基于opc技術(shù)的公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究

基于opc技術(shù)的公路隧道監(jiān)控系統(tǒng)的研究

1opc技術(shù)簡(jiǎn)介由于每個(gè)生產(chǎn)廠都使用自己獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，傳統(tǒng)的sd系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)沒(méi)有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，因此很難連接和操作其他制造商的設(shè)備和設(shè)備。OPC技術(shù)正是在自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)放性要求的驅(qū)使下應(yīng)運(yùn)而生的。Profibus是德國(guó)西門子公司推出的一種低成本、高性能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),適用裝置一級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)與I/O之間的高速通信,它使用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及用戶接口,這種結(jié)構(gòu)能保證快速有效的數(shù)據(jù)傳送,同時(shí)使現(xiàn)場(chǎng)各智能設(shè)備可以通過(guò)Profibus互聯(lián)。2開(kāi)發(fā)資源,合理利用資源OPC技術(shù)意味著有更多的選擇性、更好的訪問(wèn)過(guò)程數(shù)據(jù)、方便的即插即用操作以及資源開(kāi)發(fā)的有效利用;遵循OPC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以和其他產(chǎn)品無(wú)縫地集成在一起,而且,長(zhǎng)期的維護(hù)和升級(jí)可以通過(guò)在系統(tǒng)中添加或刪除各個(gè)組件來(lái)解決,這使得用戶可以自由的選擇組件而無(wú)需擔(dān)心其接口,未來(lái)是開(kāi)放和自由的,而這正是OPC發(fā)展的目標(biāo)。3與opc服務(wù)器的接口OPC在實(shí)際的SCADA系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng))中的應(yīng)用方式如圖1所示。OPC服務(wù)器作為現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的中間層,將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息與WinCC監(jiān)控軟件和SCADA系統(tǒng)軟件無(wú)縫的連接起來(lái),并且把硬件和應(yīng)用軟件分離開(kāi)來(lái)。網(wǎng)絡(luò)適配器安裝在監(jiān)控計(jì)算機(jī)內(nèi),通過(guò)Profibus總線與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連,負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備交換數(shù)據(jù)。OPC服務(wù)器通過(guò)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)適配器的RAM單元來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的采集。SCADA軟件和WinCC監(jiān)控軟件則可以通過(guò)OPC接口同時(shí)與OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,間接獲取現(xiàn)場(chǎng)信息。在這種方式下,任何支持OPC接口的客戶程序均可以采用統(tǒng)一的方式存取現(xiàn)場(chǎng)信息,無(wú)需另外開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序,而OPC服務(wù)器也只需針對(duì)網(wǎng)絡(luò)適配器開(kāi)發(fā)一套驅(qū)動(dòng)程序,當(dāng)硬件升級(jí)或修改時(shí)只需要改動(dòng)服務(wù)器程序中硬件接口部分即可,不會(huì)影響客戶端。由于OPC基于DCOM(分布式組件對(duì)象模型),所以監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以通過(guò)以太網(wǎng)與其他計(jì)算機(jī)組成局域網(wǎng),分布在其他計(jì)算機(jī)中的客戶程序與監(jiān)控計(jì)算機(jī)服務(wù)器進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的共享?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要用于接收和處理PLC或者傳感器、監(jiān)測(cè)器、風(fēng)機(jī)等傳來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理和控制功能。同時(shí)作為控制網(wǎng)絡(luò)的一部分,現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備還提供了與通信介質(zhì)的接口,直接與監(jiān)控計(jì)算機(jī)或其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信。4profibus系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)項(xiàng)OPC規(guī)范只定義了各個(gè)接口的接口標(biāo)識(shí)、成員函數(shù)的輸入輸出參數(shù)等細(xì)節(jié),未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的OPC對(duì)象。因此在OPC服務(wù)器的設(shè)計(jì)中,可首先繼承IUnknown類,派生出MyOPCServer,MyOPCGroup,MyOPCItem3個(gè)類,并重載IUnknown類中的接口查詢和引用計(jì)數(shù)函數(shù)。