基于Modbus TCP的OPC服務(wù)器設計

由于目前廣泛應用的DCS、FCS、SCADA 等傳統計算機測控系統使用的智能儀表設備、分布式I／O模塊、PLC 等設備來(lái)自于不同的生產(chǎn)商，而各生產(chǎn)商為了各自的商業(yè)利益，沒(méi)有遵循統一的接口規范，造成了設備之間的通信異常復雜，難以實(shí)現現場(chǎng)設備與上層控制軟件間的信息交互和各現場(chǎng)設備間的直接互聯(lián)與互操作，因此限制了計算機測控系統開(kāi)放性、通用性的提高。

OPC(OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的對象鏈接和嵌入)技術(shù)為解決工業(yè)客戶(hù)機與各種設備間通訊而產(chǎn)生的一項工業(yè)技術(shù)規范和標準。OPC 技術(shù)規范是OPC 基金會(huì )制定的，它提供了統一的數據訪(fǎng)問(wèn)軟硬件接口，將現場(chǎng)信號按照統一的標準與SCADA(監控與數據采集系統)，HMI(人機接口)等軟件無(wú)縫連接起來(lái)，同時(shí)將硬件和應用軟件有效地分離開(kāi)。只要硬件開(kāi)發(fā)商提供帶有OPC接口的服務(wù)器，任何支持OPC接口的客戶(hù)程序均可采用統一的方式對不同硬件廠(chǎng)商的設備進(jìn)行存取，無(wú)須重復開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序，因此大大提高了控制系統的互操作性和適應性。

OPC技術(shù)

1．OPC核心基礎

COM主要是為了實(shí)現軟件復用和互操作，并且為基于Windows的應用程序提供統一的、可擴展的、面向對象的通訊標準，DCOM是COM技術(shù)在分布式計算領(lǐng)域的擴展，支持在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)甚至因特網(wǎng)上不同計算機的對象之間的通訊。

OPC技術(shù)是COM在工業(yè)領(lǐng)域的一種特殊應用，實(shí)質(zhì)上，OPC規范就是定義了一些用于數據訪(fǎng)問(wèn)、事件報警處理、歷史數據訪(fǎng)問(wèn)等的COM對象和接口。

2．OPC DA規范

OPC DA規范是整個(gè)OPC協(xié)議族中的核心和基礎，所有的其他OPC規范都以OPC DA規范為基礎進(jìn)行擴展而來(lái)。對于高敏感度的實(shí)時(shí)數據，將其從實(shí)時(shí)數據中分離，提出報警/事件的概念，制定了專(zhuān)門(mén)的OPC報警事件(OPC Alarm and Events)接口規范；對于面向趨勢顯示、歷史分析、報表的數據，OPC制定了歷史數據訪(fǎng)問(wèn)(OPC Historical Data Access)接口規范。其他的OPC規范還包括OPC安全處理(OPC Security)接口規范、OPC批處理(OPC Batch)接口規范，OPC XML數據訪(fǎng)問(wèn)(OPC XMLDA)規范，OPC數據交換(OPC Data Exchange)規范等。

在過(guò)程控制系統的架構中，整個(gè)系統以OPC DA服務(wù)器為中心，OPC AE服務(wù)器從OPC DA服務(wù)器上得到實(shí)時(shí)數據，并根據客戶(hù)的設置進(jìn)行邏輯分析，產(chǎn)生相應的事件和報警信息發(fā)送到客戶(hù)端；OPC HAD服務(wù)器將從OPC DA服務(wù)器上獲得的實(shí)時(shí)數據按照客戶(hù)要求進(jìn)行保存，便于客戶(hù)端進(jìn)行查詢(xún)和分析數據的變化情況；OPC DX服務(wù)器將多個(gè)OPC DA服務(wù)器的數據組織起來(lái)，根據需要進(jìn)行各個(gè)OPC DA服務(wù)器之間的數據交換：XML DA服務(wù)器將OPC DA服務(wù)器上的數據轉換成XML文本，并發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)現數據更大范圍內的共享；OPC Security服務(wù)器則對整個(gè)數據層的數據加上了一層安全保護。

實(shí)際應用中也主要是以OPC DA規范、OPC AE規范和OPC HDA規范應用最為廣泛，尤其是OPC DA規范。因此通常提到的OPC服務(wù)器和客戶(hù)端都是指OPC DA服務(wù)器和OPC DA客戶(hù)端。

Modbus TCP OPC服務(wù)器的設計與實(shí)現

1. 總體結構

本文實(shí)現的OPC數據訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器要完成對Modbus設備的數據采集功能，提供OPC數據存取規定的定制接口，同時(shí)通過(guò)數據存取區將設備數據與OPC接口聯(lián)系來(lái)。如圖1所示的OPC數據存取服務(wù)器總體結構，各個(gè)功能模塊相對獨立又相互協(xié)作，形成了一個(gè)有機整體。

