OPC XML技术在制造执行系统中应用研究及实现

戴小平 施铜兴 谢启宇

安徽工业大学计算机学院 安徽 243032

0 前言

随着科学技术水平不断提高，计算机设备在生产的诸多环节都被全方位的使用，企业的生产管理观念和生产方式都随之发生了巨大的改变和延伸，在大量的生产实践基础上一些创新的现代企业管理理论被提出来。

基于OPC XML的信息集成方法采用了XML 为基础技术结合OPC标准来实现信息通信，克服了OPC COM的诸多不足，对企业防火墙有良好的连通性，可以将底层生产层的OPC数据很容易通过局域网甚至Internet连接到达企业应用层。但它的缺点就是可能会有网络延时以及增加通讯开销。基于OPC XML的信息集成方法不仅保留了OPC COM的优点，还将应用范围延伸到 Internet领域，更符合现在科技发展的潮流和企业大规模生产的需要。

1 相关知识

OPC XML技术主要涉及Web 服务技术及SOAP(简单对象访问协议)技术。

Web Service实际上也是一个应用程序，它向外界对象提供了一个通过 W eb方式可以调用的 API(App lication Programm ing Interface，应用程序编程接口)，目的是使用户能够利用VB、C#等编程方式通过Web调用所需的应用程序获得服务。从内在看，Web Service是的Web应用程序的新分支，它是一种自包含、自描述、模块化的应用，以 Web作为载体可以被发布、描述、定位及调用。在遵循一套技术规范后，Web Service可以实现模块化组件功能，包括网络化(TCP/IP、XML等协议)、分布式(DCOM规范)。这一套技术规范包括XML、XSD、WSDL等。重点介绍XML技术，它是W 3C标准，是网络服务平台中表示数据的基本格式。主要的优点在于结构简单、文件建立方便，可以储存和充分利用数据，可以在不兼容的系统中交换共享数据，具有很好的跨平台性。

SOAP是一个轻量的、简单的、基于XML协议的数据传输协议，一般作为数据信息交换协议应用于分布式的环境中。SOAP具有简单、可扩展、平台无关、编译语言无关、厂商无关的特点，其SOAP技术的核心就是XML协议，内容包括封装机制，编码规则和远程调用。

OPC XML接口规范就是 OPC基金会制定的 OPC XML-DA规范，OPC XML-DA Schema定义了OPC XML-DA规范所支持的数据类型、数据结构和调用方法等，此外OPC XML-DA规范还对诸多底层细节包括传递协议、发现机制、错误处理、互操作性等进行了规定。

OPC XML-DA规范的三种主要基本数据项数据类型：简单数据类型、枚举数据类型和数组数据类型。另外针对Web服务参数还制定了复合型的数据类型，主要包括RequestList(请求列表)、RequestItem(请求项)、ItemValue(数据项值)、RequestOptions(请求选择)、ServerState(服务器状态)、ReplyBase(回复的基本信息)、OPCError错误信息)。

OPC XML-DA 支持8 种服务：

(1) Browse查询服务器中各层命名空间，获取所有可用的 OPC 项目名称。

(2) GetProperties返回一个或多个项目的相关信息。

(3) GetStatus返回关于服务器版本、供应商、运行状况、所支持的语言等信息。

(4) Read返回查询的 OPC项目的数据值、品质和时间戳，可以是同步读也可以是异步读。

(5) Subscribe指定一个客户希望持续更新的项目列表。

(6) SubscriptionCancel删除上次订阅的 OPC 项。

(7) SubscriptionPolledRefresh返回自上次调用该方法以来，在项目列中改变的订阅项。

(8) W rite向 OPC 项目中写入数据值。

2 某钢厂MES系统设计

本节将结合某钢厂60万吨特钢冶炼连铸MES项目，在电炉(EAF)、钢包精炼炉(LF)、真空脱气装置(VOD)和连铸机(CCM)等四个主要生产流程的数据集成中运用OPC XML 技术实现对实时数据的采集与监控。

开发平台与开发环境为：

操作系统：计算机采用操作系统是W indows2003 Server。

数据库：Oracle Database 10g SS for W indows企业版。

应用软件开发工具：Visual Studio.net2005。

MES的技术架构从逻辑上来看，是采用开放式的基于C/S体系的三层架构。三层架构体系由客户层(客户端)、应用服务层(应用服务端)以及数据库服务层(后台数据库)构成。这三层架构可以在同一台计算机系统上，也可以位于不同的计算机系统中。

