本文概要地介绍了工业控制软件互操作性标准OPC 的产生背景，OPC 标准的基本内容和技术特点，OPC 技术的发展历史、应用情况及其发展前景。此外还介绍了OPC 基金会组织的基本情况。

　　一、引言

　　现在， 工控自动化系统的应用已经非常普及， 工控自动化技术已经很先进，DCS 系统得到了广泛应用， 现场总线技术正在逐步完善、成熟起来。但是目前工控自动化系统绝大多数是封闭的系统， 缺乏统一、标准的开放式接口。不同厂家的产品如果要集成在一起， 必须为他们开发专用的接口。随着工控自动化系统功能要求越来越复杂， 完全用一个厂家的产品来构成整个系统是很困难的， 不同厂家的产品之间接口的复杂性限制了用户的选择， 不能根据系统的要求选择的系统集成方案。

　　现在工业控制软件缺乏统一的工业标准， 不同厂家的SCADA、DCS、HM I 软件之间进行通讯是非常麻烦的一件事。各个厂家的软件对控制系统硬件操作的设备驱动程序接口也各不相同， 这样为了对市场上不同厂家的设备都能管理， 控制软件厂家必须针对市场上的几百种常用的硬件都开发设备驱动程序， 而且当硬件设备升级、修改时， 驱动程序也必须修改， 这是做的代价无疑是非常高的。此外， 一个系统中如果同时运行不同的工业控制软件， 他们通过各自的设备驱动程序同时对同一个硬件设备操作， 往往会由于相互之间的不协调、不兼容造成系统的崩溃， 影响整个系统的运行。如果设备驱动程序由硬件设备制造厂开发， 那么他也必须为市场上常用的各种工业控制软件开发都开发驱动程序， 代价同样是非常高的。如图1所示。

　　另外， 现代化工厂中， 全厂的自动化系统包括了现场设备的管理（智能设备的组态、参数整定等）、生产过程管理（DCS、SCADA 等） 及全厂运行调度决策的管理， 不同子系统的应用程序之间有大量的信息交流。在各个子系统应用程序之间建立一致、高效、稳定的通讯接口对系统的开发、维护及运行有着非常重要的意义。

图1　传统控制软件与硬件设备之间的接口

图2　采用OPC 技术的工业控制软件与硬件设备之间的接口

　　OPC （OL E fo r P rocess Con t ro l） 的开发目的， 正是为了给工业控制系统应用程序之间的通讯建立一个接口标准， 在工业控制设备与控制软件之间建立统一的数据存取规范， 这个接口规范不但能够应用于单台计算机， 而且可以支持网络上分布式应用程序之间通讯， 以及不同平台上应用程序之间的通讯。OPC 的基础是微软的OL E. COM 及DCOM 技术， 该技术完全支持上述分布式应用和异构环境下应用程序之间软件的无缝集成和互操作性。图2 为采用OPC 技术的工控软件与硬件设备之间的连接示意图。图3 为采用OPC 技术实现异构环境下系统集成的示意图。

图3　异构环境下工业控制系统集成示意图

　　二、OPC 技术规范概述

　　OPC 技术规范是以M icro sof t 的OL E? COM 技术为基础的， 它所定义的是一组接口规范， 包括OPC自动化接口（A u tomat ion In terface） 和OPC 定制接口（Cu stom In terface）。另外，OPC 技术规范定义的是OPC 服务器程序和客户机程序进行接口或通讯的方法， 而不规定如何来实现这种接口。

　　1.OPC 对象和接口

　　OPC 服务器对象提供了对数据源进行存取（读/写） 或通讯的接口方法， 数据源可能是现场的I/O 设备， 也可以是其他的应用程序。通过接口， 一个O PC客户程序可以同时和一个或多个厂商提供的OPC 服务器连接。如图3 所示。OPC 服务器内部封装了与I/O 控制设备通讯及进行设备操作的代码。

　　2.OPC 数据存取（Data Access） 规范

　　总体上说， 一个OPC 的数据存取服务器中包括几类对象： 服务器（Server）、组（Group ） 和项（ Item ）。

　　OPC 服务器对象维护有关服务器的信息并作为O PC组对象的包容器， 而OPC 组对象维护有关其自身的信息， 提供包容OPC 项的机制， 并管理OPC 项。

　　OPC 组提供了客户程序组织数据的手段。例如，一个组中包括了表示一个显示面板所有数据的项， 数据可以被读取或改写， 在客户机程序和组中的项之间可以建立基于“例外”的连接， 这种连接根据需要可以禁止或允许。OPC 客户机程序可以修改OPC 服务器向客户程序提交数据变化的刷新速率。

