基于OPC技术的多线程数据采集系统的实现

乔富强，赵 旭

（天津中德职业技术学院 信息系，天津 300350）

在能源信息化集成过程中，环保局要求各热电厂的锅炉实时数据进行上传，企业内部也需要通过浏览器实时监控锅炉数据。这些数据的传输从起点到终点要经过现场工控机（配有OPC服务器）、OPC客户端、UDP传输层和监控主机，其中OPC客户端为分散于各处的生产数据与中央监控搭建了桥梁。大部分热电厂都通过配置OPC服务器，向外提供符合OPC标准的统一接口[1]，但传统的OPC客户端都是基于一个客户端访问一台服务器开发的[2-3]。为了适应环保局对多个热电厂数据的同时采集，本系统实现了单一客户端对多服务器的连接。同时考虑到每个连接应独立工作，当一个连接出现问题，不影响其它服务器的访问，采用了多线程模型解决这一问题。另外，数据采集是长期的工作，由于网络环境的不稳定性，客户端与服务器的连接经常断开，因此，系统提供了自动监控连接状态，断点续连的功能，减少了操作人员的负担。

1 OPC技术

OPC（OLE for process control）是一个用于过程控制的技术标准，它基于微软的OLE（现在的Active X）、COM（部件对象模型）和DCOM（分布式部件对象模型）技术，采用客户/服务器模式，制定了关于数据采集、历史趋势以及事件报警等接口标准[4]。只要遵守这些标准，在客户机和服务器之间就可以交换数据。

OPC逻辑对象模型中包括3种对象：服务器对 象 （OPCServer）、 组 对 象 （OPCGroup） 和 项 对 象（OPCItem）。这3种对象层次不同，每种对象都包括一系列接口。如图1所示，一个OPCItem对应实际的硬件装置上的某一个channel或port，它包括值（Value）、品质（Quality）、时间戳（Time Stamp）3 个基本属性；一个OPCGroup则包含了许多的OPCItem，同时也定义了这些OPCItem更新的时间、方式，并提供读取OPCItem属性的接口；而一个OPCServer则包含若干个OPCGroup，同时提供操作这些OPCGroup的接口[5]。OPC客户端若要从服务器中采集数据，首先应得到服务器对象的引用，然后通过操作组对象的接口动态创建组对象，最后通过组对象读取项对象的属性值。

图1 OPC服务器结构图Fig.1 OPC server structure diagram

2 OPC客户端开发

本系统以Visual Studio 2010为平台，应用VB.Net语言开发，项目中引入了OPCAutomation.dll组件，其中封装了客户端与服务器交互的方法。

项目中建立了3个与功能相关的类，其中Opc-ClientOperator类主要表达了客户端与服务器一对一的连接，并提供了采集数据方法；ThreadsOperator类封装了OpcClientOperator类的对象数组，每个对象代表一个与服务器的连接，从而实现客户端与多服务器的交互，这个类也定义了线程数组，它为每个连接启动一个线程，避免了多连接情况下的相互冲突；OpcClientObserver类提供了异常处理以及修复连接的方法，当连接发生异常时，调用这些方法实现断点续连。这3个类的主要成员如图2所示，详细介绍这些类的实现细节。

图2 OPC客户端类视图Fig.2 OPC client class view

2.1 OpcClientOperator类

OpcClientOperator对象可完成对一台OPC服务器的数据采集，其工作过程由以下步骤组成：

步骤1调用ConnectRemoteServer函数连接到指定的服务器，该函数以服务器IP地址或主机名作为参数，若连接成功，MyOpcServer变量保留服务器对象的引用，并用ServerState记录服务器连通状态（OPCServerState.OPCRunning），否则捕获异常，提示错误信息。

步骤2调用CreateGroup函数创建组对象，MyOpcGroup保存组对象的引用，当成功创建了组对象，可添加即将被采集的项对象序列，其中组名称及项变量名称由项目的配置文件导入，关键语句如下：

步骤3调用SetGroupProperty函数设置组的属性，主要包括下列内容：

步骤4采集数据，StartClientChannel是本类中的主要函数，也是启动线程时的绑定函数，该函数内部首先执行了以上3个过程，然后开始从服务器采集数据，而本类定义了3种客户端与服务器的通信方式：

①同步方式MyOPCGroup_SyncRead

OPC服务器把项对象的值、品质和时间戳作为函数的参数返回给客户端，在结果被返回之前客户端程序必须处于等待状态。

②异步方式MyOPCGroup_AsyncRead

OPC服务器接到客户端的请求后，几乎立即将方法返回。OPC客户端随后可以进行其他处理。当完成数据访问时，OPC服务器主动触发客户端的异步访问完成事件，将数据访问结果传送给OPC客户端。OPC客户端在事件处理过程中接收传来的数据。

③订阅方式MyOPCGroup_DataChange

服务器按一定的更新周期（UpdateRate）更新数据缓冲区的数值时，如果发现数据有变化，就会触发组对象的DataChange事件通知客户端，而发生变化的数据作为事件处理函数的参数返回给客户端。

步骤5启动定时器timer，定期监测服务器连接状态 CheckServerState，若连接异常，则触发OffLine事件通知OpcClientObserver来处理。

