（检测技术与自动化装置专业论文）先进控制软件集成平台中opc技术的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 流程工业企业为了不断提高自身的竞争力以及在市场中占据有利的地位，越来越 重视企业信息化建设，运用先进控制的理念和软件技术来提升现有的生产能力。但是 国内现有的先进控制软件普遍存在着功能单一、各软件间集成性和互操作性较差的特 点，使得企业难以综合运用这些软件，发挥其整体优势。在这样的背景下，本文以先 进控制软件集成数据平台作为研究内容，该平台以实时数据库为核心，以o p c 技术 为主要数据通讯方式，不仅具有一般实时数据库的功能，而且能更好的提供对先进控 制软件的支持。 本文首先介绍了先进控制软件和实时数据库的一些基本知识，然后系统地分析了 集成甲台的必要性和功能需求，通过对比的方式确定了集成数据平台的数据访问方式， 提出了集成平台的体系结构设计，并分析了系统结构没计的优点。 本文研究的重点是集成平台o p c 数据访问接口的实现，包括o p c 数掘服务器程 序和o p c 客户端程序的实现。在深入研究o p cd a 规范和c o m 技术的基础上，本文 从服务器的数据结构、服务器地址浏览空间、o p c 服务器注册以及数据通讯方式等方 面详细的介绍了o p c 服务器程序的开发过程和方法；对于o p c 客户程序的实现，本 文主要介绍了客户端数据结构、s t a 线程的创建以及s t a 线程的工作。最后设计了 集成平台实时数据库访问接口，并对所实现的o p c 服务器和客户端分别进行了测试。 基于o p c 技术设计的先进控制软件集成数据平台，使用户不必关心各种驱动程序 和通信程序的编写，方便的读取所需的实时数据和历史数据，将主要精力用于先进控 制软件的研制和开发。因此，先进控制软件集成数据平台的研究和开发，有着广泛的 市场前景和较好的实用性。 关键词：集成数据平台；实时数据库；0 p 0 服务器；0 p 0 客户 史成全：先进控制软件集成平台中o p c 技术的应用研究 a p p l i c a t i o no fo p c i ni n t e g r a t e dp l a t f o r mf o ra d v a n c e dc o n t r o l s o f t w a r e a b s t r a c t t oi m p r o v ec o m p e t e n c ya n dg e ta d v a n t a g ei nt h em a r k e t ，p m c e s si n d u s t r yb e c o m e s m o r ea n dm o r ep a y i n ga t t e n t i o nt ot h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi s t o e n h a n c et h ep r o d u c t i v i t yb yu s i n ga d v a n c e dc o n t r o lt h e o r ya n ds o f t w a r e h o w e v e r ，t h e e x i s t e n ta d v a n c e dc o n t r o ls o f t w a r eh a ss i n g l ef u n c t i o n ，b a di n t e g r a t i o na n di n t e r a c t i o ne a c h o t h e r u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rs t u d i e sa n dd e s i g n sa l li n t e g r a t e dd a t ap l a t f o r mf o l - a d v a n c e dc o n t r o ls o f t w a r eb a s e do no p ct e c h n o l o g y t h ec o r eo ft h ep l a t f o r mi sr e a l t i m e d a t a b a s e 、a n di t sm a i nc o m m u n i c a t i o ni sb a s e do no p c t h i sp l a t f o r mn o to n l yh a st h e f l m c t i o no f r e a l t i m ed a t a b a s e ，b u ta l s op r o v i d e sb e t t e rs u p p o r tf o ra d v a n c e dc o n t r 0 1s o f t w a r e f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g co fa d v a n c ec o n t r o ls o f t w a r ea n d r e a l t i m ed