基于C#和OPC技术实现对矿井环境的检测

赵龙涛，乔元华，周胜梅，魏兰磊，杨 靖

（1.山东科技大学 信息与电气工程学院，山东 青岛 266590；2.滕州市东大矿业集团 山东 滕州 277518；3.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004）

随着科技的发展和人们生活水平的提高，人们对工作环境的要求也在逐渐的提高，人们的自我保护意识、维权意识，都达到了一个相当高的程度。工作环境的好坏，直接影响着人们的身心健康。在众多的工作中，矿井里的工作环境无疑是比较残酷的。随着科技的进步与发展，矿井中的工作环境已有了很大的改善。矿井工作环境的安全与否，已成为衡量一个矿业发展的重要指标。因此，对矿井环境的检测，也变得尤为重要。

然而，在当今的众多矿井环境检测系统存在许多问题：

1）目前的多数系统多具有单一性的特点，不能在同一个控制平台上全面的显示众多的检测数据；

2）大多数价格比较昂贵，不便于全面的推广；

3）由于许多硬件生产厂家的不同，致使硬件之间的通讯往往存在衔接性的问题。

鉴于目前矿井环境检测系统中存在的众多问题，笔者根据煤矿安全的检测的实际需要，采用OPC技术对现有的硬件资源进行优化配置，使本检测系统尽量达到先进、实用、完善、经济的目的。

1 OPC技术简介

OPC（OLE for Process Control）是由OPC基金会设计推出的一种为过程控制设计的OLE技术[1]。实质上，OPC是一项工业控制中的技术规范与标准，是在微软公司的OLE/COM/DCOM技术基础上，采用Client/Server模型，定义的一个开放式的接口。在定义中，OPC SERVER可以是数据的提供者，OPC程序可以是数据的使用者[2]。

1.1 OPC的组成

OPC的对象主要由服务器 （Server）、 组 （Group） 和项（Item）3部分组成。其中，服务器对应OPC SERVER，即为一种设备的驱动程序，负责维护服务器有关的信息。每一个服务器中可以包含多个组，每一个组可以提供一种管理项的机制，并且负责维护自身的信息，同时从逻辑上完成对项的管理。每一个组中可以包含多个项，项作为与OPC服务器的数据连接[3]。

1.2 OPC技术的优势

OPC最大的优势是即插即用，即采用标准的规范方式配置硬件与软件接口的连接，使硬件资源更加方便的加入到已有的系统中，不需要特别复杂的配置即可投入使用，且对现有的系统没有什么影响。系统中的信息可以很方便的进行数据共享，实现数据维护、数据监控、数据存储与打印的目的。

OPC技术的使用，对开发者来说可以不必过多考虑硬件设备驱动的的问题，不必去设计特定的接口，使开发变得较为简洁容易。对于用户而言，可以选择各种商业的软件包，使得系统集成的成本大大降低。由于逐渐忽略了硬件不同生产厂家的问题，使得系统的修改与升级也变得简便起来。

2 系统硬件组成结构

在矿井环境监测中，通常需要对矿井瓦斯、风速、粉尘、一氧化碳、温度、湿度、氧气、压力、硫化氢和二氧化碳等多种参数进行检测。目前的监控检测系统多具有单一性的特点，即使是对多种数据的检测，也往往具有相对的片面性。由于不同的生产厂家对各种仪器设计的不同，每种仪器的优缺点各异，通信之间往往存在着多种弊端。而采用OPC技术对各种硬件资源进行优化，使各种数据参数均能显示到一个上位机上，方便对矿井中各个参数的检测[4]。

在矿井中采用SIMENS的S7-400H系列模块，进行矿井环境数据的采集处理与通信。传感器采集的模拟信号通过模拟量输入模块SM-431，将过程模拟信号转换成S7-400H内部可以处理的数字信号，由于SM-431：AI16*13位为16点输入，可测量的电压/电流无量程限制，具有13位分辨率，且模拟部分与总线分离，适合本设计的应用。

经SM-431处理的信号传到CPU414-4H中，以其为核心，利用SIMENS S7通讯网络中的以太网及PROFIBUS现场总线，采用两层网络控制结构。上层以PC机为监控平台，通过以太网（TCP/IP）建立上位机和下位机PLC S7-400的通信连接。通过C#编写的上位机软件对矿井的实时数据进行监控显示，并通过数据库SQL SERVER进行相关数据的存储，以便对历史数据的查询、打印等。总体硬件配置结构图如图1所示。

图1 硬件配置结构图Fig.1 Structure diagram of the hardware configuration

3 OPC服务器与S7-400H连接通讯

文中以 SIMATIC NET作为OPC的服务器，SIMATIC NET是一种公开的、多元的通讯系统，包含了西门子公司的大部分网卡驱动程序，可以用它实现现场PLC、主机、工作站和个人电脑之间的联网通讯。作为一种高效的通讯网络体系，主要支持工业以太网、PROFIBUS现场总线、A-S Interface前端总线等。SIMATIC NET OPC服务器不仅提供了数据访问接口，同时还提供了报警和事件的接口等多种功能[5]。

安装必备的软件STEP7，它是一个独立的软件包，可以用来创建S7-400，S7-300和PC项目，同时对S7的功能模块进行编辑。通过STEP7对PC站进行调试，并在PC站和S7-400H系统中设置一个冗余的S7的连接。

通过如图2所示，在SMATIC NET软件中根据图中的步骤建立OPC服务器与S7-400H的连接，当所有步骤完成后，可以在OPC Scout中测试连接的正确性。

图2 OPC SERVER与S7-400H创立连接的步骤图Fig.2 Structure diagram of the connection between OPC SERVER and S7-400H

