OPC及DasRdb數據庫在城市軌道交通中的應用

匡付華 程朋勝 胥布工

(華南理工大學自動化學院1,廣東 廣州 510640；深圳達實智能股份有限公司博士后工作站2,廣東 深圳 518057)

OPC及DasRdb數據庫在城市軌道交通中的應用

匡付華1,2程朋勝2胥布工1

(華南理工大學自動化學院1,廣東 廣州 510640；深圳達實智能股份有限公司博士后工作站2,廣東 深圳 518057)

針對城市軌道交通綜合監控電、扶梯等終端設備“信息孤島”的接入問題，提出了使用OPC技術及DasRdb實時數據庫作為中間件進行數據轉換的解決方案。詳細描述了整個OPC系統的數據架構，其中DasRdb通過設備驅動程序與終端設備交互，OPC客戶端同時與OPC服務器和DasRdb進行數據交換。統計分析結果表明，設計的系統能滿足軌道交通實際監控的需要。該方案對解決城市軌道交通“信息孤島”的問題具有現實指導意義。

城市軌道交通 綜合監控 信息孤島 OPC技術 實時數據庫

0 引言

大力發展以地鐵和輕軌交通為主的城市軌道交通是解決我國目前城市交通堵塞的重要手段，2015年我國地鐵建設投資規劃額達11 568億元[1-2]。大連地鐵工程環境與設備監控系統總承包項目第二標段包括2號線所有28個車站、隧道區間、控制中心等。控制中心需要引入各車站終端設備的信號，如電、扶梯等。終端設備具有多樣性，如扶梯廠家有蒂森、西子奧的斯、華升富士達、博林特、通力等，而RockWell的上位組態軟件僅支持用于過程控制的對象鏈接與嵌入協議。由于不同廠商系統之間通信協議、通信接入方式均存在差異，因此如何將這些“信息孤島”的信號實時可靠地傳遞到控制中心的數據服務器，是大連地鐵環境與設備監控系統工程亟待解決的關鍵問題。

本文以OPC技術為基礎，闡述了如何通過帶多種設備驅動的實時數據庫DasRdb，將軌道交通前置機中的各數據實時傳遞到RSLinx OPC Server。本文對整個OPC系統的設計進行了較詳細的描述，并對通信測試數據的實時性進行了統計分析。

1 OPC系統設計

OPC是微軟公司針對過程控制領域的技術規范。它采用客戶端/服務器模式，制定了關于數據采集、歷史趨勢以及事件報警等接口標準，為工業自動化軟件面向對象的開發提供了統一的接口標準[3-4]。OPC系統由OPC服務器和OPC客戶端構成，OPC服務器與OPC客戶端之間通過標準組件對象模型(component object model,COM)和分布式組件對象模型(distributed COM,DCOM)進行數據的交互。OPC服務器建立了符合OPC規范的COM接口和對象。OPC邏輯對象模型包括3類對象，即OPC服務器對象(OPC Server)、OPC組對象(OPC Group) 和OPC項對象(OPC Item)，每類對象都包括一系列接口。其中，OPC Server維護有關服務器的信息并作為OPC Group的包容器，可以動態地創建或釋放組對象。OPC Group提供包容OPC Item的機制，從邏輯上實現對OPC Item的管理。OPC Item代表了OPC服務器與數據源的一個連接，包括值、品質、時間戳3個基本屬性，數據值是以Variant形式表示的[5]。由于RockWell公司提供了RSLinx作為OPC服務器，因此大連地鐵項目僅需實現OPC客戶端開發及人機界面與設備的通信。系統設計框架如圖1所示。

圖1 系統設計框架Fig.1 Design framework of the system

1.1 RSLinx OPC服務器

RockWell公司的RSLinx通信軟件提供符合OPC DA2.0規范的OPC服務器(RSLinx OPC Server)。理論上，OPC服務器是數據提供方，但本系統的數據來自地鐵車站的各電、扶梯。由于數據可雙向讀寫，因此本系統中各電、扶梯的實時數據(如電梯上下行標志、故障標志、樓層標志等)通過在RockWell公司的PLC(處理器1756-L71)中建立相應的全局標簽(內存點)，然后在RSLinx中對 “DDE/OPC Topic Configuration”進行簡單配置，即可實現與PLC的通信，從而將PLC中包含電、扶梯的全局標簽導入到RSLinx OPC Server中。

1.2 DasRdb實時數據庫

實時數據庫DasRdb負責現場設備的數據采集和轉換，以及工程值的歷史數據入庫。采集值和工程值之間的互相轉換采用公式完成，設備驅動程序只需提供采集值即可。設備驅動程序采用正規動態鏈接庫(dynamic link library, DLL)方式編寫，使用時動態加載即可。每個設備DLL驅動采用統一規范的接口函數，驅動程序通過調用這些標準的接口函數實現它的特定功能。驅動程序信息結構ECDINFO通過實時數據庫的回調函數實現動態調用。

1.3 IndasOpcClient客戶端

IndasOpcClient客戶端作為中間件，需要實現與RSLinx OPC Server服務器和DasRdb數據庫的通信。

OPCDA規范規定了兩種通信方式：同步通信和異步通信。在同步通信方式下，當OPC客戶程序對OPC服務器進行相關操作時，OPC客戶程序必須等到OPC服務器對應的操作全部完成以后才能返回。在此期間,OPC客戶程序一直處于等待狀態。在異步通信方式下，當OPC 客戶程序對服務器進行相關操作時，OPC客戶程序發出操作請求后立刻返回并可以進行其他操作，無需等待OPC服務器的響應;當OPC服務器完成操作請求后，再通知OPC客戶程序。因此，相對于同步通信，異步通信的效率更高，適用于多客戶訪問同一OPC服務器和大量數據的場合。

