OPC和以太网技术在现场总线中的应用

赵 峰 ，王 霞

（泰州职业技术学院，江苏泰州 225300）

OPC和以太网技术在现场总线中的应用

赵 峰 ，王 霞

（泰州职业技术学院，江苏泰州 225300）

文章介绍了OPC和以太网技术在现场总线控制网络中的应用，分别说明了OPC技术和工业以太网的相关特点。通过分析OPC/DA和OPC/DX技术规范以及以太网技术的特点，给出了基于OPC/DA和OPC/DX的现场总线控制网络架构，并提出了一种将以太网和现场总线控制网络相互集成的方案。

现场总线；OPC；以太网；现场控制网络

现场总线是一种应用于生产现场，在智能控制设备之间实现双向、多节点的串行数字通信系统，是一种开放的、数字化的、多点通讯的底层控制网络，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率快等特点。然而，现场总线控制网络在实际应用中仍存在诸多的问题。针对当前多种现场总线在工业控制中的应用，以及由此产生的不同现场总线相互之间数据交换的问题，可采用OPC技术来实现不同现场总线协议之间的互连和互操作。

1 OPC技术介绍

OPC（OLE forProcess Control规范是由OPC基金会以微软作为技术支持制定的一项工业标准，是实现控制系统现场设备级与过程管理级进行信息交互的关键技术，也是实现不同现场总线协议之间互操作的重要手段。它以组件对象模型和分布式组件对象模型（COM/DCOM）技术为基础，采用客户/服务器模式。其中OPC服务器是数据的供应方，负责为OPC客户提供所需的数据；OPC客户是数据的使用方，处理OPC服务器提供的数据。不管现场设备以何种形式存在，OPC服务器都以统一的方式去访问，从而保证软件对用户的透明性，使用户完全从底层的开发中脱离出来[1]。

OPC服务器规定了两套接口：定制接口（Custom Interface）和自动化接口（A utom ationInterface）。其中，定制接口是OPC服务器必须提供的，自动化接口是可选的。OPC客户既可以支持COM的定制接口，也可以使用自动化接口[2]。典型OPC结构体系如图1所示。

图1 典型OPC体系结构

按照功能不同，OPC基金会发布的OPC规范说明中分为3类接口，它们分别是：

（1）OPC数据访问接口（OPCD Ata Access）OPC数据存取规范（OPC/DA）是OPC基金会最初制定的一个工业标准，其重点是对现场设备的在线数据进行存取。OPC/DA中主要包括3类对象，分别是服务器对象、组对象和项对象。其中，OPC服务器对象包含服务器的所有信息，同时也是组对象的容器。一个服务器对应于一个OPC服务器，在一个服务器中可以有若干组对象。OPC数据项表示与OPC服务器中数据的连接，通常指向设备的一个寄存器单元，数据项不提供对外接口，客户不能直接对之进行操作，所有操作都是通过组对象进行的。

（2） OPC报警和事件接口（OPC Alarm and Events）OPC/A E主要负责让服务器在特定的事件或报警条件发生时及时通知客户，分别称相应的服务器与客户为A E服务器与A E客户。

（3）OPC历史数据访问接口（OPC HistoricalData Access）历史数据服务器可以向关心历史数据的客户提供有关的历史信息源。从数据集成角度来考虑，历史数据库可以看做是另一种类型的数据库。OPCH DA服务器可以是一个独立执行的OPC历史数据服务器，它收集OPCH DA服务器或者其他数据源的数据，并把它发布给OPC H DA客户。OPCH DA服务器也可以是在企业现有的历史服务器上实现的一套OPCH DA接口[3]。

2 OPC技术与现场总线

现场总线控制系统凭借其开放性、分散性和可互操作性等特点，正成为新型工业控制系统的发展方向，但由于支持各种现场总线技术的各集团间的利益竞争，多种现场总线协议标准共存是不争的客观事实。例如Device Net、Lon Works、Pro Fi Bus、基金会现场总线F F等。

由于现场总线种类繁多，如何实现信息的集成和共享是必须面对的问题。考虑到各种现场总线控制系统的通用性，通信协议可以普遍采用OPC技术作为开发标准。此外，OPC还规范了一整套的接口函数、属性和方法，可以实现工业自动化系统中软件的互操作和无缝集成，以及现场监测、控制设备的即插即用，大大提高多现场总线控制系统的互操作性。

