【正文】 channel, it has bee a modern industrial automation and control standards, by the vast number of manufacturers and users to accept. The munication protocol of Modbus is monitoring system automation equipment, munications standards, the Modbus can be message transmission in Inter. With the Modbus technology and OPC technology development, as well as in the industrial field play an increasing role, based on the Modbus OPC data access server bees an important problem. This topic in the Modbus agreement and the OPC standard foundation, described in detail based on the munication protocol of Modbus OPC server principle and development process. Discusses the advantages of OPC technology。 OPC transmission for three methods synchronous access, asynchronous access, subscribe to realize the key technology in the process of server。 and the realization of the key technology. Key words: Communication protocol of Modbus。 OPC server。 COM。 Intelligent instrument 滁州學院本科畢業(yè)設計 2 1 緒論 課題的選題背景及意義 計算機在當今工業(yè)自動化控制領域中發(fā)揮著日益不可替代的作用，工業(yè)控制領域中各種智能儀表都提供了和計算機的通信協(xié)議 [1~3]。 微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，引起了儀表結構的根本性變革，以微型計算機（單片機）為主體，將計算機技術和檢測技術有機的結合，組成新一代“智能化儀表”，在測量過程自動化、測量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化方面與傳統(tǒng)儀表的常規(guī)測量電路相比較，取得了巨大進展。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng) 儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。隨著科學技術的進一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來越高。智能儀表和智能傳感器一般是用在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，這種儀表和傳感器內(nèi)部嵌入的有通信模塊和控制模塊，可以完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通 信 功能。使計算機控制系統(tǒng)成為最為方便的自動控制方法。但是在 OPC 出現(xiàn)之前，工業(yè)領域中用到的很多現(xiàn)場設備都存在上層軟件和下層硬件不一致性的問題 [4~5]，對于不同廠商開發(fā)的不同設備都必須開發(fā)對應的驅(qū)動程序如圖 11，這 樣 造成了極大 的資源浪費和設備運用的局限性。而 OPC 出現(xiàn)之后的狀況則完全改變?nèi)鐖D12。 OPC 采用客戶機 服務器結構，基于 COM 和 DCOM 技術為軟硬件開發(fā)商提供了一套標準的接口。軟硬件開發(fā)商 只用編寫一套接口程序就可以滿足需要，大大的節(jié)約了成本 [6~8]。因此， OPC 技術在幾年內(nèi)飛速發(fā)展并 得到國際自動化領域廠商的廣泛支持，各種 OPC 相關的產(chǎn)品也研發(fā)了出來，而設計一款基于 Modbus 通信協(xié)議的 OPC 服務器這個課題也就應運而生。 