基于Modbus的OPC服务器设计及其在组态软件中的应用
摘要：本文主要在介绍Modbus协议规范和OPC服务器工作原理以及组成框架的基础上，进行服务器设计，通过设计，将服务器应用到DSC组态软件中，具有一定的现实意义。
关键词：Modbus；OPC；组态
中图分类号：TP393.09 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 18-0000-02
1 Modbus总线规范
目前，Modbus协议规范主要应用在自动控制领域，目的是实现工业生产中控制器之间的数据通信。同时，还能够通过网络协议实现控制器和其他硬件设备的通信，因此，通过该协议能够让不同厂家的设备构成控制网络，进行集中监控。因此，Modbus协议已经成为了一种通用工业标准。Modbus协议在控制过程中，已经定义了控制器能够识别了消息结构，所以，当控制器发出控制指令后，接收设备就能够回应指令请求，同时侦测指令是否正确，这样，就能够实现不同网络之间的控制。
Modbus协议在通信过程中，在总线上只能有一台主设备，每次通信指令都由主设备发出，在其余的从设备都分配指定地址后，就能够接受主设备的指令。在主设备和从设备进行通信时，如果主设备只和其中一台从设备通信，从设备则返回一个消息回应，如果主设备需要和所有从设备通信，从设备则不能作出回应。Modbus通信有两种模式：ASII和RTU模式。并且，这两种模式不能同时使用，只能选择其中一种模式进行通信。
2 OPC服务器的设计
2.1 服务器对象与接口模块
OPC服务器对象的名称通常为XXX（代表硬件名称）Server，其主要功能就是在启动服务器后获取服务器，得到服务器对象的起始地址，再返回OPC对象。XXXServer派生自IUnknown类，实现了OPC自定义接口，其中最关键的两个接口是IOPC-Server和IOPCBrowseServerAddressSpace。其中，IOPCServer接口类首先派生出IXXXServer类，然后通过指针变量指向IXXXServer类，同时，将接口指针返回客户，客户收到接口指针命令后，可以通过调用相关函数完成相应操作，比如，能够实现对组对象的管理、浏览、创建、删除等操作。并且，还可以通过操作服务器接口了解服务器相关信息。IOPCBrowseServerAddressSpace接口提供浏览服务器地址空间和获取项对象的属性。
OPC Server组对象名称通常为XXXGroup，主要完成存储项对象的信息，通过OPC服务器组对象接口，以OPC组为单位，采用同步和异步方式进行传输，以实现组对象功能。XXXGroup中IXXXSIO接口实现同步传输，程序可以按照规定调用接口进行数据同步存取。如果采用异步方式传输，则通过IOPCAsyncIO与IDadaObject接口派生出IXXXSIO和IXXXDO接口。然后，程序则通过IXXXASIO进行数据异步存取操作。
OPC Server中有一个OPC项XXXItem，由于没有自带接口，所以，不是真正的COM对象，只是表示数据连接。因此，项对象能够对于实际数据项，即服务器中的唯一标识，客户通过数据项建立与数据源的连接。其中，标识包括值、品质、时间戳三个属性。
2.2 数据存储区模块
数据存储区模块就是服务器上包含的可供客户访问的资源的集合，它描述了服务器中含有哪些项，以及这些项是按照什么形式进行组织的，我们可以采用链表结构来实现，在链表结构中，通过一个含有自身结构的指针，实现OPC数据项的遍历。这样。OPC客户就可以通过服务器对象的
IOPCServerBrowseServerAddressSpace接口来浏览数据区的数据项，然后通过OPC组对象创建OPC项。并将OPC项与相应的数据项联系起来。
2.3 Modbus设备驱动模块
Modbus设备驱动模块的实现关键是需要建立符合Modbus协议的数据帧。在本程序中，采用的是RTU模式。无奇偶校验，有2个停止位。
具体步骤，第一步，打开串口，并设置串口参数，比如，波特率、缓冲区等的设置。第二步，将数据量、起始地址、功能码、冗余校验等参数依次填入内存中的缓冲区，建立一帧Modbus。第三步，打开新接收线程，用于监视串口工作状态，当串口收到数据时，线程则会通知客户程序，并将Modbus数据帧发送给设备。如果设备收到数据，则会马上应答，同时发送回应答包文。在回应答过程中，需要判断通信是否超时，串口接收的数据是否符合Modbus协议标准，串口是否能够继续使用。如果通信不超时，串口则继续使用，并且，串口数据符合协议标准，那么就可以在内存中建立接收缓冲区，接收Modbus数据，当整个发送和接收过程结束后，系统将关闭串口资源。
2.4 OPC服务器的注册
