【正文】 ........................... 18 附錄 1 OPC 組件的部分實(shí)現(xiàn)代碼 ................................................................................................. 19 附錄 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境 ........................................................................................................ 21 致謝 ............................................................................................................................................ 22 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 基于 Modbus 通信協(xié)議的智能儀表 OPC 服務(wù)器的開(kāi)發(fā) 摘要 : OPC（ OLE for Process Control） 是過(guò)程控制軟硬件與 基于 Windows 平臺(tái)的應(yīng)用程序之間的通信 通道， 它已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，被廣大廠商和用戶所接受。 本課題 在 Modbus 協(xié)議和 OPC 規(guī)范基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了基于 Modbus 通信協(xié)議的 OPC 服務(wù)器的原理和開(kāi)發(fā)過(guò)程。 and the realization of the key technology. Key words: Communication protocol of Modbus。 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，引起了儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，以微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）為主體，將計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，組成新一代“智能化儀表”，在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)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(cè)量電路相比較，取得了巨大進(jìn)展。使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)成為最為方便的自動(dòng)控制方法。軟硬件開(kāi)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]。OPC規(guī)范定義了一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)使得 COM技術(shù)使用于過(guò)程控制和制造自動(dòng)化等應(yīng)用領(lǐng)域。 OPC保證了軟件對(duì)客戶的 透明性，使得用戶完全從低層的開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)。 不過(guò)在國(guó)內(nèi) OPC產(chǎn)品開(kāi)發(fā)目前幾乎還是空白 ，只有少數(shù)自動(dòng)化軟件和大型硬件廠商實(shí)現(xiàn)了 OPC客戶或 OPC服務(wù)器功能，市場(chǎng)開(kāi)拓還處于概念宣傳階段。首先詳細(xì)論述了 Modbus 協(xié)議的主要內(nèi)容、歷史和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，介紹了 Modbus 數(shù)據(jù)模型、地址參數(shù)表、通信結(jié)構(gòu)及兼容分類 。 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2 Modbus 總線技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是用于過(guò)程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備相互通信的網(wǎng)絡(luò)，它作為工業(yè) 數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它有以下三點(diǎn)成功之處： （ 1） 開(kāi)放性：用戶可以放心的免費(fèi)使用 Modbus 協(xié)議，不用繳納費(fèi)用，不會(huì)構(gòu)成侵權(quán)； （ 2） 支持多種電氣接口： RS232， RS42 RS485 等， 可 在雙絞線、光纜、無(wú)線射頻等介質(zhì)上傳送； （ 3） 簡(jiǎn)單易懂：其格式幀是最為簡(jiǎn)單緊湊的協(xié)議，廠商開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，用戶使用也方便。若主站未收到應(yīng)答信息或者響應(yīng)報(bào)文，會(huì)再次發(fā)送報(bào)文給從站?！白x寫通用寄存器”功能碼定義可指定一個(gè) 32 位寄存器地址，用戶寄存器起始地址是十進(jìn)制數(shù)表示的 1，而不是像很多其他程序一樣從 0 開(kāi)始。 2 級(jí)類代表一些特殊的功能應(yīng)用，此外還通過(guò)分類來(lái)識(shí)別一些已經(jīng)存在但不易解釋實(shí)現(xiàn)的交易。 寫多個(gè)線圈（功能 15） 讀文件記錄（功能 20） 寫文件記錄（功能 21） 另外，如果過(guò)程發(fā)生狀況，則由從機(jī)返回一組例外碼，所有例外通過(guò)給請(qǐng)求的函數(shù)碼加 0x80 來(lái)發(fā)送信號(hào)，就是將最高位置一。 OPC 基金會(huì)在 1996 年 9 月 24 日在美國(guó)達(dá)拉斯舉行了第一次理事會(huì)，并在同年 10 月 7 日芝加哥的第一次全體大會(huì)上宣告成立。