【文章內(nèi)容簡介】 的開 關(guān)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(guān) Modbus客戶機TCP Modbus服務(wù)器TCP Modbus服務(wù)器TCP Modbus客戶機TCP 客戶機TCP 網(wǎng)關(guān) Modbus 客戶機串行鏈路 Modbus 客戶機串行鏈路 Modbus 串行鏈路 Modbus TCP 滁州學院本科畢業(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 人機接口程序 和監(jiān)控程序中的數(shù)據(jù)傳輸功能。 寫多個線圈（功能 15） 讀文件記錄（功能 20） 寫文件記錄（功能 21） 另外，如果過程發(fā)生狀況，則由從機返回一組例外碼，所有例外通過給請求的函數(shù)碼加 0x80 來發(fā)送信號， 就是將最高位置一。例外響應(yīng)包括不合法的函數(shù)，不合法的數(shù)據(jù)值，不合法的數(shù)據(jù)地址，不合法的響應(yīng)長度，從機設(shè)備忙，無用的確認，存儲奇偶錯誤，網(wǎng)關(guān)路徑難以獲得，網(wǎng)關(guān)目標設(shè)備不能響應(yīng)等。 Modbus 報文格式如圖 22 所示。 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)訪問標準版本 。 OPC 基金會在 1996 年 9 月 24 日在 美國達拉斯舉行了第一次理事會，并在同年 10 月 7 日芝加哥的第一次全體大會上宣告成立。現(xiàn)在的 OPC 基金會的理事會是由FisherRosement， Honeywell， Interllution， Rockwell， Software， National Instrument 以及歐洲代表的Siemens 和遠東代表的東芝組成的。在日本為 響應(yīng) 以美國中心的標準活動，于 1996 年 6 月開始基金會成立的準備，于 1996 年 10 月 17 日正式成立了日本的 OPC 基金會。與此同時歐洲也成立了自己的 OPC 基金會。中國也由 5 家公司作為發(fā)起人于 20xx 年 12 月成立了中國 OPC 促進會。 OPC 技術(shù)規(guī)范 OPC 基金會制定了各種 OPC 規(guī)范，并且不斷地進行升級和更新以便于適應(yīng)日益變化發(fā)展的工業(yè)自動化領(lǐng)域。在設(shè)計 OPC 服務(wù)器或者相應(yīng)程序時要按照規(guī)范去操作，以保證設(shè)備和程序的相互兼容性。 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)訪問標準； （ 2） OPC 報警與事件規(guī)范即報警和事件的標準； （ 3） OPC 歷史數(shù)據(jù)存取規(guī)范即歷史數(shù)據(jù)訪問標準； （ 4） OPC 批處理規(guī)范即批處理的標準； （ 5） OPC 安全規(guī)范即安全性的標準 ； （ 6） OPC 數(shù)據(jù)交換 規(guī)范即服務(wù)器間數(shù)據(jù)交換的標準； （ 7） OPC_XML 規(guī)范即過程數(shù)據(jù)的 XML 標準。 COM 技術(shù) COM 是微軟公司倡導的一個制定軟件的方法，在 COM 的構(gòu)架下可以開發(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，構(gòu)成復雜的應(yīng)用系統(tǒng)。它可以隨時為系統(tǒng)升級，只需將原系統(tǒng)中的組件用新的更換掉。一個組件也可以在多個應(yīng)用系統(tǒng)中重復利用，還可以很方便的將應(yīng)用系統(tǒng)至于網(wǎng)絡(luò)之中。 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。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。其定 義了 COM 對象與客戶如何通過二進制標準接口進行交互的標準。 COM 本身預定義了一套通用接口，用來建立基于客戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)的 COM 應(yīng)用。接口是用于部件對象間作用的二進制標準，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。 下面簡單介紹一下 COM 組件、 COM 對象和 COM 接口。 COM 組件在 windows 平臺上可以是DLL 文件或者 EXE 文件，組件為 COM 對象提供了活動空間，一個組件程序可以包含多個 COM 對象， COM 對象用接口的方式提供服務(wù)，一個 COM 對象可以擁有多個 COM 接口。 