基于OPC的建筑智能化系統的集成結構模式研究

薛青輝

(陜西建工集團總公司，陜西西安710003)

建筑智能化系統集成就是將建筑中分散的設備、信息點通過計算機網絡成為一個互聯互通、統一協調的系統，為人們創造一個高效、方便、安全、舒適、節能、環保的建筑環境。建筑智能化系統集成經歷了采用傳統的集散控制系統到現場總線控制系統的發展階段。

1 智能建筑系統集成的主要模式

1.1 基于子系統平等方式的集成

這種系統集成方式就是各個子系統之間有著平等的地位，而且相互獨立。一個子系統停機不會對其他的系統造成影響。通過開放的工業標準接口可以使子系統中的實時數據轉換成統一格式，并在系統集成數據庫中存儲。基于子系統平等方式的系統集成模式易于管理、維護以及發展，能統一的監控和管理集成中的各個子系統，它采用的軟、硬件接口符合國際標準，可以通過系統核心調度程序來統一監控各個子系統，從而實現各個智能化系統中的信息互換功能。該系統對不同設備制造商子系統的集成都比較適用，可以節約系統集成的成本。

1.2 以BAS為中心的系統集成

這種模式可以實現BAS與安全防范系統、火災自動報警系統之間的集成，增加信息通信、控制管理模塊可監視和聯動SAS、FAS、CAS，各系統圍繞BAS，通過BAS的中央監控計算機實現聯動功能。這樣方法的優勢在于它可以利用BAS中的網關轉換功能實現各子系統之間的連通，它的弊端是如果BAS系統出現故障，其他的子系統也會失去監控。這種集成模式在我國得到了普遍的運用。

在實際工程中，以BAS為中心的系統架構比較復雜，BAS以外的各子系統向上互聯時所采用的方式主要決定了網絡拓撲結構是否固定，另外還要看BAS系統對外開放的程度，比如能否直接支持DDE、BACnet、OPC等開放性接口，能否直接支持廠家的通信協議。基于種種考慮，這種以BAS為中心的集成模式不好用固定的拓撲結構來描述。系統的網絡拓撲結構要結合實際情況來確定。

2 OPC為建筑智能化系統集成提供互聯性和互操作性

智能建筑中引入了OPC規范之后，過程控制中對硬件和軟件的匹配要求寬松了很多，硬件供應商開發的驅動程序只要符合OPC的規范，就能支持所有標準的OPC客戶。系統的升級和修改十分的方便，系統中增加了一個設備，設備中包含了OPC的服務器，任何軟件都可以和它互換數據，一插上就能立即使用，使設備的互操作性和互聯性得到了很大的提高。

另外，在智能建筑中，要想使各個子系統能互聯和互操作，可以通過OPC中的“Software bus”來實現。在這個基礎上通過開發應用程序來擴展系統的功能。這樣可以降低設備投資的成本。

OPC是Microsoft DNA－M的重要組成部分，DNA－M體系結構是在各種不同的Microsoft產品和技術的基礎上建立起來的，它的設計目的是方便自動應用的集成。其中有個技術是BizTalk，這個技術的Microsoft環境可以用于數據交換，能夠交換基于XML結構的應用間的數據，也能實現目前工業標準和將來工業標準間的數據交換。

OPC XML簡化了控制層到管理層系統的集成，可以通過Internet技術實現文件格式、數據之間的共享和交換，使得信息系統和控制系統的集成度更高，從而實現從低層的監控以及控制系統向較高級別的縱向信息系統集成，可以以更好的方式將實時數據信息嵌入到辦公自動化信息處理的應用程序當中，得到更多能滿足需要的信息。另外，OPC XML提供了可以運用Internet發布OPC數據信息以及自動化過程中為控制系統集成提供廣泛連接的能力，提供了一種能夠使Microsoft操作系統平臺發布OPC數據信息的數據信息轉換機制。因此，OPC使控制系統軟件的設計和集成變得更加方便，也給建筑智能化信息集成技術開辟了新的道路。

3 基于OPC XML的建筑智能化系統集成模型

建筑智能化中，可以通過OPC XML技術將OPC XML Web服務的技術優引入其中，筆者提出了在OPC XML基礎上建立起來的模型，可以滿足基于Internet的一體化智能建筑系統的集成需求。設計這個模型主要是為了讓集成智能建筑中分散的子系統底層的智能設備能將各種功能集成到統一的界面上，使智能建筑中的各個子系統集成管理能夠共同工作，滿足建筑內管理、服務、信息溝通以及辦公等各種需求。

3.1 系統模型結構

系統模型是由四層結構組成:子系統操作站層、現場控制層、OPC XML DA客戶端應用層以及OPC XML Web服務層。其中，OPC XML DA客戶端應用層以及OPC XML Web服務是用來實現基于OPC XML Web服務的集成，它們是模型的核心處理層。

子系統操作站層是由消防自動化子系統、樓宇自控子系統以及安防自動化子系統等構成的。子系統操作站內安裝有能夠封裝操作指令、告警信息以及操作指令的OPC COM服務器。操作站通過具有標準OPC服務器接口和OPC客戶接口的現場設備來交互數據;如果有定義好的標準接口和標準信息格式，還能實現與上層OPC XML Web服務之間的通信，將來自OPC XML Web服務層的控制信息進行處理，通過調用子系統操作站的數據庫和應用程序來進行控制。子系統操作站層保護現有投資，使控制邏輯簡化。

