基于OPC_XML技术的互联网实时监控系统研究

基于OPC-XML技术的互联网实时监控系统研究

The Research of Re a-l Time M onitoring System B ased on OPC-XM L Technology

全新建1杨静2陈建华3 (南瑞集团公司自动控制分公司1,南京210003;南京工业大学自动化学院2,南京210009;南京工程学院电力工程系3,南京210009)摘要讨论了基于OPC-X ML技术和AS P技术的Web应用。根据OPC-X ML纲要,设计并实现了基于OPC-XML技术的互联网实时监控系统。In ternet/In tranet用户可以通过Web浏览器从Web服务器得到现场的实时数据,了解现场的实际情况;也可以按照各种方式处理这些实时数据,从而实现了基于Internet/Intranet的远程监控、远程故障诊断、远程指挥调度和远程设备管理。

关键词实时监控系统OPC-X ML AS P

A bstract In this paper,the Web applications based on OPC-X ML techn ology and AS P technology are discussed.Accordi ng to the outli ne of OPC-XML,the rea-l time monitori ng syste m based on In ternet/Intranet is designed and i mplemented.The Internet/In tranet users can get rea-l ti me data on fac-tory-floor from Web server b y Web browser and proces s the rea-l ti me data correctly,thus,they can achieve remote moni torin g,rem ote fault diagnosis, remote disp atching and d evice m anage men t.

Keyw ords Rea-l time m onitoring sys tem OPC-XML ASP

0引言

OPC规范在工业控制设备和控制软件之间建立了统一的数据存取规范,具有开放、易实现、即插即用的特点,可以实现系统软件与硬件设备之间完全无缝集成和真正开放的通信,在过程控制领域的应用日益广泛。目前,随着Internet/Intranet的快速发展,基于B/S (We b浏览器/Web服务器/数据库服务器)的构架成为非常流行的应用方式。XML(e xte nsible markup language,可扩展标记语言,简称XML)作为Web数据使用的通用语言,为数据信息共享提供了强大的数据信息定义和交换机制。XML是W3C考虑了Internet协议而特别设计的一种与平台无关的标准,它是一种无标记语言,任何个人、公司和组织都可以利用它定义新的标准,并且现在所有的平台都完全支持X ML,建立在XML标准基础上的最新的SOAP(simple object access protocol,简单对象访问协议)和Web Service s标准也普遍被许多平台和计算机环境所支持。

为了适应Internet的发展,OPC基金会(OPC Foun-dation)于2002年7月发布的OPC XML-DA规范RC118版(OPC X ML-D A specification version RC118),建立了一个和Mic rosoft公司的BizTalk框架结构相兼容的XML纲要(X ML sche ma),用于将OPC数据向Inte rnet上的应用程序开放,实现了工业控制领域工厂底层与企业管理自动化的集成。OPC XML-DA建立了描述工业设备、控制系统的OPC数据项及其他方面特性的关键字及属性,用于描述工业设备、控制系统等方面的特性和操作。这种标准化的X ML词汇使得工业应用得到保障,所有过程控制系统可以采用相同的语言进行数据信息交换,从而提供了在整个企业环境下应用程序共享生产过程实时数据的能力。OPC和XML的结合,将能够实现从工厂底层的监控和控制系统到较高级别的企业应用程序的整个工业信息系统的纵向信息集成,并提供更好的方式,将获得的实时生产数据嵌入到办公自动化信息处理的应用程序中去,进一步满足企业对各种数据信息的需求。

OPC-X ML建立了一组关键字和属性,用于描述工业设备、控制系统等方面的特性和操作,从而使整个企业环境下的应用程序能够共享控制系统和现场设备的信息。X ML sche ma包括了读(read)、写(write)、订阅(subsc ription)、浏览(bro wser)等四种数据共享和访问模式,使Web Server/Web Browse r可以逐渐成为实时人机界面的主流。

本文讨论的是:基于OPC-XML技术和ASP(active server page,动态服务器页面,简称ASP)技术的Web应用,根据OPC-XML纲要,实现基于OPC-X ML技术的互联网实时监控系统。这样,Internet/Intranet用户可以通过Web浏览器,从We b服务器得到现场的实时数据,了解现场的实际情况,同时用户也可以按照各种方式处理这些实时数据。从而可以实现基于Internet/In-tranet的远程监控、远程故障诊断、远程指挥调度和远程设备管理。