COM 支持的是面向?qū)ο蟮慕M件模型， COM 組件提供給客戶端的是以對象形式封閉起來的實體?？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對象的全局標識符來創(chuàng)建和初始化對象，并不直接訪問 COM 組件。 COM 接口都是從 IUnknown 接口派生的， COM 接口實現(xiàn)了二進制的內(nèi)存結(jié)構(gòu)。客戶程序用指向接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針來調(diào)用接口函數(shù)，接 口指針又指向另一個指針，這個指針指向虛函數(shù)表 ，虛函數(shù)表里面 一項由 4 個字節(jié)長的函數(shù)指針組成，每一個接口的 vtable 是確定的， COM 接口 vtable 的前三個指針是 QueryInterface、 AddRef、 Release 函數(shù)實現(xiàn)的地址，函數(shù)指針和對象的具體實現(xiàn)連接。客戶只要獲得了指針就可以調(diào)用到對象的實際功能。圖 31 是接口的二進制內(nèi)存結(jié)構(gòu) ： 滁州學院本科畢業(yè)設(shè)計 8 圖 31 COM 接口二進制內(nèi)存結(jié)構(gòu) COM 規(guī)范用 128 位全局唯一標識符 GUID 來標識 COM 對象和 COM 接口，標識的 COM 對象為 CLSID， 標識的 COM 接口為 IID?？蛻?程序通過指定的 CLSID 進行對象的創(chuàng)建和初始化工作，客戶程序要使用 COM 對象的接口，它必須知道該接口的 IID 和接口成員函數(shù)。 OPC 服務(wù)器數(shù)據(jù)訪問方式 OPC 數(shù)據(jù)訪問有兩種方式：同步訪問和異步訪問，下面分別介紹。 同步數(shù)據(jù)訪問 圖 32 同步數(shù)據(jù)訪問過程 同步數(shù)據(jù)訪問過程如圖 32 所示 ， OPC 服務(wù)器按照 OPC 客戶端的要求把得到的數(shù)據(jù)訪問結(jié)果作為方法 參數(shù)返還給 OPC 客戶端， OPC 客戶端在結(jié)果被返還之前必須處于等待狀態(tài)。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。在 OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范中，同步數(shù)據(jù)訪問方法是用 IOPCSyncIO 接口來實現(xiàn)， IOPCSyncIO 接口有兩個函數(shù)： Read 和 Write。根據(jù) OPC 數(shù)據(jù)訪問標準，不同的數(shù)據(jù)讀取方式所需要的數(shù)據(jù)源有兩種：從服務(wù)器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取；二是從硬件設(shè)備直接讀取。 Read 同步數(shù)據(jù)讀取可以從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取或者硬件設(shè)備直接讀取，從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)時受組和項狀態(tài)的影響， Write 同步寫操作是直接向設(shè)備寫數(shù)據(jù)。 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)用程序進行處理。當 OPC 服務(wù)器完成數(shù)據(jù)訪問時，觸發(fā) OPC 應(yīng)用程序異步訪問的完成，將數(shù)據(jù)結(jié)果返回給 OPC 應(yīng)用程序。 4 Modbus OPC 數(shù)據(jù)訪問服務(wù)器的實現(xiàn) OPC 服務(wù)器要求分析 本節(jié)主要介紹 OPC 服務(wù)器設(shè)計實現(xiàn)的主要功能和設(shè)計環(huán)境以及總體框架，初步構(gòu)建起 OPC 服務(wù)器設(shè)計的基礎(chǔ)。 OPC 服務(wù)器結(jié)構(gòu)框架 對于現(xiàn)代化生產(chǎn)來說，利用計算機監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)對提高生產(chǎn)效率有非常大的幫助，上傳來的數(shù)據(jù)可以作為參考來更改現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù)也可快速的查找現(xiàn)場設(shè)備的故障原因，而 OPC 服務(wù)器就可以辦得到這些。 