現場控制層。現場控制層能夠采集、轉換、傳輸和控制各現場監控設備的監控信息，底層的現成設備是由現場控制器來控制，是由緊急呼叫器、智能配電設備、智能空調設備以及火災探測設備等構成。一般情況下對現場設備的數據信息的實時性要求都非常高，通常采用內存來緩存數據，數據可以進行雙向流動。

OPC COM服務器(包含OPC NA和OPC DX服務器)為了能實現與現場控制器中設備數據之間的數據轉化，專門提供了統一的OPC COM標準接口，消除了和底層之間的差異。一個OPC COM服務器能對一個或多個智能設備進行管理。

OPC XML DA客戶端應用層。OPC XML Web服務的客戶端應用系統可以將子系統比如說遠程監視、分析決策以及遠程控制等集成到統一的界面當中，可以對模型系統中已分布的和平臺無關的服務進行訪問。客戶端應用系統和OPC XML Web之間是多對多的關系，一個客戶端應用系統能引用一個或多個OPC XML Web，一個OPC XML Web服務可以被一個或多個客戶端應用系統引用。

OPC XML Web服務層。為了達到控制和管理的目的，OPC XML Web服務把子系統操作站中OPCCOM服務器中的設備數據轉化成能夠在Internet上進行訪問的數據，使平臺差異得以屏蔽。利用OPC客戶端接口，OPC XML Web服務可實現與子系統操作站或現場控制層之間的數據交互。符合OPC規范的現場控制層的OPCCOM服務器無需經過子系統，可直接通過OPC XML Web服務來實現設備數據之間的交互。因此，凡是符合OPC規范的子系統或是現場設備都能簡單的到此模型中集成。

基于OPC XML Web服務的異構平臺的建筑智能化系統在Internet范圍內的集成因為該模型中的四層結構而有了新的實現途徑。

3.2 模型的技術特點和優勢

3.2.1 技術特點

該模型和過去的OPC COM、BACnet、FCS等集成技術相比，其特點有:

(1)智能建筑高層信息集成。模型屬于純軟件的集成方式，是為了解決建筑智能化系統集成中高層管理信息的集成問題，無需重視底層細節。開始的投資依然很有價值，原有的基于OPC COM、BACnet的系統還是很好的在底層工作，實現已有的功能。

(2)基于OPC XML Web服務的集成。利用OPC XML Web服務可以實現OPC XML數據訪問和智能建筑現場設備的OPC COM之間的交互，還可以與子系統操作站內含有的COM服務器進行交互。所以OPC XML Web服務是模型的核心。

(3)松散耦合。對于使用OPC XML Web服務的用戶很容易看出智能建筑設備的操作邏輯和控制邏輯的變化，OPC XML Web服務的API能夠很好地應對這種變化。用戶現在將注意力集中到了如何有效增值。

(4)跨平臺集成。用OPC XML Web服務將OPC COM服務器數據交換服務進一步暴露后，可被其他的程序設計、操作平臺調用，支持多網絡平臺、多操作系統，也支持國際化的多語言標準。方法調用協議運用的是SOAP，封裝數據用的是XML。系統開放性得到了提高。

(5)基于Web的應用。可以設計能將信息集成到統一的友好的Web操作界面中的基于Web的客戶端。

(6)封裝性和可重用性。封裝的服務可以被多個客戶端應用系統引用，集成用戶只能看到OPC XML Web服務的接口，客戶端引用的方法和使用本地組件的方式是一種的。

3.2.2 技術優勢

(1)開放性與兼容性。該模型系統可以接收不同的OPC XML Web服務，用戶可以輕松地利用OPC XML Web服務來獲取實時現場數據。客戶端應用集成平臺不需要像OPC COM那樣使用軟件操作系統，而是可以使用微軟操作系統以外的平臺。

(2)先進性。系統建立了一個可拓展的平臺，該平臺是采用符合國際技術發展潮流的技術建立的，可以實現與各種先進技術之間的銜接。

(3)互聯性。為了提高系統的互操作性和整體管理以及運行效率，最終客戶可以將分散的各個子系統比如說遠程控制、遠程監視以及分析決策等集成到統一的友好Web界面，通過建立智能建筑綜合管理平臺來提高運行效率。

(4)低成本。客戶端應用系統可以像使用本地組件那樣去引用模型封裝的服務，多個客戶端應用系統可以同時使用這個服務，使集成環境更加的簡潔、定制應用系統更加的方便，從而有效地縮短了系統集成的時間，降低了系統集成的成本。

(5)靈活性和可擴充性。由于OPC XML Web服務能夠松散耦合，所以模型不僅可以保護用戶已有的投資，還能滿足用戶不斷增長的業務需求。

綜上所述，此應用模型具有松散耦合、封裝性、跨平臺以及可重用性等技術特點，是在Web技術、Web服務的高層信息集成的基礎上建立起來的。該模型可以使集成環境更加的簡潔，可以提高建筑智能化應用系統的可操作性，能有效節約集成費用。在管理決策層交換和共享信息，來適應基于Internet一體化的集成需求。這樣系統就會更加的開放，更方便拓展。

［1］廖國富，楊戈方，楊柳.基于OPC XML的建筑智能化的系統集成模型研究［J］.黃岡師范學院學報，2007(6)

［2］馮景輝.基于OPC技術的建筑智能化系統的設計與實現［D］.華南理工大學，2011

［3］廖國福.基于OPC XML的建筑智能化的系統集成技術研究［D］.重慶大學，2005