基于OPC技術實現數據訪問服務器的設計與應用研究

1、OPC技術簡介

1.1 什么是OPC

OPC（OLE for Process Control），即用于過程控制的對象鏈接與嵌入技術，是一種規范，是在工業控制和生產自動化領域中使用的硬件和軟件的接口標準。OPC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（Client/Server）的模式，定義了一組COM對象及其接口標準。

OPC規范是由世界范圍內自動化領域中處于領導地位的硬件和軟件開發商，在微軟的協作下制定的，并且已經得到越來越多的客戶和硬件制造商的認可。

1.2 OPC的意義

在傳統的控制系統中，針對同一個硬件設備，每個應用軟件都要根據自己的需求開發一套硬件驅動程序。這不僅加大了開發和維護費用，而且帶來了訪問沖突問題。

OPC技術將各個硬件設備驅動程序和通訊程序封裝成獨立的OPC服務器，上層應用軟件（作為OPC客戶端）可以不關心硬件的性能特點，而通過標準的OPC接口訪問OPC服務器。

這樣不僅解決了上述問題，而且實現了軟件的“即插即用”。OPC相當于一塊軟件“主板”，它能夠直接與現場的PLC、工業網絡、數據采集和Windows CE設備連接，快速有效地獲取現場實時數據。PC機內的各種監視、控制和管理等應用軟件則像是插在OPC主板上的軟件“芯片”，芯片可以通過OPC獲得現場實時數據，芯片之間也可以按照OPC協議進行通訊，從而實現軟件的“即插即用”。

1.3 OPC對象與接口

OPC的核心是COM/DCOM技術。在COM模型中，軟件的功能被分解為一些組件，這些組件通過COM協議在一定條件下連接起來，實現相應的功能。COM對象分為客戶端和服務器兩類，客戶端通過COM接口訪問服務器［2］。

OPC數據訪問規范描述了OPC服務器需要實現的COM對象及其接口，它定義了定制接口（custom interface）和自動化接口（automation interface）［1］。OPC客戶程序通過接口與服務器通訊，間接讀取數據。OPC服務器必須實現定制接口，也可以有選擇地實現自動化接口。一般來說，自動化接口能為VB等高級語言客戶程序提供極大的便利，但數據傳輸效率較低;而定制接口則為用C/C++語言編寫的程序帶來靈活高效的調用手段。

OPC客戶程序訪問服務器時，創建一個服務器對象（這里指的是邏輯對象，目的是利用這個邏輯對象建立與實際服務器的連接），調用這個服務器對象的接口，服務器對象創建組對象并返回組對象的指針，客戶程序獲得組對象的指針后調用其接口。

注意，OPC項并不是OPC客戶直接操作的對象，因為OPC項沒有定義外部接口，對象的所有操作都是通過包容該項的組對象進行的。

2、OPC數據訪問服務器的結構及設計步驟

2.1 OPC數據訪問服務器的結構

基于OPC技術實現數據訪問服務器的設計與應用研究

圖 1 OPC數據訪問服務器的結構

本文實現的OPC數據訪問服務器具有數據采集的功能，提供符合OPC規范的定制接口。主要由OPC 服務器對象、OPC 組對象、OPC 項對象和針對CAN（Controller Area Network控制器局域網）通訊卡編寫的I/O 動態鏈接庫（DLL）組成，采用如圖1所示的結構。

OPC 服務器對象是客戶端與服務器交互的首要對象?？蛻舳送ㄟ^訪問服務器對象的接口函數與之進行交互。一個服務器對象里可以設置一個以上的組對象。OPC 服務器對象的主要功能是：①創建和管理OPC 組對象;②管理服務器內部的狀態信息;③將服務器的錯誤代碼翻譯成描述性語句;④瀏覽服務器內部的數據組織結構。

OPC 組對象用于組織管理服務器內部的實時數據信息，它是OPC 項對象的集合。正因為有了組對象，OPC應用程序就可以成批地對所需要的數據進行訪問，也可以以組為單位啟動或停止數據訪問。其主要功能是：①管理組對象內部的狀態信息;②創建和管理項對象;③OPC服務器內部的實時數據存取服務（同步或異步方式）。