4 在C#中实现OPC数据访问

实现OPC数据的访问有3种方式，分别是同步通讯、异步通讯和订阅方式通讯[6]。其中订阅方式通常情况下也属于异步通讯的范畴。

同步通讯，即当OPC客户程序对OPC服务器进行读写数据的操作时，OPC客户程序必须等待一段时间，直到OPC服务器所有的操作全部完成后，OPC客户程序才能返回。由于OPC客户程序要等待一段时间，这样使得同步通讯的效率大大降低。当有大量的程序需要进行操作时，必然导致OPC客户程序的堵塞。因此，同步通讯只适用于那种简单的、数据量较少的通讯场合。

异步通讯，即OPC客户程序要对OPC服务器进行相关操作时，OPC客户程序操作完成后立即返回，不需要相应的等待，可以去完成其它的操作。异步通讯的通讯效率在很大程度上搞过同步通讯，异步通讯的优势，使其比较适合与大量数据的通讯场合或者是多个OPC客户程序对单一OPC服务器访问的情况[7]。

本设计中，即采用异步通讯的方式实现OPC客户端对OPC服务器的访问。现在采用自定义接口在C#中实现OPC数据的访问，具体的操作步骤如图3所示。

5 上位机实现的功能

图3 建立异步读写的步骤图Fig.3 Structure diagram of the steps to build asynchronous reading and writing

在C#中的Windows窗体，进行相应窗口的设计，主界面frmMaimForm显示各个采集站点的工作情况，以及对实时数据的监控，可以通过comboBox1的下拉列表对矿井中相应基站的查看，可以通过菜单中的连接进入相对应的子窗口查看，通过comboBox2的下拉列表对矿井中单一数据汇总，比如在某一时刻，各个采集点的温度情况对比。在主窗口中可以通过相应的控件，查看及设定子窗口中的信息。如图4所示，上位机的结构功能图。

图4 上位机结构功能图Fig.4 Structure diagram of computer configuration and function

该上位机具有的功能优势：

1）实时显示 将检测到的众多数据，实时的显示在上位机上，并绘出相应的趋势曲线。利用Crystal Sports进行相关数据的分析，显示各种需要的图表、曲线，进而完成导出或打印的工作。

2）数据定时存储 把生产现场的数据信息、设备运行状态及报警信息等数据储存到SQL SERVER数据库中，方便备用查询及打印。

3）报警功能 对各种重要的参量设定报警界限，并根据相关数据的重要指标，设定报警优先级。进而方便操作员根据报警情况，有先后的去排除故障。

4）数据分析 对SQL Server数据库中的大量数据经行分析，对各种传感器采集的信息进行融合分析，采用特定的算法分析，进而完成矿井中的环境检测。

5）操作简便 操作界面简洁，可观测数据显示简单明了。

6 结束语

随着OPC技术的不断应用，各种设备间的通讯变得简单起来，使控制系统的开发更灵活、更简便，更易于扩展。如本设计中利用C#和OPC技术设计的矿井环境检测系统就具有操作简单，联网方便，数据共享，实时监控，数据分析以及一定的可扩展性的优点。

[1]张烨林，陈德海.浅谈OPC技术应用[J].科技信息，2008（2）：66.ZHANG Ye-lin，CHEN De-hai.Talking about the application of OPC technology[J].Science&Technology Information，2008（2）：66.

[2]王树东，王洪波，谭华，等.OPC技术在城市污水处理系统中的应用研究[J].电气自动化，2011，33（3）：35.

WANG Shu-dong，WANG Hong-bo，TAN Hua，et al.Application and research of OPC technology in the control system of urban sewage treatment[J].Electric Automation，2011，33（3）：35.

[3]张晓宇，王加军.OPC技术在建筑智能化控制中的应用[J].通信与广播电视，2009（2）：30-34.

ZHANG Xiao-yu，WANG Jia-jun.Application ofOPC technology in the controlofbuilding intelligence[J].Communications&Radio and Television，2009（2）：30-34.

[4]王冬梅.基于PLC和智能传感器模块的矿井安全参数检测系统[J].矿山机械，2010（18）：67-70.

WANG Dong-mei.Monitoring system formine safety parameters based on PLC and intelligent sensor module[J].Mine&Machine，2010（18）：67-70

[5]黄欣敏.基于C#语言的工业计算机与S7-300的OPC通讯[J].重型机械，2011（5）：39-42.

HUANG Xin-min.Implementation ofC# based OPC communication between industrial computer and S7-300，Heavy Machinery，2011（5）：39-42.

[6]西门子（中国）有限公司.如何在C#中实现OPC数据访问.[EB/OL].（2009-05）.http：//wenku.baidu.com/view/cbddo876 aaf ff3ffe47ace3.html.

[7]朱立军，安娜，陈未如.基于Visual C#的OPC客户端实现[J].现代电子技术，2009（2）：171-173.

ZHU Li-jun，AN Na，CHEN Wei-ru.Implementation of OPC client based on visual C#[J].Modern Electronic Technology，2009（2）：171-173.

[8]钱烨，巨林仓，李飞翔.软冗余PLC控制在工业链条锅炉的应用[J].陕西电力，2009（7）：54-56.

QIAN Ye，JU Lin-cang，LI Fei-xiang.Application of softwareredundancy PLC control in industrial grate boiler[J].Shaanxi Electric Power，2009（7）：54-56.