a t a b a s e s e c o n d l y ，i ta n a l y s e sd e t a i l e d l yt h en e c e s s a r ya n df u n c t i o no ft h ep l a t f o r m a n dt 1 1 e ni t p r e s e n t s a r li n t e g r a t e da r c h i t e c t u r eo ft h ep l a t f o r m a n a l y z i n gt h ev i r t u eo f s t r u c t u r ea tt h es a m et i m e t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri st or e a l i z eo p cd a t ai n t e r f a c ef o rt h ep l a t f o r m ，i n c l u d i n g o p cd a t as e r v e ra n do p cc l i e n tp r o g r a m s o nt h eb a s i so fs t u d y i n g d e e p l yo p cd a s p e c i f i c a t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h em e t h o da n dp r o c e s so fo p cs e r v e rd e v e l o p m e n ti nt h e t e r m so fd a t as t r u c t u r eo fo p c s e r v e r ，o p ca d d r e s sb r o w s es p a c e ，r e g i s t e r i n gs e r v e ra n dd a t a a c c e s sm e t h o da sf a ra s0 p cc l i e n t ，t h i sp a p e rc h i e f l ys t u d i e st h ed a t as t r u c t u r e ，t h ef o u n do f s t at h r e a da n dt h ew o r ko fs t aa tl a s t ，t h i s p a p e rd e s i g n st h ei n t e r f a c eo fr e a l - t i m e d a t a b a s e ，a n dt h e nt e s t st h es e r v e ra n dt h ec l i e n tr e s p e c t i v e l y m s i n t e g r a t e dd a t ap l a t f o r mb a s e do no p cp r o v i d e sc o n v e n i e n c ef o ru s e rt or e a da n d w r i t er e a l - t i m ea n dh i s t o r yd a t au d t h o u tc o n c e r n i n ga b o u tp r o g r a n u n i n gt h ed r i v e r u s e r sc a r l p a ym o r ea t t e n t i o nt od e v e l o pa r i t h m e t i ca n de x c e l l e n tc o n t r o lp l a n s s ot h i sp l a t f o r mm u s tb e a p p l i e dw i d e l yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：i n t e g r a t e dd a t ap l a t f o r m ；r e a l t i m ed a t a b a s e ；o p cs e r v e r ；o p cc l i e n t 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 塾亟、笙 聊签名：盘垄 2 砷 年i j 目，。日 一j 一，一h 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：整亟竺日期：竺坌：! ： 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着我国经济体制的转变，国内的众多流程工业企业日益感受到国际间竞争所带来 的压力和挑战。流程工业综合自动化系统的应用，提高了企业的竞争力。实现流程工业 企业综合自动化系统的关键之一在于解决企业底层过程控制网络与上层管理信息网络 间的数据集成和应用集成问题。