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。其結(jié)構(gòu)如下圖 41 所示 ： 方法調(diào)用開始 方法調(diào)用結(jié)束 調(diào)用異步訪問方法 等待狀態(tài) 事件發(fā)生 事件處理結(jié)果 異步訪問完成事件 通信 空閑 空閑 OPC 應(yīng)用程序 時間 時間 OPC 服務(wù)器 處理調(diào)用 滁州學院本科畢業(yè)設(shè)計 10 圖 41 OPC 服務(wù)器結(jié)構(gòu)框架 從現(xiàn)場設(shè)備讀取回來的數(shù)據(jù)通過 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)過服務(wù)器的處理再通過 OPC 接口上傳到 OPC 客戶端，這樣就完成了遠程監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運作狀態(tài)的過程。 現(xiàn)在簡介一下 OPC 服務(wù)器關(guān)鍵模塊管理模塊的設(shè)計理念。管理模塊主要處理通道的定義、標簽組、標簽和邏輯設(shè)備的定義、物理設(shè)備向通道和邏輯設(shè)備的映射、物理設(shè)備數(shù)據(jù)點與 OPC Item 的映射關(guān)系等方面的設(shè)備和數(shù)據(jù)點的管理功能。 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)點的信息。其數(shù)據(jù)點監(jiān)視功能使通信模塊在客戶端界面上實現(xiàn) 對設(shè)備數(shù)據(jù)點的讀寫。 如圖 42 所示，它包含通道定義、 Modbus 從設(shè)備映射、數(shù)據(jù)點映射、模擬變量變換和數(shù)據(jù)點在線監(jiān)視五個模塊。 監(jiān)控程序和其他上層應(yīng)用程序 OPC 客戶端 （ 接口 ） 服務(wù) 器對象 組對象 項對象 客戶端 Modbus OPC 服務(wù)器 現(xiàn)場設(shè)備 PLC Modbus 從設(shè)備 滁州學院本科畢業(yè)設(shè)計 11 圖 42 管理模塊結(jié)構(gòu) 通道定義模塊是與遠程 Modbus 服務(wù)器的連接屬性的設(shè)置。通道 由 IP 地址、 IP 端口和連接超時值組成。對于 每一個 IP 地址 、 IP 端口必須定義唯一一個通道，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。 Modbus 從設(shè)備映射模塊主要功能是將物理設(shè)備的信息 映射到 相應(yīng)的邏輯設(shè)備和通道之中。 數(shù)據(jù)點映射模塊將設(shè)備數(shù)據(jù)點直接映射為管理模塊的標簽，而標簽包含有的信息有：設(shè)備數(shù)據(jù)點具體的地址、儲存區(qū)類型、數(shù)據(jù)類型和讀取權(quán)限。 OPC 項代表了到數(shù)據(jù)源的連接，相當于一個指針，指向它所對應(yīng)的標簽，通過標簽的信息完成連接。 物理設(shè)備中的模擬變量是以整數(shù)或者浮點數(shù)的形式讀出的，可是這些值只是存儲區(qū)內(nèi) 的一個相對量，模擬變量模塊可以將它們經(jīng)過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。 數(shù)據(jù)點在線監(jiān)視模塊提供了設(shè)備數(shù)據(jù)點的讀取功能，讓服務(wù)器用戶界面可以實現(xiàn)數(shù)據(jù) 點數(shù)值的在線讀取和寫入。 OPC 服務(wù)器需要實現(xiàn)的功能 在 OPC 規(guī)范中可以總結(jié)出 OPC 服務(wù)器應(yīng)該實現(xiàn)的幾項基本功能， OPC 服務(wù)器要與客戶端實現(xiàn)連接，數(shù)據(jù)傳輸必須要有這些功能。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。同時需要 OPC 服務(wù)器支持 Modbus 通信協(xié)議，不需要任何額外的驅(qū)動程序，在和 Modbus 從設(shè)備通信的時候不需要為每個通信設(shè)備提供不同的驅(qū)動程序； 然后 OPC 服務(wù)器需要提供 IOPCServer、IOPCItemMgt、 IOPCCGroupStateMgt、 IOPCSyncIO 等接口的實現(xiàn)，只有實現(xiàn)了這些接口，客戶端才能夠通過該接口實現(xiàn)添加刪除服務(wù)器的組對象，對組對象進行管理。而且無論是本機還是