1 系统构架设计

应用B/S 构架将本监控系统设计成三层构架:数据服务层、Web 服务器层和Web 客户层,如图1所

示。

图1 基于OPC-XML 技术的互联网实时监控系统构架

数据服务层位于整个监控系统的底层,主要包括各种PLC 、智能仪表、传感器以及各种现场总线设备等。这些物理设备取得现场的实时数据后,利用OPC 数据服务器,按照统一、开放的数据访问标准,与企业局域网连接,将数据送给相关的用户。

Web 服务器层为监控系统的中间层,通过Active Server Pa ges 、Internet Informa tion Server(IIS),以X ML(包括Web 服务器中的OPC-X ML 组件)作为浏览器和Web 服务器数据通信的手段,同时利用Web 页面中的VbScript 、Web 服务器端的ASP 以及DOM 对象(document object model,文档对象模型)实现应用程序之间的功能。

Web 服务器层中的OPC-X ML 组件为Active X Server Components(ASP 组件),它是基于COM 的特殊类型的组件,利用ASP 脚本语言集成到页面中,是用来联接ASP 以及Microsoft 的IIS 的COM 组件,是监控系统的核心组件。

系统最上层是Web 客户层,为支持ActiveX 、HTML 、DHTML 、Sc ripting 、Java Apple t 和X ML 的Interne t Exlplorer510(及以上版本),监控管理人员通过HTTP 向Web 服务器传送一个需要特殊X ML 文件的请求,Web 服务器接收到这个请求后,将X ML 文件传给客户浏览器,浏览器阅读页面并显示出来。

OPC 数据服务器和OPC-XML 组件之间通信方式为COM/DCOM(即OPC 客户程序/OPC 服务器之间的通信),Web 浏览器和Web 服务器之间的通信方式为HTTP 协议和X ML 。

2 O PC -XML 组件接口设计与实现

本监控系统开发的OPC-X ML 组件以Visual C++610作为开发平台,采用ATL 技术,为进程内组件(dll)。这主要是考虑到OPC-XML 组件是用来联接ASP 以及Microsoft 的IIS 的基于COM 的特殊的ASP 组件,用在Internet 环境下运行。运用ATL 技术进行开发,可以快速开发出小巧、灵活的组件,非常适合在Inte rnet 环境下使用。

OPC-X ML 组件有两个功能:一是通过CO M/DCO M 调用OPC-COM 服务器组件获取实时数据;另一个就是用于解包Web 服务器传送过来的数据请求XML 文档以及将从OPC-CO M 服务器获取的数据信息打包成X ML 格式返回给We b 服务器。对于OPC-CO M 服务器组件来说,OPC-X ML 组件是客户端,而对于访问OPC-X ML 组件的Web 服务器来说,它又是服

务器。

从OPC-X ML 组件的功能可以看出,OPC-X ML 组件应该包含两部分内容,即访问OPC 服务器的OPC 客户端程序和用于进行XML 文档处理的代码部分。在本监控系统开发的ATL 的组件中,用I OPCFunc tion 接口和I XMLFunction 接口分别实现上述两个功能。如图2

所示。

图2 OPC-XML 组件接口示意图

2.1 IXM LFunction 接口的实现

这个接口主要用于解析Web 服务器传送过来的XML 文档以及将从OPC-XML 服务器获取的实时数据以X ML 形式返回给Web 服务器。该接口包括两个方法:SendX ML 和GetX ML 。其IDL(接口定义语言)为:

interface IXMLFunc tion:IDispatch {

[id (1),helpstring (/method Se ndXML 0)]HRESUL T SendX ML([in]BSTR bstr XML):

[id (2),helpstring (/method GetXML 0)]HRESUL T Ge tX ML([out,re tval]VARI ANT*pvaX ML):

};

2.1.1 SendXML 方法

该方法只有一个入口参数,当Web 服务器调用这个方法时,其值为数据读请求XML 文档。本监控系统

采用Mic rosoft版本的DOM对象msxml2.dll来解析这个文档,获取数据点的ID。

2.1.2GetXML方法

该方法只有一个出口参数,因为VbScript仅仅支持CO M Variant数据类型,因此,输出参数必须为Va riant 数据类型。当Web服务器调用这个方法时,返回一个数据响应X ML文档,同样需要使用msxml2.dll来创建这个文档。