由于技术发展的原因，流程工业企业过程控制网络上分 布着不同厂商的不同种类的监控系统，这些控制系统都是面向装置和设备的，每个系统 只能采集和管理相应装置或设备在运行过程中产生的部分实时数据。而在整个连续工业 生产过程中存在着诸多的装置和设备，有大量的实时数据需要进行处理、存储和集成， 因而企业迫切希望能提供一个综合数据平台来解决整个企业的数据集成问题。通过该平 台，企业能有效地集成各类异构控制系统，建立工厂控制层( d c s 、f c s 、p l c 等) 与 管理信息系统m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns v s t e m ) 之间的实时数据连接，实现企业生，。 过程控制和业务管理相结合。同时，该平台也为企业进一步实施先进控制、实时在线优 化和制造执行系统m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i n gs y s t e m ) 等提供底层的实时数据支持。 明显地，该平台仅靠底层控制系统和关系数据库技术并不能完全解决，需要采用新的数 据库技术来实现。 实时数据库系统r t d b s ( r e a l t i m ed a t a b a s es y s t e m ) 是数据库技术和实时技术两者 在概念、技术、方法和机制无缝结合的基础上产生的新的数据库技术。它是数据和事务 都有显式定时限制的数据库，在时间约束的条件下能保证共享数据的一致性u j 。实时数 据库的应用成功实现了现场控制系统的过程生产数据的集中，建立了企业管理系统与底 层控制系统之训的数据通讯，为全厂过程实时信息的综合集成奠定了基础。 国外许多自动化仪器仪表厂商和软件公司凭借其长期在流程工业领域发展的优势， 开发出了相应的实时数据库产品，例如美国a s p e n t e c h 公司的l n f o p l u s 2 1 系统，美同 h o n e y w e l l 公司的u n i f o r m a n c e ( p h d ) 系统，英国w o n d e r w a r e 公司的i n d u s t r i a ls q ls e r v e r 产品，美国的o s i 公司的p l a n t i n f o r m a t i o ns y s t e m ( 简称p i ) 等。 进入9 0 年代以来，国内一些软件公司和硬件集成厂商也开始了实时数据库产品的开 发尝试，相继出现了一些实时数据库产品，如浙江中控软件技术有限公司的e s p i s y s 系统，中国国家电力公司自动化研究院的n s i s 系统，中国大庆金桥信息技术工程有限公 司的c o m r t d b 系统等。尽管这些产品和国外的同类产品相比，不论从功能上、性能上， 还是在体系结构设计上都还存在着一定的差距，但是它们也有各自的优势所在，例如地 缘优势、成本优势、服务优势等。加上各公司在功能和性能上的不断改进，近年来这些 产品在国内的实时数据库市场上也占有越来越高的份额。 史成全：先进控制软件集成平台中o p c 技术的应用研究 实时数据库的应用成功实现了现场控制系统的过程生产数据的集中，建立了企业管 理系统与底层控制系统之间的数据通讯，为全厂过程实时信息的综合集成奠定了基础。 由于控制现场的实时数据记录了实际的生产历史过程，其中包含了丰富的信息，因而仅 通过实时数据库采集并存储这些数据是不够的，更关键的是如何更好地支持其他软件， 使其他软件能方便地从实时数据库中得到所需要的实时数据和历史数据。其中先进控制 软件是实时数据库的最主要应用对象，它能真正地指导工业现场生产，给企业带来最直 接的收益。 本课题正是在此背景下提出，设计并实现适合流程工业企业的基于o p c 技术的先进 控制软件集成数据平台，整个平台以实时数据库为核心，不仅满足一般实时数据库的需 求，而且能更好地支持先进控制软件的应用。平台数据访问接口主要采用o p c 技术，o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ，用于过程控制的o l e ) 技术是工业过程控制开放性和数据集 成性需求推动的结果，它为现场设备、自动控制应用、企业管理应用软件之间提供了开 放、统一的标准数据访问接口。 本文的重点是集成平台数据访问接口部分的实现，全文共分以下几个部分： 第1 章首先对先进控制软件进行了简单介绍，阐述了集成平台对先进控制软件集成 的方式；然后简单介绍了实时数据库的相关知识。 第2 章剥先进控制软件数据集成平台的设计目标、功能、数据访问方式以及平台的 结构进行了详细的研究分析和设计。 第3 章简单阐述o p c 技术的概念、发展历史以及o p c 数据存取规范，并剥o p c 技术的基础c o m 技术进行了简单的介绍。 第4 章深入剖析o p c 服务器的设计和丌发过程，给出了主要的实现方法和步骤， 并针对o p c 服务器的安装注册、内部对象的聚合和数据存取过程等问题进行细致的研 究，提m 了解决这些问题的详细方法。 第5 章着重阐述了o p c 客户端程序的实现过程，给出了浏览服务器划象、与服务 器进行数据交互等问题的详细解决方法。 第6 章介绍了先进控制软件集成平台中对实时数据库访问的接口设计，并对所实现 的o p c 服务器和客户端功能分别进行了测试分析。 