OPC技术在油田联合站集散控制系统中的应用

[摘 要]：本文详细介绍了OPC技术原理以及OPC月服务器的直接开发和快速开发的两种开发方式，并给出了OPC技术在该油田联合站集散控制系统的具体应用。

关键词：OPC技术PROFIBUS-PA／现场总现 集散控制系统 接口

1 引言

    油田内有大量的采油井场，是油田的抽油井所在地。由于油井的地理位置分散且分布区域广，而且离油田联合站的中心控制室较远，但又需要监视每口油井的监控抽油机载荷、电潜泵井及螺杆泵井电机电流、功率因数，以及井口压力、井口温度、井底流压、井底温度等参数。如果采用原来的油田联合站集散控制系统不但达不到控制分散、控制功能下移等要求，而且还必须选择符合该集散控制系统通信要求的控制器、变送器等现场设备。所以对油井参数的监控采用PROFIBUS-PA现场总线控制系统，并将它集成于原来的油田联合站集散控制系统的LCN（Local Control Network）网层。
    另外，还需要将油田联合站集散控制系统的信息传递到生产管理信息系统供它们决策分析，同时需要将分析的结果和管理信息传送到集散控制系统中，从而实现对生产过程的管理。这就要求将油田联合站集散控制系统与上层管理信息系统连接起来。由于它们之间的通信协议不同，很难方便地相互通信，而采用OPC（OLE For Process Control）技术就可以方便地集成。

2 OPC技术

2.1 OPC技术原理
    OPC是一种基于微软OLE（对象链接与嵌入）、COM（组建对象模型）和DCOM（分布式组建对象模型）组件在过程控制中的应用技术。利用OPC技术可以实现控制系统的现场设备层、过程管理层以及信息层之间的无缝集成。
    OPC是一个开放的技术规范，它制定了过程客户应用程序和服务器应用程序之间进行交互的软件接口标准。通过该接口可以实现OPC客户与OPC服务器之间即插即用的链接关系，而不依赖软件和设备的特定属性。OPC服务器不关心具体客户的实现，而由OPC客户决定与OPC服务器的断开和连接，只要客户符合OPC规范就可以和OPC服务器连接。
    OPC客户和OPC服务器之间进行数据交互：主要有同步和异步两种方式。同步方式实现较简单，即客户端先向服务器端发出读/写请求，然后等待服务器返回“完成信息”。它适用于客户数量较少而且同服务器交互也较少的场合。
    异步方式的实现较为复杂，即客户端向服务器发出读/写请求，服务器在接受请求后向客户端返回一个应答表明请求已被接受，当服务器真正完成读/写操作后，它就通过客户端的IOPCDataCalllback接口返回回调信息。它适用于大量客户和交互较多的场合。

2.2 OPC服务器的开发方式
    OPC是以微软的COM/DCOM技术为基础的，因此OPC服务器开发人员必须熟悉COM/DCOM技术、OPC服务器的相应规范以及支持COM/DCOM的计算机语言（如Visual C++、Visual Basic、Borland C++Builder等）。O0PC服务器的开发方式有直接开发和利用快速开发工具开发。
    直接开发就是根据OPC基金会提供的OPC规范进行开发，它所采用的工具一般是VC++6.0中的ATL（活动模板库）或MFC（微软基础类），ATL是开发COM/DCOM组件的专用工具，因此利用ATL开发OPC服务器具有一定的优势。直接开发要求开发人员还必须熟悉COM/DCOM的知识和了解OPC规范的细节，开发难度大，周期长，但开发灵活，可以根据具体的需要来实现相应的功能。利用快速工具开发是利用软件开发商提供的软件包进行开发，软件包将服务器的对象与接口进行封装，能提高开发的质量和速度，而且开发人员不需要掌握COM／DCOM知识和了解OPC规范的具体细节，因此开发难度不大，但是开发具有一定的限制功能，而且软件包的价格也比较昂贵。

3 0PC技术在油田联合站集散控制系统中的具体应用

3.1现场总线PROFIBUS-PA与油田联合站集散控制

    系统的集成

    现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，从而使以现场总线为基础的现场总线控制系统FCS在开放性、互操作性和控制分散性等诸多方面优于传统的DCS。由于油田联合站中的集散控制系统已经投入运行，而且DCS技术成熟，因此对于油田联合站中离中心控制室较远且比较分散的油井参数的测量与控制，采用现场总线和符合该总线协议的智能仪表变送器来完成，这样可以节约大量电缆、桥架和连接件。同时现场总线不仅为现场设备传送数字信号，还可以为总线亡的现场仪表提供电源，满足了现场本质安全防爆的要求。因此考虑在油田联合站集散控制系统的基础上对其进行改造，即将现场总线控制系统FCS集成于该集散控制系统的局部控制网LCN层。
由于该油田联合站位于沙漠地带、气候恶劣、温差较大，所以选用适合过程控制而又具有本质安全性的PROFIBUS-PA现场总线。它保证了数据和电源在同一总线上传输，而所有连接到PROFIBUS-PA上的现场设备都必须是支持PROFIBUS-PA协议的智能设备。改造后的油田联合站集散控制系统的结构配置如图1所示。