由于OPC服务器组件都是自注册组件，相对应的，COM为它们定义了一种“Self-Registration”机制和“Unregistration”机制，将服务器注册过程封装在DLL或EXE程序中，由于本OPC服务器采用DLL组件形式，可以采用Windows系统提供的RegSvr31.exe命令来注册，将该dll文件拷贝到操作系统目录下，运行RegSvr32/OPC_Svr.dll。同样，要从OPC基金会网站下载opc_aeps.dll，opc-comn_ps.dll，opcproxy.dll组件，将其放在操作系统目录下进行注册。保证当组件程序从文件系统删除时会删除其他自身的注册途径。
3 该服务器配合力控组态软件的应用
业界著称的工业组态软件力控就可以支持OPC标准，作为客户端访问OPC服务器程序时，是将OPC服务器程序当作一个I/O设备。数据库中的点参数通过I/O数据库连接与OPC服务器程序进行数据交换。
3.1 在组态软件中定义OPC设备
在力控导航器窗口中选择“I/O设备驱动”项中的“OPC”设备并展开，双击“OPC Client”，在出现对话框后，定义基于Modbus协议的OPC逻辑设备的名称，起名为“OPC_MODB”，单击“下一步”，配置OPC服务器，然后，单击“完成”，则成功添加一个OPC设备，并且在力控的导航窗口中看到该设备。
3.2 对OPC数据项进行数据连接
第一步，双击“实时数据库/数据库组态”，第二步，选择“模拟I/O点”，第三步，双击任一空点参数单元格，选择“数据连接”页，第四步，在“连接I/O设备”的“设备”下拉框中选择预定义的OPC设备“OPC_MODB”，选择后，在“连接项”右侧单击“增加”按钮，单击“确定”按钮，便生成了一个数据项的数据连接。
3.3 进行数据通讯
通过上面的设置，就可以在力控组态软件中像接收其他I/O设备的数据一样接收该OPC设备：OPC_MODB的数据。
通过基于Modbus的OPC接口，可以实时接收从底层传过来的数据，并及时的把数据传送到客户端，对于客户端发送的数据请求，能够立即响应，迅速把数据转发到底层设备。数据既可以在不同的控制系统中进行传递，也可以传递到各种符合COM规范的应用软件中。在工业自动化系统中采用OPC规范的产品，能够实现各软件之间的相互操作和集成，同时，也能够与现场设备通过协议进行即时通信，完成数据传输。随着OPC协议规范的逐步完善和功能增强，OPC将成为控制系统中不可缺少的一部分。
参考文献：
[1]李正军.现场总线及其应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2]OPC基金会.OPC协议规范[S].
关键词：Modbus；OPC；组态
中图分类号：TP393.09 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 18-0000-02
1 Modbus总线规范
目前，Modbus协议规范主要应用在自动控制领域，目的是实现工业生产中控制器之间的数据通信。同时，还能够通过网络协议实现控制器和其他硬件设备的通信，因此，通过该协议能够让不同厂家的设备构成控制网络，进行集中监控。因此，Modbus协议已经成为了一种通用工业标准。Modbus协议在控制过程中，已经定义了控制器能够识别了消息结构，所以，当控制器发出控制指令后，接收设备就能够回应指令请求，同时侦测指令是否正确，这样，就能够实现不同网络之间的控制。
Modbus协议在通信过程中，在总线上只能有一台主设备，每次通信指令都由主设备发出，在其余的从设备都分配指定地址后，就能够接受主设备的指令。在主设备和从设备进行通信时，如果主设备只和其中一台从设备通信，从设备则返回一个消息回应，如果主设备需要和所有从设备通信，从设备则不能作出回应。Modbus通信有两种模式：ASII和RTU模式。并且，这两种模式不能同时使用，只能选择其中一种模式进行通信。
2 OPC服务器的设计
2.1 服务器对象与接口模块
OPC服务器对象的名称通常为XXX（代表硬件名称）Server，其主要功能就是在启动服务器后获取服务器，得到服务器对象的起始地址，再返回OPC对象。XXXServer派生自IUnknown类，实现了OPC自定义接口，其中最关键的两个接口是IOPC-Server和IOPCBrowseServerAddressSpace。其中，IOPCServer接口类首先派生出IXXXServer类，然后通过指针变量指向IXXXServer类，同时，将接口指针返回客户，客户收到接口指针命令后，可以通过调用相关函数完成相应操作，比如，能够实现对组对象的管理、浏览、创建、删除等操作。并且，还可以通过操作服务器接口了解服务器相关信息。IOPCBrowseServerAddressSpace接口提供浏览服务器地址空间和获取项对象的属性。