中國(guó)也由 5 家 公司作為發(fā)起人于 20xx 年 12 月成立了中國(guó) OPC 促進(jìn)會(huì)。 COM 技術(shù) COM 是微軟公司倡導(dǎo)的一個(gè)制定軟件的方法，在 COM 的構(gòu)架下可以開(kāi)發(fā)出各式各樣的功能專一的組件，然后按照需要將他們結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。其中 COM 核心包括服務(wù)控制管理員、接口基、接口代 理和 COM 庫(kù)。 下面簡(jiǎn)單介紹一下 COM 組件、 COM 對(duì)象和 COM 接口。 COM 接口都是從 IUnknown 接口派生的， COM 接口實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制的內(nèi)存結(jié)構(gòu)?？蛻舫绦蛲ㄟ^(guò)指定的 CLSID 進(jìn)行對(duì)象的創(chuàng)建和初始化工作，客戶程序要使用 COM 對(duì)象的接口，它必須知道該接口的 IID 和接口成員函數(shù)。在 OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范中，同步數(shù)據(jù)訪問(wèn)方法是用 IOPCSyncIO 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)， IOPCSyncIO 接口有兩個(gè)函數(shù)： Read 和 Write。當(dāng) OPC 服務(wù)器完成數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)，觸發(fā) OPC 應(yīng)用程序異步訪問(wèn)的完成，將數(shù)據(jù)結(jié)果返回給 OPC 應(yīng)用程序。其結(jié)構(gòu)如下圖 41 所示 ： 方法調(diào)用開(kāi)始 方法調(diào)用結(jié)束 調(diào)用異步訪問(wèn)方法 等待狀態(tài) 事件發(fā)生 事件處理結(jié)果 異步訪問(wèn)完成事件 通信 空閑 空閑 OPC 應(yīng)用程序 時(shí)間 時(shí)間 OPC 服務(wù)器 處理調(diào)用 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 41 OPC 服務(wù)器結(jié)構(gòu)框架 從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備讀取回來(lái)的數(shù) 據(jù)通過(guò) Modbus 協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)以數(shù)據(jù)幀的形式傳到 OPC 服務(wù)器，經(jīng)過(guò)服務(wù)器的處理再通過(guò) OPC 接口上傳到 OPC 客戶端，這樣就完成了遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)的過(guò)程。其數(shù)據(jù)點(diǎn)監(jiān)視功能使通信模塊 在客戶端界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)的讀寫。對(duì)于 每一個(gè) IP 地址 、 IP 端口必須定義唯一一個(gè)通道，這樣連接到網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備就可以利用這些信息連接到確定的唯一的 OPC 服務(wù)器的物理設(shè)備。 物理設(shè)備中的模擬變量是以整數(shù)或者浮點(diǎn)數(shù)的形式讀出的，可是這些值只是存儲(chǔ)區(qū)內(nèi) 的一個(gè)相對(duì)量，模擬變量模塊可以將它們經(jīng)過(guò)比例變換成為有意義的物理 值，還需要定義物理單位、死區(qū)、上溢下溢范圍等信息。同時(shí)需要 OPC 服務(wù)器支持 Modbus 通信協(xié)議，不需要任何額外的驅(qū)動(dòng)程序，在和 Modbus 從設(shè)備通信的時(shí)候不需要為每個(gè)通信設(shè)備提供不同的驅(qū)動(dòng)程 序； 然后 OPC 服務(wù)器需要提供 IOPCServer、IOPCItemMgt、 IOPCCGroupStateMgt、 IOPCSyncIO 等接口的實(shí)現(xiàn)，只有實(shí)現(xiàn)了這些接口，客戶端才能夠通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)添加刪除服務(wù)器的組對(duì)象，對(duì)組對(duì)象進(jìn)行管理。標(biāo)簽組可以讓瀏覽標(biāo)簽的客戶端分層次的仔細(xì)查看標(biāo)簽 ； （ 4） 標(biāo)簽：標(biāo)簽用于在 OPC 服務(wù)器中映射目標(biāo)硬件數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后將 OPC 基金會(huì)網(wǎng)站上提供的相應(yīng)的頭文件添加到工程中 ， 通過(guò)繼承這些接口派生出新的接口類實(shí)現(xiàn)每個(gè)接口的成員函數(shù)。為避免不同線程同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作 ， 須考慮對(duì)臨界區(qū)的互斥控制 ； （ 5） 界面設(shè)計(jì)。每個(gè)接口有讀、寫兩種函數(shù)。讀設(shè)備強(qiáng)迫服務(wù)器從所連的設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。異步函數(shù)包括讀、寫、刷新和取消。異 步寫函數(shù)通過(guò)連接點(diǎn)返回給 OPC 客戶的是 I/O 函數(shù)操作完后的狀態(tài)。 句 柄是組和項(xiàng)的一個(gè)屬性。句柄是一個(gè)普通的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、一個(gè)索引或偏移量 ， 服務(wù)器通過(guò)句柄來(lái)聯(lián)系項(xiàng)。其中異步數(shù)據(jù)通報(bào)方式應(yīng)用于符合 OPC 規(guī)范 版本要求的服務(wù)器中，連接點(diǎn)方式用于符合 OPC 規(guī)范 版本要求的服務(wù)器中。 