2.1 基于OPC/DA的现场总线系统

OPC数据访问规范简化了不同总线标准之间的数据访问机制，为不同总线标准提供了通过标准接口访问现场数据的基本方法。OPC/DA服务器屏蔽了不同总线通信协议之间的差异，为上层应用程序提供统一的访问接口，可以很容易地在应用程序层实现对来自不同总线协议的设备进行互操作。可见，OPC/DA规范有效解决了现场信息在控制网络中纵向传输问题。

利用OPC/DA规范对现场数据的访问机制如图2所示。OPC/DA服务器通过主设备访问现场总线设备中的数据信息，并将这些数据用统一的OPC/DA接口形式进行组织，从而可以被任何一个具有OPC/DA访问接口的上层应用程序所访问；上层应用程序只需要开发一个OPC/DA访问接口程序，就可以访问任何一种总线所提供的OPC/DA服务器，而不必针对每一种总线协议开发不同的访问接口和硬件驱动程序[4]。

图2 基于OPC/DA的现场总线系统

由设备生产商开发针对自己产品的OPC/DA服务器，不仅可以利用技术优势缩短开发时间和提高产品性能，而且可以很好地解决数据访问冲突的问题。当多个应用程序同时访问一个现场设备时，如果该设备没有处理并发请求的能力，会造成访问失败甚至使该设备不能正常工作。采用OPC技术后，一方面，设备生产商在针对自己的总线设备开发OPC/DA服务器时，可以根据设备的具体性能特点进行适当的访问调度，以避免造成访问冲突。另一方面，上层应用程序的开发人员可以致力于更好地满足用户的要求，而不必考虑应用程序与总线设备数据访问的问题。

2.2 基于OPC/DX的现场总线系统

数据交换规范OPC/DX（OPCD Ata Exchange）提供了在以太网上服务器端到服务器端可互操作的数据通信方法，使得系统间可以使用相同的标准交换数据，而无需担心协议转换的问题。这样一个OPC服务器就能直接与另一个OPC服务器相连，使得驻留在不同体系中的现场总线控制器上的服务器数据可以直接交换，从而很好地解决现场信息在控制网络中的横向传输问题。

图3 基于OPC/DX的现场总线系统

现场控制层作为企业整个信息系统的底层部分，必然需要与生产过程管理层和经营决策层进行集成，因此也存在着监控计算机如何与其他计算机进行信息沟通和信息传递等相关问题。由于控制系统往往是不同厂商开发的专用系统，为了解决现场信息在不同种类控制网络中传输的问题，可以采用如图3所示的基于OPC/DX的现场总线集成方案。

3 以太网技术与现场总线

以太网是目前应用最为广泛的局域网，它以其先进的技术、低廉的价格、高度的灵活性和可靠性，在当前的网络中广泛流行。以太网区别于其他网络的重要特点是，它采用的介质访问控制方法CSMA/CD是一种非确定性或随机性通信方式，其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络。如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将会发生碰撞，同时节点立即停止发送，并等待一段随机时间后重新发送。多次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器回报失败信息。

随着现场总线控制网络的发展，信息管理决策层需要了解的底层信息会越来越多。然而，企业管理层网络的数据报文通常都比较长，吞吐量也较大，因此要求网络必须具有较大的带宽。如果采用以太网的TCP/IP技术，就会大大提高数据传输效率，从而进一步提高工业控制要求的实时性。基于以上两方面原因，将以太网和现场总线控制网络进行集成势在必行。

3.1 以太网应进入现场控制网络的瓶颈和对策

（1）实时性。实时控制往往要求对某些变量的数据准确定时刷新。由于以太网采用带冲突检测的载波监听多路访问的媒体访问控制方式，在网络负荷较高时，以太网上存在的数据碰撞成了主要问题，因为它极大地影响了数据吞吐量和传输延时。而且在一系列碰撞后，数据报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。然而，对于工业现场控制网络，以太网的这种网络传输延时和通信“不确定性”会导致系统控制性能下降，甚至会引起系统振荡；在有紧急事件信息需要发送时，还会因报警信息不能及时得到响应，而导致灾难事件的发生，成为以太网应用于工业控制网络的主要障碍之一。