OPC 服務器對象和組對象支持的接口由OPC規范定義，但并未規定具體如何實現，需要開發人員自己完成。

OPC項則與現場設備中的模塊相對應，它包含數據項的值（value）、品質（quality）和時間戳（time stamp）。

I/O DLL是針對具體硬件設備開發的驅動程序，實現從現場設備讀取數據的功能。

2.2 實現OPC數據訪問服務器的主要步驟：

2.2.1 獲得并注冊OPC標準組件

根據COM規范，COM服務器可分為進程內服務器、本地服務器和遠程服務器。后兩種服務器與客戶程序運行在不同的進程空間，屬于進程外服務器。為了實現進程間通訊，需要用到代理/存根模塊。代理/存根模塊由接口描述語言（IDL）直接生成。OPC基金會為每種OPC服務器提供了相應的代理/存根動態鏈接庫，這些文件可以在OPC基金會的網站（www.opcfoundation.org）上免費下載。

注意，設計OPC服務器時可以在OPC對象上增加接口以滿足特定的要求，但不能修改標準的OPC IDL文件或相應的 proxy/stub DLL。新增的接口描述應定義在獨立的IDL文件中，并由該文件生成獨立的代理/存根模塊來完成接口的調用工作。

組件的注冊將在后面介紹。

2.2.2 編寫OPC服務器代碼

首先定義0PC數據服務器的名稱（ProgID）和類標識（CLSID），實現COM庫的初始化功能和0PC數據服務器類廠對象的接口功能。然后實現OPC對象和數據緩沖區。接下來針對具體硬件編寫I/O DLL，實現數據的實時讀取。這項工作是十分繁重的，要求開發人員具有良好的COM編程知識，具體過程限于篇幅不能詳述，這里指出兩點引起注意：

⑴全局唯一標識符（GUID）

GUID是為每個COM對象提供的十六字節標識數。COM類至少有兩個GUID：類標識（CLSID）和接口標識（IID）。CLSID用于標識COM類，登記在Windows注冊表中，包含指向包括COM類的DLL或EXE組件的路徑。IID用于標識該類的接口，被應用程序用來查詢和觸發該類的方法，也登記在注冊表中。由于對象類是由GUID標識的，所以必須保證它們的唯一性，才能使最終用戶在使用由不同軟件商開發的組件時不會發生沖突。

可以使用宏DEFINE_GUID （name ， long ， word ， word ， word ， byte1 ， … ，byte8 ）

其中 name 是標識數的名字，其余參數是實際的ID碼。類標識的命名慣例是CLSID_ClassName ，而接口ID的命名慣例是IID_InterfaceName。

有兩種途徑來獲得GUID：

①Microsoft Visual C++提供了兩個工具來產生GUID：UUIDGen.exe和GUIDGen.exe（大小寫沒有影響）。前者是一個命令行程序，直接產生一個GUID;后者是一個基于對話框的應用程序，運行UUIDGen.exe，產生一個Create GUID對話框。它提供四種格式，選定之后，按New GUID鍵產生新的GUID，顯示在Result欄中;按Copy鍵可以復制產生的結果。

②利用COM庫提供的API函數來產生GUID：

HRESULT CoCreateGuid （GUID ＊pguid ）

如果創建GUID成功，則函數返回S_OK，并且pguid將指向所得到的GUID值。

⑵OPC組件的注冊

注冊表是客戶和組件程序共同訪問的信息倉庫，通常情況下，當組件程序被安裝到計算機上之后，必須通過某種途徑把它的信息注冊到注冊表中，然后客戶程序才能根據注冊表中的信息對組件程序進行操作。

根據COM規范，組件程序可分為自注冊組件程序和非自注冊組件程序。OPC基金會提供的組件都是自注冊組件。對于非自注冊組件程序，其注冊過程與組件程序沒有直接關系，必須單獨進行注冊信息的配置，比如，可以編寫一個注冊表文件，然后在RegEdit中引入。

對于DLL形式的進程內自注冊組件，Windows系統提供了RegSvr32.exe注冊工具進行組件注冊和注銷。組件程序本身必須包含DllRegisterServer和DllUnregisterServer兩個注冊表入口函數。注冊和注銷的格式分別為：

RegSvr32 《系統路徑》

RegSvr32 /u 《系統路徑》

對于EXE形式的進程外自注冊組件，COM規范規定，必須支持兩個命令行參數/RegServer和/UnregServer（大小寫無關，并且“/”可以用“-”代替），以便完成注冊和注銷操作。注冊和注銷的格式分別為：