    改造后的油田联合站的集散控制系统主要由过程控制管理站PM（Process Manager）、通用操作站US（Universal Station）、数据传输网络和网络接口模块NIM（Network Interface Module）等组成。其数据传输网络主要由3大通信网络组成：局部控制网LCN（Local Control Network），通用控制网UCN（Universal Control Network）和现场总线控制网。每种网上挂有不同功能的模件，实现了分散控制集中管理。其中局部控制网LCN是该集散控制系统的主干网，通用控制网UCN和现场总线控制网分别通过网络接口模块NIM和现场总线接口卡与局部控制网LCN相连。
   
3.2 OPC技术在油田联合站集散控制系统中的应用
    由于OPC技术可以使控制系统方便地集成，而在油田联合站集散控制系统中需要将现场总线PROFI－BUS－PA集成在该集散控制系统的局部控制网LCN上，还需要将该集散控制系统的信息传递给生产信息管理系统供其分析决策，然后再将管理决策信息传达到该集散控制系统。所以需要利用OPC技术实现现场总线PROFIBUS－PA与油田联合站集散控制系统的集成，以及油田联合站集散控制系统与生产信息管理系统的集成。OPC技术在油田联合站集散控制系统中的具体应用如图2所示。

    现场总线PROFIBUS-PA采用的协议为IEC61158-2，它是通过PA／DP耦合器将其协议转换为符合PROFIBUS-DP的RS485总线协议的，但是局部控制网所采用的协议为IEEES02.4令牌总线协议，因此需完成RS485总线协议和IEEE802.4令牌总线协议之间的转换。该转换是通过现场总线接口卡和针对该接口卡开发的OPC服务器以及支持OPC接口的客户软件（如支持OPC的组态软件）来实现的。它可将现场总线PROFIBUS-PA控制层的信息通过现场总线接口卡传送到该接口卡的OPC服务器中，再由局部控制网层的操作站（必须安装支持OPC接口的客户软件）以OPC客户/服务器的模式对此OPC服务器进行信息读／写，从而实现现场总线PROFIBUS-PA与局部控制网层之间的集成。
油田联合站集散控制系统是通过其局部控制网层和生产信息管理系统集成的，而生产信息管理系统所采用的网络为以太网，其协议为符合IEEE802.3的TCP/IP协议。因此需要完成局部控制网层协议与生产信息管理系统协议之间的转换。该转换是通过工厂链接网络模块PLNM（Plant Link Net Model）和针对该模块开发的OPC服务器以及支持OPC接口的客户程序实现的。将油田联合站集散控制中的信息通过PLNM传送到该模块的OPC服务器中，再由支持OPC接口的生产信息管理站点（作为OPC客户）对该OPC服务器进行信息读/写操作，于是实现了油田联合站集散控制系统与生产信息管理系统的集成。

    由于要完成现场总线PROFIBUS-PA与油田联合站集散控制系统的集成以及油田联合站集散控制系统与生产信息管理系统的集成，所以必须进行现场总线接口卡的OPC服务器的开发和PLNM的OPC服务器的开发。目前，它们的开发主要由相应的厂商来完成，也可以由用户利用快速开发工具进行开发。

4 结束语

    随着现场总线技术、现场总线仪表和OPC技术的发展，集散控制系统可以更方便地向下与现场总线控制系统集成、向上与生产管理信息系统集成，最终实现企业管控一体化的目标。虽然一些硬件厂商、DCS厂商提供了OPC技术的支持，但是OPC技术在过程控制应用中仍有极大的潜力。
目前，OPC基金会已成功发布了OPC数据存取规范3.0、OPC报警和事件规范1.10、OPC历史数据存取规范1.10、OPC批量数据存取规范2.0等，还需分别针对这些规范开发相应的OPC客户和服务器，从而使报警和事件消息、历史数据和批量数据等方便地在集成的控制系统中传递。OPC技术的出现和发展对控制系统产生了巨大的影响，因此跟踪和把握这项技术是使集散控制系统具有开放性和互操作性的保障。