最后是结沦，总结本文所作的工作，提出集成平台的发展前景以及下一步的重点工 作。 大连理工大学硕士学位论文 1 集成平台技术简介 1 1 集成平台对先进控制软件的支持 11 1 先进控制软件简介 在当今过程控制工业中，p i d 控制仍处于绝对的主导地位，约占总回路数的 8 0 9 0 。然而，在工业生产过程中仍有1 0 2 0 的控制问题采用上述控制策略无法 奏效，所设计的被控过程往往具有强耦合性、不确定性、非线性、信息不完全性和大纯 滞后等特性，并存在着苛刻的约束条件。控制的目标也已不再局限于对某一个变量，或 几个变量的平稳操作，而是越来越多地加入到以经济效益为代表的其他控制要求，然而 传统的以单变量技术为基础的控制技术己无法满足这些要求，迫切需要一类合适的先进 控制策略。 先进控制是在以状态空问方法和现代频域方法为主体的现代控制理论的基础上发 展起来的，先进控制技术的任务是解决那些采用常规控制效果差，甚至无法控制的复杂 工业过程的控制问题。先进控制系统有合理的控制目标，可以适应于具有复杂动态特性、 纯滞后、多变量、有不可测变量、变量有约束等过程，并在工况变化时仍有较好的控制 性能，可充分发挥装置的生产潜力，优化生产、便于操作、运行可靠。目前，基于模型 的控制理论体系和商品化软件已基本形成，并成为过程控制中应用最成功的控制技术【2 】。 近年来，先进控制软件及其产业出现了综合集成的发展趋势。 就先进控制软件的发展而言，在专业控制软件公司如a s p e n t e c h 公司、a d e r s a 公司 和t r e i b e r 控制公司等，流程工业的大型跨围公司如s h e l l 、e x x o n 等，d c s 和p l c 制造 商如h o n e y w e l l 公司、f i s h e r r o s e m o u n t 公司等共同努力下，先进控制技术得到进一步 发展和应用，不断地进行更新换代l 2 1 。 虽然国内对先进控制的研究起步较晚，但近年来也引起了各企业、各研究机构的重 视。一方面，以中国石化集团公司为代表的一些行业己引进各类先进控制软件：另一方 面，国内的高校、科研机构和企业通过多年的合作攻关，取得了一批达到国际水平的先 进控制研究成果l jj 。 1 12 集成平台与先进控制软件的集成 先进控制技术是提高企业经济效益的有力手段之一。通常，先进控制软件包括了模 型辨识软件、多变量预测控制软件、在线优化软件、工艺计算软件、软测量软件、鲁棒 p i d 控制软件、专家控制软件等。先进控制软件可以利用实时数据和历史数据对生产过 史成全：先进控制软件集成平台中o p c 技术的应用研究 程进行优化控制，掌握生产过程规律，实时调整工艺参数，使过程处于优化状态。同时 也可以通过在线监控、统计分析产品的产量和质量数据，预测产品的产量和质量，从而 达到提高经济效益的目的。 通常先进控制软件的直接控制对象是现场的装置，控制器将运算结果直接回写到装 置中，调整某些参数设定值，以达到先进控制和实时优化的目的。因而建立与装置之间 的数据通讯成为先进控制软件所必需的功能。考虑到控制系统通讯接口的多样性，如 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 、d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 、r s 2 3 2 等，先进控制软件 需要针对不周的接口开发不同的数据采集程序。当多个控制软件同时对多套装置实施先 进控制时将形成如图1 1 所示的复杂的数据通讯连接。 图1 1 一般先进控制软件体系 f i g 11g e n e r a ls y s t e mo fa d v a n c e dc o n t r o ls o f t w a r e 如果把先摔软件与装置问的数据通讯功能独立出来，并提供统一的数据接口，先控 软件只需要使用统一的访问接口就可以访问装置中的生产数据，则将会大大简化先进控 制软件的开发，降低软件的复杂度。从实时数据库的功能可知，实时数据库可根据不同 接口类型设计不同的接口软件来采集装置的实时数据，同时能提供多种类型的接口以供 先进控制软件使用，如a p | 函数、自定义接口、自动化接口、a c t i v e x 控件等。此外， 由于实时数据库具有强大的数据存储能力，因而先进控制软件可以方便地从中查询所需 的实时和历史数据。实时数据库提供的数据统计和趋势分析等工具，也能为先进控制软 件更好地分析和利用数据提供强有力地支持。以实时数据库为基础的先进控制软件体系 结构如图i 2 所示。 