2.2IOPCFunction接口的实现

I OPCFunction接口提供了OPC客户程序的功能。其具体程序设计细节与通常OPC客户程序设计方法相同,主要实现创建OPC服务器对象、OPC组对象及对各接口及其成员函数的访问,实现对数据的同步、异步访问。IOPCFunction接口提供给用户使用的属性和方法如表1所示。

表1IOPC Function接口提供给用户的

属性和方法及其功能列表

方法或属性名称方法或属性功能

Re moteNode Na me(属性)

当远程OPC服务器,用户指定远程OPC服务器所在计算机名

OPCProgID(属性)用户指定O PC服务器的ProgID,即

指定访问的O PC服务器

Connect OPCS erver()与O PC服务器建立连接SyncIORead()从O PC服务器同步读取数据SyncIOW rite()向O PC服务器同步写入数据AsyncIORead()从O PC服务器异步读取数据AsyncIOW rite()向O PC服务器异步写入数据

Di sCon nectOPCServer()

程序运行结束,退出与OPC服务器的连接,释放资源

2.3OPC-XM L组件的调用

OPC-XML组件调用流程如图3所示。为了简洁起见,图中省略了对IX MLFunction和IOPCFunc t ion接口的访问过程,只列出了对其成员函数调用并实现同步/异步数据访问的过程。从中可以看出在OPC-XML组件中,I XMLFunction和IOPCFunction接口的协作过程。Web服务器通过调用I XMLFunction接口的SendXML方法,将用户所需要获得的成员信息以X ML文档的形式通知OPC-XML组件,得到这些信息后,可以通过调用I OPCFunction接口的SyncIORead(或AsyncI ORead)方法从OPC服务器获得对应成员的值,然后,Web服务器调用IXMLFunction接口的GetXML方法,获得这些成员的值并返回一个数据响应的XML文档。写数据的过程也是一样。由于采用X ML对数据信息进行描述,并且所有的文件都以XML格式进行存储,因而,用户可以方便地查找和使用OPC

服务器提供的生产过程信息。

图3OPC-XML组件调用流程图

3Web客户端/服务器端交互的实现

监控页面由静态HTML页面和动态ASP页面组成。对于静态页面,Web服务器只需要对用户的请求作出响应,把静态页面发给客户即可。对于动态页面,则是采用ASP技术。ASP是Web服务器一端的脚本环境。通过ASP,可以结合HTML页面、脚本(sc ript)命令和Ac tive X控件,创建交互能力很强的Web页面或者基于Web的应用。内嵌在ASP文件中的脚本代码,运行在Web服务器侧而不是客户机上,脚本代码并没有发送到浏览器,只有脚本命令的执行结果被发送到浏览器上。

系统中嵌入ASP动态页面的有两种类型的Ac-tiveX控件,即从OPC服务器获得实时数据的OPC-XML组件和用于人机交互的各种图表Ac t ivex控件。利用脚本描述语言(script)可以对Ac tive X控件进行设置属性(prope rty)、调用方法(me thod)、激活事件(e vent)等操作。对于OPC-XML组件,这些属性和方法列于表1中,主要包括选择所要访问的远程OPC服务器、确定与OPC数据服务器之间的状态(连接或断开)、选择用户所需数据等。这样,当浏览器向Web服务器请求一个.asp文件时,服务器方面的脚本开始运行,OPC-XML组件从OPC数据服务器中获得实时数据,并将实时数据送入其它图表Ac tiveX控件,这些图表控件,根据得到的实时/历史数据库中的数据,动态生成棒图、趋势图、模拟图、开关量文本、模拟量文本等并实时显示,实现人机交互。这样,远程管理用户只要开启I E 浏览器,访问此Web服务器,就可以通过图表的形式

获得生产现场的实时数据。客户端与OPC服务器端的交互过程如下:

3.1客户端发送页面请求

对于监控信息系统的用户来说,非常简单,只需要利用一台Internet/Intranet上的计算机,通过浏览器,向Web服务器发送请求页面的域名和全路径名称信息即可。这时,在客户端和Web服务器端就会建立连接, ASP页面中的脚本代码在服务器端运行,客户端看到的是脚本代码在经过解释、语法检查和编译后的执行结果。