《系統路徑》 /RegServer

《系統路徑》 /UnregServer

2.2.3 測試OPC服務器

OPC服務器經過調試之后，還需要利用OPC客戶程序對它的主要功能進行測試。

3、OPC技術在CAN現場總線系統中的應用

本文開發的OPC服務器是針對華控公司的CAN通訊卡編寫的，用于從華控的CAN通訊卡和RSM智能模塊組成的現場通訊網絡中讀取信息。

3.1 系統組成

系統主要由上位機， CAN通訊卡，OPC 客戶端，OPC服務器，RSM智能模塊，通訊媒體等組成。如圖2所示。

圖2 系統構成

①上位機的軟、硬件配置： Microsoft Windows 98/2000 或Windows NT操作系統;32M以上內存、1G以上可用硬盤空間、SVGA顯示卡。

②CAN通訊卡選用華控公司的HK-CAN30B，它是一種將CAN通訊協議與PC機PCI總線標準相連接的非智能CAN插卡，通過該卡可對工業現場具有CAN通訊接口的儀表和控制設備進行監控。

③CAN現場設備選用華控的RSM智能模塊，每個模塊都是在一個嵌入式實時多任務的內核管理下周期性工作，按組態要求定時地向上發送和取得數據。

④通訊媒體可以選用雙絞線、帶屏蔽雙絞線等。

⑤客戶端選用力控公司的力控2.6監控組態軟件。力控2.6支持OPC技術。它作為OPC客戶端，充分利用了OPC服務器的強大性能，為工程人員提供了方便高效的數據訪問能力。在力控中可以同時掛接任意多個OPC服務器，每個OPC服務器都可以當作一個外部設備進行定義、增加或刪除。

3.2 OPC 服務器與客戶端的連接

3.2.1 定義OPC設備

首先在力控導航器窗口中選擇“實時數據庫”中的 “I/O設備驅動”并展開，出現“OPC”設備。雙擊“OPC（Client）”，出現I/O設備定義對話框。在“設備名稱”中定義邏輯設備的名稱（由用戶隨意定義），不妨定義為“OPC”，在“數據更新周期”中指定采集周期，填寫故障后恢復查詢的周期和最長時間，然后單擊“下一步”，出現OPC設備定義對話框。

力控會自動搜索計算機系統中已經安裝的所有OPC服務器。如果OPC服務器編寫無誤并且注冊正確，則點擊下拉框“OPC 服務器”時會列出已經安裝的所有OPC服務器的名稱，選擇要使用的OPC服務器，這里選擇本文設計的服務器“OPC.Server.1”。

選擇“Server類型”，是“當地（local）”還是“遠程（remote）”。在“數據訪問方式”中選擇“緩沖區”或“外設”方式，對于“緩沖區”方式，OPC客戶程序將通過OPC服務器的緩沖區讀取數據;對于“外設”方式，OPC客戶程序將通過OPC服務器直接從設備讀取數據。從設備直接讀取數據速度會慢一些，一般只有在故障診斷或極特殊的情況下才會使用。在“死區百分比”中輸入一個百分值，表示過程數據值的變化不超出這個比例將不對其進行數據更新。單擊“確定”就完成了OPC設備的定義。

3.2.2 對OPC數據項進行數據連接

啟動力控的數據庫組態程序DBMan。首先在點組態中創建所要用的變量，不妨設為gg1。展開“數據連接”項，已經建立的OPC設備就排列在其中。雙擊我們剛才建立的OPC設備 “OPC”，則出現“數據連接”對話框。選擇要連接的點參數gg1后，單擊“增加”按鈕，出現“數據項組態”對話框。

如果OPC服務器支持“瀏覽”功能，雙擊右上側列表框中的“Root”，列表框會自動列出它提供的數據區;如果OPC服務器不支持“瀏覽”功能，其數據項的描述需要用戶根據OPC服務器的資料說明，在“數據項”輸入框內手工填寫。選擇“數據類型”和“讀寫權限”，在“訪問路徑”中輸入數據的訪問路徑（這一項不是必需的，需要填寫的，可以參考所使用的OPC服務器的手冊），這里不用填寫。

最后單擊“確定”按鈕，就生成了一個數據項的數據連接，如圖3所示，從而實現了與現場實際信息的連接。