从图中不难发现，以实时数据库为基础数据平台的先进控制软件体系具有以下优 点： ( 1 ) 统一的数据访问接口：先进控制软件只需要调用实时数据库提供的接口函数就 日访问不同接口类型、不同生产装置上的数据； 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 实时的数据存储和查询：实时数据库提供了高效的实时数据采集和历史数据存 储服务，以满足先进控制软件的查询要求； 寸丑 槎 媒 l 多变量预测控制软测量 工艺计算数据挖掘 t 集成数据服； 组态服务 数据查询 数据存储算法库算法切换 实时数据库 通用接口软件 i ； 数据采集 o p cd d e r $ 2 3 2 等 装置l装置2装置3 图l _ 2 基于实时数据库的先进控制软件体系 f i g 1 2s y s t e mo f a d v a n c e dc o n t r o ls o f t w a r eb a s e do nr t d b ( 3 ) 强大的数据分析与统计：实时数据库提供了多种数据分析和统计工具，如趋势 图、报表显示及数据统计等； ( 4 ) 方便的系统组态：先进控制软件可以通过实时数据库获取各装置的组态信息， 而不必重复进行组态： ( 5 ) 安全的算法和控制策略切换：实时数据库中提供了利用脚本语言进行编程的功 能，可以在脚本中可以实现控制器切换、运行监控等需求，弥补了在d c s 上编程功能 相对不足的缺点。 考虑到先进控制软件的运行结果会直接影响装置的运行，这就要求先进控制软件具 有足够的安全性和稳定性，能采用必要的防护措施，以确保软件运行异常时能及时地把 控制器运行状态切换至手动状态。因而针对这些安全性要求，实时数据库除了在功能上 需满足先进控制软件的数据访问要求外，还需要注意以下几个方面要求： ( 1 ) 具有高可靠性和稳定性； ( 2 ) 提供向控制系统( 如d c s 、p l c 等) 写数据的接口，而一般的实时数据库只要 求提供从控制系统读取数据的功能； ( 3 ) 异常时提供必要的防护措施，及时关闭实时数据库的运行； 史成全：先进控制软件集成平台中( 9 p c 技术的应用研究 ( 4 ) 不同装置间的数据通讯互不影响，不会因为部分装置的通讯出现问题而影呱其 他装置的正常通讯。 因此，以实时数据库为核心的集成数据平台要提供先进控制软件的全面支持，除了 要满足一般实时数据库的功能之外，还要满足另外一些要求，这些要求在进行系统设计 和构架时必须要考虑的。如何让集成数据平台更好地支持先进控制软件是本课题的研究 重点之一。 1 2 实时数据库技术 实时数据库是先进控制软件集成数据平台的核心，是整个系统运行的基础，下面剥 实时数据技术作简单的介绍。 1 2 1 实时数据库技术简介 数掘库作为计算机技术的一个重要分支，随着计算机技术的飞速发展和社会信息化 建设，愈加显示其重要性。在传统应用领域上，关系型数据库以严格的数学基础，简单 清晰的概念，易于理解和操作获得了巨大的成功，然而在现代工程( 尤其是在流程工业 控制领域) 和时间关键型的应用领域面前，却显得束手无策h 1 ，为此需要提出一种具有 高实时性、大数据容量和访问量的新的数据库理论。 实时数据库理论是在关系数据库的基础上，研究实时事务、实时并发控制和实刊任 务调度的p 1 。它是实时技术和数据库技术相结合的产物，涉及实喇数据模型、实时事务 调度与资源分配策略、实时数据查询语言、实时数据通信等许多问题。实时数据库中的 事务不仅要满足致性约束的要求，还要满足时间约束的要求。针对这些问题，结合不 同的应用需求和应用特点，许多研究机构和企业进行了深入广泛地研究，其间积累厂大 量的经验，并形成了一套比较完整的实时数据库系统理论。实时数据库采用的技术主要 包括实时数据模型及其语言、实时事务模型及其处理、数据存储与缓冲区管理、备份恢 复以及并发控制等f 6 j 。 1 2 、2 实时数据库在流程工业中的应用 流程工业包括石化、冶金、电力、轻工、制药、采矿、环保、炼油等在国民经济中 占主, 9 - 地位的行业i ”。在当前日益激烈的市场竞争背景下，提高企业综合竞争力是流程 工业企业当前面临的重要课题。尤其我国的流程工业企业普遍都存在着单位成本高、能 耗大、设备利用率低、管理滞后等问题，要改变这一状况必须加快企业自身的信息化建 设，以信息化带动工业化的发展，从而达到增强自身综合竞争力的目的。企业信息化建 大连理工大学硕士学位论文 设的关键在于建立适合于本企业的综合自动化系统，实现企业生产过程和管理信息( 包 括市场信息、计划任务、管理决策等) 的综合集成。 根据国内外综合自动化技术的发展趋势和网络技术的发展现状，流程工业企业综合 自动化系统的总体结构可以分成e r p m e s p c s 三层结构。如图1 _ 3 所示。 流程工业企业综合自动化模型具有以下特点【7 】_ ( 1 ) 以p c s ( 过程控制系统) 为代表的基础自动化层。主要内容包括先进控制软件、 软测量技术、实时数据库技术、可靠性技术、数据融合与数据处理技术、集散控制系统 ( d c s ) 、现场控制系统( f c s ) 、多总线网络化控制系统、基于高速以太网和无线技术的现 场控制设备、传感器技术、特种执行机构等等。 e l i p 层 m e s 层 f c s 层 图13 流程上业企业综合自动化模型 f i g 1 3m o d e lo f f l o w i n gi n d u s t r i a le n t e r p r i s ea u t o m a t i o n ( 2 ) 以m e s ( 生产过程制造执行系统) 为代表的生产过程运行优化层。