第一章：OPC-UA介绍1

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自 20 世纪 90 年代初以来，基于 PC 和软件的自动化系统在工业自动化中的应用迅速增加。特别是，基于 Windows 的 PC 用于可视化和控制目的。过去几年，标准化自动化软件开发的主要工作之一是访问使用无数不同总线系统、协议和接口的设备中的自动化数据。

软件应用程序在访问打印机时也存在类似的问题，在旧的 DOS 时代，每个应用程序都需要为所有支持的打印机编写自己的打印机驱动程序。Windows 通过将打印机支持纳入操作系统来解决打印机驱动程序问题。这个打印机驱动程序接口服务于所有需要打印机访问的应用程序。这些打印机驱动程序由打印机制造商提供，而不是由应用程序开发商提供。

由于人机界面 (HMI) 和监控与数据采集 (SCADA) 软件的供应商也存在类似的问题，Fisher-Rosemount、Rockwell Software、Opto 22、Intellution 和 Intuitive Technology 等公司于 1995 年发起成立了一个工作组。该工作组的目标是为设备驱动程序定义一个即插即用标准，以提供对基于 Windows 的系统上的自动化数据的标准化访问。

结果是 OPC 数据访问规范在 1996 年 8 月不久后发布。维护此标准的非营利组织是 OPC 基金会。几乎所有提供工业自动化系统的供应商都成为了 OPC 基金会的成员。OPC 基金会能够比其他组织更快地定义和采用实践相关标准。成功的原因之一是精简了主要功能并限制了使用 Microsoft Windows 技术组件对象模型 (COM) 和分布式 COM (DCOM) 的 API 定义。对重要功能的关注和对基础 Windows 技术的使用使得该标准能够快速应用于所讨论的用例。

凭借产品开发、多供应商演示和互操作性研讨会的经验，OPC 数据访问规范的第二版于 1998 年推出。基于此版本，大量产品实施了该标准。OPC 数据访问第二版仍然是 OPC 产品最重要的接口。

如今，SCADA 和 HMI 系统、过程管理和分布式控制系统 (DCS)、基于 PC 的控制系统和制造执行系统(MES)必须支持 OPC 接口。OPC 是唯一一个被普遍接受的标准，它能够在制造业和过程工业的不同工业自动化系统之间交换数据。

经过 12 年的发展，OPC 基金会拥有超过 450 名成员，包括全球所有相关的自动化系统供应商。图 1.1{reference-type=“ref” reference=“fig-1-1”} 显示了按会员等级和地区分类的 OPC 基金会会员人口统计。会员等级基于企业会员的销售量，以及最终用户和无投票权会员（如大学或其他组织）的等级。OPC 基金会由会员选举产生的董事会管理。董事会又任命基金会的官员和 OPC 首席架构师。已经成立了营销委员会、技术咨询委员会和各种工作组。

OPC 基金会会员人口统计{#fig-1-1 width=“0.8\linewidth”}

OPC 基金会在其产品目录中列出了 1,500 多种基于 OPC 的产品，这些产品仅包含来自 OPC 成员的产品。整个 OPC 市场有超过 2,500 家供应商，提供超过 15,000 种支持 OPC 的产品。

这一巨大成功需要验证机制来确保所有 OPC 产品都能相互操作并确保一定的质量水平。因此，除了制定新标准外，OPC 合规计划也是 OPC 基金会工作组的主要关注点。

OPC 合规计划定义了两个认证级别。第一级结合了自我认证和互操作性研讨会。OPC 基金会为所有相关 OPC 标准提供合规性测试工具。这些工具用于测试，加密结果将发送到 OPC 基金会。这些测试工具涵盖接口级别的功能测试。互操作性研讨会每年在欧洲、北美和日本举行，不同的供应商可以在此测试其 OPC 产品的互操作性。通过自我认证的产品可以使用自测徽标来表明其基本符合 OPC 合规性。

第二级是独立认证测试实验室的产品认证。经认可的第三方测试实验室正在验证 OPC 产品，测试范围更广。除了合规性测试工具执行的基本功能测试外，测试实验室还运行行为测试、负载和压力测试、互操作性测试以及环境和可用性测试。对于通过第三方认证的产品，OPC 认证徽标表示其质量和 OPC 合规性水平很高。