　　有两种类型的组， 即公共（Pub lic） 的组和局部（Local） 的组。公共组可以被多个客户共享， 而局部组只能被一个客户使用。每个组中都可以定义一个或多个OPC 项。

　　OPC 项代表了与服务器中的数据的连接。从定制接口（Cu stom In terface） 的角度看，OPC 项不能被OPC 客户作为一个对象进行操作。所有对OPC 项的操作都是通过包容此项的OPC 组对象进行的。

　　每个项有值（V alue）、品质（Q uality） 和时间标签（T ime Stamp ） 三个属性， 值的类型为VAR IAN T , 品质的类型是SHORT。

图4　OPC 客户机/服务器结构示意图。

　　应当注意， 项并不是数据源， 而仅仅是与数据源的连接。例如， 我们假定有一个DCS 系统， 它提供了OPC 服务器接口， 可以向OPC 客户提供数据， 在系统中定义一个标签（Tag） , 则这个标签总是存在的，而不管是否有OPC 客户程序对它进行存取。

　　3.OPC 报警与事件（Alarm and Event） 规范

　　OPC 报警与事件接口规范提供了一种机制， 通过这种机制， 当I/O 设备中有指定的事件或报警条件发生时，OPC 客户程序可以得到通知。通过这个接口，OPC 客户程序还可以知道OPC 服务器支持那些事件和条件， 并能得到其当前状态。

　　这里使用了过程控制中常用的报警和事件的概念， 在不严格的场合， 报警和事件也可以互换， 两者意义上的差别不是非常明显。

图5　OPC 组和项的关系

　　在OPC 中， 一个报警是一种非正常情况（condi2t ion） , 因此是一种特殊的情况。一个情况是OPC 事件服务器（Even t Server） 或其所包容的对象中命名了的一个状态， 而这个状态一般来说是对OPC 客户程序有意义的。例如， 标签FC101 可以有以下几种相关的情况： 上限报警、上上限报警、正常、下限报警、下下限报警。

　　另一方面， 一个事件是对OPC 服务器、其所表示的I?O 设备或OPC 客户重要的某种可感觉到的变化。一个事件可以是和某种情况相关的， 也可能与任何情况都无关。例如， 数据从正常变化到上限报警或从报警变化到正常状态， 这是和某种情况有关的事件。而操作人员的动作（如对系统配置的更改）、系统故障则是与情况无关联的事件。

　　OPC 事件服务器接口类IO PCEven tServer 提供的方法使得OPC 客户程序能够完成以下功能。

　　◆ 决定OPC 服务器支持的事件的类型

　　◆ 对某些特定的事件进行登记， 以便当这些事件发生时，OPC 客户程序能得到通知， 也可以采用过滤器定义这些事件的一个子集

　　◆ 对OPC 服务器实现的情况进行存取或处理除了接口类IO PCEv en tServer 外，OPC 事件服务器还支持其他的接口， 能够对服务器中实现的情况进行浏览， 或者对公共的组进行管理。

　　4.OPC 历史数据存取（HistoricalData Access）

　　历史数据引擎可以向感兴趣的用户或客户程序提供关于原始数据的额外信息。目前大部分历史数据系统采用自己专用的接口分发数据， 这种方式不能提供即插即用的功能， 从而限制了其应用范围和功能。

　　为了将历史数据和各种不同的应用系统进行集成， 可以将历史信息认为是某种数据类型的数据。

　　目前的OPC 规范支持以下几种历史数据服务器。

　　◆ 简单趋势数据服务器。这种服务器只是提供原始数据和简单存储功能， 数据一般以OPC 数据存取服务器提供的类型存储， 即取[ 数值， 品质]元组的形式。

　　◆ 复合数据压缩和分析服务器。这种服务器可以提供数据压缩功能， 还可以提供数据汇总和数据分析功能， 如平均值、值、值等。支持数据刷新及刷新历史记录， 此外， 保存历史数据的同时还可以记录对数据的注释信息。

　　三、OPC 技术规范的发展历史

　　OPC 规范初仅仅是对工业控制软件对现场设备的数据存取规范， 经过几年的发展现在包括数据存取（Data A ccess）、报警和事件（A larm s and Even t s）、历史数据存取（H isto ricalData A ccess） 三部分。目前正在进行的还有批量过程（Batch） 规范和安全性（Se2cu rity） 规范的研究工作。