圖 11 OPC 技術出現(xiàn)之前 圖 12 OPC 技術出現(xiàn)之 后 應用程序 A 應用程序 B 驅(qū)動器 A 驅(qū)動器 B 驅(qū)動器 C 設備 A 設備 B 設備 C 應用程序 A 應用程序 B OPC 服務器 設備 A OPC 服務器 設備 B OPC 服務器 設備 C OPC 客戶端 OPC 客戶端 滁州學院本科畢業(yè)設計 3 OPC 技術國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 OPC是 OPC基金會組織制定的一套工業(yè)控制領域的開放式標準。它的本質(zhì)是采用了 Microsoft公司的 OLE/COM和 DCOM技術，它包括自動化應用中使用的有一整套接口、屬性和方法的標準 [9]。OPC規(guī)范定義了一個工業(yè)標準接口，這個標準使得 COM技術使用于過程控制和制造自動化等應用領域。 OPC建立在 OLE規(guī)范之上，它為工業(yè)控制領域提供了一種公用的數(shù)據(jù)訪問機制，具有語言無關性、代碼重用性和易于集成性等 優(yōu)點 [10]。它使廠商不必再為不同的應用需求開發(fā)不同的驅(qū)動程序，避免了控制系統(tǒng)中同一設備的不同驅(qū)動程序同時訪問設備時造成的沖突問題。 OPC規(guī)范以OLE/DCOM為基礎，而 OLE/DCOM支持 TCP/IP等網(wǎng)絡協(xié)議，所以可以將各個子系統(tǒng)分開，分布于網(wǎng)絡的不同節(jié)點上。 OPC保證了軟件對客戶的 透明性，使得用戶完全從低層的開發(fā)中脫離出來。不管過程中采用什么軟件或設備， OPC為它們提供了公共的接口和以下多種訪問機制： （ 1） 客戶端和服務器位于同一臺計算機上； （ 2） 客戶端和服務器位于不同的計算機上； （ 3） 單個客戶端和多個 服務器通信； （ 4） 多個客戶端和單個服務器通信； （ 5） 多個客戶端和多個服務器通信 [11]。 國外 OPC發(fā)展迅速，應用也很廣泛，眾多的廠家研發(fā)生產(chǎn)了種類眾多的 OPC產(chǎn)品， OPC基金會從成立開始會員逐年增加，到目前為止在全球范圍內(nèi)已有 300多家公司加入了這個國際標準組織 。 同時由控制設備廠商和控制軟件供應商提供的 OPC產(chǎn)品也日益增加，目前已有 600種以上的 OPC服務器產(chǎn)品和 OPC應用程序產(chǎn)品出現(xiàn)在由 OPC基金會發(fā)行的 OPC產(chǎn)品目錄上，促成 OPC成為工業(yè)控制過程國際標準的地位 。 不過在國內(nèi) OPC產(chǎn)品開發(fā)目前幾乎還是空白 ，只有少數(shù)自動化軟件和大型硬件廠商實現(xiàn)了 OPC客戶或 OPC服務器功能，市場開拓還處于概念宣傳階段。由于歐美的 OPC服務器價格比較昂貴，國內(nèi)也只有極少數(shù)的大型自動化工程購買并應用了 OPC產(chǎn)品 [12~13]。由于 OPC標準的技術優(yōu)勢和發(fā)展前景，國內(nèi)的眾多自動化公司已經(jīng)開始積極探索 OPC技術的應用開發(fā) 。 本課題 主要研究內(nèi)容 本課題 主要研究的是 Modbus 通信協(xié)議和 OPC 服務器的相關內(nèi)容。首先詳細論述了 Modbus 協(xié)議的主要內(nèi)容、歷史和現(xiàn)場總線技術，介紹了 Modbus 數(shù)據(jù)模型、地址參數(shù)表、通信結構及兼容分類 。接著分析了 OPC 的發(fā)展現(xiàn)狀、 COM 技術、接口技術，討論了 OPC 服務器的同步數(shù)據(jù)訪問和異步數(shù)據(jù)訪問方式，在此基礎上對基于 Modbus 的 OPC 服務器的開發(fā)進行了深入的研究。研究重點是基于 Modbus 的 OPC 服務器的設計和實現(xiàn)。 各章節(jié)主要內(nèi)容如下： 第一章：介紹選題背景和意義以及 OPC 的發(fā)展現(xiàn)狀； 第二章： Modbus 通信協(xié)議的技術歷史和基本內(nèi)容； 第三章： OPC 服務器的技術規(guī)范和數(shù)據(jù)訪問方式； 第四章：詳細論述基于 Modbus 的 OPC 服務器的設計實現(xiàn)； 第五章：服務器的 實驗 測試。 滁州學院本科畢業(yè)設計 4 2 Modbus 總線技術 現(xiàn)場總線技術 現(xiàn)場總線技術是用于過程自動化、制造自動化等領域的現(xiàn)場智能設備相互通信的網(wǎng)絡，它作為工業(yè) 數(shù)字通信網(wǎng)絡基礎，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個基層網(wǎng)絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這項以智能控制、 數(shù)字通 信 等技術為主要內(nèi)容的綜合技術，已經(jīng)受到世界范圍的關注，成為自動化技術發(fā)展的 焦點 ，并將導致自動化系統(tǒng)結構與設備的深刻變革。 