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摘 要：OPC技术以其高效灵活的数据获取及交换方式能够为软硬件开发商和用户都带来效益，具有广阔的发展前景。文章首先对OPC技术通信协议以及NET系统体系架构进行了介绍，以便使读者能够更为全面的认知OPC的技术内涵，在此基础之上，利用OPC技术，结合计算机可编程集中自动化控制器及高配置服务器管理系统，设计了一套开放性和互操作性高的工业集中自动化控制系统，并对其功能的实现作出了论述。
关键词：工业控制系统；数据；设备；开放性；计算机技术；操作性；OPC
随着计算机技术、网络通讯技术在各个领域的不断深入与发展以及现代工业企业生产规模的不断扩大，软件产品和硬件设备都慢慢的变得比以前更加实时和集中化，这就对工业控制系统的性能提出了更高的要求。为提高控制系统的性能，各公司也纷纷响应，推出不同协议的现场总线，因而在企业或工业生产中，常存在着设备通讯协议不同而无法进行数据交换和信息集中管理的情况。OPC是一种集高效性、可靠性、开放性、可互操作性为一体的即插即用的设备驱动程序，采用这种技术后，能实现多现场总线控制系统的互操作，并优化多现场控制系统，有力促进系统应用程序和工业控制设备之间数据读写效率和灵活性的提升，给现代工业控制软件带来强劲的发展活力。
1 OPC通信协议介绍
OPC技术在工业自动化系统控制中的数据采集系统中应用最为广泛。随着OPC技术发展的日渐成熟，更多工业系统硬件厂商具备了生产标准OPC接口的能力，有力促进了系统应用程序和工业控制设备之间数据读写效率和灵活性的提升。此外，OPC技术在数据采集领域中，还可以通过已编制符合标准的OPC接口与客户端直接进行数据交换，进而更加有效地提升数据采集效率和准确性。
2 技术实现
该系统的设计目的，是通过OPC Server接口方便地实现与前端设备进行数据和信息交换，把OPC服务的数据写入集中监控的数据库保存起来。模块之间采用多线程技术进行通讯，OPC数据采集作为工作线程在后台运行，数据保存即写入系统主线程。工作线程的线程函数循环读取OPC服务器中的数据，数据的变化不断触发主线程的写库事件。此外为了保证数据的安全性，使用了报文加解密处理。
2.1 集中监控中心模块划分
集中监控中心部分可划分为数据层、中心服务层、协同层（图1）。
数据层：分为数据运用层及设备运用层，所有对数据的操作都被封装在该层。
中心服务层：分为集控中心及web服务，业务集中监控包含业务逻辑服务、数据接收服务、业务集中监控服务、负载均衡服务；WEB服务管理包含系统查询分析、管理服务、系统管理。
协同层：绑定在控制硬件上，用于实时运行程序及实时控制层上的操作指令的调度，管理本地IO，远程I/O及以太网数据，显示人机界面，实现运动控制、逻辑控制及图像实时处理等功能。
2.2 主要功能
1）数据采集与设备控制
OPC技术在自动化控制中的数据采集与设备管理中应用最为广泛。目前更多的硬件设备具备了标准OPC接口，促进了系统应用程序和工业控制设备之间数据读写效率及灵活性。通过已编制符合标准的OPC接口与服务端直接进行数据交换，有效地提升数据采集效率和准确性，方便地进行设备的选型和功能的扩充，只要提供了OPC支持，所有的数据交换都通过OPC接口进行，而不论连接的控制系统或设备是哪个具体厂商提供。
2）实时数据访问
在OPC接口技术中，因具备对已存储数据的读写功能，使其能够在数据信息的收集与整理过程中对数据进行即时的查询和调用。由于中继通讯中心接受来自各个端的数据传输，还需要对传来的数据进行入库操作，所以在线程中会有对内存频繁的New和Delete的过程，容易造成服务中心的内存碎片，导致执行速度下降。系统采用内存池技术，即开始就分配一大段内存，以后要使用内存时就从该内存中获取一块，不用时则将给内存还回给该内存池。这一技术特点，为系统的自动化控制提供了读取存储文档的功能，进一步促进了系统对数据库和远程终端设备的控制。
3）数据库并发处理机制
在中繼通讯中心可以建立多个线程或一个线程池处理前端系统的并发通讯，而数据库驻留在中继通讯中心，会导致对数据库的串行访问，形成监控中心的处理瓶颈。采用了数据库的连接池来解决并发通讯及数据源连接问题。数据的访问在每个数据处理中遵循“连接”→“使用”→“断开连接”。
4）报警和事件处理