　　1995 年夏OPC 工作组成立后， 标准的制定工作即全面展开， 通过高效率的工作， 1996 年8 月完成了初的OPC 规范， 即110 版。

　　1997 年9 月发布了OPC 规范的110A 版， 这时OPC 规范改称为数据存取规范（Data A ccess Stan2dard） 1. 0A 版。

　　1998 年10 月发布数据存取（Data A ccess） 规范210 版， 主要对自动化接口（A u tomat ion In terfaccs）作了较大的修改。

　　1998 年12 月发布报警与事件（A larm s andEven t s） 规范110。

　　1998 年6 月报警与事件定制接口（Cu stom In2terface） 规范升级到了1101 版， 主要是对A &E 中的IDL 作了些小的改进。

　　1999 年5 月数据存取规范各项级到了2102 版。

　　四、OPC 基金会组织

　　OPC 基金会的前身是成立于1995 年的OPC 工作组（OPC Task Group ）。

　　在1996 年芝加哥ISA 博览会上OPC 基金会首次露面。在这次会上来自几家公司的OPC 服务器在M icro sof t 公司的展位上进行了展示，OPC 成员公司召开了次全体会议。此后在世界主要展览会上都进行了OPC 的联合展示。

　　OPC 技术在国际上得到了广泛的支持， 截至1999 年11 月会员单位已超过228 家， 世界上几乎所有主要的工业自动化设备、仪表及控制系统厂商都是OPC 的成员。1997 年2 月6 日在德国法兰克福成立了OPC 欧洲委员会。此后成立了OPC 日本委员会。

　　遗憾的是， 到目前为止， 国内只有北京华控公司是OPC 成员单位， 这与我国的大国地位很不相称。

　　五、OPC 兼容产品的一致性测试

　　OPC 规范的目的是实现应用程序之间的无缝连接和互操作， 只有通过OPC 兼容性测试的OPC 服务器和客户应用程序才能保证实现这一点。目前O PC基金会尚未制定权威的兼容性测试程序， 也不提供产品的OPC 兼容工作。但OPC 基金会每年在美国和欧洲举办两次互操作性测试研讨会， 这期间对来自OPC 成员公司的几十种OPC 服务器、客户程序连接起来， 测试和演示相互之间的可互操作性， 只有通过了这种或类似测试的产品才能保证其OPC 规范兼容性。这样的测试在1998、1999 年已分别通过了两次，1999 年有超过30 个厂家的产品参加了OPC 数据存取规范兼容性测试， 2000 年1 月31 日至2 月4 日，将在位于美国加州的Wonderw are 公司进行下测试活动， 届时除了可以进行数据存取兼容性测试之外， 还可以进行报警与事件（A larm s&Even t s） 规范的兼容性测试。

　　OPC 基金会计划在不久的将来向会员公司提供一个兼容性测试工具， 通过了该工具的测试，OPC 产品就可以认为通过了兼容性。

　　目前有一些公司提供OPC 兼容性测试工具， 主要用于本公司产品的兼容性测试， 但也有的公司声称可提供OPC 兼容性的完整测试。例如美国In tellu2t ion 公司与西部Case 大学联合开发了OPC 兼容性测试工具包， 其包括两级兼容性测试， 功能集（M in imum Set） 定义了对OPC 服务器兼容性的要求，OPC 服务器必须满足此要求， 可选功能集（Op2t ional Set） 则定义了OPC 服务器的其它功能， 并可对其进行测试。其他的还有Rockw ell 公司的OPC TestClien t, Facto rySof t 公司的OPC In specto r 等。

　　六、OPC 技术的进展及发展方向

　　In ternet 技术已经渗透到社会生活的各个方面，工业控制领域也不例外。1999 年10 月在美国费城举行的ISA Tech 99 会议上，OPC 基金会宣布将发布与微软的B izTalk 体系结构兼容的XML （Ex ten sib leM arkup L aguage） 纲要（XML schema） , 该纲要将是基于OPC 规范的。为此OPC 基金会成立了以In tel2lu t ion 公司技术主管、OPC 技术促进委员会主席A lCh isho lm 为负责人的XML 工作组。OPC XML 工作组将建立XML 数据纲要， 用于将OPC 数据向In ter2net 上的应用程序开放， 从而增强OPC 兼容应用程序的电子商务功能。OPC XML 将建立描述工业设备、控制系统OPC 数据项及其他方面特性的关键字及属性， 从而提供与整个企业环境下应用程序共享生产过程实时数据的能力。