圖1：OPC數據存取服務(wù)器總體結構。

本文設計的OPC數據存取服務(wù)器擁有獨立的進(jìn)程空間，與客戶(hù)進(jìn)行數據交換時(shí)穩定性高，同時(shí)提供了用戶(hù)友好的人機界面，便于用戶(hù)的自定義組態(tài)操作；硬件設備通訊模塊實(shí)現了標準的MdbusTCP通訊協(xié)議，可以實(shí)現與標準的ModbusTCP設備無(wú)縫互聯(lián)通信，簡(jiǎn)單方便地獲取硬件設備的過(guò)程數據。

2. OPC接口模塊

OPC接口模塊包括OPC對象部分和數據存儲區部分，基于組件化的設計思想，可以設計成將COM和OPC技術(shù)細節隱藏，使得用戶(hù)將開(kāi)發(fā)OPC數據采集服務(wù)器的工作集中在特定的數據采集任務(wù)上。

本文采用了OPCMaster的OM_OPCSvr.dll OPC接口動(dòng)態(tài)庫工具來(lái)實(shí)現OPC接口模塊部分，OM_OPCSvr.dll完全支持OPC數據存取規范的所有版本，包括最新的DA 3.0版，它通過(guò)提供API函數完成OPC接口模塊的任務(wù)。其結構如圖2紅色虛線(xiàn)所示。

圖2：OPCMaster OPC接口動(dòng)態(tài)庫工具結構。

OPC服務(wù)器初始化管理：通過(guò)調用InitOPCSvr(byte *pSvrCLSID,bool bExeSvr,DWord dwCoInit)來(lái)對的OPC服務(wù)器的CLSID、程序應用模型和初始化COM庫的線(xiàn)程模式進(jìn)行初始化設置。通過(guò)調用SetServerRate(DWord dwServerRate)設置OPC服務(wù)器端向客戶(hù)端最快回調速率。通過(guò)調用SetVendorInfo(LPCWSTR lpVendorInfo, WORD wMajorVersion, WORD wMinorVersion, WORD wBuildNumber)設置Vendor及OPC服務(wù)器版本信息。

通過(guò)調用SetServerDelimiter(WCHAR cDelimiter)設置服務(wù)器標簽ID的分隔符，在這里我們設置cDelimiter為”.”。 通過(guò)調用SetCaseSensitivity(BOOL bOnOff = FALSE)設置OPC服務(wù)器端地址空間是否區分大小寫(xiě)，在這里我們設置bOnOff=True,即區分地址空間大小寫(xiě)。

OPC回調數據通信管理：在這里主要設置三個(gè)回調函數，分別是讀設備數據回調函數、寫(xiě)設備數據回調函數和客戶(hù)端連接或斷開(kāi)回調函數。

回調函數聲明分別如下：

/// 從設備讀數據tag回調函數

void ReadNotificationHandler(IntPtr hTag, out object Value, out UInt16 Quality, out System.Runtime.InteropServices.ComTypes.FILETIME Timestamp, out Int32 DeviceError)

/// 向設備寫(xiě)數據Tag回調函數

void WriteNotificationHandler(IntPtr hTag, ref object Value, ref UInt16 Quality, ref System.Runtime.InteropServices.ComTypes.FILETIME Timestamp, out Int32 DeviceError)

/// 客戶(hù)端連接或斷開(kāi)回調函數

void ClientConnNotificationHandler(UInt32 Num, bool bConnect)

聲明完回調函數后，需要調用使能回調函數EnableDeviceRead、EnableDeviceWrite和EnableClientConnNotify分別對上述3個(gè)回調函數使能，完成回調函數設置。

OPC服務(wù)器注冊管理：通過(guò)調用int RegisterOPCServer(byte[] pSvrCLSID, string lpProgID, string lpDescription, string lpVendor, string lpFilePath)完成對OPC服務(wù)器的注冊，以便OPC客戶(hù)端通過(guò)注冊表搜索到本機或本網(wǎng)絡(luò )內的OPC服務(wù)器。

通過(guò)調用int UnregisterOPCServer(byte[] pSvrCLSID, string lpProgID)完成OPC服務(wù)器的注銷(xiāo)功能。

3. 通信驅動(dòng)模塊

ModbusTCP是Modbus協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，TCP端口號為502。ModbusTCP由協(xié)議頭MBAP、功能碼和數據域組成，協(xié)議格式如圖3所示。

圖3：基于ModbusTCP協(xié)議的請求和應答格式。

MBAP(Modbus Application Protocol)協(xié)議頭的主要功能時(shí)對Modbus應用數據單元ADU的標識。其詳細內容見(jiàn)表1。

表1：MBAP協(xié)議頭。

功能碼主要功能是標識請求什么類(lèi)型數據，本通訊驅動(dòng)模塊主要使用6種標準的Modbus功能碼，其詳細內容見(jiàn)表2。

表2：Modbus功能碼。

Modbus TCP消息幀通過(guò)TCP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議進(jìn)行傳輸，因此借助Dot Net 4.0平臺的Socket類(lèi)定義封裝了一個(gè)TcpSocket TCP通信類(lèi)，通過(guò)此類(lèi)可以完成TCP連接斷開(kāi)、發(fā)送接收數據和發(fā)現斷開(kāi)自動(dòng)重連功能。