由于OPC技术具有统一的接口标准，这就为系统对非正常信息的拦截与报警处理提供了有效方法。监控中心具有收集前端系统各种设备信息，转发设备控制信息，日志自动分类处理功能以及设备故障定制处理功能。当监控中心发生异常或OPC技术所设定的报警事件到来时，系统就会按照既定机制向监控端发送通知，以此保证OPC端口所遇到的故障能够及时得到处理和解决，实现了对控制过程中报警事件的更好地捕捉，减小了系统故障对整体稳定运行的影响。
5）数据传输安全性
在设计上采用达到国际公认加密标准级别的数据加密算法（非对称加密算法：3DES、ASE，IDEA）对传输数据进行加密，防截取、防干扰。数据在传输前被加密（编码），保证数据在传输过程中的保密性，即使整段密文被完整截取，攻击者也不能破解；数据接收方对密文的正确性及完整性进行校验，以防止数据在传送过程中被篡改或假冒；保证加密数据的正确性和完整性（防篡改），而且由于每次的密钥的值都不同（每次信息计算出的结果都不同），所以也防止了简单的攻击（截取、回放）。
2.3 系统性能
集控中心是所有端连接的核心，性能至关重要，采用IOCP技术（完成端口）和线程池技术处理。当连接后从完成端口队列中获得事件信息，会从线程池中取出线程执行后期的数据接受和转发工作。服务中心采用接受到一个数据包就按指定的序列发送的方法，保证数据转发的高性能。在满负荷运行情况下测试系统的性能指标，得到的测试结果为：系统实时数据传送时间≤1s，系统控制命令传送时间≤1s，最优并发数下中继的丢包率为0.2‰～0.5‰，监控端的丢包率为0.3‰～0.7‰，7×24h压力测试下中继的丢包率为5‰，可以较好的满足实际应用的要求。 3 硬件平台
3.1 前端硬件设备
自动化控制器是基于ARM10和DSP芯片组建的嵌入式PC及逻辑控制器结合为一体的产品，主机内部带有数据采集卡、通用多串口卡、网卡等。软件安装有OPC Server和OPC Client。OPC Server连接现场数控制设备，负责数据采集，数据存储，故障报警等功能；集成在客户应用程序（OPC Client），分别调用各自的服务器接口函数，读取OPC Server采集过来的实时数据，传递给用户界面，完成对现场各个设备检测、监控、调节、诊断等功能。与“工业计算机+设备控制器”结构的控制系统相比，自带本地高速IO及远程IO的配置、调试及检测功能，可进行本地和远程的数字量输入输出、继电器输出、模拟量输入输出配置，具有更高的可靠性、稳定性、抗干扰能力。
3.2 后台服务器管理系统
为了确保整个系统的并发性能和可靠性，必须实现集中监控中心的服务、数据访问的负载均衡，故障转移。因此集中监控中心配置2台应用服务器、2台数据库服务器和网络存贮器，做成双机热备系统。
负载均衡，多指的是对访问服务器的负载进行均衡（或者说分担）措施，系统将集中监控服务和数据库服务的工作负载在多个服务器间进行分配，允许网络通讯量流到另一个服务器上，并在该服务器发生故障时将通讯量移至其他服务器。
故障转移是指集中监控服务系统或数据库服务对主机及硬盘、通讯线路等核心设备，采用双机备份，当系统正常时主机工作，并且每隔设定时间系统自动检测，若发现问题，系统能够自动切换到备份机继续工作，保证不影响系统的正常运行。它的优点就是可有效地提高系统的可用性。如果一个服务器或应用程序崩溃，热备份系统中另一个服务器在继续工作的同时，接管崩溃服务器的任务，最大限度地缩短用户服务器和应用程序宕机的时间。
Microsoft Windows Server操作系统自带服务器群集功能，可以借助服务器群集功能将多台服务器连接在一起，从而保证群集中运行的数据和程序具有高可用性和易管理性。
如图2所示，系统共4台服务器，2台数据库服务器，2臺应用服务器，均共用1个磁盘存储阵列柜。做到2台数据库服务器之间负载均衡，同时互相热备；2台应用服务器之间负载均衡，同时互为热备。服务器操作系统采用Windows Server系列，数据库采用SQL Server系列。
4 结语
总之，在当代工业自动化控制系统中，软件产品和硬件设备都慢慢的变得比以前更加实时和集成化，随着OPC接口技术的不断发展完善，可以设想，OPC技术凭借着良好的实现控制系统的互操作性和实时性功能，将在未来成为自动化控制系统的一项用于数据交换方面的核心技术，广泛的应用在工业自动化控制领域以及其他多种监控系统中。文章设计的这套基于OPC技术的工业自动化控制系统，相信在日后能够给更多的设计者提供参考借鉴。
参考文献
[1] 刘志.基于OPC技术的生产数据采集与过程监控系统研究与开发[D].合肥工业大学.2009.
