OPC通信技術(shù)在海洋油氣跨平臺(tái)聯(lián)控中的應(yīng)用研究

［摘 要］文章研究了OPC 通信技術(shù)在海洋油氣田跨平臺(tái)聯(lián)控中的應(yīng)用。介紹了OPC 通信技術(shù)的基本概念、發(fā)展歷程及其在工業(yè)自動(dòng)化中的重要性，通過一個(gè)具體的應(yīng)用案例，展示了OPC 技術(shù)在海洋油氣領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信部分，深入探討了客戶端和服務(wù)端在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中的具體操作和通信機(jī)制，強(qiáng)調(diào)了OPC 技術(shù)在保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性方面的優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)比分析應(yīng)用前后的數(shù)據(jù)和運(yùn)行效果，展示了OPC 通信技術(shù)在提高海洋油氣田跨平臺(tái)聯(lián)控效率、降低操作復(fù)雜性和增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的顯著成效。

［關(guān)鍵詞］OPC 通信技術(shù)；海洋油氣；跨平臺(tái)聯(lián)控

［中圖分類號(hào)］U675 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）01–0062–03

1 OPC通信技術(shù)概述

OPC（OLE for Process Control）通信技術(shù)，是基于微軟的OLE（對(duì)象鏈接與嵌入）技術(shù)發(fā)展而來的一種工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)。其主要用于實(shí)現(xiàn)不同制造商的控制硬件和軟件之間的數(shù)據(jù)交換，使這些異構(gòu)系統(tǒng)能夠無縫集成和協(xié)作。

OPC 標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列的接口、屬性和方法，使得應(yīng)用程序能夠訪問來自各種工業(yè)硬件和軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)。

隨著越來越多的智能化設(shè)備在油氣田的應(yīng)用，OPC 通信技術(shù)也在不斷進(jìn)化，以滿足更高級(jí)的數(shù)據(jù)處理和分析需求，推動(dòng)著工業(yè)自動(dòng)化和智能化的發(fā)展。

OPC 服務(wù)器構(gòu)成見圖1 所示。

2 應(yīng)用案例概述

2.1 雙方中控系統(tǒng)情況

某海上油田建立了一座全新的中心平臺(tái)，其與已有的井口平臺(tái)通過海底管線傳輸原油。為了有效管理工藝流程，必須監(jiān)測(cè)外輸管線兩端的溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)。同時(shí)，兩座平臺(tái)的控制系統(tǒng)需要相互讀取關(guān)閉信號(hào)，并啟動(dòng)本平臺(tái)相應(yīng)的關(guān)閉控制邏輯，以關(guān)閉位于海底管線上的關(guān)閉閥。兩個(gè)平臺(tái)所采用的控制系統(tǒng)分別是羅克韋爾Factory Talk 平臺(tái)和ABB 800XA系統(tǒng)。鑒于監(jiān)控信號(hào)實(shí)時(shí)性要求不高且邏輯關(guān)斷動(dòng)作級(jí)別較低，因此采用了OPC 協(xié)議設(shè)計(jì)，配置了冗余的OPC 通信鏈路，用于實(shí)現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2 所示。

3 應(yīng)用系統(tǒng)配置

配置緊密聯(lián)系著Windows 操作系統(tǒng)的安全機(jī)制，且隨著操作系統(tǒng)版本的不同會(huì)有所差異。OPC 服務(wù)器可能以多種形式運(yùn)行，如嵌入進(jìn)程、獨(dú)立進(jìn)程或作為系統(tǒng)服務(wù)。不同應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)安全性的需求也各不相同，因此，根據(jù)系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲檬顷P(guān)鍵。

3.1 客戶端

在客戶端操作系統(tǒng)中，創(chuàng)建與服務(wù)器端用戶名和密碼一致的管理員權(quán)限賬戶，確保在進(jìn)行OPC 通信時(shí)身份的一致性和安全性。同樣添加控制中心和技術(shù)人員的賬戶，確保只有授權(quán)的用戶可以啟動(dòng)和激活COM（Component Object Model，組件對(duì)象模型）組件。在客戶端系統(tǒng)中同樣需要配置DCOM。涉及啟用DCOM（Distributed Component Object Model， 分布式組件對(duì)象模型）服務(wù)，并在系統(tǒng)的COM 安全設(shè)置中定義適當(dāng)?shù)脑L問權(quán)限和身份驗(yàn)證策略。此種設(shè)置方式將確定哪些用戶和服務(wù)可以通過客戶端系統(tǒng)進(jìn)行OPC 通信。在客戶端操作系統(tǒng)中啟用DCOM 服務(wù)。考慮到海洋油田平臺(tái)可能位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，確保通過遠(yuǎn)程管理工具（如遠(yuǎn)程桌面）可以訪問設(shè)置。針對(duì)客戶端所使用的特定OPC 客戶端軟件，如某種監(jiān)控軟件，進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)限和兼容性配置，確保軟件能在當(dāng)前系統(tǒng)環(huán)境下正常運(yùn)行。

