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技术交流:GDX2包装机OPC操作系统国产化改造

      

张金忠1,闫福玉1,吴民选2,马恩铭3
(1.石家庄卷烟厂,2.许昌烟草机械有限责任公司,3.上海新平科工业技术有限公司)
 
    卷接包车间的数据采集与资源共享是烟草企业信息化的重要组成部分,如何将GDX2 OPC 操作系统国产化并实现数据采集与资源共享一直是一个难题。本文通过分析GDX2的应用层协议,采用WINCC和VC++相结合的方法,实现了GDX2 OPC 操作系统国产化的改造工作。
GDX2包装机控制系统是一个网络控制系统,其底层采用ARCNET令牌总线局域网的网络结构,硬件采用COM20020协议控制器完成网络系统的控制。该网络通信控制协议过程被GD公司称为GDLAN协议。在GDLAN上,GDX2采用了CNT-OPC的“请求-应答式”的应用层协议,完成通讯控制、任务切换、错误提示的功能。对GDX2数据采集国产化改造工作主要从破译其应用层的“请求-应答式”协议开始。)
1 协议的破译
    协议的破译工作主要借助于ARCNET分析仪的记录功能。ARCNET[1]网络内允许的地址号为0X00~0XFF,GDLAN网络内允许使用的地址为0X80~0X87,但ARCNET分析仪作为侦听设备不占用网络地址,因此它对原机的运行没有任何影响。通过分析数据记录可以发现GDLAN应用层协议总体上分为两种:一是系统初始化规范,二是数据规范。这两种协议都采用“源地址-目标地址”模式,即发送信息的一方必须指定接受方的目的地址。但是由于网络采用ARCNET令牌总线,因此每个ARCNET节点都能监听到网络的所有信息流。在系统分析阶段,可以把系统联接在GDX2原来的主机上作为一个监听设备,这样可以及时校验研发成果的正确性。如果在数据采集中不想取代原机的OPC,也可以把系统作为后台程序只进行数据采集联网上传。
    GDLAN的数据速率为2.5M bps,其基本编码由源地址、目的地址、数据长度标识码、系统码、信息段等字段组成,不同的功能由不同的系统码确定,其中系统码0X63代表初始化定义,系统码0X64代表数据操纵定义。GDLAN应用层协议采用分级模式把设备的全部功能划分为MACHINE(机器)、GROUP(组)、FUNCTION(功能)、ITEM(条目)4个级别,4个级别中的名称、内容、使用的变量通过系统码0X63进行定义,系统码0X64通过引用该定义来实现设备状态显示、在线报警、数据分类、参数设置等功能。
2 系统实现方法
    系统由软件工程领域流行的内核加框架模式构成。系统内核由VC++通过调用WINDOWS底层控制函数、采用多线程模式设计实现;框架由WINCC接收内核传递的实时数据,通过组态完成GDLAN OPC原有的数据分类、在线报警等功能;系统联网的数据共享功能由WINCC内嵌的OPC服务器插件实现。
2.1系统内核的实现
    GDX2 包装机 OPC 国产化系统内核以动态连接库(.DLL)的形式存在,由VC++通过调用WINDOWS底层控制函数DEVICEIOCONTROL、采用多线程模式设计实现,主要完成ARCNET网络通信的控制和对GDLAN高层协议的解释,包括网络硬件控制、数据接收、数据发送、GDX2系统控制等。系统采用了通用的ARCNET网络适配卡PCI20-CXB,通过对COM20020驱动程序的控制完成与原机的通讯和数据上传。
由于GDLAN 采用ARCNET令牌总线网络,因此在GDLAN范围内,所有数据的传送采用广播方式,任意节点发送的数据每一个网络节点都能监听到,而GDLAN高层协议采用了“请求-应答式”,因此在系统调试和验收阶段,系统可以采用“只听不发言” 方式,通过监听到的数据与原机OPC数据比对来验证系统,且不影响原机的正常运转;在系统运行阶段,则可以采用“又听又发言”方式,通过与原机通信保证系统功能的正常运转。