[2] 李建辉；蔡伟波；吴修国.基于OPC技术的工业监控系统研究与设计[J].微计算机信息.2007（24）.
关键词：工业控制系统；数据；设备；开放性；计算机技术；操作性；OPC
随着计算机技术、网络通讯技术在各个领域的不断深入与发展以及现代工业企业生产规模的不断扩大，软件产品和硬件设备都慢慢的变得比以前更加实时和集中化，这就对工业控制系统的性能提出了更高的要求。为提高控制系统的性能，各公司也纷纷响应，推出不同协议的现场总线，因而在企业或工业生产中，常存在着设备通讯协议不同而无法进行数据交换和信息集中管理的情况。OPC是一种集高效性、可靠性、开放性、可互操作性为一体的即插即用的设备驱动程序，采用这种技术后，能实现多现场总线控制系统的互操作，并优化多现场控制系统，有力促进系统应用程序和工业控制设备之间数据读写效率和灵活性的提升，给现代工业控制软件带来强劲的发展活力。
1 OPC通信协议介绍
OPC技术在工业自动化系统控制中的数据采集系统中应用最为广泛。随着OPC技术发展的日渐成熟，更多工业系统硬件厂商具备了生产标准OPC接口的能力，有力促进了系统应用程序和工业控制设备之间数据读写效率和灵活性的提升。此外，OPC技术在数据采集领域中，还可以通过已编制符合标准的OPC接口与客户端直接进行数据交换，进而更加有效地提升数据采集效率和准确性。
2 技术实现
该系统的设计目的，是通过OPC Server接口方便地实现与前端设备进行数据和信息交换，把OPC服务的数据写入集中监控的数据库保存起来。模块之间采用多线程技术进行通讯，OPC数据采集作为工作线程在后台运行，数据保存即写入系统主线程。工作线程的线程函数循环读取OPC服务器中的数据，数据的变化不断触发主线程的写库事件。此外为了保证数据的安全性，使用了报文加解密处理。
2.1 集中监控中心模块划分
集中监控中心部分可划分为数据层、中心服务层、协同层（图1）。
数据层：分为数据运用层及设备运用层，所有对数据的操作都被封装在该层。
中心服务层：分为集控中心及web服务，业务集中监控包含业务逻辑服务、数据接收服务、业务集中监控服务、负载均衡服务；WEB服务管理包含系统查询分析、管理服务、系统管理。
协同层：绑定在控制硬件上，用于实时运行程序及实时控制层上的操作指令的调度，管理本地IO，远程I/O及以太网数据，显示人机界面，实现运动控制、逻辑控制及图像实时处理等功能。
2.2 主要功能
1）数据采集与设备控制
OPC技术在自动化控制中的数据采集与设备管理中应用最为广泛。目前更多的硬件设备具备了标准OPC接口，促进了系统应用程序和工业控制设备之间数据读写效率及灵活性。通过已编制符合标准的OPC接口与服务端直接进行数据交换，有效地提升数据采集效率和准确性，方便地进行设备的选型和功能的扩充，只要提供了OPC支持，所有的数据交换都通过OPC接口进行，而不论连接的控制系统或设备是哪个具体厂商提供。
2）实时数据访问
在OPC接口技术中，因具备对已存储数据的读写功能，使其能够在数据信息的收集与整理过程中对数据进行即时的查询和调用。由于中继通讯中心接受来自各个端的数据传输，还需要对传来的数据进行入库操作，所以在线程中会有对内存频繁的New和Delete的过程，容易造成服务中心的内存碎片，导致执行速度下降。系统采用内存池技术，即开始就分配一大段内存，以后要使用内存时就从该内存中获取一块，不用时则将给内存还回给该内存池。这一技术特点，为系统的自动化控制提供了读取存储文档的功能，进一步促进了系统对数据库和远程终端设备的控制。
3）数据库并发处理机制
在中繼通讯中心可以建立多个线程或一个线程池处理前端系统的并发通讯，而数据库驻留在中继通讯中心，会导致对数据库的串行访问，形成监控中心的处理瓶颈。采用了数据库的连接池来解决并发通讯及数据源连接问题。数据的访问在每个数据处理中遵循“连接”→“使用”→“断开连接”。
4）报警和事件处理
由于OPC技术具有统一的接口标准，这就为系统对非正常信息的拦截与报警处理提供了有效方法。监控中心具有收集前端系统各种设备信息，转发设备控制信息，日志自动分类处理功能以及设备故障定制处理功能。当监控中心发生异常或OPC技术所设定的报警事件到来时，系统就会按照既定机制向监控端发送通知，以此保证OPC端口所遇到的故障能够及时得到处理和解决，实现了对控制过程中报警事件的更好地捕捉，减小了系统故障对整体稳定运行的影响。