鼓励最终用户只购买经过 OPC 合规性测试的产品，以减少互操作性问题并确保其基于 OPC 的解决方案的可靠性和性能。

经典 OPC #

近年来，OPC 基金会定义了许多软件接口，以标准化从过程级到管理级的信息流。主要用例是工业自动化应用（如 HMI 和 SCADA 系统）的接口，用于使用来自设备的当前数据并为管理应用程序提供当前和历史数据和事件。

根据工业应用中的不同要求，已经开发了三种主要的 OPC 规范：数据访问 (DA)、警报和事件 (A&E) 和历史数据访问 (HDA)。DA 规范中描述了对当前过程数据的访问，A&E 描述了基于事件的信息的接口，包括过程警报的确认，HDA 描述了访问存档数据的功能。所有接口都提供了一种浏览地址空间并提供有关可用数据的信息的方法。

OPC 使用客户端-服务器方法进行信息交换。 OPC 服务器封装了过程信息源（如设备）并通过其接口提供信息。OPC 客户端连接到 OPC 服务器，可以访问和使用提供的数据。使用和提供数据的应用程序可以是客户端，也可以是服务器。图 1.2{reference-type=“ref” reference=“fig-1-2”} 显示了 OPC 客户端和服务器的典型用例。

OPC 客户端和服务器的典型用例{#fig-1-2 width=“0.8\linewidth”}

经典的 OPC 接口基于 Microsoft 的 COM 和 DCOM 技术。

这种方法的优点是将规范工作简化为针对不同专业需求定义不同的 API，而无需定义网络协议或进程间通信机制。COM 和 DCOM 为客户端提供了一种透明的机制，可以调用在同一进程、另一个进程或另一个网络节点中运行的服务器中的 COM 对象上的方法。使用这种适用于所有基于 PC 的 Windows 操作系统的技术可以缩短规范和产品的开发时间以及 OPC 的上市时间。这一优势对于 OPC 的成功至关重要。

两个主要缺点是 OPC 依赖于 Windows 平台以及使用 OPC 进行远程通信时出现的 DCOM 问题。DCOM 难以配置，超时时间非常长且不可配置，不能用于互联网通信。

OPC 数据访问 #

OPC 数据访问接口可以读取、写入和监控包含当前过程数据的变量。主要用例是将实时数据从 PLC、DCS 和其他控制设备移动到 HMI 和其他显示客户端。OPC DA 是最重要的 OPC 接口。目前，99% 使用 OPC 技术的产品都实现了它。除了 DA 之外，还实现了其他 OPC 接口。

OPC DA 客户端明确选择它们想要在服务器中读取、写入或监控的变量（OPC 项）。OPC 客户端通过创建 OPCServer 对象建立与服务器的连接。服务器对象提供方法来浏览地址空间层次结构以查找项及其属性（如数据类型和访问权限）。

为了访问数据，客户端将具有相同设置（例如更新时间）的 OPC 项分组到 OPCGroup 对象中。图 1.3{reference-type=“ref” reference=“fig-1-3”} 显示了 OPC 客户端在服务器中创建的不同对象。

OPC 客户端创建的对象，用于访问数据{#fig-1-3 width=“0.8\linewidth”}

当项目添加到组中时，客户端可以读取或写入项目。但是，客户端循环读取数据的首选方式是监视服务器中的值变化。客户端定义包含感兴趣项目的组的更新率。服务器使用更新率循环检查值的变化。每个周期后，服务器仅将更改的值发送到客户端。

OPC 提供实时数据，这些数据可能无法永久访问，例如，当与设备的通信暂时中断时。经典 OPC 技术通过为交付的数据提供时间戳和质量来处理此问题。质量指定数据是准确（好）、不可用（坏）还是未知（不确定）。

OPC 警报和事件 #

OPC A&E 接口允许接收事件通知和警报通知。事件是通知客户端事件发生的单个通知。警报是通知客户端过程中条件变化的通知。这种条件可以是储罐的液位。在此示例中，当超过最大水平或低于最小水平时，可能会发生条件变化。许多警报都要求必须确认警报。此确认也可通过 OPC A&E 接口进行。