主要内容包 括先进建模与流程模拟技术( a m t ：a d v a n c e dm o d e l i n gt e c h n o l o g i e s ) 、先进计划与调度 技术( a e s ：a d 、，a n c e dp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ) 、实时优化技术( r t o ：r e a l 。t i m e o p t i m i z a t i o n ) 、故障诊断技术、数据挖掘与数据校正技术、动态质量控制与管理技术、 动态成本控制与管理技术等等。 史成全：先进控制软件集成平台中o p c 技术的应用研究 ( 3 ) 以e r p ( 企业资源管理) 为代表的企业生产经营优化层。主要内容包括企业资 源管理( e r p ) 、供应链管n ( s c m ) 、客户关系管n ( c r m ) 、产品质量数据管理( p o d m ) 、 数据仓库技术、设备资源管理、企业电子商务平台等等。 流程工业是实时数据库系统最重要和最成功的应用领域之一。在生产装置运行过程 中，实时数据库系统实时采集装置的运行数据，并通过对生产过程的关键数据的监控和 分析，随时掌握装置的运行状况，及时处理出现的问题，使生产的运行状态保持平稳。 通过对生产数据的检测和分析，特别是对生产调度人员来说，可以及时地调整物料供应， 减少能耗，控制生产成本，提高企业经济效益。 在实时数据库中，通过高效的压缩技术和海量存储技术，保存大量的生产过程历史 数据。它可以帮助生产人员分析生产过程的变化规律，对生产过程进行优化；还可以帮 助生，。人员分析和定位生产故障原因，制定相应的防范措施。 实时数据库系统与现场控制设备直接相连接，使企业管理层实时地得到来自生产过 程的实时数据，为管理信息系统的开发与应用提供了一个理想的平台，实现管理控制 体化，使管理信息系统实时、高效地运行。 因此在流程工业综合自动化体系中，实时数据库起着承上启下的作用，连接着m e s 层和p c s 层，既为企业管理信息系统提供了基础的实时数据服务，也为先进控制软件提 供了集成的实时数据平台。 大连理工大学硕士学位论文 集成数据平台的总体设计 流程工业企业为了不断提高自身的竞争力以及在市场中占据有利的地位，越来越重 视企业信息化建设以及运用先进控制的理念和软件技术来提升现有的生产能力。在此背 景下，方面先进控制软件( 例如多变量预测控制软件、软测量软件、工艺计算软件以 及数据校正软件等) 在流程工业企业中的运用日渐广泛，采用的技术也日渐成熟。但国 内现有的先进控制软件普遍存在着功能单一，各软件间集成性和互操作性较差等缺点， 使得企业在实施中难以综合运用这些软件，发挥其整体优势。各先进控制软件间的集成 化、系统化成为今后先控软件的必然发展趋势【8 1 。另一方面，实时数据库的应用使得企 业能方便地集成各装置的实时和历史数据信息，提供各类数据的查询和分析，为进一步 广泛利用和深度发掘这些数据提供了有效的基础信息平台。 综合分析不难发现，如果能把实时数据库和先进控制软件结合在一起，将改变先进 控制软件集成性差、互操作性差的状况。换而言之，即在实时数据库中实现各先进控制 软件在位号组态、数据存储、数据查询、运行监控、统计分析等基础功能需求，而在先 进控制软件中仅需调用实时数据库提供的这些统一接口即可实现所需基础功能，可以专 注于各先进控制算法和界面的设计，以此来达到提高先进控制软件集成性、简化先进控 制软件设计的目的。这也是以实时数据库为核心的先进控制软件数据集成平台在设计时 需要解决的问题。 本章在分析了集成平台设计目标和功能需求的基础上给出了平台的结构设计和数 掘模型设计。该平台结构和数据模型建立了整个平台的框架和基本数掘对象，明确了软 件的构成和技术路线，为进一步详细设计和实现奠定了基础。 2 1 设计目标 集成数据平台是连接现场控制系统和企业管理信息系统之间的桥梁，在流程工业企 业综合自动化体系中具有举足轻重的地位。自上世纪9 0 年代以来，软件开发技术得到 突飞猛进的发展，各种先进的软件技术纷纷出现，如面向对象的编程技术、分布式组件 技术、u m l 建模技术、j a v a 技术等。这些新软件技术和开发工具的运用使得开发复杂 的基于企业级的应用变得更加高效，功能更强大，更易于维护。 由于我国流程工业普遍存在自动化水平参差不齐、总体比较落后的现状，要求集成 平台具有较好的集成性、兼容性，能集成不同品牌、新旧不一的现场控制系统，还要求 系统具有友好的操作界面，便于操作人员快速熟练地掌握和维护。此外，先进控制软件 是集成平台的重要应用列象，故在设计时也应充分地考虑先进控制软件的特殊需求，要 史成全：先进控制软件集成平台中o p c 技术的应用研究 求集成平台具有可靠的稳定性、较好的容错性和良好的开放性。具体而言，对集成平台 的设计目标可以从实时性、稳定性、集成性、开发性等四个方面来详细说明9 1 。 211 实时性 先进控制软件集成平台本质上是一个实时数据库，在设计时需遵循相关的实时数据 库设计原理。 实时数据库与关系数据库的主要区别在于，实时数据库系统中数据和事务都具有定 时特性或定时限制，其正确性不仅依赖于逻辑结果，而且依赖于逻辑结果产生的时| 1 d j 1 1 0 , 1 1 。实时数据库系统是外部系统的一个客观反映，它表示了外部系统的当前状态，只 有数据与外部系统的实际情况相吻合时，数据才有意义。