要介紹OPC和即插即用技術(shù),重點對OPC實際應(yīng)用標準的發(fā)展、技術(shù)、特點及適用范圍與接口應(yīng)用作分折說明。

1、引言-OPC發(fā)展的背景

自動化技術(shù)人員都有一個美麗的夢想，是否可以將自動化控制軟件和硬件萬能連接。而不再考慮驅(qū)動程序和接口問題，即非常簡單的Plug&Play{即插即用}。使用OPC(用于過程控制的OLE)，可以幫助實現(xiàn)這個夢想。當然用戶對此很感興趣。并且首先贏得了自動化軟件制造商的支持-OPC的第一批產(chǎn)品己先于標準化委員會確定的日期投放市場。在以前的自動化領(lǐng)域的通信技術(shù)規(guī)范方面，很少有象OPC新技術(shù)標準那樣能引起如此強烈轟動。OPC是用于過程控制的OLE(OLE for Process Control)的首字母縮寫詞，在今天已經(jīng)理所然地被自動化組件的制造商逐步發(fā)展成一個事實上的新技術(shù)標準，而所謂OLE含義是對象鏈接及嵌入,用于過程控制。
當今，軟件在自動化領(lǐng)域內(nèi)使用的重要性與日俱增。無論項目是否涉及到操作、可視化、數(shù)據(jù)存檔或控制，向純粹的、基于PC的軟件解決方案的發(fā)展趨勢是不可阻擋的。時間已經(jīng)證明，這些軟件解決方案不再是開發(fā)單個的塊，而是由專用的單個軟件組件組成。采用可重復(fù)使用的模塊以及利用這些模塊所具有的柔性構(gòu)成整個系統(tǒng)，其能力似乎是沒有什么能替代的，唯一例外的是通信接口的不兼容性。用于適配通信接口的時間和資金是必需要投入的，其目的是將這些軟件模塊組合在一起。由此開發(fā)出了數(shù)以百計的通訊接口軟件程序，例如，用于過程控制或可視化系統(tǒng)與外圍設(shè)備進行通信的接口程序。但是，與此同時，亦顯著增加了成本。而OPC(用于過程控制的OLE)為這種情況提供了一個補救方法：OPC使諸如軟件連接器等軟件組件組合在一起，這些組件不需要特殊的適配就能相互通信。 因此，即插即用在自動化中成為現(xiàn)實。于是就可回答為什么需要OPC的問題?

2、為什么需要OPC？

具體可從以下二點說明：

第一、對于早期的計算機系統(tǒng)，為了實現(xiàn)不同的硬件和軟件所構(gòu)成的計算機之間的數(shù)據(jù)交換和通信，必須要花費很多時間去開發(fā)獨自的通信程序。但是正是由于現(xiàn)在有了數(shù)據(jù)交換和通信的工業(yè)標準，才有可以實現(xiàn)像互聯(lián)網(wǎng)那樣，使不同的計算機相互連接為巨大網(wǎng)絡(luò)。所以在開發(fā)企業(yè)的信息系統(tǒng)時，若采用符合工業(yè)標準的數(shù)據(jù)庫和客戶-服務(wù)器接口，可以使有效的精力更多地投入到應(yīng)用程序本身功能的開發(fā)去。
第二、工業(yè)制造系統(tǒng)也存在同樣的問題。也就是使由不同的供應(yīng)商提供的機器設(shè)備無須特別的軟件開發(fā)就可以互相連接。例如在實現(xiàn)象圖1那樣多層生產(chǎn)控制信息系統(tǒng)時，從處理設(shè)備數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設(shè)備層，到進行過程處理的過程控制系統(tǒng)層，以至最上層的生產(chǎn)管理層，建立和普及一個有效的數(shù)據(jù)交換工業(yè)標準將是當務(wù)之急。在這種情況下，利用微軟Windows視窗中的OLE／COM技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)制造系統(tǒng)過程控制中的數(shù)據(jù)交換標準化，正是OPC本來的目的所在。

