基于OPC技术的Web工控系统的研究与实现

赵晓峰

（1.江苏省无线传感系统应用工程技术开发中心，无锡 214153；2.无锡商业职业技术学院 物联网技术学院，无锡 214153）

目前，在工业过程控制领域，大多采用上位机和下位机协同工作的模式，需要工作人员在线值守，限制其活动范围，在农田灌溉、水利排涝等应用环境下，已经显露出弊端。在“互联网+”背景下，如何对传统的工业控制系统进行改造或升级，以浏览器、移动终端等多方式实现远程监控，已成为工业控制领域必须解决的问题[1]。本文在分析传统工业系统基础上，设计基于OPC技术的Web工控系统，采用订阅发布机制处理实时数据，解决了数据并发写入设备的问题。

1 系统结构

传统的工业控制系统包括3个部分：（1）PLC硬件，通过嵌入的程序逻辑完成模拟信号和数字信号的处理，控制硬件运行，通过OPC标准与OPC Server通信；（2）OPC Server属于中间服务层，接收 PLC数据，对外提供统一的OPC DA接口；（3）上位机的组态软件访问OPC Server，提供实时数据通讯和图表功能[2]。在传统的工业控制网进行扩展，增加Web应用平台，直接与OPC Server通讯，就能实现远程的实时工控系统，从而可以为各类的访问终端提供接入服务。图1所示为改进后的Web工业控制系统（虚线左侧是传统工控系统）。

图1 Web工控系统结构Fig.1 Architecture of Web industrial control system

2 工控Web应用的结构

工控Web应用主要由3部分构成，表示层和Restful接口提供应用的交互界面；权限控制用于定义设备管理上的约束；数据中心用于定义应用系统范围内PLC设备及其状态变量，为上层应用下发的命令提供解析和执行，解决应用数据与设备数据的同步问题；DCOM通讯层通过DCOM接口，将PLC的数据按OPC规范与OPC Server进行相互的通讯[3]。工控Web应用的逻辑结构如图2所示。

图2 Web应用结构Fig.2 Architecture of Web application

3 工控Web应用的实现

考虑应用系统的跨平台、稳定性以及服务的可扩展性，采用Tomcat7.0作为应用服务器，Redis 2.8作为实时数据缓存和消息路由，SQL Server 2008存储历史数据和应用配置信息。

3.1 DCOM/OPC访问

OPC定义了一个工业标准接口，基于微软的COM/DCOM技术，使任何带有OPC接口的客户程序都可以采用统一的方式存取不同硬件厂商的设备[4]。OPC Server通过DCOM接口为外部程序提供OPC规范的数据访问，DCOM通过对象远程调用ORPC协议来支持对远程对象的调用。Java访问OPC Server，可以采用OPC基金会推荐的Utgard项目，它是一个纯Java实现的类库，相比其它JNI的实现方式更为可靠和稳定，并且不依赖于其它组件。OPC Server在Windows系统中需要进行DCOM的配置，分配相应的权限，才能由特定的用户进行DCOM调用[5]。

3.2 数据服务中心

数据服务中心的主要任务是数据同步，主要在OPC Server和Redis之间进行，Redis是一个高效的键值数据库，支持字符串类型、散列类型、列表类型、集合类型等键值数据，是一个高效的内存数据库，支持订阅/发布方式对消息进行处理[6]。在本系统中，Redis作为Web应用的缓冲，保存设备的实时数据，同时通过订阅发布机制帮助应用实现对设备的实时控制。

数据同步服务以多线程方式工作，运行的基本流程如图3所示，左侧是读取OPC Server数据流程，右侧是写入OPC Server数据流程，采用读写分离的双线程工作模式，减少相互影响。Web应用写入OPC Server采用了订阅发布机制，由Redis通过匹配订阅条件，将订阅者感兴趣的消息从消息队列里进行提取，然后通过路由转发，投递给相应的订阅者[7-8]。

图3 数据同步读、写模型Fig.3 Read and write model of data synchronization

读取OPC Server数据，由SyncAccess对象根据更新频率自动触发事件，事件处理由注册在SyncAccess中的DataCallback对象完成，该对象的changed方法负责接收事件中包含的数据，将数据值由Variant类型转换成Java基本数据类型，以“变量名-值”的形式保存在Redis中。

写入OPC Server数据，采用了订阅发布模式，由业务层把数据以JSON格式发布到指定的Channel中。Redis通知订阅该Channel的对象接收数据，创建OPC Item对象，把数据写入OPC Server。订阅对象需要继承JedisPubSub，实现onMessage方法，对数据进行处理。

3.3 客户端接口

客户端接口主要包括两部分，一是由浏览器访问的Web动态网页，二是为移动终端提供的一组Web API接口，也能访问设备数据和远程控制设备。移动端的Web API接口采用Restful风格，数据格式统一采用JSON格式来描述。Web界面借助于HTML5的WebSocket通讯方式，可以在Web页中实现与服务器实时通讯，通过页面动态展示设备数据和图形[9]。

4 应用案例

本文所实现的Web工控系统已运行于某市水利项目，项目由5个PLC控制的泵、闸站组成，利用水利系统内网通讯，实现Web浏览器远程控制泵站水泵启停和闸门升降，并在查询系统中显示实时数据、历史数据、水位过程线等过程控制信息，数据每隔15 min或1 min内功率变化＞10%时，自动存入SQL Server2008数据库。案例的泵闸远程控制界面如图4所示。

图4 泵闸远程控制界面Fig.4 Remote control interface of pump and gate

5 结语

在工业互联网和移动互联网的背景下，基于Web的工业控制系统越来越受关注。本文研究的基于OPC技术的Web工业控制系统，有效解决了Web应用的实时数据存储和设备并发控制问题；而且对传统工控系统的扩展不影响原系统运行，通过OPC Server与Web平台的相互协作，实现对工业控制系统的实时控制。未来会将本文所开发的远程工业控制系统应用于其他领域。

[1]刘宇.基于Android平台的远程工业监控系统[J].计算机测量与控制，2014，22（4）：1087-1089.

[2] 崔嵩.OPC技术与分布式实时数据库在SCADA系统中的开发与应用[D].山东：山东大学，2014.

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[4]王立萍.基于OPC标准的数据存取客户端应用开发[J].机床与液压，2015，43（4）：171-173.

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[6]Josiah L Carlson.Redis in Action[M].Manning Publications，2013.

[7]虞海江，马建刚，叶丹，等.基于发布订阅模式的数据集成中间件系统设计与实现[J].计算机系统应用，2007（11）：12-15.

[8]张舒，李超，赫阳，等.基于订阅发布的车辆GPS应急监控调度平台[J].计算机工程与设计，2008，29（2）：445-450.

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