因而实时性是实时数据库系统 的基本要求。在流程工业中通常数据的扫描周期在1 s 以上，所以在实时数据采集上能 比较容易满足其要求。 系统的主要处理对象是数据，要求能高效地管理和组织数据，保证数据满足各种一 致性要求。同时在事务处理上存在着时间和资源调度问题，要求能有效地解决事务间的 并发性”。为了保证系统具有高的实时性，必须要求在设计时系统具有良好的、优化的 数据存储和查询结构，同时还应该考虑到访问负载平衡以及并发控制等因素，在实现时 可以采用并发任务串行化、多层索引结构、局部索引等方法来提高系统的实时性。 21 2 稳定性 集成平台是个大型复杂的系统，能支持多种不同类型的客户端实时访问，需要长 时间实时在线运行，其运行是甭稳定可靠对整个综合自动化体系运行是否稳定可靠息息 相关。因而在设计集成平台时必须保证稳定性作为首要任务，即使在大量访问量和采集 量的情况下仍能稳定运行。 此外，在线运行的先进控制软件往往需要通过集成平台把计算结果回写到控制系统 中，直接影响生产装置的运行。为安全起见，集成平台必须提供良好的出错处理机制， 即使在发生某些异常的情况下也能及时切断控制器的运行，切换至手动控制状态。 2 1 3 集成性 集成平台作为控制系统与企业管理系统之间的信息通道，要求其必须具有良好的集 成性，包括与底层控制系统的集成、与企业管理系统的集成，与先进控制软件的集成和 其他实时系统的集成。 ( 1 ) 与控制系统的集成旧 大连理工大学硕士学位论文 由于我国流程工业的发展水平参差不齐，通常在企业生产现场的控制系统可能是来 自不同厂商的不同时期的产品，其系统结构和通讯方式也各不相同，这给控制系统的实 时数据采集带来了极大的困难。因此集成平台提供了以o p c 方式为主，其它方式如 d d e 、t c w i p 、串口为辅的通讯方式，针对不同的系统类型采用不同的数据采集方式。 集成平台与控制系统的集成如图2 1 所示。 图2 1 集成平台与控制系统的集成 f i g 2 1i n t e g r a t i o n o fi n t e g r m e dp l a t f o r ma n dc o n t r o ls y s t e m s ( 2 ) 与企业管理系统的集成 集成平台的实时数据库中保存着大量的生产过程数据，这些数据为进一步成本管 理、工艺改进、统计分析、生产监控等提供了真实的依据。实时数据库要真正体现其价 值r 更重要的在于如何利用这些己有的数据。故实时数据库与企业管理系统的无缝集成 显得尤其重要。企业管理系统包括生产管理系统、工艺管理系统、成本管理系统、计划 与排产系统、故障诊断系统等各类管理系统。这些管理系统都依赖于关系数据库，所以 集成平台必须能与关系数据库实现无缝集成，提供类似于访问关系数据库的方法来访问 实时数据库，如o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i o n ) 、a d o ( a c t i v ed a t ao b j e c t s ) 等方式。 ( 3 ) 与先进控制软件的集成 除了企业管理系统的应用之外，先进控制软件的数据存取也有赖于集成平台，故为 各类先进控制软件提供安全、稳定、方便的数据服务也是集成平台必须达到的要求。与 先进控制软件的集成不仅仅是提供访问的接口，而是真正从功能上进行集成，如为先进 控制软件提供组态信息的集成、数据访问的集成、控制器的切换等功能上的集成。 ( 4 ) 与其他实时数据库系统的集成 史成全：先进控制软件集成平台中o p c 技术的应用研究 流程工业企业可能己经存在着不同类型的实时数据库系统，为了具有更好的集成性 和通用性，集成平台还需要提供访问其他实时数据库系统的接口，例如与o s i 公司的 p i 系统、a s p e n y e c h 的i n f o p l u s 系统等。这样可以实现企业内部多个实时数据库系统的 互连，使实时数据库具有更好的通用性，充分利用企业已有的资源。 2 14 开放性 集成平台作为实时数据服务的基础构件必须具有良好的开放性和可扩展性，使用户 能基于集成平台方便地进行二次开发和数据连接。为此集成平台应该提供各种不同类型 的数据接口，以供各种主流的开发工具使用。一般说来，至少需要提供以下几种数据访 问方式，如a p i 函数接口、自动化接口、o p c 接口、a c t i v e x 专用访问控件、o d b c 接 口、a s pn e t 接l 等。不同的开发工具可以根据各自的特点选择不同的接口方式来坊问 集成半台的实时数据库。集成平台的开放性如图2 2 所示。 a p i 接口 o p c 接l | 自动化接口 a c t i v e x 控件o d b c 接i a n e t 接口 图2 2 集成平台的开放性 f i g2 2o p e n i n go f i n t e g r a t e dp l a t f o r m 2 2 功能分析 ( 1 ) 数据采集 先进控制软件集成平台必须具有强大的数据采集功能。数据采集是实施先进控制的 基础，所以系统首先必须能从各个控制系统中获取实时信息，并且在需要回写数据的时 候能够及时的写到控制系统中。