本客戶端采用異步通信方式，使用回調函數實現服務器通知客戶端數據的變化[6]。

IndasOpcClient客戶端實現數據交換中間件的功能，OPC服務器按指定的刷新速率從數據源讀取數據。如果數據發生變化，則調用接收器接口成員函數OnDataChange()將數據送給客戶端，客戶端刷新界面；同時通過RDC_WriteVar()函數將變化的數據傳遞給數據庫DasRdb，數據庫通過設備驅動程序對終端設備進行寫操作。當終端設備數據有變化時，數據庫通過回調函數通知IndasOpcClient客戶端，客戶端通過異步寫函數WriteAsync20()向服務器發出寫數據請求。服務器在操作完成后，通過調用接口成員函數OnWriteComplete()通知客戶寫數據完成。

2 測試數據分析

為了分析IndasOpcClient客戶端和RsLinx OPC服務器(簡稱C/S)的性能，對它們的時間響應做了分析[7]。當IndasOpcClient客戶端和RsLinx OPC服務器分別位于同一臺計算機上和不同計算機上(處于同一網段內)時，使用Visual C++的微秒級定時函數QueryPerformanceCounter(LARGE_INTEGER * lpCount)分別抓取讀寫單個OPC Item的響應時間進行統計分析。兩種情況下測得的時間記錄如表1和表2所示，對應的時間曲線如圖2和圖3所示。其中，n為測量次數；曲線1為服務器寫入客戶端時間(即t1)，曲線2為客戶端寫入數據庫時間(即t2)，曲線3為客戶端讀取數據庫時間(即t3)，曲線4為客戶端寫入服務器時間(即t4)。

表1 C/S處于同一PC機的響應時間Tab.1 Response time when C/S located in the same PC μs

圖2 C/S處于同一PC機的響應曲線Fig.2 Response curves when C/S located in the same PC 表2 C/S處于不同PC機的響應時間Tab.2 Response time when C/S located in different PC

μs

圖3 C/S處于不同PC機的響應曲線Fig.3 Response curves when C/S located in different PC

根據圖2和圖3中的試驗數據，可得到C/S處于同一PC機和不同PC機的各曲線標準方差及期望，如表3、表4所示。

表3 C/S處于同一PC機的數據分析Tab.3 Data analysis when C/S located in the same PC μs

表4 C/S處于不同PC機的數據分析Tab.4 Data analysis when C/S located in different PC μs

由以上數據可知，整個系統操作實時性較好，客戶端與服務器讀寫時間比較接近，客戶端讀取數據庫平均時間最長(為37 975 μs)。在數據庫的設計中，針對客戶端讀取數據庫的平均時間較長的現象進行了優化。在實際應用中,如果網絡上設備較多，存在廣播包過多的情況下影響將會較大。此時，可以通過劃分虛擬局域網(virtual local area network, VLAN)來解決[8]。

3 結束語

本文針對城市軌道交通中各“信息孤島”[9](如電、扶梯信號)接入綜合監控系統時出現的問題，通過OPC技術及實時數據庫DasRdb實現數據的交互，并且給出了整個系統的結構設計框架。 同時，本文提供了系統運行的時間響應數據，并對這些響應數據進行了較詳細的分析。理論測試結果與實際應用效果表明，該系統的可靠性和實時性能滿足軌道交通中終端設備的數據監控要求。

[1] 王開滿,張慎明,江平.軌道交通自動化監控系統的特點及其發展趨勢[J].城市軌道交通研究,2006(2):1-5.

[2] 管建華.綜合監控系統(ISCS)研究[J].鐵道通信信號,2004,40(8):1-2.

[3] The OPC Foundation.The interoperability standard for industrial automation & other related domains[EB/OL].[2013-10-25].http:∥www.opcfoundation.org.

[4] 路小俊,冬大龍,宋斌，等.基于OPC技術的風電廠數據采集與監控系統方案[J].電力系統自動化,2008,32(23):90-94.

[5] 梁庚,李文.基于分布式OPC組件連接件和Web Service的電站遠程監控系統設計[J].電力自動化設備,2011,31(10):134-138.

[6] 陳燁,倉小金,彭蓬，等.基于OPC中間件技術的網絡控制系統[J].電力自動化設備,2011,31(1):100-104.

[7] Schwarz M H,Boercsoek J.Advances of OPC client server architectures for maintenance strategies-a research and development area not for industries[J].WSEAS Transactions on Systems and Control,2008,3(3):1-3.

[8] 張慎明,王軍.新一代綜合監控系統若干問題的研究和探討[J].現代城市軌道交通,2010(1):18-21.

[9] 張衛,劉焰,張培忠.綜合監控系統在城市軌道交通中的應用[J].上海電器技術,2000(1):21-25.

Application of OPC Technology and DasRdb Real-time Database in Urban Rail Transit

Aiming at the access problem of “information island” in integrated monitoring of elevators and escalators and other terminal devices in urban rail transmit, the strategic solution for data conversion by adopting OPC technology and DasRdb real time database as the middleware is proposed. The data framework of entire OPC system is described in detail, through device driver, DasRdb is interacting with terminal devices; data exchange is conducted between DasRdb and OPC client / OPC server. The results of statistical analysis indicate that this strategy satisfies the monitoring requirements of rail transit, and provides practical guiding significance for solving the “information island” in urban rail transit.

Urban rail transit Integrated supervisory and control Information island OPC technology Real-time database

深圳市戰略新興產業發展專項基金資助項目(編號：CXZZ20120618142442306)。

匡付華(1974-)，男，2011年畢業于華南理工大學控制理論與控制工程專業，獲博士學位，高級工程師；主要從事城市軌道交通及智能建筑自動控制方面的研究。

TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506011

修改稿收到日期：2014-03-03。