OPC Server组对象名称通常为XXXGroup，主要完成存储项对象的信息，通过OPC服务器组对象接口，以OPC组为单位，采用同步和异步方式进行传输，以实现组对象功能。XXXGroup中IXXXSIO接口实现同步传输，程序可以按照规定调用接口进行数据同步存取。如果采用异步方式传输，则通过IOPCAsyncIO与IDadaObject接口派生出IXXXSIO和IXXXDO接口。然后，程序则通过IXXXASIO进行数据异步存取操作。
OPC Server中有一个OPC项XXXItem，由于没有自带接口，所以，不是真正的COM对象，只是表示数据连接。因此，项对象能够对于实际数据项，即服务器中的唯一标识，客户通过数据项建立与数据源的连接。其中，标识包括值、品质、时间戳三个属性。
2.2 数据存储区模块
数据存储区模块就是服务器上包含的可供客户访问的资源的集合，它描述了服务器中含有哪些项，以及这些项是按照什么形式进行组织的，我们可以采用链表结构来实现，在链表结构中，通过一个含有自身结构的指针，实现OPC数据项的遍历。这样。OPC客户就可以通过服务器对象的
IOPCServerBrowseServerAddressSpace接口来浏览数据区的数据项，然后通过OPC组对象创建OPC项。并将OPC项与相应的数据项联系起来。
2.3 Modbus设备驱动模块
Modbus设备驱动模块的实现关键是需要建立符合Modbus协议的数据帧。在本程序中，采用的是RTU模式。无奇偶校验，有2个停止位。
具体步骤，第一步，打开串口，并设置串口参数，比如，波特率、缓冲区等的设置。第二步，将数据量、起始地址、功能码、冗余校验等参数依次填入内存中的缓冲区，建立一帧Modbus。第三步，打开新接收线程，用于监视串口工作状态，当串口收到数据时，线程则会通知客户程序，并将Modbus数据帧发送给设备。如果设备收到数据，则会马上应答，同时发送回应答包文。在回应答过程中，需要判断通信是否超时，串口接收的数据是否符合Modbus协议标准，串口是否能够继续使用。如果通信不超时，串口则继续使用，并且，串口数据符合协议标准，那么就可以在内存中建立接收缓冲区，接收Modbus数据，当整个发送和接收过程结束后，系统将关闭串口资源。
2.4 OPC服务器的注册
由于OPC服务器组件都是自注册组件，相对应的，COM为它们定义了一种“Self-Registration”机制和“Unregistration”机制，将服务器注册过程封装在DLL或EXE程序中，由于本OPC服务器采用DLL组件形式，可以采用Windows系统提供的RegSvr31.exe命令来注册，将该dll文件拷贝到操作系统目录下，运行RegSvr32/OPC_Svr.dll。同样，要从OPC基金会网站下载opc_aeps.dll，opc-comn_ps.dll，opcproxy.dll组件，将其放在操作系统目录下进行注册。保证当组件程序从文件系统删除时会删除其他自身的注册途径。
3 该服务器配合力控组态软件的应用
业界著称的工业组态软件力控就可以支持OPC标准，作为客户端访问OPC服务器程序时，是将OPC服务器程序当作一个I/O设备。数据库中的点参数通过I/O数据库连接与OPC服务器程序进行数据交换。
3.1 在组态软件中定义OPC设备
在力控导航器窗口中选择“I/O设备驱动”项中的“OPC”设备并展开，双击“OPC Client”，在出现对话框后，定义基于Modbus协议的OPC逻辑设备的名称，起名为“OPC_MODB”，单击“下一步”，配置OPC服务器，然后，单击“完成”，则成功添加一个OPC设备，并且在力控的导航窗口中看到该设备。
3.2 对OPC数据项进行数据连接
第一步，双击“实时数据库/数据库组态”，第二步，选择“模拟I/O点”，第三步，双击任一空点参数单元格，选择“数据连接”页，第四步，在“连接I/O设备”的“设备”下拉框中选择预定义的OPC设备“OPC_MODB”，选择后，在“连接项”右侧单击“增加”按钮，单击“确定”按钮，便生成了一个数据项的数据连接。
3.3 进行数据通讯
通过上面的设置，就可以在力控组态软件中像接收其他I/O设备的数据一样接收该OPC设备：OPC_MODB的数据。
通过基于Modbus的OPC接口，可以实时接收从底层传过来的数据，并及时的把数据传送到客户端，对于客户端发送的数据请求，能够立即响应，迅速把数据转发到底层设备。数据既可以在不同的控制系统中进行传递，也可以传递到各种符合COM规范的应用软件中。在工业自动化系统中采用OPC规范的产品，能够实现各软件之间的相互操作和集成，同时，也能够与现场设备通过协议进行即时通信，完成数据传输。随着OPC协议规范的逐步完善和功能增强，OPC将成为控制系统中不可缺少的一部分。
参考文献：
[1]李正军.现场总线及其应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2]OPC基金会.OPC协议规范[S].
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