基于PID技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊中OPC接口的設(shè)計

1、引言

隨著國內(nèi)外石油化工領(lǐng)域工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，采用先進(jìn)技術(shù)對現(xiàn)有裝置進(jìn)行技術(shù)改 造，逐步提高裝置的生產(chǎn)規(guī)模和工藝技術(shù)水平，提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益是一種必然的趨勢。在 此趨勢下，很多企業(yè)希望通過先進(jìn)控制的方法達(dá)到以上目的。而裝置先進(jìn)控制以及回路自動 控制的基礎(chǔ)就是PID 參數(shù)的合適設(shè)置。 現(xiàn)階段 PID 參數(shù)的設(shè)置很大程度上依賴于操作工人的經(jīng)驗，對于沒有經(jīng)驗的工作人員 來說調(diào)整PID 參數(shù)有些難度。PID 優(yōu)化整定系統(tǒng)正是針對此問題，自行設(shè)計開發(fā)的系統(tǒng)軟件， 其目的是為了實現(xiàn)PID 參數(shù)整定的簡單化，對于沒有合適參數(shù)的回路通過計算得到接近的 參數(shù)值，對已有的參數(shù)給出優(yōu)化的參數(shù)值。PID 優(yōu)化整定系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊以O(shè)PC 協(xié)議作為接口通訊方式，連接DCS 工程師站與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

2、DCS 及OPC 概述

DCS（Distributed Control System）集散控制系統(tǒng)產(chǎn)生于20 世紀(jì)70 年代，它滿足了大型 生產(chǎn)的自動化要求，大大提高了單套裝置的生產(chǎn)能力。在國內(nèi)大型石油化工聯(lián)合企業(yè)中， 主要煉油化工裝置已經(jīng)基本實現(xiàn)了DCS 控制，優(yōu)化了生產(chǎn)過程并提高了生產(chǎn)效率，但由于 大多數(shù)DCS 系統(tǒng)是封閉系統(tǒng)，普遍缺乏統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的開放式接口，難以滿足企業(yè)信息化和 管控一體化的發(fā)展要求。為了解決這些問題，一些與微軟公司合作的自動化硬件和軟件供應(yīng)商聯(lián)合制定了一套稱為OPC 規(guī)范的接口協(xié)議，以此來提高過程控制工業(yè)中的自動化／控制 應(yīng)用程序，現(xiàn)場系統(tǒng)／設(shè)備以及商業(yè)／辦公室應(yīng)用程序之間的互操作性。

OPC是一個開放的工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)，意指用于過程控制的OLE技術(shù)。OPC基于微軟的 OLE、COM和DCOM技術(shù)，包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，用于過程控制和制造 業(yè)自動化系統(tǒng)。OPC技術(shù)的實質(zhì)是允許任何設(shè)備與其它設(shè)備自由通訊的一種機(jī)制，是一種 用于過程控制和工業(yè)自動化的即插即用的軟件技術(shù)，是一種過程實時數(shù)據(jù)交換的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 。這個接口規(guī)范不但能夠應(yīng)用于單臺計算機(jī)，而且可以支持網(wǎng)絡(luò)上分布式應(yīng)用程序之間的 通訊，以及不同平臺上應(yīng)用程序之間的通訊。其基本思想是：每個硬件供應(yīng)商為其設(shè)備開發(fā) 一個通用的數(shù)據(jù)接口（即OPC Server），供其它系統(tǒng)讀寫信息，客戶應(yīng)用軟件也可以通過OPC 規(guī)范的接口來讀寫硬件設(shè)備的信息（作為OPCClient）。我們在使OPC時，不必關(guān)心底層硬件內(nèi) 部的具體細(xì)節(jié)，只需遵循OPC數(shù)據(jù)接口協(xié)議，就能夠從不同OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器中取得數(shù)據(jù)。

3、OPC接口的設(shè)計

OPC接口的設(shè)計包括OPC服務(wù)器端和客戶端兩個部分，其實質(zhì)就是連接數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)使 用者之間的通道。目前，許多DCS產(chǎn)品都推出和集成了OPC服務(wù)器，例如基于Windows操作 系統(tǒng)的YOKOGAWA CS3000 DCS和ROSEMOUNT DELTA V DCS。因此，設(shè)計PID優(yōu)化整定 系統(tǒng)的OPC接口有很大的普遍性和實用性。

3.1 OPC接口的選擇及實現(xiàn)

OPC規(guī)范規(guī)定了兩套接口標(biāo)準(zhǔn)：OPC自定義接口和OPC自動化接口，如圖1所示。自定 義接口的效率高，通過該接口，客戶能夠發(fā)揮OPC服務(wù)器的最佳性能，采用C++語言的客戶 一般采用自定義接口方案；自動化接口使解釋性語言和宏語言訪問OPC服務(wù)器成為可能，采 用VB、Delphi等語言的客戶一般采用自動化接口。