因此，OPC A&E 提供了一个灵活的接口，用于传输来自不同事件源的过程警报和事件。

要接收通知，OPC A&E 客户端连接到服务器，订阅通知，然后接收服务器中触发的所有通知。为了限制通知数量，OPC 客户端可以指定某些过滤条件。

OPC 客户端通过在第一步中在 A&E 服务器中创建 OPCEventServer 对象，并在第二步中生成用于接收事件消息的 OPCEventSubscription 来进行连接。可以为每个订阅单独配置这些事件消息的过滤器。图 1.4{reference-type=“ref” reference=“fig-1-4”} 显示了 OPC 客户端在服务器中创建的不同对象。

OPC 客户端创建的对象用于接收事件{#fig-1-4 width=“0.8\linewidth”}

与 OPC DA 相比，没有明确请求特定信息（如读取值）；但是，所有过程事件都已提供，客户端可以通过设置某些过滤条件（例如按事件类型、优先级或事件源进行过滤）来限制事件的数量。

OPC 历史数据访问 #

OPC 数据访问允许访问实时、不断变化的数据，而 OPC 历史数据访问则允许访问已存储的数据。从简单的串行数据记录系统到复杂的 SCADA 系统，都可以以统一的方式检索历史档案。

OPC 客户端通过在 HDA 服务器中创建 OPCHDAServer 对象进行连接。此对象提供读取和更新历史数据的所有接口和方法。第二个对象 OPCHDABrowser 被定义为浏览 HDA 服务器的地址空间。

主要功能是以三种不同的方式读取历史数据。第一种机制从档案中读取原始数据，其中客户端定义一个或多个变量以及他想要读取的时间域。服务器返回指定时间范围内存档的所有值，直至达到客户端定义的最大值数。第二种机制读取指定时间戳的一个或多个变量的值。第三种读取机制根据历史数据库中指定时间域的数据计算一个或多个变量的聚合值。值始终包括相关的质量和时间戳。

除了读取方法之外，OPC HAD 还定义了在历史数据库中插入、替换和删除数据的方法。

其他 OPC 接口标准 #

OPC 指定了几个附加标准作为基本规范或满足特殊需求。基本规范是 OPC 概述和 OPC 通用，它们定义了所有基于 COM 的 OPC 规范所共有的接口和行为。图 1.5{reference-type=“ref” reference=“fig-1-5”} 概述了所有经典 OPC 规范。

经典OPC接口标准{#fig-1-5 width=“0.8\linewidth”}

OPC 安全指定如何控制客户端对服务器的访问，以保护敏感信息并防止未经授权修改过程参数。

OPC 复杂数据、OPC 批处理和 OPC 数据交换 (DX) 是 OPC DA 的扩展。复杂数据定义如何描述和传输具有复杂结构化数据类型的值。OPC DX 通过定义客户端行为和服务器内部客户端的配置接口来指定数据访问服务器之间的数据交换。OPC 批处理扩展了 DA，以满足批处理的特殊需求。它提供了与 S88.01 物理模型 [ISA88] 和当前操作条件相对应的设备能力交换接口。

OPC 命令定义了通过 OPC 调用方法或执行程序的机制。该规范从未发布，因为它是在 OPC UA 启动后完成的。但其内容和功能已完全纳入 UA。

OPC XML-DA #

OPC XML-DA 是第一个独立于平台的 OPC 规范，它用 HTTP/SOAP 和 Web 服务技术取代了 COM/DCOM。因此，引入了与供应商和平台无关的通信基础架构，并保留了 OPC 数据访问的广泛接受的功能。

由于典型的 Web 服务是无状态的，因此功能被简化为交换 OPC 数据访问信息的最小方法集，而无需创建和修改通信上下文的方法。只需要八种方法即可涵盖 OPC 数据访问的主要功能。

这八种服务如下：

  • GetStatus 用于验证服务器状态

  • Read 用于读取一个或多个项目值

  • Write 用于写入一个或多个项目值

  • Browse 和 GetProperties 用于获取有关可用项目的信息

  • Subscription 用于为项目列表创建订阅

  • SubscriptionPolledRefresh 用于交换订阅的更改值

  • SubscriptionCancel 用于删除订阅。

OPC XML-DA 专为互联网访问和企业集成而设计。但基于其平台无关性，它主要在嵌入式系统和非微软平台上实现，但由于其资源消耗大、性能受限，在该类应用中并未取得预期的成功。

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