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设计开发现代分布式数据采集与监测系统
Vu Van Tan，Dae-Seung Yoo和Myeong-Jae Yi *
蔚山大学计算机工程与信息技术学院
大韩民国蔚山市南区牟谷2洞,San-29,邮编680-749
电子邮件：{vvtan，ooseyds，ymj}@mail.ulsan.ac.kr;
传真: 8252-259-1687
本文介绍了用于设计和实现分布式数据采集和监测软件系统的新控制系统两方面问题。 这些方面是根据OPC技术和XML作为接口，功能和体系结构的标准提出的。 我建议的系统使我们能够轻松地将现有的OPC数据访问（DA）服务器和新的OPC XML-DA服务器集成到统一且灵活的系统中，以支持这些OPC服务器之间的复杂数据交换。 为了保证所提出的系统的远程调用的安全性，包括客户端的认证，消息的加密，访问控制和安全级别方面的讨论。 这些安全方面为技术级读者提供了更多的安全解决方案。 经过比较和讨论表明所提出的系统具有良好的设计和可接受的性能。
关键词：复杂数据; 控制系统方面; 监视系统; OPC; 安全; XML。
ACM分类：C.2.4，C.3，D.2.10，D.2.11，D.2.12，H.1.0，H.4.3，K.1.0。
介绍
当今的网络技术在控制和监控系统中越来越重要，尤其是对于工艺相对较慢的控制系统。 XML现在是一个开放的标准，它使用互联网提供互操作性和数据集成。 它也是在独立系统中编码和移动结构化数据的首选格式。 XML和互联网技术为使用标准网络浏览器和无线设备的制造企业用户提供了评估和交付工厂车间数据，状态监测和电子诊断的新方法和强大的方法（Holley，2004）。 因此，OPC基金会组建了OPC XML-DA技术工作组，以定义用于移动与现有OPC DA相同类型的工厂底层数据的新规范。 通过使用工业标准，XML和简单对象访问协议（SOAP）（OPC基金会，2004年），OPC XML-DA标准提供了工厂车间与状态监测系统，维护系统和企业应用程序之间的垂直集成。
OPC基金会定义了用于实现OPC DA和OPC XML-DA标准的OPC复合数据。OPC Complex Data工作组正在根据需求和其他行业组织的反馈意见对OPC规范进行增强，以解决其他数据类型，如结构，二进制，XML等（OPC基金会，2003C）。 相应地，Tan等（2006）提出并提出了允许OPC客户端读取和解码来自现场设备的任何类型数据的XML-DA服务器的设计和实现。 Chilingargyan和Eppler（2005）也开发了基于OPC XML-DA规范的数据交换协议。 该协议通过提供多个扩展来关注可接受的性能。 其发展动机是与高标准，多平台兼容性和高性能保持一致。
*通讯作者
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手稿已收到：2009年3月9日
沟通编辑：Zoran Salcic
要在异构环境中传输数据，需要考虑并解决带宽问题。 今天解决这些问题的基本方法是使用二进制数据表示和关于二进制交换格式的协议。 因此需要考虑内存缓冲区，CPU资源以及XML表示和二进制表示之间的转换，以保存此方法的全部数据。 而且，只有传输大量数据的快速可能性是使用二进制表示而不是XML表示。但是同一平台的不同平台甚至不同编译器使用的是不同的二进制表示，例如不同的浮点格式，不同的字符串格式等等（The OPC Foundation，2003c; Eppler et al，2004）。由于这些原因，应该选择一些通用标准来在不同平台之间传输数据。 另一方面，OPC XML-DA标准有一个很大的缺点，即使用XML文本数据表示来进行客户端和服务器之间的数据交换。 这导致更多的网络流量传输数据，如Eppler等（2004）所讨论的。 也就是说，当执行相同的信息时，与相似的DCOM消息相比，XML消息非常大，即，在客户端和服务器之间交换的SOAP消息的大小非常大，从而减少了所需的XML消息大小以提高带宽是必要的。