Modbus 技術歷 史 Modbus 是由 Modicon 公司在 1978 年發(fā)明的，它拉開了工業(yè)網(wǎng)絡的序幕，是一 個跨時代、里程碑式的網(wǎng)絡協(xié)議，他是第一個真正永業(yè)工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，全球有超過 800 萬個安裝的節(jié)點，可見其普及的程度相當高，已經(jīng)成為事實上的協(xié)議標準。它有以下三點成功之處： （ 1） 開放性：用戶可以放心的免費使用 Modbus 協(xié)議，不用繳納費用，不會構成侵權； （ 2） 支持多種電氣接口： RS232， RS42 RS485 等， 可 在雙絞線、光纜、無線射頻等介質(zhì)上傳送； （ 3） 簡單易懂：其格式幀是最為簡單緊湊的協(xié)議，廠商開發(fā)簡單，用戶使用也方便。 Modbus 通信協(xié)議 Modbus 是電子控制器應用上的通用語言， 通過此協(xié)議控制器之間、控制器通過網(wǎng)絡和其他控制器之間可以通信。它主要針對單主站和多從站之間的通信規(guī)則作出約定，規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸以幀為單位，將報文作為一幀數(shù)據(jù)，報文是由發(fā)送數(shù)據(jù)、發(fā)送地址、控制信息、校驗信息按一定格式組成的數(shù)據(jù)單元。主站 發(fā)送報文后，所有從站都會接收到報文，但只有主站發(fā)送的報文中包含 尋址的從站才能執(zhí)行報文操作，接著將操作結果返回給主站，如果主站發(fā)送了錯誤報文，從站會發(fā)送錯誤報告返回給主站。若主站未收到應答信息或者響應報文，會再次發(fā)送報文給從站。 Modbus 通信協(xié)議有兩種模式分別為 ASCⅡ 和 RTU，數(shù) 據(jù)量小的常用 ASCⅡ模式，通信數(shù)據(jù)量大而且是二進制時候用 RTU 規(guī)約。 Modbus 數(shù)據(jù)模型 Modbus 通信協(xié)議中，一般采用面向連接的方法，聯(lián)網(wǎng)時 經(jīng)過建立連接、通信、釋放鏈接三個步驟。 在 Modbus 變量中可 通過明確的“變成路徑”性能獲得，這種性能要求雙方按照通信協(xié)議直到連接終止 ?！白x寫通用寄存器”功能碼定義可指定一個 32 位寄存器地址，用戶寄存器起始地址是十進制數(shù)表示的 1，而不是像很多其他程序一樣從 0 開始。 Modbus 的數(shù)據(jù)模型主要基于以下四個表： 輸入開關量 單個位，由 I/O 系統(tǒng)提供 ?? 只讀 ； 輸出開關量 單個位，通過應用程序可變 ?? 讀寫； 輸入寄存器 16 位量，由 I/O 體統(tǒng)提供 ?? 只讀； 輸出寄存器 16 位量，通過應用程序可變 ?? 讀寫。 滁州學院本科畢業(yè)設計 5 Modbus 地址參數(shù)表及通信結構 Modbus 數(shù)據(jù)模型的基礎是一系列區(qū)別不同類型參數(shù)的地址參數(shù)表，主要由以下四個參數(shù)表： 開關量型輸入：來自 I/O 系統(tǒng)的只讀型 1 位布爾型數(shù)據(jù)，地址范圍 100011FFFF； 開關量型輸出：應用程序控制變化的可讀可寫型布爾型數(shù)據(jù)，地址范圍 000010FFFF； 輸入寄存器：來自 I/O 系統(tǒng)的只讀型 16 位數(shù)據(jù)， 地址范圍 300013FFFF； 輸出寄存器：由應用程序控制變化的可讀可寫型 16 位數(shù)據(jù)，地址范圍 400014FFFF。 Modbus 通信結構如圖 21: 圖 21 Modbus 通信結構圖 Modbus 兼容分類 Modbus 采用兼容分類來避免與已有的系統(tǒng)發(fā)生沖突，它定義了 0 級和 1 級類，表示已經(jīng)實現(xiàn)的應用的交易模式，達到兼容舊系統(tǒng)的目的。 2 級類代表一些特殊的功能應用，此外還通過分類來識別一些已經(jīng)存在但不易解釋實現(xiàn)的交易。 0 級是所有服務器 和客戶端都必須實現(xiàn)的最小功能集。 讀多個寄存器（功能 03） 寫多個寄存器（功能 16） 1 級是常用的附加功能，這些功能被 客戶端解釋為輸入輸出的開 關量和模擬量。 讀線圈（功能 01） 讀離散量輸入（功能 02） 讀輸入寄存器（功能 04） 寫線圈（功能 05） Modbus客戶機串行鏈路 客戶機TCP 網(wǎng)關 Modbus客戶機TCP Modbus服務器TCP Modbus服務器TCP Modbus客戶機TCP 客戶機