2.2 OpcClientObserver类

为解决断点续连问题，本系统采用了事件和委托机制[6]，事件是对象发送的消息，以通知操作的发生。操作可能是由用户交互引起的，也可能是由某些其他的程序逻辑触发的。引发事件的对象称为事件发送方。捕获事件并对其作出响应的对象叫做事件接收方。这种机制源自于Observer（观察者）模式，事件的发送方是被观察的主体，事件的接收方是观察者，当主体发生变化时，观察者被自动告知更新[7]。在事件通信中，事件发送方不知道哪个对象或方法将接收并处理该事件。因此在发送和接收方之间必须存在一个媒介 （类似函数指针）。.NET Framework定义了一个特殊的类型–委托类型（Delegate），该类型提供函数指针的功能。委托是可保存对方法的引用的类，与其他的类不同，委托类具有一个签名，并且它只能引用与其签名匹配的方法。这样委托就等效于一个类型安全的函数指针或一个回调。

根据事件和委托机制，首先在OpcClientOperator类中声明了一个委托类型OffLineEventHandler，以及依托于该委托的事件OffLine，当触发事件时，由该委托所指向的函数来处理。

其中参数sender表示引发事件的对象，而参数e中记录了事件接收方感兴趣的信息，比如服务器的连接状态ServerState和地址等，接收方通过这些值判断异常的类型以及重新连接的地址。

接下来在OpcClientObserver类中定义了3个函数，其中RepairConnection是符合OffLineEventHandler委托类型的事件处理函数，它先调用ExceptionHandle来判断连接异常的类型，若为物理性断网，则通知用户手动操作，否则尝试重新建立与Opc服务器的连接，若一次连接不成功，则等待若干秒后重新尝试，反复几次，其中等待时间和最大重连次数由用户在ThreadWaitingTime和MaxConnCount成员变量中的赋值所决定。若连接成功则调用ThreadHandle恢复数据采集的线程；若达到最大重连次数仍未成功，则提示用户手动操作，并结束数据采集线程。

.NET Framework允许用户将事件与处理程序动态绑定，当主程序启动后，分别为每个OpcClient-Operator对象绑定事件处理函数。

这样，在对数据采集线程实施定时监控过程中，如果发现某个连接断开，则引发OffLine事件，根据委托，操作系统自动调用事件处理函数重新建立连接。

2.3 ThreadsOperator类

该类封装了OpcClientOperator类的对象数组ClientOp，和.Net线程数组 Threads。DoClientJob 是客户端工作的启动函数，它首先初始化ClientOp数组的每个对象，为每个对象设置连接服务器的地址，组信息及项信息，然后将这些对象的Start-ClientChannel函数分别绑定到Threads数组的每个线程对象，作为工作线程的函数，最后依次启动这些线程。

每个线程独立处理客户端与一台服务器的连接及数据采集工作，当一个连接异常时，不影响其它线程的工作[8]。

虽然本系统实现了断点续连的功能，但在某些情况下，比如网络物理性断开，或重新连接数次达到上限都不成功，还是需要人员手工操作，基于这些考量，本类也提供了动态管理线程的方法。ResetOneThread函数用于重置某个指定的线程，当某个线程异常而中止工作时，可以调用该函数重新启动这个线程。当客户端不再需要访问某个服务器时，可以调用StopOneThread函数停止某个指定的线程，它们以服务器地址和线程对象的下标为参数。OPC客户端完整的工作流程如图3所示。

图3 OPC客户端工作流程图Fig.3 OPC client working flow chart

3 系统测试

系统测试工作在一个真实的环境下进行，应用该OPC客户端采集天津市滨能集团5组锅炉的参数，首先在各自的工控机上搭建OPC服务器环境，应用的服务软件是西门子的WinCC。然后设置组和项的参数，并将这些参数导出到配置文件供OPC客户端使用，这些参数包括OPC服务器地址、类型、组名、项变量名以及相关注释。最后在一个远程主机上启动客户端，开始访问这5个OPC服务器。

配置客户端的操作如图4所示，列表框中导入了所有服务器的地址，当选择某个地址时，文本框中会显示该服务器类型和已添加的组。当点击“导入参数项”时，系统会读取配置文件中的项变量信息，包括序号、变量名和标题。启动客户端以后开始采集所有服务器的项变量数据。

图4 配置OPC客户端Fig.4 Configure OPC client

在列表中选择某个服务器地址，可以查看从该服务器上接收的项变量的值、质量和时间戳信息。通过“重置线程”和“终止线程”，用户可以手动的重启或停止当前线程，而不影响另外4个线程的采集工作。当重启某个OPC服务器时，连接发生异常，此时断点续连机制生效，经过数次的重连、等待，连接恢复，照常接收数据。

4 结语

本系统通过OPC技术，采用面向对象封装的思想，充分利用VB.NET的多线程机制进行多服务器的连接，动态地管理线程，提高了系统的稳定性，完成了企业锅炉数据的采集与发送的开发。系统提供了便利的人机界面，方便了使用者的操作，在实际应用过程中达到了预期的效果。

[1]蒋近，段斌.基于OPC技术的监控主站实时数据传输[J].电力自动化设备，2008，28（9）：97-100.

[2]黄锦花，常喜茂.基于快速开发工具的OPC客户端的开发与实现[J].化工自动化及仪表，2013，40（7）：893-897.

[3]苏磊，李茜，汤伟.OPC数据访问客户端的研究与实现[J].计算机工程，2010，36（11）：80-82.

[4]陈烨，仓小金，彭蓬，袁小平.基于OPC中问件技术的网络控制系统[J].电力自动化设备，2011，31（1）：100-104.

[5]望荆沙.基于OPC DA 3.0的OPC服务器与客户端的研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[6]任玉辉，张新海.动态连接多服务器的OPC客户端在烧结控制系统中的应用[J].烧结球团，2011，36（1）：19-24.

[7]James W.Cooper.C#设计模式[M].北京：科学出版社，2011.

[8]Gastón C.Hillar.C#并行编程高级教程：精通NET 4 Parallel Extensions[M].北京：清华大学出版社，2012.