OPC技术在能源网与PLC系统数据通信中的应用

摘 要：本文介绍了企业能源网系统对PLC/DCS工控系统进行数据读取的方案设计，利用OPC接口技术，通过编写OPC客户端程序读取OPC Server的数据。 关键词：OPC；能源网；PLC；数据采集 OPC Technique Application In Data Communications Between The Energy -Net and PLC System Du Dewen Li Yinyan (Laiwu Iron and Steel Co., Ltd., Laiwu 271104, China) Abstract: The schematic design of enterprise Energy-Net system reading data from PLC/DCS system are introduced,using the programmed OPC client to read the data in OPCServer by OPC interface technique. Key words: OPC；Energy-Net；PLC；data acquisition 1 前 言 目前，许多企业建立起了能源计量信息网络系统（通常简称能源网或能源网系统）。随着技术发展和生产经营管理需求，越来越多的数据需要进入能源网以满足管理的不同需求，不仅仅是传统的二次表，还包括了工业控制系统PLC、DCS等。能源网一般采用企业局骨干网或专网进行数据传输，属于管理网，而PLC/DCS工控系统都是生产工艺的小范围专网，属于控制网，安全要求很高。管理网要从控制网上实时地获取工艺生产过程数据，二者进行数据通信需要解决两个问题：一是数据接口；二是系统安全。 为实现能源计量网络系统对PLC系统数据的采集，优化网络系统联网结构，减少二次计量仪表环节的设置，利用OPC数据接口技术开发了能源网与PLC的数据传输系统。 2 OPC简介 由于控制网上的PLC/DCS通常来自不同的厂商，相互之间的通讯非常复杂，为有效、可靠、实时和高速地从控制网中获取能源网所需要的各种实时数据，采用OPC接口就是比较理想的选择。 OPC（OLE for Process Control）是Microsoft公司的对象链接和嵌入OLE/COM技术在过程控制方面的应用，为工业控制领域提供了标准的数据访问机制。OPC的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。OPC采用客户/服务器结构，提供了两套接口方案，分别为COM接口和OLE自动化接口。如图1所示。 图1 OPC接口方案示意图（OPC interface schematic sketch map） OPC数据存取规范规定的基本对象有三类:服务器(server)、组(group)和数据项(item)。一个服务器对应于一个OPC server，即一种设备的驱动程序。OPC把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以OPC服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，完成了系统的集成，提高了系统的开放性和可互操作性。 OPC技术扩展了硬件设备的概念，OPC技术为控制网与管理网之间的互联，以及上层应用软件和控制设备之间的数据通讯提供了极大的方便。只要遵循OPC规范，管理网即可随时通过OPC接口来获取工艺生产过程数据。 3 技术方案 3.1 能源网概况 莱钢已经建起覆盖企业所有生产区域包括水、电、气的能源网系统，在能源管理、生产管理、计量管理等多个管理专业发挥着重要作用。为满足管理部门对部分工艺参数的需求，进行了能源网系统对PLC/DCS工控系统数据读取的方案设计和实施。 能源网采用的是SQL Server数据库，现场PLC设备选用的主要型号有西门子、施奈德等，DCS系统主要型号有和利时、中控、威盛等，组态软件有Wincc、Intouch、iFix等。现场的监控工作站都提供有遵守OPC规范的数据接口，这就为数据链接和程序编制提供了基础。 本系统基于现有的能源计量信息网络系统，利用OPC标准，将现场PLC数据通过局域网联入能源网。系统通讯媒介主要是通过局域网光纤和五类双绞线（TCP/IP协议），速度快，质量好。系统的数据通道主要包括现场测量点、PLC和监控站、网络防火墙、数据库服务器、用户客户端。网络结构示意图如图2。 图2 PLC联入能源网结构示意图 （Energy-Net joined with PLC structural representation） 3.2 实施与调试 首先要保证PLC系统所在的值班室已经具备接入局域网的条件，然后将防火墙分别接入PLC系统的交换机（内网）和局域网的交换机（外网），并给防火墙分别定义两个网段的对应IP地址。为安全需要，防火墙要设为单向数据传输，只能读取PLC工作站数据，禁止写操作。数据通道连通后，安装能源网PLC程序并选定相应参数即可上传数据。 在新区、新二区两座煤气加压站分别对施奈德和西门子两套工控PLC系统进行了数据读取，在外部工程中对浙江中控、和利时、浙江威盛等DCS系统进行了数据读取，运行一年多来稳定可靠。 