　　复杂数据（Complex Data ） 工作组和公共I?O（Common I?O ） 接口工作组也是OPC 新成立的两个工作组。

　　OPC 数据存取规范提供了应用程序之间传送单个数据的灵活、高效的方法， 但对于传送结构数据和可执行的命令串并不合适。例如当OPC 服务器传送一个大的二进制对象（如设备的组态配置信息、PLC的梯形图程序、或高速采样设备获得的信号波形数据） 时，OPC 客户将不知道如何对此对象进行解码，或者命令串可能名含保留的变量名。复杂数据工作组的工作就是对OPC 数据存取规范（Data A ccessSpecification） 进行扩展或定义一个新的接口集， 这些新的接口将允许OPC 客户和服务器能够识别、交换和解码结构性数据， 并能够传送命令串和监视命令串在设备中的执行情况。新的接口集应是对现有接口的补充， 而且不能与现有的接口重复。

　　一些高效、低层的应用程序， 如软PLC、软控制，需要对数据进行简单、快速的存取， 而OPC 数据存取规范包括许多这类应用程序并不需要的功能， 此外OPC 数据存取规范大量使用服务器定位的“out”参数， 这降低了其运行效率， 限制了在实时环境下的应用。公共I?O 接口工作组的任务就是开发一个简单、高效的数据存取规范， 特别是对物理I?O 的直接操作。该接口应尽可能基于现有的IEC1131 标准的功能， 以支持传统PLC 的编程； 该工作组还希望定义一组由一个DLL 库导出的“纯”C 接口函数， 并由一个简单的COM 接口封装。当然， 这个接口应该是对现有数据存取规范的补充， 而不是与之进行竞争， 该接口将被严格限制于实时应用中。

　　七、OPC 标准带来的好处

　　对于硬件设备厂家来说， 采用OPC 技术意味着他们只需开发一个符合OPC 规范的OPC 服务器， 该服务器可与所有的OPC 客户程序通讯， 这些OPC 客户程序可以是DCS 或SCADA 程序， 也可以是其他的工业控制或MIS 系统应用软件。硬件设备厂家不必再把时间花在如何与各种不同的软件进行通讯上。

　　此外，OPC 兼容的I/O 硬件设备之间的互操作性问题得到了完全的解决， 相对于采用专用接口的I/O设备， 这是一个明显的优点， 从而使其具有更好的应用前景。

　　对于工业控制系统软件厂家来说， 采用了OPC技术他们就可以专注于其部分如HMI、SCADA及控制策略等的研究， 而不必再为市场上多达几百种的I?O 硬件测控设备编写设备驱动程序， 因为只需提供标准的OPC 客户接口， 即可对各种OPC 兼容的硬件设备进行操作。而且也可以方便地与OPC 兼容的任何其他软件（如其他控制软件或MIS 系统软件）进行通讯， 实现软件之间的互操作。

　　八、结论

　　基于COM/DCOM 技术的OPC 技术规范在短短几年内获得了极大的发展， 并得到了国际上自动化领域厂商的广泛支持。采用OPC 技术规范的产品实现了工业自动化系统中软件之间的互操作和无缝集成， 以及现场监测、控制设备的即插即用， 为该领域的硬件、软件厂商及终用户带来了直接和明显的巨大利益。符合OPC 规范的硬件、软件产品开始大量地开发出来并开始得到广泛应用， 支持OPC 技术开发的各种开发工具正在不断地得到完善， 并且可以容易地得到。国内工业自动化领域的研究机构和厂家应积极行动起来， 跟上世界先进技术的发展。

　　采用OPC 技术的意义就象即插即用技术对于计算机工业的意义一样重要。更多的选择性、对过程数据的方便存取、监控设备的即插即用、开发工具的高效率应用， 这些只是采用OPC 技术的主要好处。

　　OPC 支持规范就象其他标准一样能为终用户带来利益。这包括用户培训费用、系统开发费用的降低， 此外还可降低系统的长期维护费用。符合OPC 规范的产品可无缝地集成在一个系统中， 彻底解决了不同厂家设备之间的互操作性问题， 从而用户可以有更多的选择， 为了达到系统功能、价格， 用户可以选择不同厂家的产品集成在一起构成系统， 而不必担心相互之间的不兼容。同样地， 也不必担心将来系统维护、升级时的设备兼容性问题， 从而降低了系统的长期维护费用。

　　对于硬件设备厂家来说， 采用OPC 技术意味着他们只需开发一个符合OPC 规范的OPC 服务器， 该服务器可与所有的OPC 客户程序通讯， 这些OPC 客户程序可以是DCS 或SCADA 程序， 也可以是其他