本Modbus TCP協(xié)議通信驅動(dòng)模塊屬于Modbus Slave，需要對設備返回的Modbus TCP消息幀進(jìn)行MBAP驗證、請求數據獲取。圖4是對設備進(jìn)行讀取數據的流程。

圖4：設備通信驅動(dòng)模塊讀取設備數據流程。

4. 用戶(hù)界面

OPC服務(wù)器的用戶(hù)界面將數據項用樹(shù)形結構標識，然后設計數據項和硬件設備的數據綁定設置的界面以及實(shí)時(shí)顯示數據項列表界面，并將數據存儲區與硬件通信接口聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現用戶(hù)自定義組態(tài)功能。在OPC服務(wù)器程序關(guān)閉時(shí)需要將數據項的屬性以及硬件設備設置參數作為組態(tài)配置文件保存起來(lái)，便于下次OPC服務(wù)器運行時(shí)能自動(dòng)調入組態(tài)配置文件，自動(dòng)完成初始設置。

主窗口：主窗口是OPC服務(wù)器程序的起始點(diǎn)，主要完成OPC服務(wù)器的初始化。主窗口是所有界面元素的組織容器，主要包括菜單欄、工具欄 、設備樹(shù)形列表 、標簽列表、信息列表和狀態(tài)欄，如圖5所示。

圖5：用戶(hù)界面。

添加設備：此處的設備是實(shí)際物理設備的一個(gè)邏輯引用，通過(guò)此邏輯設備設置與實(shí)際設備的通信參數及相關(guān)屬性。點(diǎn)擊菜單“添加?添加設備”，則打開(kāi)設備屬性設置對話(huà)框，如圖6所示。用戶(hù)可以設置相關(guān)參數。

圖6：設備屬性設置對話(huà)框。

添加組：組是包容設備中一組同類(lèi)型數據的容器，只需要設置其名稱(chēng)即可。點(diǎn)擊“添加?添加組”，則打開(kāi)設置組屬性對話(huà)框，如圖7所示。用戶(hù)可以設置組名稱(chēng)。

圖7：組屬性設置對話(huà)框。

添加數據標簽：數據標簽是實(shí)際物理設備中數據的邏輯抽象，且進(jìn)行了OPC數據封裝。點(diǎn)擊菜單“添加?添加標簽”，打開(kāi)Modbus TCP設備數據標簽屬性設置對話(huà)框，用戶(hù)根據實(shí)際設備情況，設置數據點(diǎn)名稱(chēng)、地址、數據類(lèi)型、寄存器類(lèi)型等屬性，如圖8所示。

圖8：Modbus設備數據標簽屬性設置對話(huà)框。

根據實(shí)際需要重復“添加設備-添加組-添加數據標簽”流程，配置好所需要存取的設備數據點(diǎn)。

組態(tài)配置文件：在OPC服務(wù)器程序關(guān)閉時(shí)需要將數據項的屬性以及硬件設備設置參數作為組態(tài)配置文件保存起來(lái)，便于下次OPC服務(wù)器運行時(shí)能自動(dòng)調入組態(tài)配置文件，自動(dòng)完成初始設置。本文利用DotNet 4.0的序列化和反序列化技術(shù)，可以將數據對象序列化到文件中和將文件反序列化到數據對象。

輪詢(xún)設備線(xiàn)程：經(jīng)過(guò)組態(tài)配置好數據點(diǎn)后，運行OPC服務(wù)器，開(kāi)始輪詢(xún)設備并將實(shí)時(shí)獲取的數據更新到數據緩沖區內，如圖9所示。

圖9：更新數據詳細流程。

本文小結

鑒于Windows在工控領(lǐng)域的成熟度和穩定性，以及Dot Net FrameWork的跨平臺性，本文基于Dot Net4.0平臺封裝了OPC接口，編程實(shí)現了ModbusTCP通信協(xié)議以及良好的人機交互界面，通過(guò)了功能測試和性能測試，500ms輪詢(xún)周期可穩定高效地讀寫(xiě)千點(diǎn)設備數據，目前國內外SCADA系統中的OPC客戶(hù)端接口可以利用本OPC輕松實(shí)現與北京世紀聯(lián)信公司MultiBus-RTU等產(chǎn)品的互聯(lián)通信。

本OPC數據存取服務(wù)器目前實(shí)現的主要功能和特點(diǎn)包括：支持OPC 數據存取規范1.0、2.0和3.0；友好的人機交互界面；自定義組態(tài)及保存組態(tài)配置；支持標準的ModbusTCP通信協(xié)議；基于Dot Net4.0平臺，可以跨平臺運行；易與主流的SCADA軟件平臺互連通信。