实现路线：在安装有OPC Server软件的数据采集监控站上，通过安装OPC Client程序实现二者之间的数据通信。这样，能源网系统的实时数据库即可通过OPC协议与OPC Server端建立连接，从而采集到现场工控系统中的实时数据。 为保证工控系统安全，加防火墙隔离。 软硬件配置：现有监控站（双以太网卡）+OPC Client，操作系统为Windows 2000或Windows XP。 下面以新二区西门子PLC的实例进行说明。其他PLC、DCS的原理类似，在此不一一详述。 首先敷设光纤线路，将PLC系统控制室内引入企业的能源网络（企业骨干网或能源网专网），比如来自IP地址172.16.168.1网关。 为保证工控系统安全，能源网和控制网之间需要加硬件防火墙进行隔离，能源网作为外网，控制网作为内网。防火墙外网通过能源网所属的交换机接入骨干网或专网，防火墙内网通过PLC系统的交换机联入控制网。 所用的这台防火墙出厂默认的IP地址、掩码、网关为192.168.1.1/255.255.255.0/192.168.1.99。防火墙外网IP地址、子网掩码、网关可根据现场实际设定，比如设为172.16.168.253/255.255.255.0/172.16.168.1。 新二区煤气加压站西门子PLC工控系统使用的IP地址共4个（2个PLC、2个监控站），分别为：140.80.10.1/255.255.255.0－140.80.10.4/255.255.255.0（IP/掩码）。防火墙的内网IP地址可根据此设定为140.80.10.99/255.255.255.0。试试和防火墙通不通：可运行“https：//140.80.10.99”。 限制访问的设定：Firewall--Policy --TCP/IP（只允许TCP/IP协议传输）。数据单方向传输也可以设定，设定只能由能源网对控制网进行数据读取，禁止进行数据写入。 选择工控系统具有OPCServer服务的一台监控站（操作员站或工程师站都可以），安装编写好的能源网OPC数据采集客户端程序，比如安装在140.80.10.4的微机上，再根据能源网系统要求进行相应设定即可，比如设定为能源网系统20＃采集站，选择opcserver.wincc，设定上传服务器IP地址，数据就可以实时传入能源网SQLServer数据库。因为由防火墙代理访问外网（企业能源网），此监控站需要设置网关为140.80.10.99。 工控系统设备厂家目前一般都配置了OPCServer，早期版本可能会缺少OPCServer配置，需要升级系统或另外购买此项软件，象浙江中控等。 3.3 系统功能与特点 3.3.1 主要功能 3.3.1.1数据采集与监控功能 现场各个测量点的测量数据、状态数据首先进入PLC系统，监控工作站通过PLC系统的工控网络进行数据共享，然后通过此网络（防火墙内网）连接网络防火墙，网络防火墙通过统一分配的局域网地址（防火墙外网）向能源网服务器上传数据。为确保现场工控系统安全，此数据传输方向设置为单向上传，不允许对下位机进行写入操作。 采集方式：数据周期性自动采集，时间周期可设定，实时性很高。数据周期性向服务器上传，时间周期也可设定，同样实时性很高。 监控功能：能够实时监控PLC相应数据。 3.3.1.2数据处理与存储功能享 首先完成数据的常规处理，将当前数据存入能源网数据库，对异常数据给出相应的告警信息，并将告警内容存入数据库。 能源网本身开发了许多功能，在采集到的原始数据的基础上，进行计量、统计、生产状态、历时趋势等分析。系统提供EXCEL风格的报表工具，具有EXCEL的全部功能，使用方便。 3.3.1.3数据共享功能 系统提供两种数据访问方式：基于Web-Server的查询方式和管理层客户端访问。前者直接通过局域网和网页地址进行访问，简便快捷。后者需要安装管理层客户端软件，并予以权限许可，就可以进行方便快捷的实时数据浏览，根据权限不同还可以进行相应数据管理。可以调出各种图形、统计分析报表、计量统计数据等，形式灵活多样，方便查询。 3.3.2 主要特点 3.3.2.1联网方便 系统支持各种遵守OPC规范的工控软件和工控设备，通过外置程序安装，即可将数据联入指定数据库服务器。 3.3.2.2数据易共享 现场PLC工控数据进入能源网系统后，可以在全公司范围内通过局域网广泛调用进行监控。能源网在公司领导、生产、技术、计量等管理部门广泛应用，PLC数据首次进入大范围管理网络，给各管理部门带来更大便利和管理依据。 3.3.2.3安全可靠性 通过硬件防火墙进行网络隔离，内网、外网采用不同的网段，设定数据单项上传，确保下位机安全运行。 3.3.2.4软件系统 采用VC等工具自开发数据采集上传软件（采集层）和数据监控客户端软件（管理层），功能全面，使用方便，运行稳定。并且与原有能源计量管理系统有机融为一体，实现计量系统软件一体化开发，具有广泛的适用性。 3.3.2.5实时性 服务器采用SQL Server数据库，能实时处理和监测大流量数据，速度快、实时性好。 3.4 应用效果 通过OPC技术实现了对现场PLC/ DCS系统的数据采集，企业与生产有关的绝大部分数据都可以进入能源网数据库，企业管理层可以实时地获取现场各类重要数据（压力、温度、流量、报警量、阀门开关等<