3、什么是OPC？ OPC定義了一個開放的接口，在這個接口上，基于PC的軟件組件能交換數(shù)據(jù)。它是基于Windows的OLE--對象鏈接和嵌入、COM--部件對象模型和DCOM--分布式COM技術(shù)。因而，OPC為自動化層的典型現(xiàn)場設(shè)備連接工業(yè)應(yīng)用程序和辦公室程序提供了一個理想的方法。 Windows程序的標準接口的引入，使得硬件制造商為其部件所開發(fā)的接口程序的數(shù)量減少到一個，只需要開發(fā)一個針對OPC服務(wù)器的接口程序，同樣，軟件制造商也只需要開發(fā)唯一的通訊接口程序--OPC客戶機接口。這不但對制造商有利，而且對最終客戶也有利用。值此應(yīng)對上述基于COM技術(shù)的OPC作具體分折。

3.1基于COM技術(shù)的OPC

微軟公司為了提供商業(yè)應(yīng)用程序和特定用途的軟件包間的相互連接性，開發(fā)了所謂的部件(組件)對象模型技術(shù)。COM是一種軟件組件間相互數(shù)據(jù)交換的有效方法。是一個二進制和網(wǎng)絡(luò)的標準。也是DCOM、ActiveX(Active X是對廣泛使用的OLE控件技術(shù)的更新和升級。它依賴于COM技術(shù)，是OLE控件技術(shù)的更名和重構(gòu))和OLE技術(shù)的核心。

而COM技術(shù)具有以下特長：

* 所謂COM并不是一種計算機語言，與運行的機器、機器的操作系統(tǒng)(只要支持COM)以及軟件開發(fā)語言均無關(guān)，是任意的兩個軟件組件之間都可以相互通信的二進制和網(wǎng)絡(luò)的標準。

* COM服務(wù)器是根據(jù)COM客戶的要求提供COM的服務(wù)的執(zhí)行可能的程序，可以作為Win32服務(wù)器上可執(zhí)行的文件發(fā)布。

* COM客戶程序和COM服務(wù)器可以用完全不同的語言開發(fā)。這樣使利用C++，Visual Basic，以及Excel中作為宏使用的應(yīng)用程序的Visual Basic等不同語言所開發(fā)的程序可以相互連接。

* COM組件可以以二進制的形式發(fā)布給用戶。

* 與過去DLL(動態(tài)鏈數(shù)據(jù)庫)的版本管理非常困難的問題相比，COM技術(shù)可以提供不同版本的COM服務(wù)器和COM客戶程序之間的最大的兼容性。

* 作為COM技術(shù)擴展的分布式COM技術(shù)，更可以使COM組件分布在不同的計算機上，并通過網(wǎng)絡(luò)互相連接并互相交換數(shù)據(jù)。所以對于COM客戶程序來說，同樣像連接本地計算機上的COM服務(wù)器一樣，去連接遠程計算機上的COM服務(wù)器，當然通信的速度不太一樣，但是重要的是不必對服務(wù)器程序進行修正就可以在網(wǎng)絡(luò)上自由構(gòu)成如圖2那樣的利用COM和DCOM(分布式COM)達成的組件的互相連接。

COM技術(shù)的出現(xiàn)使簡單地實現(xiàn)控制設(shè)備和控制管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換提供了技術(shù)基礎(chǔ)。但是如果不提供一個工業(yè)標準化的COM接口，各個控制設(shè)備廠家開發(fā)的COM組件之間的相互連接仍然是不可能的。這樣的工業(yè)標準的提供乃是OPC的目的所在。總而言之，OPC是作為工業(yè)標準定義的特殊的COM接口。

