楊鵬，黃文江，李川陽

（寶鋼集團八鋼公司冶金信息分公司）

基于OPC協(xié)議的EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計與實現(xiàn)

楊鵬，黃文江，李川陽

（寶鋼集團八鋼公司冶金信息分公司）

聯(lián)系人：楊鵬，男，27歲，本科，軟件程師，烏魯木齊（830022）寶鋼集團八鋼公司冶金信息分公司

E-mail：yangpeng@bygt.com.cn

文章結(jié)合能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以西門子工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)SIMATICNET和S7PLC為例，介紹了OPC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和具體實現(xiàn)方法，使用OPC接口與現(xiàn)場PLC進行通訊數(shù)據(jù)采集,應(yīng)用C#編程語言進行采集數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)保存到能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為能源管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為企業(yè)提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)依據(jù)。

OPC協(xié)議；數(shù)據(jù)采集；能源管理系統(tǒng)；SIMATICNET

1 前言

能源管理系統(tǒng)（EMS）是要采集PLC的能源介質(zhì)計量數(shù)據(jù)，傳輸?shù)缴蠈庸芾頂?shù)據(jù)庫中，利用OPC開放協(xié)議，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，從PLC中采集介質(zhì)消耗數(shù)據(jù)，為能源管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為企業(yè)提供決策數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 OPC協(xié)議介紹

OPC(OLE for Process Control,用于過程控制的OLE)是一個工業(yè)標準，管理這個標準國際組織是OPC基金會。OPC基金會現(xiàn)有會員已超過220家，遍布全球，包括世界上所有主要的自動化控制系統(tǒng)、儀器儀表及過程控制系統(tǒng)的公司。

OPC協(xié)議是為解決應(yīng)用軟件與各種設(shè)備驅(qū)動程序之間的通信而提出的,它把硬件廠商和應(yīng)用軟件開發(fā)商分離開來,大大提高了雙方的工作效率。OPC減少了系統(tǒng)集成過程中的重復(fù)工作,代表了今后過程控制系統(tǒng)通信標準的發(fā)展方向。

基于微軟的 OLE(現(xiàn)在的 Active X)、COM(部件對象模型)和DCOM(分布式部件對象模型)技術(shù)。OPC包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)。它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。在過去，為了存取現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個應(yīng)用軟件開發(fā)商都需要編寫專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多，且產(chǎn)品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發(fā)商帶來了巨大的工作負擔(dān)。通常這樣也不能滿足工作的實際需要，系統(tǒng)集成商和開發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動程序。在這種情況下，OPC標準應(yīng)運而生。OPC標準以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM接口完成的，在OPC技術(shù)中使用的是OLE 2技術(shù)，OLE標準允許多臺微機之間交換文檔、圖形等對象。

COM是ComponentObjectModel的縮寫，是所有OLE機制的基礎(chǔ)。COM是一種為了實現(xiàn)與編程語言無關(guān)的對象而制定的標準，該標準將Windows下的對象定義為獨立單元，可不受程序限制地訪問這些單元。這種標準可以使兩個應(yīng)用程序通過對象化接口通訊，而不需要知道對方是如何創(chuàng)建的。通過DCOM技術(shù)和OPC標準，完全可以創(chuàng)建一個開放的、可互操作的控制系統(tǒng)軟件。OPC采用客戶/服務(wù)器模式，把開發(fā)訪問接口的任務(wù)放在硬件生產(chǎn)廠家或第三方廠家，以O(shè)PC服務(wù)器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統(tǒng)的集成，提高了系統(tǒng)的開放性和可互操作性。

OPC服務(wù)器通常支持兩種類型的訪問接口，它們分別為不同的編程語言環(huán)境提供訪問機制。這兩種接口是：自動化接口（Automation interface）；自定義接口（Custom interface）。自動化接口通常是為基于腳本編程語言而定義的標準接口，可以使用VisualBasic、Delphi、C#等編程語言開發(fā) OPC服務(wù)器的客戶應(yīng)用。而自定義接口是專門為C#等高級編程語言而制定的標準接口。OPC現(xiàn)已成為工業(yè)界系統(tǒng)互聯(lián)的缺省方案，為工業(yè)監(jiān)控編程帶來了便利。

蕹菜移栽后30 min和1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、7 d、9 d、11 d、13 d、17 d、21 d、24 d、30 d、34 d、41 d、50 d、59 d、75 d、89 d、112 d和138 d取土壤表層溶液，測定溶液電導(dǎo)率及氧化還原電位。按文獻[10]的方法測定秸稈腐解率、土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀速效磷、速效鉀含量和土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性，以及蕹菜植株的全氮、全磷和全鉀含量。