考虑到现场控制系统，平台与其他系统的通信基于o p c 规范，这是目前被广泛接受和应用的应用软件之间的通信标准。平台作为o p c 数据访 大连理工大学硕士学位论文 问的客户端，而d c s 、p l c 、f c s 等则作为服务器端，二者既可以是本地访问，也可以 是基于以太嘲的远程访问。 ( 2 ) 数据存储 集成平台必须具有稳定可靠的数据存储功能，能存储和管理流程工业企业中所需的 各种数据。它不仅包括采集实时数据，还应该包括中间计算结果数据、统计数据、仿真 数据实验室数据、组态数据等。存储采取的方式可以是自动写入也可以是手动写入。 ( 3 ) 利用自定义语言编程 集成平台需具有通过白定义语言进行编程的功能。先进控制最终控制值将作为d c s 常规控制回路的设定值，直接影响生产过程。为保证安全性，需作一些逻辑切换功能n 但因d c s 的编程功能相对不足，或受d c s 负荷等条件限制，实施先进控制逻辑切换功 能很不方便。为此需在集成平台上提供一个自定义编程语占( 类似b a $ 1 c 语言) ，实 现逻辑切换的人部分功能，如控制器启动逻辑、c v 波动监控、上下限有效性检验等。 ( 4 ) 实时监控 集成平台需提供强大的监视功能。先控软件通常需要实时地跟踪实时数据的变化趋 势，以反映控制器的控制效果。同时还需要通过分析各相关数据间的变化趋势，以找到 其中隐藏的关联规则。因此先控集成平台需提供基于b s 、c s 方式的实时数据监视、 历史数据监视、趋势图监视、流程图监视等功能。此外，先控集成平台必须具备分布式 的体系结构，实现从底层控制网络到企业管理网络之间的多层次、多方面的应用。 ( 5 、数据服务 集成平台提供多种形式的数据服务以支持先进控制软件的应用包括o p c 、o d b c 、 w c b ，自动化接口和a p i 函数等数据服务方式。 o p c 方式：平台应实现标准o p c 接口，先控软件可以作为o p c 的客户端对下 台进行位号数据的读写访问。 o d b c 方式：平台提供o d b c 数据访问模块，该模块使先控软件可以通过o d b c 数据源方式查询平台，实现与关系数据库的无缝连接。 w e b 方式：平台支持以w e b 方式发布实时数据和历史数掘，客户端可以通过i e 或者其他浏览器进行流程图、趋势图报表浏览等。 自动化接口：平台实现自动化接口，客户端可以通过v b ，e x c e l 等工具方便地访 问平台，进j 亍二次开发。 a p i 函数：平台能提供a p i 函数供客户端调用。 史成全：先进控制软件集成平台中o p c 技术的应用研究 2 3 集成平台数据访问方式 从上面的分析可以看出，先进控制软件集成数据平台必须具各数据采集和为先控软 件提供数据服务的基本功能。这就要求集成平台必须能应用于自动化软件各个层次，能 连接不同组件，能实现底层数据在各功能组件问共享，能满足多品牌设备的要求，对各 设备兼容，能直接快速的读取实时数据，同时能为先进控制软件提供方便的数据读写接 口。我们先来看一下传统的数据访问方式。 2 3 1 传统的数据访问方式 传统的存取数据方法有两种【l 3 1 ： f 】) 驱动程序法( d r i v e ) 在应用程序巾挂接“驱动程序”来存取现场控制设备和控制室数据库的数据。该方 法存在以下缺陷：一是相应于特定的硬件，必须为每一个虑用程序编写“驱动程序”： 二是多道应用程序不能同时存取同一设备的数据。 ( 2 ) 动态数据交换法( d d e ) 动态数据交换法是应用程序间交换数据比较简单有效的方法。该方法也存在一些护 陷：一是文本传送速度较慢：二是动态数据交换法传送数据不够安全。 传统数据访问方式，智能设备之间及智能设备与控制系统软件之间的信息共享是通 过驱动程序来实现的。由于软件丌发商对驱动程序的要求各不相同，硬件供货商不可能 为所有的软件开发商提供驱动程序，几个大的自动化厂商的上位机控制软件包含了几种 典型的通讯驱动程序，但是不能解决所有的软硬件通讯问题，所以这项工作主要只能由 控制系统的软件开发商承担。也导致了控制系统软件开发过程中的一些特点： 重复开发。每个软件系统开发商必须为每个特定的硬件开发一个驱动程序； 不同开发商之间的驱动程序不一致。软件开发商各自从自己的需要出发，采用 不同的数据交换协议开发驱动程序，从而使各丌发商之间的驱动程序不一致，并且驱动 程序并不支持所有的硬件特性； 不支持硬件特征的变化。由于驱动程序由软件开发者开发，硬件特征的变化将 会使有的驱动程序失效，为适应硬件特征的新变化，软件开发者必须为硬件开发新的驱 动程序。 访问冲突。一股来说，两个软件包不能同时访问同一设备，因为它们使用不同 的驱动程序。为了解决这一问题，硬件开发商试图以开发驱动程序的方法来解决这一问 题，但由于不同的客户采用不同的客户| 力、议而无法实现。 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 传统的数据访问方式 f i g 2 3t r a d i t i o n a lw a yo fd a t aa c c e s s 控制系统软件开发商构造一个完整的控制系统需要大量的驱动程序，如果再考虑兼 容不同硬件厂商的产品，那么驱动程序的数量将更加