为了解决实时性问题，可以采取诸多的措施：采用工业以太网交换机；采用全双工的通信模式；使用虚拟局域网技术和优先级服务等。

（2）可靠性。由于以太网络是针对办公自动化设计的，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等抗干扰性能都较差，不符合工业现场恶劣环境的要求。因此它在恶劣的工业环境中是不能很好地进行工作的。而现场总线控制网络有本质安全防爆的要求，并且能够抗击各种电磁干扰，从而保证数据传输的正确性和可靠性。为了满足可靠性的要求，主干网可采用光纤传输，现场设备的连接则可采用屏蔽双绞线，对于重要的网段还可采用冗余网络技术，以此提高网络的可靠性和系统抗干扰的能力。

（3）总线供电。所谓总线供电是指连接到现场设备的线缆不仅传送数据信号，还能给现场设备提供电源。对需要防爆隔离的危险场所，总线供电的意义十分重要，而以太网原来主要用于商业场所，没有总线供电的要求。目前可采用直接电源耦合、电源冗余管理等总线供电技术实现总线供电的以太网集线器。另外，可以在以太网标准的基础上适当地修改物理层的技术规范，将以太网的曼彻斯特信号调制到直流或低频交流上，在工业现场再将这两种信号分离出来[5]。

3.2 以太网与现场总线控制网络的集成

将以太网技术与现场总线相结合，可以有多种途径，比如借助于转换接口，采用统一的协议标准，采用动态数据交换技术（D D E）等。

利用多个数据网关来实现以太网和现场总线控制网络的集成，集成后的系统结构如图4所示。从图中可以看出，以太网通过多个数据网关和现场总线控制网络互连，可以访问和监控现场总线控制网络中的任何节点，从而很好地实现以太网和现场总线控制网络的集成[6]。其中，网关构成网络间数据传输的通道，实现不同网络通信协议的转换，具备互连网络双方都能识别的统一寻址方式，还有统一数据帧格式。

图4 以太网与现场总线集成结构

现场总线的协议与通用的以太网协议相比，虽然在层次结构上相似，但在内容上却大相径庭。因此，要将控制网络中的特定信息提取出来，又不影响原有系统的功能，只有在遵循现场总线的协议规范下，对现场总线的数据报文进行解释，而后提交给数据网关，通过数据网关解析出所需要的数据信息。对于从数据网关送来的信息，也必须依据现场总线的协议规范，转换为相应的现场总线控制报文，随后发送到现场总线控制网络系统中，实现对网络节点的访问控制。

4 结论

OPC技术提供了标准化访问接口，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，应用程序可以使用一致的方式访问设备中的数据，有效实现了不同现场总线协议之间的互连与互操作。以太网技术的日趋成熟也为现场总线控制网络的发展带来了新的契机。将以太网技术融入现场总线，信息管理决策层能够更加及时地掌握底层信息，从而大大提高数据的传输效率，很好地满足工业控制的实时性要求。

[1]陈丹丹等.OPC在现场控制网络中的应用[J].微计算机信息,2005,21（21）:62-63.

[2]姚晓伟等.基于OPC技术的现场总线系统集成研究[J].天津理工大学学报,2005,21（4）:12-15.

[3]OPC Foundation.OPC Data Access Custom Interface Specification[S],2003.

[4]吕勇等.OPC技术在现场总线互操作中的应用[J].仪表技术与传感器,2004,6（3）:39-40.

[5]马世平等.现场总线标准的现状和工业以太网技术[J].机电一体化,2007,（3）:6-8.

[6]张玉春等.如何实现以太网与现场总线控制网络的集成[J].电器工业,2007,（6）:62-64.

Application of OPC and Ethernet Technology in FCS

ZHAO Feng,WANG Xia
（Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China）

The article describes how to apply OPC and Ethernet technology in the field bus control network,analyzing the characteristics of OPC and Ethernet.By analyzing the OPC/DA and OPC/DX technical specifications,as well as the features of Ethernet technology,it gives the field bus control network architecture,which is based on the OPC/DA and OPC/DX,and proposes a way to integrate Ethernet and fieldbus control networks.

FCS；OPC；ethernet；field control network

TP393文献标设码：A

1671-0142（2011）02-0063-04

赵峰（1979-）,男,江苏扬州人,讲师.

（责任编辑李冠楠）