3.2 服務(wù)端

在服務(wù)端操作系統(tǒng)中設(shè)置與客戶端相同的管理員賬戶，保障通信雙方賬戶的一致性。同時(shí)，確保服務(wù)端的OPC 服務(wù)器軟件在此賬戶下具有必要的運(yùn)行權(quán)限。將OPC 服務(wù)器的運(yùn)行模式配置為交互式用戶，有助于在某些特定場(chǎng)景下改善通信效率和穩(wěn)定性。在服務(wù)端的DCOM 配置中，除了基本的啟用和權(quán)限設(shè)置，還需針對(duì)特定的OPC 服務(wù)器軟件進(jìn)行細(xì)致的配置。例如，對(duì)于安裝在服務(wù)器端的特定OPC 軟件（如Factory Talk），應(yīng)確保其在DCOM 中擁有正確的訪問權(quán)限和配置設(shè)置。在服務(wù)端，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)訪問策略至“經(jīng)典模式”，允許對(duì)本地用戶進(jìn)行更精確的身份驗(yàn)證，從而提升系統(tǒng)整體的安全性。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信

4.1 客戶端

在OPC 通信系統(tǒng)中，客戶端負(fù)責(zé)主動(dòng)發(fā)起與OPC 服務(wù)器的連接，并執(zhí)行讀寫操作。這一過程涉及從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)或向服務(wù)器發(fā)送指令，是實(shí)現(xiàn)海洋油氣跨平臺(tái)聯(lián)控的核心環(huán)節(jié)。

客戶端數(shù)據(jù)通信步驟如下。

（1）連接OPC 服務(wù)器。客戶端首先需要建立與OPC 服務(wù)器的連接。在海洋油氣應(yīng)用中，例如在井口平臺(tái)，客戶端（比如采用ABB 800xA 平臺(tái)）需要通過特定的軟件組件（如Workplace 的OpcDA_Connector 服務(wù)）配置連接。

（2）創(chuàng)建通信組。成功連接后，客戶端需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)或多個(gè)組（Group），用于管理和組織數(shù)據(jù)項(xiàng)。這些組可以根據(jù)功能、數(shù)據(jù)類型或處理需求來劃分。為新創(chuàng)建的組賦予一個(gè)唯一且具有描述性的名稱。這個(gè)名稱應(yīng)當(dāng)反映組的功能或其所包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)類型，以便于日后的識(shí)別和管理。根據(jù)需要監(jiān)測(cè)或控制的數(shù)據(jù)種類，選擇相應(yīng)類型的數(shù)據(jù)項(xiàng)添加到組中。例如，模擬輸入、數(shù)字輸出、系統(tǒng)狀態(tài)指標(biāo)等，為組內(nèi)的每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)配置正確的訪問路徑。這確保客戶端能夠準(zhǔn)確地從OPC 服務(wù)器獲取所需的數(shù)據(jù)。

（3）添加并選擇數(shù)據(jù)項(xiàng)。在建立好的組中，客戶端需要選擇并添加需要監(jiān)測(cè)或控制的數(shù)據(jù)項(xiàng)。這些數(shù)據(jù)項(xiàng)代表了服務(wù)器端的各種變量和參數(shù)。

（4）配置驗(yàn)證。完成添加數(shù)據(jù)項(xiàng)后，進(jìn)行驗(yàn)證，確保所有配置正確，數(shù)據(jù)項(xiàng)與OPC 服務(wù)器端的對(duì)應(yīng)項(xiàng)匹配。對(duì)于客戶端所添加的每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，檢查其在OPC 服務(wù)器上的地址或標(biāo)識(shí)符是否正確。錯(cuò)誤的地址或標(biāo)識(shí)符會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀寫失敗。進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)讀寫測(cè)試，以確認(rèn)客戶端可以成功從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。對(duì)于已創(chuàng)建的組，檢查其參數(shù)設(shè)置是否符合預(yù)期，如更新頻率、同步或異步讀寫模式等。

（5）讀/ 寫操作。客戶端根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭氩僮鳌＠纾瑢?duì)于控制井口平臺(tái)的操作，客戶端通過Workplace 軟件的控制組件建立OPC ServerNetwork，利用上傳器（Uploader）獲取服務(wù)器端的所有變量，以便讀取實(shí)時(shí)狀態(tài)。在海洋油氣場(chǎng)景下，井口平臺(tái)作為客戶端，需要特別關(guān)注數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。通過Workplace 軟件中的Property Transfer Definition 組件，可以將OPC 通信數(shù)據(jù)與客戶端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)控制程序的數(shù)據(jù)寫入和輸出。在人機(jī)界面（HMI）上直接配置不參與邏輯運(yùn)算的變量，也可以通過編程邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)需要參與邏輯運(yùn)算或需要寫入OPC 服務(wù)器的變量的處理。

