大型火电机组DCS系统OPC接口设计与实施中应注意的三点问题

【摘要】针对大型火电燃煤机组分散控制系统（Distributed Control Systems，简称DCS）在设计和实施过程中，其OPC接口部分容易忽视的若干问题。在对OPC技术及其在工业控制领域的应用情况介绍的基础上，通过对某电厂700MW单台机组DCS系统OPC接口建设经验的分析，从服务端架构、可用服务上限、接口点表形成等方面，指出大型火电机组DCS控制系统设计与实施时，应该注意的可能影响向第三方提供机组运行参数的OPC接口服务可靠性的三点问题，并给出应对策略。

【关键词】火电;分布式控制系统;厂级监控系统;数据采集;接口

1.引言

目前，国内发电机组DCS（Distributed Control System，分布式控制系统）的OPC（OLE for Process Control，用于过程控制的OLE）接口主要应用于向SIS（supervisory information system for plant level，厂级监控信息系统）提供实时数据采集服务。OPC接口作为DCS系统与外界数据通信的接口，在设计与实施中往往仅限于能够实现通信，而忽略了第三方对数据的需求量及服务性能。本文以国内某700MW单台机组全套DCS改造重建后，SIS通过DCS配套的OPC接口采集机组实时数据时调试过程中遇到几个问题为引，论述在DCS设计实施中OPC Server应该考虑的三点问题及应对策略。

2.OPC技术介绍

2.1 OPC 概述

OPC全称是OLE for Process Control，直译为过程控制中的对象连接嵌入技术。OPC标准是以Microsoft OLE/DCOM机制为基础根据易于扩展性而设计的一个标准化工业通讯接口。它规范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统一的方式去访问，从而保证软件对客户的透明性;使得不同厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化，使其间的数据交换更加简单化。

OPC实质上是将微软的Active X（控件）、COM （部件对象模型）和DCOM （分布式部件对象模型）技术应用于过程控制领域。也就是说在过程控制系统中，硬件服务商或软件提供者提供的数据源，在设计数据接口方面就采用了微软的OLE技术，并提供相应的控件、动态链接库，即支持OPC接口技术;当监控系统需要与数据源进行数据交换时，其开发的基于Windows的应用程序仅需将数据源提供的控件引入或者遵循OLE技术，就可以与数据源进行通讯，而无需开发数据源硬件驱动或与服务商软件通讯接口，在应用程序和现场过程控制之间建立了桥梁，相互之间进行数据交换更加方便、灵活。

2.2 OPC的应用

OPC作为自动化控制系统之间接口通讯的标准协议与规范，在工业控制领域主要应用于：

1）数据采集技术。OPC技术在数据采集软件中广泛应用。现在众多硬件厂商提供的产品均带有标准的OPC接口，OPC实现了应用程序和工业控制设备之间高效、灵活的数据读写，可以编制符合标准OPC接口的客户端应用软件完成数据的采集任务。

2）历史数据访问。OPC提供了读取存储在过程数据存档文件、数据库或远程终端设备中的历史数据以及对其操作、编辑的方法。

3）报警和事件处理。OPC提供了OPC服务器发生异常时，以及OPC服务器设定事件到来时向OPC客户发送通知的一种机制，通过使用OPC技术，能够更好的捕捉控制过程中的各种报警和事件并给予相应的处理。

4）数据冗余技术。工控软件开发中，冗余技术是一项最为重要的技术，它是系统长期稳定工作的保障。OPC技术的使用可以更加方便的实现软件冗余，而且具有较好的开放性和可互操作性。

5）远程数据访问。借助Microsoft的DCOM（分散式组件对象模型）技术，OPC实现了高性能的远程数据访问能力，从而使得工业控制软件之间的数据交换更加方便。

2.3 OPC在SIS数据采集中的应用

目前，在国内发电企业DCS中，OPC技术主要应用在向SIS系统提供机组测点实时数据的数据接口中。SIS系统通过DCS配套的OPC接口可以方便的进行远程采集DCS中机组测点的实时数据，从而在机组实时数据的基础上进行SIS系统的应用开发和数据分析。