圖 1 OPC 接口類型

其中，客戶端程序的開發(fā)主要是指客戶端程序中 OPC 接口部分的開發(fā)?？蛻舳顺绦虮?身可以完成很多復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理與顯示功能，但需要通過OPC 接口部分訪問OPC 服務(wù)器， 對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行存取。設(shè)計時可根據(jù)不同的需求特點，應(yīng)用不同的接口標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 OPC數(shù)據(jù)存取服務(wù)器的訪問方式

OPC客戶程序?qū)PC服務(wù)器中數(shù)據(jù)的訪問方式主要有同步、異步和訂閱三種。客戶程序 可按照一定的周期對服務(wù)器程序進(jìn)行數(shù)據(jù)同步存取操作，此時客戶方的調(diào)用函數(shù)一直運行到 所有數(shù)據(jù)讀寫完成。在異步通信方式下，服務(wù)器程序定期刷新OPC項，并判斷其數(shù)值或品質(zhì) 是否變化，如果有變化則將變化后的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶程序，此時客戶方的調(diào)用函數(shù)可立刻返 回。顯然，異步通報方式的通信效率更高，但有多個客戶程序與服務(wù)器相連時，同步讀寫方 式更具時效性。第三種訂閱方式，即OPC服務(wù)器監(jiān)控的數(shù)據(jù)在狀態(tài)發(fā)生改變時主動的通知 客戶程序，而不用客戶被動地、一次次地去查詢數(shù)據(jù)，判斷其是否發(fā)生改變。對于每個組 對象，客戶程序可根據(jù)需要采用其中一種數(shù)據(jù)存取方式。

4、PID優(yōu)化整定系統(tǒng)OPC接口的架構(gòu)與實現(xiàn)

4.1 PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)

PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的硬件為一臺裝有OPC接口客戶端程序的PC機(jī)，根據(jù)實際情況分別采 用添加網(wǎng)卡或使用路由器的方式接入到控制系統(tǒng)的工程師站上，使PID優(yōu)化整定系統(tǒng)與工程 師站處在同一局域網(wǎng)內(nèi)。如果原有的工程師站上配有雙網(wǎng)卡，則直接使用網(wǎng)線與工程師站連 接；如果沒有雙網(wǎng)卡，或不方便接入的，則添加路由器，將兩臺機(jī)器接入同一網(wǎng)內(nèi)。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的軟件是指優(yōu)化整定PC機(jī)上裝有的自行開發(fā)的PID優(yōu)化整定軟件。數(shù) 據(jù)采集的通訊接口方式使用OPC自動化接口方式，數(shù)據(jù)采集所搭建的環(huán)境結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2 OPC接口的實現(xiàn)

由圖2可以看出，整個系統(tǒng)的服務(wù)器端采用DCS提供的OPC接口，在工程師站上放置使 用OPC數(shù)據(jù)訪問接口編寫的OPC應(yīng)用程序，它主要有兩個方面的功能：一是作為控制系統(tǒng)的 客戶端，連接下位機(jī)與上位機(jī)，讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)；二是作為PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的服務(wù)器端，連 接PID優(yōu)化整定系統(tǒng)與下位機(jī)，將數(shù)據(jù)讀取到PID優(yōu)化整定站，供后期數(shù)據(jù)計算使用。而數(shù) 據(jù)采集部分的客戶端，則放置在PID優(yōu)化整定站，是使用VB語言，按照OPC自動化訪問接口 編寫的應(yīng)用程序。讀取數(shù)據(jù)后，將相關(guān)數(shù)據(jù)保存在Access數(shù)據(jù)庫中，以便于以后隨時查詢使 用。在全部數(shù)據(jù)讀取過程中，應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要為TCP/IP協(xié)議。

4.2.1 OPC服務(wù)器端的實現(xiàn)

根據(jù)不同工廠DCS設(shè)備或者工程師站操作系統(tǒng)的具體情況，服務(wù)器端分別采用兩種接口 方式，即自動化接口和自定義接口編寫服務(wù)器端程序。例如，對于YOKOGAWA CS3000 DCS， 采用的是VB編寫的自動化接口方式；對于ROSEMOUNT DELTA V DCS采用的是C++編寫的 自定義接口方式。

