强烈推荐基于Modbus通信协议的智能仪表OPC服务器的开发毕业论文设计.docx
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强烈推荐基于Modbus通信协议的智能仪表OPC服务器的开发毕业论文设计
本科生毕业设计
(申请学士学位)
论文题目基于Modbus通信协议的智能仪表OPC服务器的开发
作者姓名程龙
所学专业名称自动化
指导教师汪先兵
2012年5月20日
学生:
(签字)
论文答辩日期:
2012年5月26日
指导教师:
(签字)
摘要1
Abstract1
1绪论2
1.1课题的选题背景及意义2
1.2OPC技术国内外发展现状3
1.3本课题主要研究内容3
2Modbus总线技术4
2.1现场总线技术4
2.2Modbus技术历史4
2.3Modbus通信协议4
2.3.1Modbus数据模型4
2.3.2Modbus地址参数表及通信结构5
2.3.3Modbus兼容分类5
3OPC技术规范6
3.1OPC技术历史6
3.2OPC技术规范6
3.3COM技术7
3.4OPC服务器数据访问方式8
3.4.1同步数据访问8
3.4.2异步数据访问9
4ModbusOPC数据访问服务器的实现9
4.1OPC服务器要求分析9
4.1.1OPC服务器结构框架9
4.1.2OPC服务器需要实现的功能11
4.2OPC服务器开发步骤12
4.3服务器组和项属性实现12
4.4服务器与客户端传送机制13
4.4.1服务器与客户端异步通报方式传送机制13
4.4.2服务器与客户端连接点方式传送机制14
4.5OPC对象和接口15
5OPC服务器的实验测试15
结论18
参考文献18
附录1OPC组件的部分实现代码19
附录2实验设备及运行环境21
致谢22
基于Modbus通信协议的智能仪表OPC服务器的开发
摘要:
OPC(OLEforProcessControl)是过程控制软硬件与基于Windows平台的应用程序之间的通信通道,它已经成为现代工业自动化控制领域的标准,被广大厂商和用户所接受。
Modbus通信协议是监控系统自动化设备的通信标准,可将Modbus报文信息传输于Internet中。
随着Modbus技术和OPC技术的发展,以及它们在工业领域中发挥的作用日益增加,研究基于Modbus的OPC数据访问服务器成为了一个重要课题。
本课题在Modbus协议和OPC规范基础上,详细介绍了基于Modbus通信协议的OPC服务器的原理和开发过程。
具体论述了OPC技术优点;OPC传输的三种方法---同步访问、异步访问、订阅实现过程中的关键技术;以及服务器实现过程中的关键技术。
关键词:
Modbus通信协议;OPC数据服务器;COM;智能仪表
OPCServerDevelopmentofIntelligentInstrumentbasedontheModbusCommunicationProtocol
Abstract:
OPC(OLEforProcessControl)isaprocesscontrolWindowsplatformbetweentheapplicationprogramandthecommunicationchannel,itindustrialautomationandcontrolstandards,bythevastnumberofmanufacturersanduserstoaccept.ThecommunicationprotocolofModbusismonitoringsystemautomationequipment,communicationsstandards,theModbuscanbemessagetransmissioninInternet.WiththeModbustechnologyandOPCtechnologydevelopment,aswellasintheindustrialfieldplayanincreasingrole,basedontheModbusOPCdataaccessserverbecomesanimportantproblem.
ThistopicintheModbusagreementandtheOPCstandardfoundation,describedindetailbasedonthecommunicationprotocolofModbusOPCserverprincipleanddevelopmentprocess.DiscussestheadvantagesofOPCtechnology;OPCtransmissionforthreemethods-synchronousaccess,asynchronousaccess,subscribetorealizethekeytechnologyintheprocessofserver;andtherealizationofthekeytechnology.