3.2Web服务器端响应请求

ASP本身包含一个DLL文件,名字asp.dll,缺省安装在Winnt\syste m32\ine tsrv目录下。这个DLL文件负责得到一个ASP页面(由文件扩展名.asp标识),然后对它进行分析,寻找服务器端脚本内容。当接收到客户端的请求后,ASP判断是否有ASP服务器端的代码需要执行,如果没有(例如客户端请求的是静态的HTML文件),它只是简单地通知IIS这种情况,并让IIS 向客户端发送页面。当从IIS接收到包含有服务器端脚本代码的页面时,它会逐行解释,而那些非服务器端的脚本,或不需要ASP进行服务器处理的,将被返还给II S,进而发送给客户端。然后通过与脚本同时送来的对应的脚本引擎(VBScript或Jscript),将处理后的结果与ASP页面中的HTML和模板文本结合在一起。通过II S,送往原先提出请求的客户端。

当接收到对应的ASP页面访问请求时,ASP页面中的OPC-XML组件开始运行,访问OPC服务器并将数据送入用于人机交互的图表ActiveX控件,这个过程通过脚本引擎(VBSc ript)实现。

3.2.1向OPC服务器发送数据请求

考虑到各个图表控件所需要的数据点不同,并且数据点可能有重复,利用VbScript和Mic rosoft X ML DO M 将人机交互的图表Active X控件所需的数据点整合成一个数据请求X ML文档,并向OPC-XML控件统一订阅,利用OPC-XML控件的SendX ML方法对该文档进行解析,向OPC服务器请求相应数据。

3.2.2将数据分发给图表控件

OPC-X ML组件从OPC服务器获取相应数据点值以后,通过GetXML方法,将数据响应以一个XML文档的形式返回给ASP页面。采用Microsoft版本的DO M 对象以及ASP页面中VbScript对XML文档进行解析,并获得数据点名(PointI D)和数据点值(PointValue),然后把数据分发给相应的人机交互图表ActiveX控件,按照设定的文本或图形显示数据。4结束语

基于OPC-XML技术的互联网实时监控系统有以下特点:

1良好的通用性

目前,OPC规范已经被确定为全球事实性的工业标准,得到过程控制设备制造商和工业控制软件开发商的支持,我们采用OPC规范来标准化数据读写的接口,使得系统具有良好的通用性。

o灵活的客户端配置

客户端机器不受地点、硬件、软件的制约。可以在本企业的局域网上,也可以在几千公里外的广域网上,通过拨号或宽带连接到Internet,然后通过Web浏览器访问企业监控信息系统的Web服务器即可。

?客户端真正免维护

客户端除了安装Web浏览器外,不需要任何其它应用软件支持。在浏览器上访问Web服务器的方法,与一般的上网浏览完全一样,操作十分简便。图形系统中的画面、控件下载、更新,都由Web服务器端维护,客户端无需作任何事情。

?松散耦合

由于XML真正实现了信息描述和信息处理的分离,无需考虑用户对数据可能进行的处理和数据的最终表现形态,同样的数据,既可以设定其样式以便在浏览器中显示,也可以交给一个代理进行后台处理,而生成X ML的底层应用程序,不需要任何修改。因此,服务器端的应用程序与客户端的耦合程度要松散得多。

?更好的信息交换和共享能力

利用XML和HTTP,可以使企业现场的实时数据信息跨越防火墙,发布到Inte rnet上,并和Interne t上的应用进行集成。同时,系统可以不再限制于Mic rosoft 平台,因为,XML几乎可以被所有的操作平台所支持。参考文献

1Ellille Ru sty harld.X ML实用技术[M].北京:机械工业出版社,1999 2O PC Fou ndation OPC X ML-DA Version RC1.8.Ju ne13,2002

3Did ier Martin.X ML高级编程[M].北京:清华大学出版社,2001

4JakeS turm.开发X ML解决方案[M].北京:北京大学出版社,2002 5Sbelley Powers.ASP组件开发指南[M].北京:中国电力出版社, 2002

收稿日期:2003-11-12。

第一作者全新建,1971年生,2000年毕业于武汉水利电力大学,获工学硕士学位,2003年毕业于东南大学,获工学博士学位;主要从事自动控制与计算机应用方面的研究,在国内核心期刊及全国性学术会议上发表论文多篇。