【正文】 ，成為自動化技術(shù)發(fā)展的 焦點(diǎn) ，并將導(dǎo)致自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的深刻變革。研究重點(diǎn)是基于 Modbus 的 OPC 服務(wù)器的設(shè)計和實現(xiàn)。由于 OPC標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)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(shù)的應(yīng)用開發(fā) 。 國外 OPC發(fā)展迅速，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)組織 。它使廠商不必再為不同的應(yīng)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(shè)備的不同驅(qū)動程序同時訪問設(shè)備時造成的沖突問題。 圖 11 OPC 技術(shù)出現(xiàn)之前 圖 12 OPC 技術(shù)出現(xiàn)之 后 應(yīng)用程序 A 應(yīng)用程序 B 驅(qū)動器 A 驅(qū)動器 B 驅(qū)動器 C 設(shè)備 A 設(shè)備 B 設(shè)備 C 應(yīng)用程序 A 應(yīng)用程序 B OPC 服務(wù)器 設(shè)備 A OPC 服務(wù)器 設(shè)備 B OPC 服務(wù)器 設(shè)備 C OPC 客戶端 OPC 客戶端 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 3 OPC 技術(shù)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(lǐng)域的開放式標(biāo)準(zhǔn)。而 OPC 出現(xiàn)之后的狀況則完全改變?nèi)鐖D12。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來越高。 COM。 關(guān)鍵詞 ： Modbus 通信協(xié)議 ； OPC 數(shù)據(jù)服務(wù)器 ； COM； 智能儀表 OPC Server Development of Intelligent Instrument based on the Modbus Communication Protocol Abstract: OPC (OLE for Process Control) is a process control hardware and software based on Windows platform between the application program and the munication 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。 Modbus 通信協(xié)議是 監(jiān)控系統(tǒng)自動化設(shè)備的通 信 標(biāo)準(zhǔn)， 可將 Modbus 報文信息傳輸于 Inter 中。隨著 Modbus 技術(shù)和OPC 技術(shù)的發(fā)展，以及它們在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮的作用日益增加， 研究 基于 Modbus 的 OPC 數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器成為了一個重要課題。 OPC transmission for three methods synchronous access, asynchronous access, subscribe to realize the key technology in the process of server。 Intelligent instrument 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 2 1 緒論 課題的選題背景及意義 計算機(jī)在當(dāng)今工業(yè)自動化控制領(lǐng)域中發(fā)揮著日益不可替代的作用，工業(yè)控制領(lǐng)域中各種智能儀表都提供了和計算機(jī)的通信協(xié)議 [1~3]。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。 OPC 采用客戶機(jī) 服務(wù)器結(jié)構(gòu)，基于 COM 和 DCOM 技術(shù)為軟硬件開發(fā)商提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的接口。它的本質(zhì)是采用了 Microsoft公司的 OLE/COM和 DCOM技術(shù)，它包括自動化應(yīng)用中使用的有一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn) [9]。 OPC規(guī)范以O(shè)LE/DCOM為基礎(chǔ)，而 OLE/DCOM支持 TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以可以將各個子系統(tǒng)分開，分布于網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)上。 同時由控制設(shè)備廠商和控制軟件供應(yīng)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(wù)器產(chǎn)品和 OPC應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的地位 。 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(wù)器的相關(guān)內(nèi)容。 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(shù)歷史和基本內(nèi)容； 第三章： OPC 服務(wù)器的技術(shù)規(guī)范和數(shù)據(jù)訪問方式； 第四章：詳細(xì)論述基于 Modbus 的 OPC 服務(wù)器的設(shè)計實現(xiàn)； 第五章：服務(wù)器的 實驗 測試。 Modbus 技術(shù)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(luò)的序幕，是一 個跨時代、里程碑式的網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)，可見其普及的程度相當(dāng)高，已經(jīng)成為事實上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。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(jié)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。 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 。 