由于当今过程监控系统的发展，它需要将数百甚至数千个现有的OPC DA服务器和新的OPC XML-DA服务器集成到一个灵活统一的系统中，以支持OPC之间的复杂数据交换服务器。 该系统应该通过互联网使用远程客户端进行配置（Tan et al，2007b）。 佛r开发，程序员可以使用j-Interop（http://www.j-interop.org/） 图书馆实施建议的系统，以降低实施成本和时间。 该库是用于开发纯Java和非本地Java应用程序的Java开放源代码库，可与任何组件对象模型（COM）组件（j-Interop，2008）进行互操作。
本文的研究旨在为过程监控系统提出并开发一个统一灵活的系统。 该系统的设计和开发包括接口，功能，体系结构和模块。 它允许将数百个现有的OPC DA服务器和新的XML-DA服务器轻松集成到支持这些服务器之间水平数据交换的系统中。 所提出的系统的意图是达到可接受的性能，以便通过使用二进制数据表示来满足工业应用的要求。 此外，还讨论了安全级别方面的问题，以向技术级读者提供更多信息。
本文的组织结构如下：下一节将介绍Web集成的体系结构，相关的OPC技术以及考虑现有方法时的问题陈述。 第3节提出了用于过程监控和控制系统的通用DA服务器的设计和实现框架。 根据基准测试结果，第4部分调查通用DA服务器和OPC客户端之间的数据库连接和数据表示。 在第5节中，讨论了拟议系统的安全级别方面。 所提出的系统与现有方法的比较和讨论在第6节中提供。它们表明所提出的系统在应用时将具有足够的性能到实际的工业环境，特别是过程监控和控制。 最后，第7部分标出了一些结论和未来的工作。
背景和问题陈述
本节介绍了用于工业系统的Web集成体系结构以及OPC基金会提出的包括OPC数据访问，OPC XML-DA，OPC复杂数据和OPC数据交换规范在内的一些标准化规范的一些背景知识。 通过审查这些规范和几个相关的作品，讨论了问题陈述。
Web集成的体系结构
如Wollchlaeger等人（2002）所建议的，用于工业系统的网络集成的基本架构通常由三层组成，如下层，中间层和上层。 下层提供从自动化设备到自动化系统控制器级的信息。 上层基于标准的IT技术，如客户端 - 服务器模型，使用Web服务器作为数据源，Web浏览器作为客户端。 中间层包含Web服务器，为上层客户端托管信息。 它由业务逻辑的功能组成，作为上层客户和下层自动化系统之间的应用网关，将公共HTTP映射到DeviceNet，ControlNet，FOUNDATION现场总线，PROFIBUS等现场总线协议。Web服务器可以用于将信息从自动化和控制系统分配到可通过COM / DCOM（分布式COM）接口访问的对象模型，例如使用OPC标准等技术将信息从现场设备分配给对象模型。 最重要的问题是数据和Web应用程序之间的数据映射清晰，因为数据通常具有不同的类型和不同的语义。 将网络技术用于相对较慢流程的监控系统需要集成多种不同的技术。
相关的OPC规范
OPC基金会n（http://www.opcfoundation.org/）是一个独立的非营利性行业贸易协会，由全球350多家领先的自动化供应商组成。 在本节中，将提供相关OPC技术的几个概述。 首先，OPC DA规范定义了一组标准的COM对象，方法和属性，专门用于满足工厂自动化，过程控制和状态监视应用程序等的互操作性要求（The OPC Foundation，2003d; Holley，2004） 。 OPC DA技术利用DCOM，允许客户端 - 服务器应用程序通过分布在整个制造企业中的以太网访问工厂车间。 但是，OPC DA应用程序仅与基于Microsoft平台的合作应用程序兼容。
其次，OPC XML-DA规范定义了一种新的方法来移动与现有基于OPC COM-DA的产品相同类型的工厂车间数据（The OPC Foundation，2004）。 该标准提供了工厂车间和状况，监控，维护以及更多使用XML，HTTP，SOAP和行业标准的垂直整合。 它为生产管理和企业应用程序（如制造执行系统（MES），企业资源规划（ERP），企业资产管理（EAM）以及需要访问工厂车间数据的工厂优化）提供更好的连接性和互操作性。 它与基于现有OPC DA规范的产品互补。
图1：OPC DA和OPC XML-DA技术为生产企业集成提供了工厂车间
它专门设计用于允许现有基于OPC DA的产品由OPC XML-DA封装接口并有效支持来自同一个OPC服务器的两个接口。 它是一个标准的Web服务接口，用于从工厂车间自动化系统读取和写入数据（The OPC Foundation，2004）。 OPC DA和XML-DA技术为制造企业集成提供了工厂底层，如图1所示。