    内核采用了多线程方式保证系统的实时性。开发多线程应用程序可以应用32位WINDOWS提供的WIN32 API 接口,也可以利用VISUAL C++提供的MFC类库进行开发[2]。系统采用MFC类库开发了数据接收与发送2个常驻内存线程来控制系统对网络适配器的实时读写操作,同时开发了一个专职数据处理的处理中心线程。接收数据线程采用事件触发机制检测硬件端口,如果有数据到来且是用户关心的信息数据(系统码是0X64),则取出该数据并送到处理中心线程进一步处理,同时调用发送线程通知发送端信息已收到。处理中心线程相当于架构在网络控制器与OPC操作系统之间的桥梁,它接收网络控制器的信息数据进行相应处理,并把处理结果通过触发事件传递给OPC的WINCC组态系统。系统的发送数据线程还要供OPC的参数设置线程调用完成系统的参数设置。通过系统多个线程的相互作用,共同实现对整个GDX2 GDLAN网络的控制、数据采集和网络通讯功能。
2.2 WINCC组态功能的实现
    WINCC组态软件是工控行业常用的组态软件,人机交互界面友好。系统中WINCC组态功能主要实现系统内核传递的实时数据分类管理、在线报警、数据统计、用户分级授权、参数设置等管理功能。WINCC组态可以调用内嵌于其中的系统内核,并作为ARCNET节点通过同轴电缆连接令牌总线。
系统采用停机报警优先、报警分级分色、报警自动滚屏、远程滚动等多种在线报警机制,对于GDX2主机上的每一点故障,系统都给予标注以提示操作人员。GDX2在日常运行中经常会有报警信息并存的现象,因此系统专门开辟了一个动态的双向链表管理报警信息的查阅。每一链表节点包含有报警信息的内容、编号、级别、页面位置、前后链表节点的内存地址等信息,通过对链表的增/删/改控制报警信息。系统采用二分法对实时数据进行实时排序刷新。参数设置采用了用户分级授权、分类管理设置、分级处理的模式,用户的输入经WINCC处理程序简单处理后传递给系统内核的参数设置线程,然后由内核参数设置模块进行参数类型转换、数据转换等,最后由内核调用数据发送线程将数据传送到GDX2主机,由主机系统完成相关电路、逻辑控制等机电操作。
2.3 数据联网的实现
    GD包装机的数据采集使用了1块标准的数据采集卡接入原机的GDLAN网络,系统在使用C++对GDLAN网络控制的基础上,采用了OPC C/S 技术控制数据流在网络上的传输和处理。
基于微软的OLE(又称为Active X)、COM(组件对象模型)和DCOM(分布式组建对象模型)技术的OPC[3]由标准接口、属性以及方法组成。Active X和COM技术定义了工业软件组件的交互作用和数据共享,DCOM将COM技术扩展到了网络(远程对象)。由于所有OPC驱动程序都工作在同样方式下,因此采用一个标准方法自动地配置硬件(以及软件接口),就可以容易地实现设备的连接。也就是说,OPC为多种多样的过程控制设备提供了一个公共的标准接口,对接口开发一次就能被再次使用,而与过程中的控制软件或设备无关。
    GDX2数据采集联网系统采用了OPC规范中的在线数据访问、报警与事件操纵两种数据访问机制,其中OPC CLIENT 和 OPC SERVER 通过 ETHERNET 进行物理连接,带宽100M。每个OPC CLIENT 约有1000个左右32位的过程变量,因此,在不考虑控制信令数据量的情况下,1个 OPC SERVER 和1个 OPC CLIENT 之间的数据刷新率大约为40K Bps,因此整个车间的OPC CLIENT只需一个OPC SERVER 就可以完成网络连接了。
3 结束语
    通过对GDX2 OPC操作系统进行国产化改造,不仅降低了联网的成本,改善了GDX2“信息孤岛”的状况,而且管理和操作人员也可以更加灵活地管理和使用GDX2包装机。改造后系统运行稳定,人机交互界面友好,提高了设备的运行效率。
 
(注:本文发表于《烟草科技》,2004年第8期)
参考文献:
1美国现代控制公司。ARCNET®技术入门[M].技术及产品介绍,2001。
2官章全、刘加明等。VISUAL C++ 6.0类库大全[M]. 北京:电子工业出版社,1999。
3 OPC TASK FORCE: OPC OVERVIEW[S], INDUSTRY STANDARD SPECIFICATION,1998.

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