3.2 OPC與DDE的比較

在OPC技術(shù)出現(xiàn)以前，DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)技術(shù)曾經(jīng)對過程控制作出巨大貢獻。但是DDE是基于Windows信息傳遞而建立的技術(shù)，所以DDE技術(shù)存在以下問題： * 數(shù)據(jù)的傳送速度較慢 * 沒有安全性管理機制 * 開發(fā)困難 * 功能缺乏柔軟性 * 可靠性也難以令人滿意所以基于先進的COM技術(shù)的OPC技術(shù)將逐漸取代現(xiàn)在在過程控制中廣泛使用的DDE的位置乃是順理成章的事情。隨著OPC技術(shù)的導(dǎo)入，和過去的DDE技術(shù)相比，在以下方面顯示出它的優(yōu)越性： * 高速的數(shù)據(jù)傳送性能 * 基于分布式COM的安全性管理機制 * 開發(fā)成本的降低 * 實現(xiàn)具有高度柔軟性功能的系統(tǒng) * 實現(xiàn)具有高可靠性的系統(tǒng)

圖3是分別利 用OPC和DDE進行數(shù)據(jù)傳送性能的實驗結(jié)果的例子。從這里也可以看出OPC技術(shù)在傳送速度上的優(yōu)越性。

4、用戶如何從OPC得到好處?

在過去，通常僅有有限的接口程序能與專用的自動化組件兼容。眾所周知，為所有的專用接口開發(fā)接口程序是不可能的。在今天明顯的創(chuàng)新是，用戶能夠把任何一個可視化或控制系統(tǒng)與所選擇的任一硬件(即PC插板)通過OPC組合在一起，見圖4所示。 從4圖中可看出，OPC-標準的軟件總線使多種現(xiàn)埸總線系統(tǒng)得以集成，如PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)、CANopen(開放式控制局域)網(wǎng)絡(luò)、Device Net(設(shè)備網(wǎng)絡(luò))等。從圖4的中也可深入反映出OPC和現(xiàn)場總線的標準化的關(guān)系：OPC提供現(xiàn)場總線以外的重要的附加性能,現(xiàn)場總線領(lǐng)域標準化的主要目標是快速，可靠的數(shù)據(jù)傳輸。而OPC使標準通信達到這樣的程度，即任何OPC服務(wù)器和應(yīng)用軟件能聯(lián)網(wǎng)運行而不會產(chǎn)生任何問題。

圖4中PROFIBUS是國際公認的開放式的現(xiàn)場總線標準，是國際標準IEC61158的組成部分TypeIII。接口程序和OPC服務(wù)器質(zhì)量的提高進一步擴展了這種優(yōu)點，制造商能夠把它們的精力專注于開發(fā)一個獨特的OPC服務(wù)器，因為不用面對眾多的接口程序，就能把精力投入到增加附加的功能性和提高操作者友好性方面的工作。而且，由專門的OPC基金會工作實施的一致性測試促進了OPC產(chǎn)品質(zhì)量的提高。過去，使用專用接口程序經(jīng)常受限于單個應(yīng)用程序?，F(xiàn)在一個應(yīng)用程序能通過有若干個客戶機的OPC接口訪問OPC服務(wù)器。因而，能更靈活地訪問OPC服務(wù)器的功能性和內(nèi)部數(shù)據(jù)。這種多客戶機能力不僅給本地PC帶來好處，還能通過DCOM(分布式組件對象模型)用在分布式網(wǎng)絡(luò)上。這樣，例如一個運行在辦公室計算機上的可視化系統(tǒng)不必購買附加的接口程序軟件就能與位于工廠車間內(nèi)的OPC服務(wù)器鏈接在一起。OPC所具有的靈活性和高水平的機動能性，對于制造廠商和用戶來說分別可以從OPC得到以下的實惠：