3 數(shù)據(jù)采集EMS系統(tǒng)架構(gòu)

能源管理系統(tǒng)（Energy ManagementSystem，簡稱EMS）是鋼鐵企業(yè)信息化系統(tǒng)的一個重要組成部分，對能源數(shù)據(jù)進行采集、加工、分析，處理以實現(xiàn)對能源設(shè)備、能源實績、能源計劃、能源預(yù)測等方面發(fā)揮著重要的作用。能源供給狀態(tài)數(shù)據(jù)、能源供給整點數(shù)據(jù)、能源供給累加數(shù)據(jù)，每種數(shù)據(jù)都有不同的應(yīng)用范圍。而能源供給狀態(tài)數(shù)據(jù)是所有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，其它兩種數(shù)據(jù)是通過儀器、儀表、手工錄入或計算程序得到，是其它應(yīng)用系統(tǒng)需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)。

在鋼鐵企業(yè)信息化系統(tǒng)的架構(gòu)中，把能源管理作為MES的一個基本應(yīng)用構(gòu)件，并作為大型企業(yè)自動化和信息化的重要組成部分，如圖1所示。

鋼鐵企業(yè)能源介質(zhì)種類主要包括：高爐煤氣（BFG）、焦爐煤氣（COG）、轉(zhuǎn)爐煤氣（LDG）、天然氣（NG）、氧氣（O2）、氮氣（N2）、氬氣（Ar）、壓縮空氣（Air）、蒸汽、氫氣（H2）、采暖熱網(wǎng)、生活水、工業(yè)凈環(huán)水、工業(yè)濁環(huán)水、濃鹽水、除鹽水、軟化水、電力等。

能源介質(zhì)信息包括：壓力、流量、溫度、煤氣熱值、供水品質(zhì)（水質(zhì)）、閥門開閉、調(diào)節(jié)閥開度、開關(guān)信號、動力設(shè)備運行狀態(tài)、主生產(chǎn)線設(shè)備的運行狀態(tài)等。

環(huán)保信息包括：環(huán)保設(shè)備的運行情況、外排水中主要污染物的濃度、流量、主要廢氣排放點的外排放廢氣中煙（粉）塵、SO2、NO、CO2等污染因子的濃度和流量、污染物排放總量等介質(zhì)指標。

典型能源系統(tǒng)架構(gòu)包括能源管理中心、通訊網(wǎng)絡(luò)、遠程數(shù)據(jù)采集單元等三級物理結(jié)構(gòu)，如圖2所示?；诨A(chǔ)自動化向信息化建設(shè)發(fā)展的原則，EMS系統(tǒng)為核心構(gòu)建能源管理系統(tǒng)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品和技術(shù)建立一套先進的，符合鋼鐵企業(yè)管理應(yīng)用功能的能源管理系統(tǒng)。

圖2 EMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

4 能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

OPC數(shù)據(jù)存儲和接口規(guī)范，OLE自動化標準接口，及采用OLE自動化技術(shù)進行調(diào)用，其技術(shù)為上節(jié)所述的OLE自動化技術(shù)。OLE自動化標準接口定義了以下三層接口，依次呈包含關(guān)系。

OPCServer：OPC啟動服務(wù)器，獲得其他對象和服務(wù)的起始類，并用于返回OPCGroup類對象。

OPC Group：存儲由若干OPC Item組成的Group信息，并用于返回OPC Item類對象。

OPC Item：存儲具體Item的定義、數(shù)據(jù)值、狀態(tài)值等信息。許多OPC服務(wù)器，包括OPC.SimaticNet，是在COM平臺開發(fā)的，從而對于基于.NET框架下的C#語言，作為客戶端程序語言訪問OPCServer，需要解決兩個平臺間無縫遷移的問題。OPC基金會對會員提供了OpcRcw動態(tài)鏈接庫，OPCNETCOM包裝器和OPCNETAPI，將OPC復(fù)雜的規(guī)范封狀成簡單易用的C#類，可以比較容易地實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。

以八鋼南疆公司能源管理系統(tǒng)為例，按照基礎(chǔ)設(shè)計的實施情況，數(shù)據(jù)采集層采用西門子PLC。因此設(shè)計開放數(shù)據(jù)采集通訊。以O(shè)PC.SimaticNet為實例，逐步通過C#語言編寫客戶端程序，訪問OPC.SimaticNet，對PLC數(shù)據(jù)進行讀取的全過程。

