【文章內容簡介】 TCP 網關 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)應用于 人機接口程序 和監(jiān)控程序中的數據傳輸功能。 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碼加 0x80 來發(fā)送信號，就是將最高位置一。例外響應包括不合法的函數，不合法的數據值，不合法的數據地址，不合法的響應長度，從機設備忙，無用的確認，存儲奇偶錯誤，網關路徑難以獲得，網關目標設備不能響應等。 Modbus 報文格式如圖 22 所示。 圖 22 Modbus 報文格式 3 OPC 技術規(guī)范 OPC 技術歷史 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 數據訪問標準版本 。 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?，F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 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日益變化發(fā)展的工業(yè)自動化領域。在設計 OPC 服務器或者相應程序時要按照規(guī)范去操作，以保證設備和程序的相互兼容性。 OPC 規(guī)范包含以下幾個方面： Modbus TCP 應用數據單元 MBAP 報文頭 功能碼 數據 協議數據單元 滁州學院本科畢業(yè)設計 7 （ 1） OPC 數據存取規(guī)范即數據訪問標準； （ 2） OPC 報警與事件規(guī)范即報警和事件的標準； （ 3） OPC 歷史數據存取規(guī)范即歷史數據訪問標準； （ 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 數據交換規(guī)范即服務器間數據交換的標準； （ 7） OPC_XML 規(guī)范即過程數據的 XML 標準。 COM 技術 COM 是微軟公司倡導的一個制定軟件的方法，在 COM 的構架下可以開發(fā)出各式各樣的功能專一的組件，然后按照需要將他們結合起來，構成復雜的應用系統。它可以隨時為系統升級，只需將原系統中的組件用新的更換掉。一個組件也可以在多個應用系統中重復利用，還可以很方便的將應用系統至于網絡之中。 COM 的體系結構有 COM 的核心、統一數據傳輸、智能命名和持久存儲。其中 COM 核心包括服務控制管理員、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器結構的 COM 應用。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，這些函數規(guī)定實現接口的對象和用戶使用這些對象所遵循的協議，包含接口名、函數名、參數名及其類型。 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，一個 COM 對象可以擁有多個 COM 接口。 COM 支持的是面向對象的組件模型， COM 組件提供給客戶端的是以對象形式封閉起來的實體。客戶端和 COM 組件程序交換數據的實體是 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 接口實現了二進制的內存結構?？蛻舫绦蛴弥赶蚪涌跀祿Y構的指針來調用接口函數，接 口指針又指向另一個指針，這個指針指向虛函 數表 ，虛函數表里面一項由 4 個字節(jié)長的函數指針組成，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 函數實現的地址，函數指針和對象的具體實現連接?？蛻糁灰@得了指針就可以調用到對象的實際功能。圖 31 是接口的二進制內存結構 ： 滁州學院本科畢業(yè)設計 8 圖 31 COM 接口二進制內存結構 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?？蛻舫绦蛲ㄟ^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。 OPC 服務器數據訪問方式 OPC 數據訪問有兩種方式：同步訪問和異步訪問，下面分別介紹。 同步數據訪問 圖 32 同步數據訪問過程 同步數據訪問過程如圖 32 所示 ， OPC 服務器按照 OPC 客戶端的要求把得到的數據訪問結果作為方法 參數返還給 OPC 客戶端， OPC 客戶端在結果被返還之前必須處 于等待狀態(tài)。小批量的數據訪問使用這個方法比較便捷，對于大批量的數據，就很占用 OPC 客戶端的時間。在 OPC 數據存取規(guī)范中，同步數據訪問方法是用 IOPCSyncIO 接口來實現， IOPCSyncIO 接口有兩個函數： Read 和 Write。根據 OPC 數據訪問標準，不同的數據讀取方式所需要的數據源有兩種：從服務器數據緩沖區(qū)讀??；二是從硬件設備直接讀取。 Read 同步數據讀取可以從數據緩沖區(qū)讀取或者硬件設備直接讀取，從數據緩沖區(qū)讀取數據時受組和項狀態(tài)的影響， Write 同步寫操作是直接向設備寫數據。 