Keywords:
CommunicationprotocolofModbus;OPCserver;COM;Intelligentinstrument
1绪论
1.1课题的选题背景及意义
计算机在当今工业自动化控制领域中发挥着日益不可替代的作用,工业控制领域中各种智能仪表都提供了和计算机的通信协议[1~3]。
微电子技术和计算机技术的不断发展,引起了仪表结构的根本性变革,以微型计算机(单片机)为主体,将计算机技术和检测技术有机的结合,组成新一代“智能化仪表”,在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较,取得了巨大进展。
智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题,还能简化仪表电路,提高仪表的可靠性,更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。
随着科学技术的进一步发展,仪表的智能化程度将越来越高。
智能仪表和智能传感器一般是用在现场总线系统中,这种仪表和传感器内部嵌入的有通信模块和控制模块,可以完成数据采集,数据处理和数据通信功能。
使计算机控制系统成为最为方便的自动控制方法。
但是在OPC出现之前,工业领域中用到的很多现场设备都存在上层软件和下层硬件不一致性的问题[4~5],对于不同厂商开发的不同设备都必须开发对应的驱动程序如图1-1,这样造成了极大的资源浪费和设备运用的局限性。
而OPC出现之后的状况则完全改变如图1-2。
OPC采用客户机-服务器结构,基于COM和DCOM技术为软硬件开发商提供了一套标准的接口。
软硬件开发商只用编写一套接口程序就可以满足需要,大大的节约了成本[6~8]。
因此,OPC技术在几年内飞速发展并得到国际自动化领域厂商的广泛支持,各种OPC相关的产品也研发了出来,而设计一款基于Modbus通信协议的OPC服务器这个课题也就应运而生。
图1-1OPC技术出现之前
图1-2OPC技术出现之后
1.2OPC技术国内外发展现状
OPC是OPC基金会组织制定的一套工业控制领域的开放式标准。
它的本质是采用了Microsoft公司的OLECOM和DCOM技术,它包括自动化应用中使用的有一整套接口、属性和方法的标准[9]。
OPC规范定义了一个工业标准接口,这个标准使得COM技术使用于过程控制和制造自动化等应用领域。
OPC建立在OLE规范之上,它为工业控制领域提供了一种公用的数据访问机制,具有语言无关性、代码重用性和易于集成性等优点[10]。
它使厂商不必再为不同的应用需求开发不同的驱动程序,避免了控制系统中同一设备的不同驱动程序同时访问设备时造成的冲突问题。
OPC规范以OLEDCOM为基础,而OLEDCOM支持TCPIP等网络协议,所以可以将各个子系统分开,分布于网络的不同节点上。
OPC保证了软件对客户的透明性,使得用户完全从低层的开发中脱离出来。
不管过程中采用什么软件或设备,OPC为它们提供了公共的接口和以下多种访问机制:
(1)客户端和服务器位于同一台计算机上;
(2)客户端和服务器位于不同的计算机上;(3)单个客户端和多个服务器通信;(4)多个客户端和单个服务器通信;(5)多个客户端和多个服务器通信[11]。
国外OPC发展迅速,应用也很广泛,众多的厂家研发生产了种类众多的OPC产品,OPC基金会从成立开始会员逐年增加,到目前为止在全球范围内已有300多家公司加入了这个国际标准组织。
同时由控制设备厂商和控制软件供应商提供的OPC产品也日益增加,目前已有600种以上的OPC服务器产品和OPC应用程序产品出现在由OPC基金会发行的OPC产品目录上,促成OPC成为工业控制过程国际标准的地位。
不过在国内OPC产品开发目前几乎还是空白,只有少数自动化软件和大型硬件厂商实现了OPC客户或OPC服务器功能,市场开拓还处于概念宣传阶段。
由于欧美的OPC服务器价格比较昂贵,国内也只有极少数的大型自动化工程购买并应用了OPC产品[12~13]。
由于OPC标准的技术优势和发展前景,国内的众多自动化公司已经开始积极探索OPC技术的应用开发。
1.3本课题主要研究内容
本课题主要研究的是Modbus通信协议和OPC服务器的相关内容。
首先详细论述了Modbus协议的主要内容、历史和现场总线技术,介绍了Modbus数据模型、地址参数表、通信结构及兼容分类。
接着分析了OPC的发展现状、COM技术、接口技术,讨论了OPC服务器的同步数据访问和异步数据访问方式,在此基础上对基于Modbus的OPC服务器的开发进行了深入的研究。
研究重点是基于Modbus的OPC服务器的设计和实现。
各章节主要内容如下:
第一章:
介绍选题背景和意义以及OPC的发展现状;
第二章:
Modbus通信协议的技术历史和基本内容;
第三章:
OPC服务器的技术规范和数据访问方式;
第四章:
详细论述基于Modbus的OPC服务器的设计实现;
第五章:
服务器的实验测试。
2Modbus总线技术
2.1现场总线技术
现场总线技术是用于过程自动化、制造自动化等领域的现场智能设备相互通信的网络,它作为工业数字通信网络基础,沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。
它不仅是一个基层网络,而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。
这项以智能控制、数字通信等技术为主要内容的综合技术,已经受到世界范围的关注,成为自动化技术发展的焦点,并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。
2.2Modbus技术历史
Modbus是由Modicon公司在1978年发明的,它拉开了工业网络的序幕,是一个跨时代、里程碑式的网络协议,他是第一个真正永业工业现场的总线协议,全球有超过800万个安装的节点,可见其普及的程度相当高,已经成为事实上的协议标准。
它有以下三点成功之处:
(1)开放性:
用户可以放心的免费使用Modbus协议,不用缴纳费用,不会构成侵权;
(2)支持多种电气接口:
RS232,RS422、RS485等,可在双绞线、光缆、无线射频等介质上传送;
(3)简单易懂:
其格式帧是最为简单紧凑的协议,厂商开发简单,用户使用也方便。
2.3Modbus通信协议
Modbus是电子控制器应用上的通用语言,通过此协议控制器之间、控制器通过网络和其他控制器之间可以通信。
它主要针对单主站和多从站之间的通信规则作出约定,规定数据传输以帧为单位,将报文作为一帧数据,报文是由发送数据、发送地址、控制信息、校验信息
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