数据采集较为常见的典型网络结构是，将数据采集程序与OPC Server分别部署在不同的计算机上，利用OPC的DCOM属性实现数据采集程序与OPC Server之间基于网络的分布式通讯（接口架构如图1-1所示），实现将DCS测点数据实时采集到SIS实时数据库，作为SIS应用开发的基础数据。

图1 OPC接口架构

3.DCS设计与实施中OPC配置应注意的问题

在电厂的过程控制领域中，发电机组DCS的OPC接口主要应用于SIS实时数据采集方面，而大型火电机组则有着现场测点数量大，控制信号多等特点，这就意味着SIS通过OPC接口采集DCS数据除了要保证时效性，还要考虑实时数据测点数量较大等因素。由此而产生的需要注意的问题主要有：

3.1 OPC Server冗余架构

SIS系统通过OPC接口采集DCS实时数据，保存在自己的实时数据中。用于实时显示、过程回放、历史趋势等应用的开发。这些应用对数据时效性、连续性都有着很高的要求，单节点的OPC Server在使用过程中，存在着一定的安全隐患。为避免单节点故障造成数据采集的中断及不连续，在OPC接口设计时应考虑实现双机冗余架构，OPC Client采集程序周期性判断Server 节点状态，若出现故障即切换至另一个节点访问，以充分保证实时数据采集的连续性和数据完整性。

3.2 OPC Server服务点数上限

在使用OPC接口进行数据通讯时需要注意一些OPC Server的特殊限制，不同厂商可能有所不同，基本可概括为：

1）对可以连接客户端数有限制;

2）对每组包含的数据项数有限制;

3）对最多可访问的数据项数有限制。

这些限制，一方面是出于购买授权许可的考虑;另一方面是因为系统设计原因，考虑到实时数据遍历时对系统资源的消耗，为保证系统本身稳定运行而做出的限制。

其中前两项基本上对SIS数据采集影响较小，SIS采集对OPC Client数量的需求在1～2个，常见DCS的都支持;而对每组包含的数据项就更不是问题，限制的小就多建几个组，限制的大就少建几个组;对SIS数据采集影响最大的应该是第三条“最多可访问数据项数的限制”。

比如，某700MW的火电机组DCS所有数据点的总数在45000左右，不考虑系统内部点，只计算输出在控制画面上显示实际参数和设备状态的AI、DI及报警点，数量也在10000左右。如果实时数据仅作为实现实时画面显示，那至少需要10000个点;如果需要采集DCS所有的数据点到SIS数据库，那么OPC接口就至少需要提供多于45000的上限总数，才能满足数据采集的需要。如果接口可供访问数据项的上限低于应用需要采集的数据点数量，那势必会形成数据采集的瓶颈，影响数据采集的可靠性。

需要注意的是，OPC接口配置的设计往往在DCS设计阶段就定型了，尤其对出于系统性能考虑而限制接口上限数量的，应该在设计初期就提出具体要求，通过接口最多可访问的数据项数上限，理论上不少于DCS总点数是最佳方案。因为这样，在OPC Server上就一次性把所有测点全部添加进去。SIS采集使用的OPC Client不一定全部使用，但可根据应用需要自主方便的在客户端按需进行访问，后续新增采集点也只需要在客户端增加需要采集的点名，OPC Server上则不用再做配置。而实际上大多数厂商出于不同的原因，都对OPC接口数据项的上限配置得没有那么充裕，那么至少也要满足包括：

（1）组态画面上显示用到的实时参数、设备状态的AI、DI及报警点;

（2）现场所有物理测点的输入DCS的AI、DI数据点;

这两部分是存在交集的，有一部分是重复的，比如主蒸汽温度现场测点的实时数据肯定在图形画面上有显示。为尽可能的在SIS中完美展现与控制系统组态画面高度一致的效果，及基于SIS所采集到的实时数据进行设备可靠性、状态检测、性能计算、能耗分析等应用开发的需要，OPC接口数据项的上限配置在以上两部分点数总和之上为宜。