* 設(shè)備開發(fā)者；可以使設(shè)備驅(qū)動器開發(fā)的單一化成為可能。* 應(yīng)用程序軟件開發(fā)者：可以使用通用的開發(fā)工具。不必開發(fā)特別的接口，使得設(shè)備接口的開發(fā)更為簡單易行。* 用戶：可以選用各種各樣的商業(yè)軟件包，使得系統(tǒng)構(gòu)成的成本大為降低。同時可以更加容易地實現(xiàn)由不同供應(yīng)廠商提供的設(shè)備所混合構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著基于OPC標準的控制組件的推廣和普及，不僅使控制系統(tǒng)的增設(shè)和組件的置換，更加簡單，而且使過程數(shù)據(jù)的訪問也變得容易。比如，過程控制程序可以直接和數(shù)據(jù)分析軟件包或電子表格應(yīng)用程序連接，從而達成高度的工廠控制系統(tǒng)的信息化。為此，可以詳細地分折出OPC怎樣解決你的問題?
5、OPC怎樣解決你的問題

應(yīng)該說，OPC誕生以前，硬件的驅(qū)動器和與其連接的應(yīng)用程序之間的接口并沒有統(tǒng)一的標準。例如，在FA-工廠自動化領(lǐng)域，連接PLC等控制設(shè)備和SCADA／HMI軟件，需要不同的FA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成。根據(jù)某調(diào)查結(jié)果，在控制系統(tǒng)軟件開發(fā)的所需費用中，各種各樣機器的應(yīng)用程序設(shè)計占費用的7成，而開發(fā)機器設(shè)備間的連接接口則占了3成。

此外，在PA-過程自動化領(lǐng)域，當希望把分布式控制系統(tǒng)(DCS-Distributed Control System)中所有的過程數(shù)據(jù)傳送到生產(chǎn)管理系統(tǒng)時，必須按照各個供應(yīng)廠商的各個機種開發(fā)特定的接口,例如，利用C語言DLL(動態(tài)鏈路數(shù)據(jù)庫)連接的DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)服務(wù)器或者利用FTP(文件傳送協(xié)定)的文本等設(shè)計應(yīng)用程序。如由4種控制設(shè)備和與其連接的監(jiān)視、趨勢圖以及表報3種應(yīng)用程序所構(gòu)成的系統(tǒng)時，必須花費大量時間去開發(fā)分別對應(yīng)設(shè)備A，B，C，D的監(jiān)視，趨勢圖以及表報應(yīng)用程序的接口軟件共計要用1 2種驅(qū)動器。同時由于系統(tǒng)中共存各種各樣的驅(qū)動器，也使維護運轉(zhuǎn)環(huán)境的穩(wěn)定性和信賴性更加困難。而OPC是為了不同供應(yīng)廠商的設(shè)備和應(yīng)用程序之間的軟件接口標準化，使其間的數(shù)據(jù)交換更加簡單化的目的而提出的。作為結(jié)果，從而可以向用戶提供不依靠于特定開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境的可以自由組合使用的過程控制軟件組件產(chǎn)品。利用OPC的系統(tǒng)，是由按照應(yīng)用程序(客戶程序)的要求提供數(shù)據(jù)采集服務(wù)的OPC服務(wù)器，使用OPC服務(wù)器所必需的OPC接口，以及接受服務(wù)的OPC應(yīng)用程序所構(gòu)成。OPC服務(wù)器是按照各個供應(yīng)廠商的硬件所開發(fā)的，使之可以吸收各個供應(yīng)廠商硬件和系統(tǒng)的差異，從而實現(xiàn)不依存于硬件的系統(tǒng)構(gòu)成。同時利用一種叫做Variant的數(shù)據(jù)類型，可以不依存于硬件中固有數(shù)據(jù)類型，按照應(yīng)用程序的要求提供數(shù)據(jù)格式。

利用OPC使接口標準化可以構(gòu)成如圖5所示的系統(tǒng)。

從圖5可此看出,用戶可以不依存于設(shè)備A，B，C，D的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及它的供應(yīng)廠商，來選用監(jiān)視，趨勢圖以及表報應(yīng)用程序。

6、OPC適用于哪些地方

OPC是為了連接數(shù)據(jù)源(OPC服務(wù)器)和數(shù)據(jù)的使用者(OPC應(yīng)用程序)之間的軟件接口標準。數(shù)據(jù)源可以是PLC，DCS，條形碼讀取器等控制設(shè)備。隨控制系統(tǒng)構(gòu)成的不同，作為數(shù)據(jù)源的OPC服務(wù)器即可以是和OPC應(yīng)用程序在同一臺計算機上運行的本地OPC服務(wù)器，也可以是在另外的計算機上運行的遠程OPC服務(wù)器。如圖6所示。