5）数据传输安全性
在设计上采用达到国际公认加密标准级别的数据加密算法（非对称加密算法：3DES、ASE，IDEA）对传输数据进行加密，防截取、防干扰。数据在传输前被加密（编码），保证数据在传输过程中的保密性，即使整段密文被完整截取，攻击者也不能破解；数据接收方对密文的正确性及完整性进行校验，以防止数据在传送过程中被篡改或假冒；保证加密数据的正确性和完整性（防篡改），而且由于每次的密钥的值都不同（每次信息计算出的结果都不同），所以也防止了简单的攻击（截取、回放）。
2.3 系统性能
集控中心是所有端连接的核心，性能至关重要，采用IOCP技术（完成端口）和线程池技术处理。当连接后从完成端口队列中获得事件信息，会从线程池中取出线程执行后期的数据接受和转发工作。服务中心采用接受到一个数据包就按指定的序列发送的方法，保证数据转发的高性能。在满负荷运行情况下测试系统的性能指标，得到的测试结果为：系统实时数据传送时间≤1s，系统控制命令传送时间≤1s，最优并发数下中继的丢包率为0.2‰～0.5‰，监控端的丢包率为0.3‰～0.7‰，7×24h压力测试下中继的丢包率为5‰，可以较好的满足实际应用的要求。 3 硬件平台
3.1 前端硬件设备
自动化控制器是基于ARM10和DSP芯片组建的嵌入式PC及逻辑控制器结合为一体的产品，主机内部带有数据采集卡、通用多串口卡、网卡等。软件安装有OPC Server和OPC Client。OPC Server连接现场数控制设备，负责数据采集，数据存储，故障报警等功能；集成在客户应用程序（OPC Client），分别调用各自的服务器接口函数，读取OPC Server采集过来的实时数据，传递给用户界面，完成对现场各个设备检测、监控、调节、诊断等功能。与“工业计算机+设备控制器”结构的控制系统相比，自带本地高速IO及远程IO的配置、调试及检测功能，可进行本地和远程的数字量输入输出、继电器输出、模拟量输入输出配置，具有更高的可靠性、稳定性、抗干扰能力。
3.2 后台服务器管理系统
为了确保整个系统的并发性能和可靠性，必须实现集中监控中心的服务、数据访问的负载均衡，故障转移。因此集中监控中心配置2台应用服务器、2台数据库服务器和网络存贮器，做成双机热备系统。
负载均衡，多指的是对访问服务器的负载进行均衡（或者说分担）措施，系统将集中监控服务和数据库服务的工作负载在多个服务器间进行分配，允许网络通讯量流到另一个服务器上，并在该服务器发生故障时将通讯量移至其他服务器。
故障转移是指集中监控服务系统或数据库服务对主机及硬盘、通讯线路等核心设备，采用双机备份，当系统正常时主机工作，并且每隔设定时间系统自动检测，若发现问题，系统能够自动切换到备份机继续工作，保证不影响系统的正常运行。它的优点就是可有效地提高系统的可用性。如果一个服务器或应用程序崩溃，热备份系统中另一个服务器在继续工作的同时，接管崩溃服务器的任务，最大限度地缩短用户服务器和应用程序宕机的时间。
Microsoft Windows Server操作系统自带服务器群集功能，可以借助服务器群集功能将多台服务器连接在一起，从而保证群集中运行的数据和程序具有高可用性和易管理性。
如图2所示，系统共4台服务器，2台数据库服务器，2臺应用服务器，均共用1个磁盘存储阵列柜。做到2台数据库服务器之间负载均衡，同时互相热备；2台应用服务器之间负载均衡，同时互为热备。服务器操作系统采用Windows Server系列，数据库采用SQL Server系列。
4 结语
总之，在当代工业自动化控制系统中，软件产品和硬件设备都慢慢的变得比以前更加实时和集成化，随着OPC接口技术的不断发展完善，可以设想，OPC技术凭借着良好的实现控制系统的互操作性和实时性功能，将在未来成为自动化控制系统的一项用于数据交换方面的核心技术，广泛的应用在工业自动化控制领域以及其他多种监控系统中。文章设计的这套基于OPC技术的工业自动化控制系统，相信在日后能够给更多的设计者提供参考借鉴。
参考文献
[1] 刘志.基于OPC技术的生产数据采集与过程监控系统研究与开发[D].合肥工业大学.2009.
[2] 李建辉；蔡伟波；吴修国.基于OPC技术的工业监控系统研究与设计[J].微计算机信息.2007（24）.