MES的基本架构模型如图1所示。

图1 系统基本框架图

OPC框架设计可划分为三层架构：底层、中间层和客户层。基本架构模型如图2所示。

图2 OPC框架图

(1) 底层是设备层，是PLC的现场级控制系统，通过适当的设备将底层设备和控制系统互联，构成网络。

(2) 中间层是系统的核心，作为OPC XML-DA服务器(OPC XML Server)，向上层提供XML格式的数据，同时将实时采集的工业现场数据保存到Oracle数据库。

OPC XML Server实质是对传统OPC Server的COM组件进行包装，将从服务器中得到的数据信息以SOAP协议进行转换，并以XML格式与远程OPC XML客户端通信，最终实现OPC的Web Services服务。

(3) 最上层则是客户层，作为 OPC XML-DA的客户端(OPC XML Client)，接收并解释XML数据，为客户提供良好的人机界面，从而实现远程支持和服务。

软件架构的设计如图3所示。

数据库、软件功能的设计不详细介绍了，下面介绍客户端的设计。

图3 软件架构框架图

3 OPC XML-DA客户端的设计

利用应用软件开发工具Visual Studio.net2005采用直接调用Web类的方法获取中间层服务器传递上来的参数。

(1) 在.NET 编程环境，右键点击解决方案资源管理器添加 Web 引用，在引用对话框的 URL∶中输入 XML Web Service的地址添加 Web引用 http∶//localhost/W INCC-OPCXML/OPCServer.asmx。

(2) 点击添加引用按钮后就可完成 Web的 引用，通过引用就可以将OPC XML-DA规范所支持的Browse、Read、GetStatus、GetProperties、W rite、Subscribe、SubscriptionCancel、SubscriptionPolledRefresh等八项服务引用到软件系统中。

(3) 在.NET平台上调用相应的 Web 服务代理，完成Web 客户端的编写。

(4) 部分代码如下：以EAF(电炉)的生产信息显示在客户端的监控画面上为例，说明客户端调用OPC生产数据。

首先需要声明139个参数变量，他们的名称必须与OPC服务器上的名称和一致，例如EAF_AupLim it(A电极上线)，BlowOReady(吹氧设备是否就绪)等等，他们的参数类型主要有float、bool、string三种，当从OPC XML-DA服务器返回参数时，数据类型都是string型，根据数据项中数据类型的参数来转化成原有的参数属性。其他代码如下：

有出两种方式调用OPC XML-DA GetSrvStatus服务，同步方式调用和异步方式调用，在现场实施中同步调用存在空等待的时间过长的情况，重点介绍异步调用。

4 项目实施截图

下面将利用admin用户结合W inCC服务器介绍监控管理的实施。

图4 EAF电炉监控操作界

监控管理的主要功能实现对电炉、精炼炉、真空炉和连铸生产工序的生产状态和生产过程进行监控，可以实时监视各工序的生产状态、主要设备工作状态和生产阶段的信息，实时显示当前最新的钢水和炉渣的化验成份信息。我们以电路监控为例：

当admin用户(有监控管理权限)成功登录系统后，单击“监控管理”，单击“电炉监控”，显示电炉监控操作界面如图4所示。

5 总结

随着网络通信技术的不断发展，OPC XML-DA扩展了OPC的应用，弥补OPC COM的不足，XML与OPC的完美结合，将进一步满足制造执行系统的信息集成的需要，有着更广阔的前景。

[1]王胜强,芮执元,刘军.制造执行系统 MES及其功能技术模型[J].甘肃科技.2009.

[2]康灵燕,王燕林.基于OPC XML的过程信息集成方法研究[J].计算机工程.2009.

[3]刘志刚,龚元明.OPC XML 技术综述[J].自动化博览.2007.

[4]OPC Foundation.OPC XML-DA SpecificationVersion 1.0 [EB/OL].

[5] http∶//www.opcfoundation.org.2003.

[6]刘丽.基于 OPC XML-DA 实现远程实时监控的研究与设计[D].浙江大学硕士学位论文.2007.