3.3 OPC接口点表形成

DCS的OPC接口提供的数据项服务一般都是以测点在DCS中的PID.NO作为数据访问的接口参数，工作模式可以概括为：运行在OPC Client上的SIS采集程序向OPC Server传递所需采集数据的测点PID.NO，OPC Server根据接收到的PID.NO向Client 采集程序提供测点的实时数据。按照DCS OPC接口的这种工作模式，在OPC Server上配置可供访问的数据点外，OPC Client还需知道这些点的PID.NO，测点的PID.NO、type（类型）、unit（单位）、description（描述）、HighLimit（高限）、LowLimit（底限）等属性形成的列表就称之为点表。此点表的PID.NO主要作为SIS采集程序通过OPC接口访问DCS实时数据使用，其它属性是作为实时数据库建点的基础数据。

无论Server端是一次性配置所有DCS系统点的服务，还是只根据Client应用需要配置一定数量的点服务，那么OPC Server都将存在一个可供OPC Client访问的服务数据点表，以此点表为基础，可以快捷准确地配置OPC Client采集程序需要的点信息，以及在SIS实时数据库建立数据点接收实时数据和保存历史数据。

最佳的思路是OPC Server具备直接导出在其上已经添加的服务数据点表，可以有效避免因为手工操作而造成的个别误差。如果OPC Server配置软件不支持直接导出，那就应该在添加服务数据点的过程中，手工整理出来。以免造成Client不清楚到底Server上有哪些点可以访问的情况，避免SIS实时数据库存在一些不在Server列表中、采集不到实时数据的空点，给接口维护埋下诸多隐患和不便;易于达到从OPC接口到SIS实时数据库一一对应的清晰效果，便于接口数据的异常问题定位及后续加点等维护工作的开展。

4.结束语

SIS系统的应用开发是以其所采集到的DCS系统实时数据为基础的，这对DCS数据的时效性、完整性和连接性有着较高要求。因此，在发电机组DCS系统OPC接口主要被应用在SIS系统的实时数据采集时，二者的数据接口就成为保证SIS系统建设的关键所在，故在DCS设计和实施过程中，应充分考虑SIS系统建设对实时数据在完整性、时效性、连续性等方面的需求，着重考虑OPC Server冗余架构、服务数据项上限的设计，以及接口服务点清单的形成;从OPC Client数据使用者角度来说，这三点问题的解决，可以充分保证OPC应用于SIS系统建设时，发电机组DCS系统安全稳定运行和SIS系统采集实时数据的性能要求。

参考文献

[1]陆会明，朱耀春等.控制装置标准化通信――OPC服务器开发设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2010.

Lu Huiming，Zhu Yaochun，etc.The Standard Communication of Control Device――The Development，Design and Application of OPC Server[M].Beijing： Machinery Industry Press.

[2]（德）马科 等著，马国华 译.OPC统一架构[M].北京：机械工业出版社，2012.

（Germany）Wolfgang Mahnke，etc.OPC Unified Arehitecture[M].Beijing： Machinery Industry Press，2012.

[3]梁会恩.OPC自动化接口的浅析[J].可编程控制器与工厂自动化（PLC FA）.2004（10）：72-74.

Liang Hui’en.The analysis of the automation interface[J].Programmable controller and factory automation（PLC FA）.2004（10）：72-74.

[4]苟建兵，侯子良.电厂SIS建设探讨[J].热工自动化信息.2001（1）：1-6.

Gou Jianbing，Hou Ziliang.Discussion on the construction of SIS in power plant[J].Thermal control automation information.2001（1）：1-6.

[5]刑建春，王平等，工业控制软件互操作标准OPC综述[J].工业控制计算机.2000（1）：29-32.

Xing Jianchun，Wang Ping，etc.Standard OPC Reviews of Industrial control software interoperability[J].Industrial control computer.2000（1）：29-32.

[6]Mohamed A，Abdul R.A methodology for development of configurable remote access measurement system.ISA Transaction，2000（39）：441-458.

[7]Jun Liu，Khiang Wee Lim，Weng Khuen Ho，Kay Chen Tan.Using the OPC Standard for Real-Time Process Monitoring and Control.IEEE Software，2005，22（6）：54-59.

[8]Shimanuki，Y.OLE for Process Control（OPC） for New Industrial Automation System[A].Systems，Man，and Cybernetics，1999，14（6）：1048-1050.

[9]Data Access Custom Interface Standard Specification 2.0[S].OPC Foundation，1998.10.14.

[10]OPC Historical Data Access Automation Specification 1.0[S].OPC Foundation，2001.1.26.