南疆能源EMS系統(tǒng)的主要特點是OPC服務(wù)對數(shù)據(jù)進行讀取操作。OPC讀數(shù)有三種方式：同步、異步、訂閱。

同步通訊時，OPC客戶程序向OPC服務(wù)器進行請求時，OPC客戶程序必須等到OPC服務(wù)器對應(yīng)的響應(yīng)全部完成以后才能返回，在此期間OPC客戶程序一直處于等待狀態(tài)，若進行讀操作，那么必須等待OPC服務(wù)器響應(yīng)后才返回。因此在同步通訊時，如果有大量數(shù)據(jù)進行操作或者有很多OPC客戶程序?qū)PC服務(wù)器進行讀操作，必然造成OPC客戶程序的阻塞現(xiàn)象。因此同步通訊適用于OPC客戶程序較少，數(shù)據(jù)量較小時的場合。

同步通信流程如圖3所示。

圖3 同步通信流程

異步通訊時，OPC客戶程序?qū)Ψ?wù)器進行請求時，OPC客戶程序請求后立刻返回，不用等待OPC服務(wù)器的響應(yīng)，可以進行其它操作。OPC服務(wù)器完成響應(yīng)后再通知OPC客戶程序，如進行讀操作，OPC客戶程序通知OPC服務(wù)器后離開返回，不等待OPC服務(wù)器的讀完成，而OPC服務(wù)器完成讀后，會自動的通知OPC客戶程序，把讀結(jié)果傳送給OPC客戶程序。因此相對于同步通訊，異步通訊的效率更高。異步通信流程如圖4所示。

訂閱方式時，OPC客戶程序?qū)Ψ?wù)器進行請求時，OPC客戶程序操作后立刻返回，不用等待OPC服務(wù)器的操作，可以進行其它操作，OPC服務(wù)器的Group組在組內(nèi)有數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，自動根據(jù)更新周期刷新相應(yīng)的客戶端數(shù)據(jù)，如圖5所示。

客戶端只向OPC服務(wù)發(fā)送一次請求，之后不再對服務(wù)器請求。

圖5 訂閱方式圖

結(jié)合南疆EMS系統(tǒng)特點采用了對于清零等開關(guān)量采用了訂閱方式，當(dāng)開關(guān)量變化時候通知我們更新EMS系統(tǒng)累計量，對于計量數(shù)據(jù)采用異步讀的，讀取PLC的數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)采集體系架構(gòu)

參照西門子提供OPC.SimaticNET的幫助文檔，使用C#編程語言進行通訊開發(fā)，將采集到的數(shù)據(jù)以xml文檔保存本地，然后再通過JOB方式將這些采集數(shù)據(jù)以TCP/IP協(xié)議的Socket通訊發(fā)送的服務(wù)器端保存的數(shù)據(jù)服務(wù)器。異步、迅速、完整的將數(shù)據(jù)上傳。具體架構(gòu)如圖6所示。

5 結(jié)束語

在進行系統(tǒng)設(shè)計中，結(jié)合南疆鋼鐵EMS系統(tǒng)特點，對于清零等開關(guān)量采用了訂閱方式，當(dāng)開關(guān)量變化時通知更新EMS系統(tǒng)累計量，對于計量數(shù)據(jù)采用異步，讀取PLC的數(shù)據(jù)。讀取采集量應(yīng)保證數(shù)出一源，讀取底層的數(shù)據(jù)累積量，不應(yīng)該用瞬時量再單獨累積，這樣由于讀取時間頻率問題，長時間會存在較大偏差。系統(tǒng)對PLC的OPC類型和標簽通過配置文件方式讀取，方便以后的擴展。雖然設(shè)計中主要采用的是西門子的硬件，后期如果有其他廠商的PLC設(shè)備硬件，只需對OPC讀取模塊更改配置文件即可，方便功能擴展。

Design and Implementation of Data Acquisition in EMS by OPC Protocol

YANG Peng, HUANG Wen-jiang,LI Chuan-yang
（Metallurgical Information Company, Bayi Iron＆Steel Co., Baosteel Group)

In this paper, combined with the energy data collecting system with Siemens industrial control network of SIMATICNET and S7PLC, as an example to introduce the structure of OPC data acquisition system and the concrete realization method, using the OPC interface and PLC communication data acquisition, using C# programming language acquisition data and save the energy management system database through the network, provide the data basis for the energy management system statistical data, provide the basis for the enterprise.

OPC; data acquisition; energy management system; SIMATICNET

TP274

A

1672—4224（2014）01—0014—04