IAdviseSink 接口用于接收異步通報(bào)。 DAdvise 函數(shù)用于建立雙向通信機(jī)制 ， 客戶程序調(diào)用此函數(shù) ，以便在客戶程序的通報(bào)接收器和對(duì)象之間建立一個(gè)通報(bào)連接 ， 以后當(dāng)對(duì)象中的據(jù)發(fā)生變化時(shí) ， 它可以通知客戶程序的接收器 DUnadvise 函數(shù)用于取消通報(bào)連接。在服務(wù)器端為客戶生成一個(gè) OPCServer 對(duì)象 ； 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 （ 2）用 戶調(diào)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的 IOPCServer::Ad2dGroup()函數(shù)添加組 ； （ 3） 客戶調(diào)用服 務(wù)器實(shí)現(xiàn)的 IOPCSeEver::Ad2dltem()函數(shù)添加項(xiàng) ； （ 4） 客戶生成一個(gè) IAdviseSink 對(duì)象 ； （ 5） 客戶調(diào)用服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)的 DAdvise 函數(shù) ， 與服務(wù)器建立連接。如果一個(gè) COM 對(duì)象支持一個(gè)或者多個(gè)出接口，我們就稱這樣的對(duì)象為可連接對(duì)象?？蛻舫绦蜷_(kāi)始運(yùn)行后，通過(guò)可連接對(duì)象 接口查詢自己的接口指針，若 OPC 服務(wù)器提供了該接口的實(shí)現(xiàn)，那么客戶就調(diào)用該接口的 Advise 方法，把在接收器中實(shí)現(xiàn)的 IUnknown 接口指針傳送給服務(wù)器。實(shí)施步驟分為以下幾個(gè)部分： （ 1） 繼承 OPC 規(guī)范中定義的 OPCServer 類 OPCGroup 類和 OPCItem 類 ， 實(shí)現(xiàn)其接口成員函數(shù)。 OPC 項(xiàng)沒(méi)有自己的接口 ， 無(wú)需實(shí)現(xiàn)任何接口功能 ， 只需增加相應(yīng)的功能函數(shù) (如根據(jù) OPC 項(xiàng)的名稱與數(shù)據(jù)源進(jìn)行連接、讀 /寫數(shù)據(jù)源等 )。然后根據(jù)規(guī)范對(duì)各個(gè)接口 ID 進(jìn)行定義 ； （ 3） 實(shí)現(xiàn) OPC 數(shù)據(jù)服務(wù) 器類廠對(duì)象。當(dāng)客戶程序建立連接時(shí) ， 通過(guò)類廠注冊(cè)服務(wù)器程序并實(shí)例化一個(gè)服務(wù)器對(duì)象傳遞給客戶程序 。 測(cè)試中成功將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量 TAG_I0TAG_I9，它們分別對(duì)應(yīng)了不同的數(shù)值但擁有相同的質(zhì)量 如圖 52 所示 。 圖 55 標(biāo)簽屬 性 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 結(jié)論 本文所 開(kāi)發(fā)的 OPC 服務(wù)器， 實(shí)現(xiàn)了與客戶端的連接，并且可以實(shí)現(xiàn)添加或者刪除組和項(xiàng)的操作 ，經(jīng)過(guò)測(cè)試基本 擁有了 OPC 服務(wù)器作為工業(yè)通用數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)器的功能，實(shí)現(xiàn)了 OPC 規(guī)范中所規(guī)定的訪問(wèn)機(jī)制和 Modbus/TCP 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的功能。我想，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，到了工作單位后，我將能夠更快的適應(yīng)工作崗位和工作要求。 extern FREESERVER FreeServer。 extern SHUTDOWN shutDown。 extern REGTAGEX RegTagEx。 extern ADDTAGPROPERTYEX AddTagPropertyEx。 extern SETWRITECALLBACK SetWriteCallback。 extern SETSERVERNOTIFY SetServerNotify。 extern SETLOGNOTIFY SetLogNotify。 extern BOOL FreeOPCDef()。//定義類標(biāo)識(shí) const LPCSTR OPCProgID=。 *pDeviceError=1。 *Quality= TagList[I].lQuality。 } } } void __stdcall WriteCallback(DWORD handle,VARIANT pNewValue,DWORD* pDeviceError) { long I。ft)。 TagList[I].lQuality=186。 *pDeviceError=0。 } 服務(wù)器通知函數(shù) void __stdcall ServerNotify(DWORD Handle, WORD wOperate) { if(wOperate==0) { ServerCount++。 } } 附錄 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及運(yùn)行環(huán)境 序號(hào) 名稱 型號(hào) /版號(hào) 數(shù)量 1 電腦 華碩 S81 一臺(tái) 2 操作系統(tǒng) Windows XP 一套 3 應(yīng)用 軟件 Visual C++ 一套 4 三相智能電壓表 MMC 系列 一 臺(tái) 滁州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 致 謝 在論文的寫作 過(guò)程中遇到了無(wú)數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過(guò)了。在此向幫助和指導(dǎo)過(guò)我的各位老師表示最 衷 心的感謝 。 由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正！