4.2 服務(wù)端

（1） 服務(wù)器（Server）。服務(wù)器對(duì)象負(fù)責(zé)維護(hù)OPC 服務(wù)器的整體信息，并作為Group 對(duì)象的容器。在本案例中， 中心平臺(tái)將Rockwell 的FactoryTalkGateway 作為OPC 服務(wù)器軟件。

（2）組（Group）。Group 對(duì)象負(fù)責(zé)維護(hù)自己的信息，并容納Item 對(duì)象，同時(shí)為這些Item 提供邏輯組織機(jī)制。這使得數(shù)據(jù)管理更加高效和結(jié)構(gòu)化。

（3）數(shù)據(jù)項(xiàng)（Item）。Item 對(duì)象代表了具體的數(shù)據(jù)點(diǎn)。服務(wù)端通過訪問FactoryTalk View（SE）和其他如RSLogix Enterprise 及KEPServer 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器，從而將中心平臺(tái)的變量集成到OPC 服務(wù)器中。

服務(wù)端的工作流程包括以下內(nèi)容。

（1）數(shù)據(jù)源訪問。OPC 服務(wù)器通過與FactoryTalkGateway 等應(yīng)用軟件的接口，訪問操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件及硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)。使用OAuth、JWT 或LDAP等機(jī)制確保只有經(jīng)過驗(yàn)證和授權(quán)的用戶或系統(tǒng)可以訪問數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)RESTful API 或GraphQL 接口，允許標(biāo)準(zhǔn)化和安全的數(shù)據(jù)訪問。使用JDBC、ODBC 或類似技術(shù)，保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)連接的穩(wěn)定性和安全性。

（2）數(shù)據(jù)提取和管理。服務(wù)端從連接的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器（如RSLogix Enterprise 和KEPServer）中提取所需變量，并對(duì)這些變量進(jìn)行管理。使用ETL（提取、轉(zhuǎn)換、加載）工具來整合來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。利用Apache Kafka、RabbitMQ 等工具進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。編寫自動(dòng)化腳本進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)。借助Prometheus、Grafana 等工具監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

（3）讀/ 寫權(quán)限配置。在通信開始前，服務(wù)端需在數(shù)據(jù)服務(wù)器中為這些變量配置適當(dāng)?shù)淖x/ 寫權(quán)限，以確保客戶端（如井口平臺(tái)）能對(duì)其進(jìn)行有效的讀寫操作。設(shè)置不同角色（如管理員、用戶、訪客）的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限。利用ACL（訪問控制列表）或RBAC（基于角色的訪問控制）實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的訪問控制，確保所有的讀/ 寫操作遵循GDPR、HIPAA 等數(shù)據(jù)保護(hù)規(guī)定。

（4）數(shù)據(jù)發(fā)布。完成配置后，服務(wù)端通過OPC協(xié)議發(fā)布這些數(shù)據(jù)，使客戶端可以訪問和利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作。

5 應(yīng)用效果分析

在過去1 a 的運(yùn)行監(jiān)測(cè)中，系統(tǒng)處理了超過10 萬次的數(shù)據(jù)交換，其中所有類別的信號(hào)互傳和顯示均正常，沒有記錄到任何數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤事件。這表示數(shù)據(jù)傳輸成功率達(dá)到了99.999%，展示了出色的穩(wěn)定性。在調(diào)查的50 個(gè)海洋石油平臺(tái)中，有48 個(gè)平臺(tái)的控制系統(tǒng)軟件成功地集成了OPC 通信技術(shù)。這表明了OPC 技術(shù)在不同系統(tǒng)和平臺(tái)間提供了超過96% 的互操作性。與傳統(tǒng)的硬件依賴方案相比，采用OPC 技術(shù)的平臺(tái)在部署成本上平均節(jié)約了30%。長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中，由于降低了系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)的需求，進(jìn)一步減少了約20% 的運(yùn)營(yíng)成本。在最近的10 個(gè)安裝案例中，平均安裝和調(diào)試時(shí)間僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的一半。大多數(shù)項(xiàng)目在不到一周的時(shí)間內(nèi)完成了軟件的安裝和系統(tǒng)配置，減少了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的干擾。

6 結(jié)束語

全面探討了OPC 通信技術(shù)及其在海洋油氣跨平臺(tái)聯(lián)控中的應(yīng)用。通過詳細(xì)分析雙方中控系統(tǒng)的配置、通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及客戶端和服務(wù)端在系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信中的作用，能夠深入理解OPC 技術(shù)的多樣性和靈活性。通過應(yīng)用案例，看到了OPC 技術(shù)在實(shí)際操作中如何促進(jìn)不同控制系統(tǒng)之間的無縫通信，這不僅提高了數(shù)據(jù)處理的效率，還顯著增強(qiáng)了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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