第三，OPC Complex Data技术将为OPC客户端提供一种完整的方式来读取和解码工厂现场设备（OPC基金会，2003c）的任何类型的数据。 复杂的数据意味着一个OPC项目被定义为一个结构。 该项目包括只读信息，运行时状态和可写控制点。 事实上，复杂的数据由复杂的数据项组成，这些数据项可以包含非结构化项目，结构化项目，XML数据，OPC二进制等等（OPC Foundation，2003c; Bustamante et al，2000）。 通过这种方式，OPC Complex Data规范定义了两种提供诸如XML Schema和OPC Binary等功能级别的系统。
最后，OPC DX（Data eXchange）标准具有基于OPC COM-DA和OPC XML-DA对象（OPC基金会，2003b）的良好定义的对象。 该标准解决了在源和目标之间移动数据的简单机制。 它列出了与在端点之间移动数据的时间，方式和方式相关的规则。 此外，为了处理特殊的情况，它定义了要写入目标的值或在从源无法获得良好数据时维护目标的值。 OPC DX解决方案通过利用OPC DA和OPC XML-DA标准在对等级别的OPC应用程序之间水平交换数据，添加了一些关键扩展。 它还扩展了数据访问，以便在运行期间实现服务器到服务器的数据交换，并且独立于以太网支持的实时应用程序（Hao and Hou，2004）。
问题陈述
如前所述，OPC XML-DA解决方案提供了更多优势。 基于OPC XML-DA规范，针对特定工业应用的几种系统已经被成功提出和开发（Chilingargyan和Eppler，2005; Eppler等，2004; Katsuji等，2005; Tan等，2006; The Advosol Inc. ，2008）。 然而，OPC XML-DA解决方案由于使用XML数据表示（OPC基金会，2004; Eppler等，2004）而存在很大的缺点。 XML数据表示会导致更多的网络流量传输数据。 OPC XML-DA标准要求XML消息对传输的数据非常具有描述性。
例如，发送记录lt;value xsi：type =“xsd：float”gt; 0.555 lt;/ valuegt;而不是“0.555”，这意味着带宽增加了大约六倍甚至更多（Eppler et al，2004）。 此外，通常需要数据对齐才能以本地表示形式传输数据。 基于使用XML数据表示的OPC Complex Data标准需要大量内存和高强度的内存管理操作。 此外，还需要更多的CPU资源和内存缓冲区用于本地数据表示和XML之间的转换（Bustamante et al，2000）。还有一个问题是目前OPC科学实验中通常需要OPC历史数据访问规范（OPC基金会，2003a）和OPC报警和事件规范（The OPC Foundation，2002）的XML版本。 为了解决带宽问题，当今在异构环境中传输数据的基本方法是使用二进制数据表示，该表示被集成到XML中以减小消息的大小。 这种方法对于考虑内存缓冲区，CPU资源以及XML表示和二进制表示之间的转换以保存整个数据提出了挑战，Chilingargyan和Eppler（2005）对此进行了讨论。 事实上，传输大量数据的最佳解决方案是使用二进制表示法。但是同一平台的不同平台甚至不同编译器使用不同的二进制表示，例如不同的浮动格式，不同的字符串格式等因此系统的互操作性使其难以保证。
最近，数百甚至数千现有的OPC DA服务器和新的OPC XML-DA服务器需要被集合到一个系统中，这样不仅可以在OPC服务器之间交换复杂数据，还可以在OPC服务器和OPC客户端。 Advosol Inc.（2008）开发了一种商用系统，即通用XML-DA服务器。 该系统允许将OPC DA服务器和OPC XML-DA服务器动态配置为客户端访问的数据源。 然而，由于使用XML文本数据表示，这个系统的性能并不好。
另一方面，重用和升级开发系统组件的能力是一个重要因素。 它将尽可能减少应用程序的成本。 此外，新系统与现有系统和中间件的兼容性和互操作性是严格要求的。
为了解决上述问题，本研究提出了一种分布式数据采集和监测系统，包括以下特点：
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使我们能够轻松地将现有的OPC DA服务
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