對象實現 虛函數表 vtable pVtable 指針接口 pIX Queryinterface Addref Release Fx Queryinterface Addref Release Fx 指針 方法調用開始 方法調用結束 等待處理 調用處理 空閑 空閑 OPC 應用程序 OPC 服務器 時間 時間 滁州學院本科畢業(yè)設計 9 異步數 據訪問 圖 33 異步數據訪問過程 異步數據訪問過程 如 圖 33 所示， OPC 服務器接收 到 OPC 客戶端要求后，檢查了參數中的項的服務器句柄是否有效，然后將方法返回， OPC 應用程序進行處理。當 OPC 服務器完成數據訪問時，觸發(fā) OPC 應用程序異步訪問的完成，將數據結果返回給 OPC 應用程序。 4 Modbus OPC 數據訪問服務器的實現 OPC 服務器要求分析 本節(jié)主要介紹 OPC 服務器設計實現的主要功能和設計環(huán)境以及總體框架，初步構建起 OPC 服務器設計的基 礎。 OPC 服務器結構框架 對于現代化生產來說，利用計算機監(jiān)控系統實時監(jiān)控現場設備的運行狀態(tài)和數據對提高生產效率有非常大的幫助，上傳來的數據可以作為參考來更改現場設備的運行參數也可快速的查找現場設備的故障原因，而 OPC 服務器就可以辦得到這些。 基于 Modbus 的智能儀表 OPC 服務器可以實現向下和 Modbus 從設備的通信，向上可以將實時數據傳輸到 OPC 客戶端。其結構如下圖 41 所示 ： 方法調用開始 方法調用結束 調用異步訪問方法 等待狀態(tài) 事件發(fā)生 事件處理結果 異步訪問完成事件 通信 空閑 空閑 OPC 應用程序 時間 時間 OPC 服務器 處理調用 滁州學院本科畢業(yè)設計 10 圖 41 OPC 服務器結構框架 從現場設備讀取回來的數 據通過 Modbus 協議工業(yè)以太網以數據幀的形式傳到 OPC 服務器，經過服務器的處理再通過 OPC 接口上傳到 OPC 客戶端，這樣就完成了遠程監(jiān)控現場設備運作狀態(tài)的過程。 現在簡介一下 OPC 服務器關鍵模塊管理模塊的設計理念。管理模塊主要處理通道的定義、標簽組、標簽和邏輯設備的定義、物理設備向通道和邏輯設備的映射、物理設備數據點與 OPC Item 的映射關系等方面的設備和數據點的管理功能。 OPC 服務器接 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 對應的物理設備數據點的信息。其數據點監(jiān)視功能使通信模塊 在客戶端界面上實現對設備數據點的讀寫。 如圖 42 所示，它包含通道定義、 Modbus 從設備映射、數據點映射、模擬變量變換和數據點在線監(jiān)視五個模塊。 監(jiān)控程序和其他上層應用程序 OPC 客戶端 （ 接口 ） 服務器對象 組對象 項對象 客戶端 Modbus OPC 服務器 現場設備 PLC Modbus 從設備 滁州學院本科畢業(yè)設計 11 圖 42 管理模塊結構 通道定義模塊是與遠程 Modbus 服務器的連接屬性的設置。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，這樣連接到網絡上的設備就可以利用這些信息連接到確定的唯一的 OPC 服務器的物理設備。 Modbus 從設備映射模塊主要功能是將物理設備的信息 映射到 相應的邏輯設備和通道之中。 數據點映射模塊將設備數據點直接映射為管理模塊的標簽，而標簽包含有的信息有：設備數據點具體的地址、儲存區(qū)類型、數據類型和讀取權限。 OPC 項代表了到數據源的連接，相當于一個指針，指向它所對應的標簽，通過標簽的信息完成連接。 物理設備中的模擬變量是以整數或者浮點數的形式讀出的，可是這些值只是存儲區(qū)內 的一個相對量，模擬變量模塊可以將它們經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。 數據點在線監(jiān)視模塊提供了設備 數據點的讀取功能，讓服務器用戶界面可以實現數據點數值的在線讀取和寫入。 OPC 服務器需要實現的功能 在 OPC 規(guī)范中可以總結出 OPC 服務器應該實現的幾項基本功能， OPC 服務器要與客戶端實現連接，數據傳輸必須要有這些功能。首先 OPC 服務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 服務器的時候， OPC 服務器能夠被找到，能夠給客戶端提供必要的接口。同時需要 OPC 服務器支持 Modbus 通信協議，不需要任何額外的驅動程序，在和 Modbus 從設備通信的時候不需要為每個通信設備提供不同的驅動程 序； 然后 OPC 服務器需要提供 IOPCServer、IOPCItemMgt、 IOPCCGroupStateMgt、 IOPCSyncIO 等接口的實現，只有實現了這些接口，客戶端才能夠通過該接口實現添加刪除服務器的組對象，對組對象進行管理。而且無論是本機還是遠程客戶端都能訪問服務器，支持了遠程啟動，即使服務器不在運行狀態(tài)，只要有客戶端訪問服務器，服務器能夠自行啟動。 管理模塊 數據點映射模塊 模擬變量變換模塊 Modbu