高數據傳輸效率，從而進一步提高工業控制要求的實時性。基于以上兩方面原因，將以太網和現場總線控制網絡進行集成勢在必行。

3.1 以太網應進入現場控制網絡的瓶頸和對策

（1）實時性。實時控制往往要求對某些變量的數據準確定時刷新。由于以太網采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問的媒體訪問控制方式，在網絡負荷較高時，以太網上存在的數據碰撞成了主要問題，因為它極大地影響了數據吞吐量和傳輸延時。而且在一系列碰撞后，數據報文可能會丟失，因此節點與節點之間的通信將無法得到保障。然而，對于工業現場控制網絡，以太網的這種網絡傳輸延時和通信“不確定性”會導致系統控制性能下降，甚至會引起系統振蕩；在有緊急事件信息需要發送時，還會因報警信息不能及時得到響應，而導致災難事件的發生，成為以太網應用于工業控制網絡的主要障礙之一。

為了解決實時性問題，可以采取諸多的措施：采用工業以太網交換機；采用全雙工的通信模式；使用虛擬局域網技術和優先級服務等。

（2）可靠性。由于以太網絡是針對辦公自動化設計的，它所用的接插件、集線器、交換機和電纜等抗干擾性能都較差，不符合工業現場惡劣環境的要求。因此它在惡劣的工業環境中是不能很好地進行工作的。而現場總線控制網絡有本質安全防爆的要求，并且能夠抗擊各種電磁干擾，從而保證數據傳輸的正確性和可靠性。為了滿足可靠性的要求，主干網可采用光纖傳輸，現場設備的連接則可采用屏蔽雙絞線，對于重要的網段還可采用冗余網絡技術，以此提高網絡的可靠性和系統抗干擾的能力。

（3）總線供電。所謂總線供電是指連接到現場設備的線纜不僅傳送數據信號，還能給現場設備提供電源。對需要防爆隔離的危險場所，總線供電的意義十分重要，而以太網原來主要用于商業場所，沒有總線供電的要求。目前可采用直接電源耦合、電源冗余管理等總線供電技術實現總線供電的以太網集線器。另外，可以在以太網標準的基礎上適當地修改物理層的技術規范，將以太網的曼徹斯特信號調制到直流或低頻交流上，在工業現場再將這兩種信號分離出來[5]。

3.2 以太網與現場總線控制網絡的集成

將以太網技術與現場總線相結合，可以有多種途徑，比如借助于轉換接口，采用統一的協議標準，采用動態數據交換技術（D D E）等。

利用多個數據網關來實現以太網和現場總線控制網絡的集成，集成后的系統結構如圖4所示。從圖中可以看出，以太網通過多個數據網關和現場總線控制網絡互連，可以訪問和監控現場總線控制網絡中的任何節點，從而很好地實現以太網和現場總線控制網絡的集成[6]。其中，網關構成網絡間數據傳輸的通道，實現不同網絡通信協議的轉換，具備互連網絡雙方都能識別的統一尋址方式，還有統一數據幀格式。

圖4 以太網與現場總線集成結構

現場總線的協議與通用的以太網協議相比，雖然在層次結構上相似，但在內容上卻大相徑庭。因此，要將控制網絡中的特定信息提取出來，又不影響原有系統的功能，只有在遵循現場總線的協議規范下，對現場總線的數據報文進行解釋，而后提交給數據網關，通過數據網關解析出所需要的數據信息。對于從數據網關送來的信息，也必須依據現場總線的協議規范，轉換為相應的現場總線控制報文，隨后發送到現場總線控制網絡系統中，實現對網絡節點的訪問控制。

4 結論

OPC技術提供了標準化訪問接口，它將底層硬件驅動程序和上層應用程序的開發有效地分隔開，應用程序可以使用一致的方式訪問設備中的數據，有效實現了不同現場總線協議之間的互連與互操作。以太網技術的日趨成熟也為現場總線控制網絡的發展帶來了新的契機。將以太網技術融入現場總線，信息管理決策層能夠更加及時地掌握底層信息，從而大大提高數據的傳輸效率，很好地滿足工業控制的實時性要求。

[1]陳丹丹等.OPC在現場控制網絡中的應用[J].微計算機信息,2005,21（21）:62-63.

[2]姚曉偉等.基于OPC技術的現場總線系統集成研究[J].天津理工大學學報,2005,21（4）:12-15.

[3]OPC Foundation.OPC Data Access Custom Interface Specification[S],2003.

[4]呂勇等.OPC技術在現場總線互操作中的應用[J].儀表技術與傳感器,2004,6（3）:39-40.

[5]馬世平等.現場總線標準的現狀和工業以太網技術[J].機電一體化,2007,（3）:6-8.

[6]張玉春等.如何實現以太網與現場總線控制網絡的集成[J].電器工業,2007,（6）:62-64.

Application of OPC and Ethernet Technology in FCS

ZHAO Feng,WANG Xia
（Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China）

The article describes how to apply OPC and Ethernet technology in the field bus control network,analyzing the characteristics of OPC and Ethernet.By analyzing the OPC/DA and OPC/DX technical specifications,as well as the features of Ethernet technology,it gives the field bus control network architecture,which is based on the OPC/DA and OPC/DX,and proposes a way to integrate Ethernet and fieldbus control networks.

FCS；OPC；ethernet；field control network

TP393文獻標設碼：A

1671-0142（2011）02-0063-04

趙峰（1979-）,男,江蘇揚州人,講師.

（責任編輯李冠楠）