Modbus 通信結(jié)構(gòu)如圖 21: 圖 21 Modbus 通信結(jié)構(gòu)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(yīng)用的交易模式，達(dá)到兼容舊系統(tǒng)的目的。 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(jī)串行鏈路 客戶機(jī)TCP 網(wǎng)關(guān) Modbus客戶機(jī)TCP Modbus服務(wù)器TCP Modbus服務(wù)器TCP Modbus客戶機(jī)TCP 客戶機(jī)TCP 網(wǎng)關(guān) Modbus 客戶機(jī)串行鏈路 Modbus 客戶機(jī)串行鏈路 Modbus 串行鏈路 Modbus TCP 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 6 寫單個寄存器（功能 06） 讀異常狀態(tài)（功能 07） 2 級是一組常規(guī)應(yīng)用于 人機(jī)接口程序 和監(jiān)控程序中的數(shù)據(jù)傳輸功能。 圖 22 Modbus 報文格式 3 OPC 技術(shù)規(guī)范 OPC 技術(shù)歷史 早期的 OPC 規(guī)范是由 5 家工業(yè)軟件制造商組成的 OPC 小組在 1995 年開發(fā)的，在 1996 年 8 月完成了 OPC 數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)版本 。與此同時歐洲也成立了自己的 OPC 基金會。 OPC 規(guī)范包含以下幾個方面： Modbus TCP 應(yīng)用數(shù)據(jù)單元 MBAP 報文頭 功能碼 數(shù)據(jù) 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 7 （ 1） OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范即數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)； （ 2） OPC 報警與事件規(guī)范即報警和事件的標(biāo)準(zhǔn)； （ 3） OPC 歷史數(shù)據(jù)存取規(guī)范即歷史數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)； （ 4） OPC 批處理規(guī)范即批處理的標(biāo)準(zhǔn)； （ 5） OPC 安全規(guī)范即安全性的標(biāo)準(zhǔn) ； （ 6） OPC 數(shù)據(jù)交換規(guī)范即服務(wù)器間數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)； （ 7） OPC_XML 規(guī)范即過程數(shù)據(jù)的 XML 標(biāo)準(zhǔn)。 COM 的體系結(jié)構(gòu)有 COM 的核心、統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸、智能命名和持久存儲。接口是用于部件對象間作用的二進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)，每個接口都包含了一系列函數(shù)，這些函數(shù)規(guī)定實現(xiàn)接口的對象和用戶使用這些對象所遵循的協(xié)議，包含接口名、函數(shù)名、參數(shù)名及其類型?？蛻舳撕?COM 組件程序交換數(shù)據(jù)的實體是 COM 對象，它無需在乎組件模塊的名稱和位置，但要知道和自己交互的 COM對象 是 哪個，客戶程序通過一個 COM對象的全局標(biāo)識符來創(chuàng)建和初始化對象，并不直接訪問 COM 組件。圖 31 是接口的二進(jìn)制內(nèi)存結(jié)構(gòu) ： 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 8 圖 31 COM 接口二進(jìn)制內(nèi)存結(jié)構(gòu) COM 規(guī)范用 128 位全局唯一標(biāo)識符 GUID 來標(biāo)識 COM 對象和 COM 接口，標(biāo)識的 COM 對象為 CLSID， 標(biāo)識的 COM 接口為 IID。小批量的數(shù)據(jù)訪問使用這個方法比較便捷，對于大批量的數(shù)據(jù)，就很占用 OPC 客戶端的時間。 對象實現(xiàn) 虛函數(shù)表 vtable pVtable 指針接口 pIX Queryinterface Addref Release Fx Queryinterface Addref Release Fx 指針 方法調(diào)用開始 方法調(diào)用結(jié)束 等待處理 調(diào)用處理 空閑 空閑 OPC 應(yīng)用程序 OPC 服務(wù)器 時間 時間 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 9 異步數(shù) 據(jù)訪問 圖 33 異步數(shù)據(jù)訪問過程 異步數(shù)據(jù)訪問過程 如 圖 33 所示， OPC 服務(wù)器接收 到 OPC 客戶端要求后，檢查了參數(shù)中的項的服務(wù)器句柄是否有效，然后將方法返回， OPC 應(yīng)用程序進(jìn)行處理。 基于 Modbus 的智能儀表 OPC 服務(wù)器可以實現(xiàn)向下和 Modbus 從設(shè)備的通信，向上可以將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)?OPC 客戶端。 OPC 服務(wù)器接 口接收到客戶端的請求后也必須利用管理模塊提供請求的 OPC Item 對應(yīng)的物理設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息。通道 由 IP 地址、 IP 端口和連接超時值組成。 OPC 項代表了到數(shù)據(jù)源的連接，相當(dāng)于一個指針，指向它所對應(yīng)的標(biāo)簽，通過標(biāo)簽的信息完成連接。首先 OPC 服務(wù)器要在客戶端需要的時候提供本地連接，以便于客戶端需要連接 OPC 服務(wù)器的時候， OPC 服務(wù)器能夠被找到，能夠給客戶端提供必要的接口。設(shè)備包含事務(wù)處理超時時間、連接類型等信息 ； （ 2） 通道：通道為 OPC 服務(wù)器提供連接到硬件設(shè)備的物理連接的信息 ； （ 3） 標(biāo)簽組：提供一種將標(biāo)簽成組的方法，用于生成地址空間的。 首先通過繼承 IUnknown 類派生出 OPCServer， OPCGroup 和 OPCItem 3個類 ， 分別對應(yīng) OPC 服務(wù)器對象 ， 組對象和項對象 ， 并重載 IUnknown 類中的接口查詢和引用計數(shù)函數(shù)。由于 OPC 服務(wù)器 要對底層硬件進(jìn)行讀寫操作 ， 又要通過 OPC 接口與客戶程序進(jìn)行交互 ， 所以對數(shù)據(jù)存儲區(qū)的操作需要采用多線程模型 ， 以保證數(shù)據(jù)存取的效率。 服務(wù)器組和項屬性實現(xiàn) 每個組有兩個 I/O 接口 ： 同步和異步接口。如果項是不活動的 ， 則返回一個壞的品質(zhì)。同步讀寫函數(shù)獨(dú)立于數(shù)據(jù)連接通知。