4.2.2 OPC客戶端的實現(xiàn)

客戶端的主要實現(xiàn)方式是OPC自動化接口方式，使用VB編寫應(yīng)用程序。對于工廠各裝 置回路中pv（實測值）、sv（設(shè)定值）、mv（閥門開度）參數(shù)的采集使用同步通訊的方式； 而對于回路控制的自動、手動情況的采集則使用訂閱通訊的方式，即在參數(shù)（控制狀態(tài)）發(fā) 生改變時主動通知客戶端程序。 OPC數(shù)據(jù)訪問對象由分層結(jié)構(gòu)組成，它由上而下包括OPC服務(wù)器對象（OPCServer）、 組對象（OPCGroup）、項對象（OPCItem），在設(shè)計OPC客戶端程序時，基本按照以上順 序進(jìn)行連接。對于OPC自動化接口方式，OPC基金會專門為它的開發(fā)提供了“自動化包裝器” OPCDAAuto.dll，在編寫程序前，應(yīng)該首先在VB項目中引用該動態(tài)鏈接庫，這樣才能調(diào)用 OPC自動化規(guī)范中定義的屬性、方法和事件。客戶端程序設(shè)計的基本步驟如下：

（1）在VB工程中添加對OPCDAAuto.dll的引用。

（2）聲明OPC對象。

（3）連接OPC服務(wù)器，創(chuàng)建OPC對象。設(shè)計時需要調(diào)用OPC服務(wù)器對象的“Connect” 方法，和OPC服務(wù)器建立連接。之后，用OPC服務(wù)器對象的“OPCGroups”屬性生成一個組 集合，再調(diào)用“Add”方法在OPC組集合中添加新的OPC組。最后，在對OPC服務(wù)器進(jìn)行訪 問前，要使用“OPCItems”屬性生成項集合，并使用“Add”添加新的OPC項。

（4）讀取數(shù)據(jù)。對于裝置回路PID參數(shù)采集采用同步讀取方式，對于裝置回路的控制 狀態(tài)采集采用訂閱讀取方式；最多可同時讀取16條回路的參數(shù)。

（5）刪除OPC對象，斷開與服務(wù)器的連接。連接著OPC服務(wù)器的OPC應(yīng)用程序，在退 出之前必須斷開與OPC服務(wù)器的連接。否則，OPC服務(wù)器不知道OPC應(yīng)用程序的退出，計算 機(jī)資源就一直不能被釋放，長此以往，會造成計算機(jī)資源枯竭而產(chǎn)生嚴(yán)重問題。斷開連接時， 使用“Disconnect”方法；并將OPCItems、OPCGroup和OPCServer都置為Nothing，刪除對象。

4.3 數(shù)據(jù)存儲及導(dǎo)出的實現(xiàn)

為了給后期PID優(yōu)化整定提供大量完整的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集過程中需要將大量數(shù)據(jù)保存 在Access數(shù)據(jù)庫中，以備使用。由于同時讀取多條回路，數(shù)據(jù)量很大，為避免在最后保存數(shù) 據(jù)時由于數(shù)據(jù)量過大而造成時間過慢，甚至是死機(jī)現(xiàn)象，設(shè)計時采取每讀取30個數(shù)據(jù)自動保 存一次的方法。另外，在把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel過程中，由于Excel自身的限制，一張Sheet保存 的數(shù)據(jù)有限，為了避免數(shù)據(jù)溢出，設(shè)計成每保存一定數(shù)據(jù)自動生成一張新的Sheet進(jìn)行存儲。

5、結(jié)束語

以O(shè)PC為接口通訊方式的數(shù)據(jù)采集模塊是PID優(yōu)化整定系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該模塊及整個PID 優(yōu)化整定系統(tǒng)的設(shè)計都相對獨立于現(xiàn)場工程師站，使用OPC通訊也只進(jìn)行讀操作而不進(jìn)行寫 操作。該設(shè)計的好處是，既能使兩臺機(jī)器互相沒有影響，又能使客戶端采集到全部DCS數(shù)據(jù)。 鑒于石油化工企業(yè)的重要性，數(shù)據(jù)采集只讀不寫，具有較好的安全性，可以保證原系統(tǒng)數(shù)據(jù) 的安全和純潔，也避免了數(shù)據(jù)錯誤造成的影響，保證了生產(chǎn)的安全。目前，PID優(yōu)化整定系 統(tǒng)經(jīng)過實驗室長期檢驗，已經(jīng)穩(wěn)定的運行于國內(nèi)許多石油化工企業(yè)中，且運行狀況良好。 現(xiàn)在，絕大多數(shù)工控廠商為實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性，其DCS都提供了OPC接口。同時，OPC 基金會也在不斷推出新的產(chǎn)品，從OPC DA到OPC XML-DA，再到OPC UA。OPC必然會向 更為廣泛的跨語言、跨平臺、企業(yè)級的方向發(fā)展。

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