圖6中可看出，在控期制系統(tǒng)中OPC所占的位置。OPC接口既可以適用于通過網(wǎng)絡(luò)把最下層的控制設(shè)備的原始數(shù)據(jù)提供給作為數(shù)據(jù)的使用者(OPC應(yīng)用程序)HMI(硬件監(jiān)督接口)／SCADA(監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集)，批處理等自動化程序，以至更上層的歷史數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用程序，也可以適用于應(yīng)用程序和物理設(shè)備的直接連接。所以O(shè)PC接口是適用于很多系統(tǒng)的具有高厚度柔軟性的接口標準。其OPC的應(yīng)用范圍通過圖7可見。

既然提到OPC接口那末有必要對OPC接口的定義作說明

6.1 OPC接口定義說明

OPC接口定義了一定的組件類型，并確定這些組件必須具有哪些性能。這樣一種“服務(wù)提供者”人們稱作為OPC服務(wù)器。獨特的OPC服務(wù)器實現(xiàn)了已有通訊系統(tǒng)的連接。OPC服務(wù)器的服務(wù)用戶稱為OPC客戶機。OPC客戶機可以是操作和監(jiān)控系統(tǒng)、歸檔系統(tǒng)和許多其他過程數(shù)據(jù)用戶。這種服務(wù)將通過面向?qū)ο蟮膶傩院头椒▉眢w現(xiàn)。每一個OPC服務(wù)器都提供這種屬性和方式的程序段。因此，不同生產(chǎn)商組件產(chǎn)品之間的協(xié)作將不成問題一自動化技術(shù)軟件的即插即用技術(shù)。

6.2那OPC接口的應(yīng)用?

在哪些情況下，用戶需要使用OPC接口?即提供過程數(shù)據(jù)的組件制造商(通訊系統(tǒng)、測量儀器等)，將組件和OPC服務(wù)器一起使用。OPC服務(wù)器可以與數(shù)據(jù)源連接。與數(shù)據(jù)源的通訊轉(zhuǎn)換組件是組件制造商的唯一職責。OPC服務(wù)器的用戶不用過問制造商的詳細細節(jié)。

OPC接口與具體應(yīng)用無關(guān)，即使傳統(tǒng)的辦公應(yīng)用程序都可自動化系統(tǒng)相連接；用戶將自己決定，不用考慮驅(qū)動器或接口，就可選擇安裝有OPC的自動化組件，既費勁又耗時地匹配驅(qū)動程序的工作將一去不復(fù)返,這樣特大大降低工程成本。

7、OPC有多強大?

為了定性地判斷OPC的性能,所選的儀器設(shè)備在Softing(軟性)進行了測試，使用兩臺商用PC機。配置有奔騰90處理器、48或64兆內(nèi)存,故意選用低檔性能配置的計算機以排除好的測量結(jié)果是歸因于高性能的計算機，這兩臺計算機上的操作系統(tǒng)為Windows NT4.0。

對于本地的測試 ，一臺小型的OPC客戶機測試應(yīng)用程序以及來自Softing的PROFIBUS DP OPC服務(wù)器安裝在一臺PC上.對于包含DCOM的分布式OPC應(yīng)用程序的測試，OPC測試客戶機在第二臺遠程PC上啟動。在本地以及兩合計算機之間，5000個過程變量(一個非常實用的可視化系統(tǒng))的變化值能在1秒內(nèi)在OPC服務(wù)器和OPC客戶機之間傳送。對于只有500個過程變量的情況，只需100毫秒時間。因而 OPC被認非常適合于在很短的更新速率內(nèi)采集大量的動態(tài)過程變量的應(yīng)用場合。