這3個(gè)類的實(shí)例分別對(duì)應(yīng)服務(wù)器對(duì)象、組對(duì)象和項(xiàng)對(duì)象。OPC服務(wù)器程序總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。OPC對(duì)象是OPC服務(wù)器和客戶程序進(jìn)行交換的部分,包括服務(wù)器對(duì)象、組對(duì)象、項(xiàng)對(duì)象,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)里面存放著OPC服務(wù)器中定義的數(shù)據(jù)項(xiàng),包括值、品質(zhì)和時(shí)間戳3個(gè)基本屬性及與硬件相關(guān)的屬性。OPC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)按照OPC規(guī)范,利用C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)(STL,StandardTemplateLibrary)中的包容器類來(lái)管理各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng),但數(shù)據(jù)項(xiàng)本身要根據(jù)Profibus網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中,要正確訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)適配器需要知道設(shè)備號(hào)和基地址等信息。為此,OPC服務(wù)器程序中的數(shù)據(jù)項(xiàng)類定義了以上各個(gè)屬性,并在數(shù)據(jù)項(xiàng)類中增加了地址屬性,下面給出了數(shù)據(jù)項(xiàng)類定義和設(shè)置地址函數(shù)的部分代碼。數(shù)據(jù)項(xiàng)類包括一個(gè)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的函數(shù)GetFieldData(),該函數(shù)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序部分的ReadFieldData()函數(shù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)量程的判斷和轉(zhuǎn)換,最后將數(shù)據(jù)的類型轉(zhuǎn)換為OPC規(guī)范所要求的VARIANT類型。數(shù)據(jù)項(xiàng)類中還包含一個(gè)函數(shù)SetFieldData(),該函數(shù)用于向RAM中寫數(shù)據(jù),將控制信息或組態(tài)參數(shù)送到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備當(dāng)中。當(dāng)客戶程序要求的數(shù)據(jù)源是內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí),OPC服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)中m＿vtValue成員變量,當(dāng)要求的數(shù)據(jù)源為設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí),則直接調(diào)用GetFieldData()或SetFieldData()函數(shù)訪問(wèn)RAM中最新的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。對(duì)智能網(wǎng)絡(luò)適配器開(kāi)發(fā)相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)部分,其實(shí)質(zhì)是對(duì)智能適配器中的RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫,因此需要了解適配器的尋址方式、RAM中存儲(chǔ)單元的地址分配等細(xì)節(jié),然后才能編寫相應(yīng)的程序代碼。RAM存儲(chǔ)單元分配為滿足Profibus網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和管理,網(wǎng)絡(luò)適配器在設(shè)計(jì)時(shí)已預(yù)留了8KB字節(jié)的RAM空間,存儲(chǔ)單元按系統(tǒng)功能通信要求,劃分為如圖3所示。每個(gè)通道的數(shù)據(jù)分為高低兩個(gè)字節(jié)存放在兩個(gè)連續(xù)的通道單元中,本系統(tǒng)從現(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)是16位整形或浮點(diǎn)型數(shù)據(jù),按低字節(jié)在前,高字節(jié)在后存放。某現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)低字節(jié)地址按下式計(jì)算:低字節(jié)存儲(chǔ)單元地址=基地址+設(shè)備號(hào)×設(shè)備間偏移量+通道號(hào)×2式中,設(shè)備號(hào)范圍為0～9,通道號(hào)范圍為0～7。驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)硬件驅(qū)動(dòng)程序中對(duì)RAM單元的訪問(wèn)借助于嵌入式匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),以函數(shù)形式封裝便于調(diào)用。下面給出用嵌入式匯編語(yǔ)言編寫的讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的函數(shù),輸入?yún)?shù)為低字節(jié)地址,返回值為16位整型或浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)流程如圖4所示。5監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成本文所開(kāi)發(fā)的OPC服務(wù)器已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際的隧道監(jiān)控系統(tǒng),能夠做到實(shí)