智慧建筑集成技术之OPC技术概述

OPC（OLE for ProcessControl）即是把OLE 应用于工业过程控制领域。工业控制领域要用到大量的现场设备，在OPC 出现以前，软件开发商需要开发大量的驱动程序连接这些设备。由于不同设备或者同一设备不同单元的驱动程序有可能不同，软件开发商很难同时对这些设备进行访问以优化操作，且一旦硬件系统改动或升级，应用程序就可能需要重写；同时不同客户有着不同的应用需求，不同硬件设备也存在不同的数据传输协议，传统集成方法已越来越不适应发展需要。

OPC 技术的出现有效地解决了这一问题。OPC 建立在OLEOLE/COM 技术基础之上，它为工业控制领域提供了一种标准的数据访问机制。它将底层硬件驱动程序和上层应用程序的开发有效地分隔开，使用统一的数据接口实现了不同设备协议间的数据互访，不仅易于系统维护和升级，而且缩短了开发时间。OPC 规范的内容涵盖了数据存取、事件报警、安全性等诸多方面，主要包括数据存取规范、报警事件规范、历史数据存储规范、批量过程规范和安全性规范等。OPC 开发包括OPC 服务器和OPC 客户端两个部分。其实质是在硬件供应商和软件开发商之间建立了一套完整的标准，只要遵循这套标准，数据交互对双方来说就是透明的，OPC 客户端就可以方便地读取OPC 服务器中的数据，无须重复开发单独的驱动程序，应用程序之间可以很容易地实现信息的共享与交互，从而大大降低集成成本。

OPC 是连接数据源（OPC 服务器）和数据的使用者（OPC 应用程序）之间的接口标准。数据源可以是PLC、DCS、条形码读取器等控制设备。服务器既可以是本地服务器，也可以是远程服务器。OPC 是具有高度柔软性的接口标准。目前，OPC 技术主要应用于以下几大工业控制：在线数据监测、报警和事件处理、历史数据访问、远程数据访问。OPC 一般采用客户/服务器模式。通常把符合OPC 规范的设备驱动程序称为OPC 服务器，它是一个典型的数据源程序。将符合OPC 规范的应用软件称为OPC 客户，它是一个典型的数据接受程序。服务器充当客户和硬件设备之间的桥梁。客户对硬件设备的读写操作由服务器代理完成。在客户端和服务器端都各自定义了统一的标准接口，接口具有不变特性。接口明确定义了客户同服务器间的通信机制，是连接客户同服务器的桥梁和纽带。客户通过接口实现与服务器通信，获取现场设备的各种信息。统一的标准接口是OPC 的实质和灵魂。

1. 为什么需要OPC

OPC 的优势，在于异构系统的集成可以通过OPC 技术来解决（也可以通过协议转换桥来解决）。OPC 服务器集成了多种总线协议，在服务器中实现协议转换，并将接收到的数据通过COM 或DCOM 传给客户端。如图4-32 所示，在没有使用OPC 时，针对异构系统应用程序必须配置复杂的驱动接口，使用OPC后则如图4-33 所示，应用程序数据和设备数据交互变得简单很多，可以很容易将ABB、施耐德和西门子等国际知名品牌系统集成起来。

图4-32　异构网络集成示意

图4-33　使用OPC 技术集成示意

2. OPC 原理

OPC 技术基于微软的OLE（现在的Active X）、COM（部件对象模型）和DCOM（分布式部件对象模型）技术，其技术基础框架如图4-34 所示。OPC 包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。Active X/COM 技术定义各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据。不论过程中采用什么软件或设备，OPC 为多种多样的过程控制设备之间进行通信提供了公用的接口。

图4-34　OPC 技术构成

3. OPC 发展历史

Fisher-Rosemount，Rockwell Software，Opto 22，Intellution 和 Intuitive Technology 于1995 年发起成立了OPC（OLEfor Process Control）基金会。截至2011 年底，OPC 基金会的成员已达到456 个，详细发展历程如表4-17 所示。随着技术的发展和市场的需求，OPC 技术的发展经历了三个主要阶段，即经典OPC，OPC XML-DA 和OPC UA（Uni-fied Architecture）。

表4-17　OPC 发展历史

(www.xing528.com)

续表

（1）经典OPC 阶段。

OPC 第一阶段的技术称为经典的OPC 技术。根据工业应用的不同需求，经典OPC 包括的规范有：Data Access（DA），Alarm ＆ Events（A＆E），HistoricalData Access（HDA），OPC Batch，OPC Security，OPC DX 和 OPC Complex Data，其中应用较多的有DA、A＆E 和HDA。DA 指出如何访问当前的过程数据，A＆E 提供了基于事件信息的接口，HDA 描述了如何访问已存档的数据。所有的接口都提供通过地址空间导航获取可用数据的方法。

OPC 使用基于客户/服务器的方法交换信息。OPC 服务器像一个装置封装了过程信息源并通过接口访问其内的数据。OPC 客户端连接到OPC 服务器就可以访问到其提供的数据，图4-35 反映了基于OPC 客户/服务器的典型应用。

图4-35　OPC 客户/服务器典型应用

经典OPC 技术主要存在以下缺陷：

① 缺少跨平台通用性。由于COM/DCOM 对Microsoft 平台的依赖性，使得OPC-COM 接口很难被应用到其他平台上。

② 较难与Internet 应用程序集成。网络防火墙会过滤掉大多数基于COM 传输的数据，因此OPC-COM 不能与Internet 应用程序进行交互。

③ 较难与企业应用程序连接。企业应用程序（如ERP）需要实时的工业现场数据，这些数据通常来自具有OPC-COM 接口的服务器。但是这些上层应用程序大多没有与OPC-COM 服务器交互的OPC-COM 接口，因而不能进行连接。

④ OPC DA 规范各自的API（应用程序接口）是相互独立的，虽然这种分离简化了OPC 服务器的开发，却把数据集成的重担交给OPC 客户端软件。

（2）OPC XML-DA 阶段。

OPC XML-DA 是第一个平台独立的OPC 规范，它用HTTP/SOAP 和Web Service 技术替代COM/DCOM。2003 年7 月12 日，OPC 基金会正式发布了OPC XML-DA 规范1.0 版。在OPC XML-DA 中，OPC 数据交换的方法减少到了最小，仅保留8 种方法。OPC XML-DA 主要用于Internet 和企业信息的集成。它的平台独立性主要应用于嵌入式系统和非微软平台。由于消耗资源多且性能有限，OPC XML-DA 并没有达到预期的效果。因此，OPC XML-DA 只维持了相对较短的时间，可以看作是OPC 技术的过渡阶段。

（3）OPC UA 阶段。

虽然基于Web Service 技术，OPC XML 技术已经很好地实现了数据在互联网上的通信，但其单位时间内所读取的数据项个数要比基于COM/DCOM 少两个数量级左右。而OPC UA（OPC Unified Architecture）将现存所有的OPC 规范连结为一个可整合的统一平台，该平台将从基于COM/DCOM 架构迁移到基于Web Service 技术的框架下。而OPC UA 已全面超越了OPCXML，OPC UA 的通信机制包含了DCOM、Web Services、NET Remoting、MSMQ、ASMX、WSE等的优势，能够提供安全的、可靠的通信，保证了良好的性能和良好的互操作性。所以，OPC 基金会重新定义了OPC 的含义，即开放性（Openness）、生产力（Productivity）、协作性（Collaboration）。