這就是為什么除那些應(yīng)用在過程可視化以及數(shù)據(jù)采集的產(chǎn)品。諸如S0ft-PLC 4CONTROL用于時間臨界的控制程序?qū)⑼耆贠PC的原因。在這個配置中，遠程PC通過公司內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)連接到第一臺PC。選擇測試的是由事件驅(qū)動數(shù)據(jù)傳送的每日報表。其中OPC服務(wù)器連續(xù)地產(chǎn)生數(shù)值，這些數(shù)值傳送給OPC客戶機。測試組重復(fù)地測試從第一次由NT(網(wǎng)絡(luò)終端)接口程序的高速緩存器讀出限定數(shù)量的數(shù)據(jù)值到全部數(shù)值收到后由OPC客戶機所確認的時間。結(jié)果是只有純粹的服務(wù)器與客戶機間的傳送時間需要考慮，而無須考慮從自動化設(shè)備采集數(shù)值的時間。

因為OPC在測試客戶機收到數(shù)據(jù)后就將其丟棄，因而，所有特定的應(yīng)用流程如數(shù)據(jù)歸檔或可視化均包括在測試中。從不同時間連續(xù)測得的數(shù)值取平均值。傳送到OPC客戶機的數(shù)值其數(shù)量從1到5000，用于調(diào)查對傳送時間的依賴程度。

8、集成的OPC服務(wù)器

包括在4CONTROL系統(tǒng)中的“零工程”可視化特性自動地由IEC源代碼匯編生成，并且能夠通過標準的Internet瀏覽器在任何地方看到。萬一預(yù)生成的可視化不能滿足要求用戶能使用一個由SCADA(監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集)制造商提供的可視化系統(tǒng)軟件包。并通過OPC接口，4CONTROL能作為可視化專用的OPC服務(wù)器，OPC接口此時用于全部的過程可視化系統(tǒng)。所有IEC控制程序中的全部變量、功能塊、程序和任務(wù)作為OPC條目／OPC變量顯示在可視化窗口；通過集成的4CONTROLOPC服務(wù)器，用戶的輸入直接傳送到控制程序。隨著諸如OPC和4CONTROL作為控制程序的新標準，具有不同電源要求的硬件能用于具有不同偏離要求的工廠內(nèi)。開放的OPC接口為客戶提供高度的自由度使客戶能夠擺脫制造商的要求，而使用現(xiàn)有技術(shù)及其它先進技術(shù)并具有高度的靈活性。

9、總結(jié)

使用OPC(OLE for process control)技術(shù)，第一次實現(xiàn)了不用考慮驅(qū)動程序和接口問題，就可以在自動化控制軟、硬件之間實行無縫鏈接。OPC基于Microsoft Windows的COM/DCOM技術(shù)，定義了工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,使用起來與制造商不相關(guān)的接口。即使是非常歡迎的Office程序，都可以連接到自動化的世界。OPC不僅給自動化組件的制造商提供了如此多的優(yōu)點。用戶第一次在選擇它們的硬件和軟件模塊時具有充分的靈活性。通過標準化通信接口，多種供應(yīng)商的產(chǎn)品能被組合、匹配在一起，并且在無需修改程序的情況下能夠相互作用。OPC使得即插即用在自動化應(yīng)用中成為現(xiàn)實，并且還允許集成各種各樣的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。將OPC提供眾多的優(yōu)點歸納為：* 在過程控制和機器制造工業(yè)領(lǐng)域的“即插即用”

* OPC使自動化環(huán)境中的即插即用設(shè)想成為現(xiàn)實。OPC允許在不同供應(yīng)商開發(fā)的硬件裝置和應(yīng)用軟件之間通過共同的接口進行數(shù)據(jù)交換。Windows技術(shù)和OPC接口使之有可能將可編程序控制揣的硬件和軟件組合在一起，而不需要開發(fā)大量專用的通訊接口程序由此節(jié)省不少人力物力

* OPC使從辦公室產(chǎn)品到過程數(shù)據(jù)的訪問簡單易行而且靈活可靠。