面向PLC的OPC服務器設計與開發(fā)

李紹成，馬連祥

（南京林業(yè)大學 木材工業(yè)學院，南京 210037）

0 引言

可編程控制器PLC（Programmable Logic Controller）具有可靠性高、通用性強、編程簡單、體積小、安裝維護方便等優(yōu)點，在工業(yè)控制中得到了廣泛應用[1～3]。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，可能存在不同廠家生產(chǎn)的、多種型號的可編程控制器PLC。為了便于系統(tǒng)集成，一般采用基于OPC（OLE for Process Control）規(guī)范的接口進行數(shù)據(jù)交換，為此，需要設計、開發(fā)面向PLC的OPC服務器。

1 OPC服務器開發(fā)工具

面向PLC的OPC服務器開發(fā)需要完成以下兩個方面工作：一方面，需要根據(jù)PLC的通信協(xié)議實現(xiàn)上位機服務器軟件與PLC的數(shù)據(jù)交換；另一方面，需要合理設計服務器軟件的架構與接口，使之符合OPC技術規(guī)范。

由于OPC服務器是基于COM技術的，這就要求程序設計人員必須非常熟悉COM技術，而精通COM技術是有一定難度的，因此，OPC服務器的源碼級開發(fā)是相當復雜的，一般由專業(yè)的軟件公司進行開發(fā)[4,5]。

為了便于OPC技術的推廣和應用，國內(nèi)外許多單位推出了OPC服務器快速開發(fā)工具包。這種工具包將微軟公司的OLE/COM/DCOM技術和OPC的技術細節(jié)進行了隱藏，使用戶開發(fā)工作集中在數(shù)據(jù)采集和處理任務上，從而簡化了OPC服務器的開發(fā)。

基于工具包的OPC服務器開發(fā)，主要任務是熟悉工具包的API接口函數(shù)，通過調用工具包的API接口函數(shù)實現(xiàn)OPC服務器的功能，為應用軟件提供符合OPC規(guī)范的接口。

2 OPC服務器設計與開發(fā)

2.1 軟件設計

基于工具包的面向PLC的OPC服務器開發(fā)的首要任務是設計OPC對象與接口、OPC服務器界面，然后進行OPC服務器與PLC的通信設計，以實現(xiàn)OPC服務器與PLC的數(shù)據(jù)交換，具體的軟件架構如圖1所示。

圖1 面向PLC的OPC服務器軟件架構

OPC對象與接口是OPC服務器與客戶端程序進行交互的部分。首先應進行OPC服務器對象設計，即定義服務器名稱ProgID和類標識符CLSID。服務器名稱ProgID可以自由確定；類標識符CLSID是一個128字節(jié)的數(shù)據(jù)，是用來標識一個COM對象的，可用微軟自帶的工具GUIDGEN.EXE快速確定。然后根據(jù)OPC項的管理要求設計OPC組對象，如果OPC項較少，可以直接利用工具包默認的一個OPC組對象。最后確定OPC項對象，一個OPC項可以對應于PLC內(nèi)存中的若干寄存器，一般根據(jù)PLC的具體控制要求進行設計，并確定可讀項與可寫項。

OPC服務器與PLC的通信模塊是面向PLC的OPC服務器的重要組成部分，OPC可讀項的數(shù)據(jù)就是通過該模塊采集PLC中相應寄存器的信息獲得的；OPC可寫項的數(shù)據(jù)就是通過該模塊寫入PLC中相應寄存器的。

服務器程序界面可以為用戶提供友好的交互平臺，便于觀察數(shù)據(jù)項的變化，以及對數(shù)據(jù)項進行管理和設置。

2.2 軟件開發(fā)

在采用工具包開發(fā)面向PLC的OPC服務器時，主要是利用工具包提供的API接口函數(shù)進行如下的操作：

1）工具包動態(tài)庫初始化

OPC服務器開始運行時，應進行工具包動態(tài)庫初始化，以及設置OPC服務器的最高刷新頻率，這是OPC服務器得以運行的基礎。

2）OPC服務器信息設置

主要是設置服務器的運行狀態(tài)、版本號、廠商信息等。

3）OPC項的創(chuàng)建與刪除

在OPC服務器開始運行時創(chuàng)建OPC項，在OPC服務器運行結束時刪除OPC項。

4）OPC項數(shù)據(jù)的更新

OPC服務器需要周期地更新OPC項的值、質量和時間戳，即將數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)更新到相應的OPC項。當客戶端程序請求寫數(shù)據(jù)時，OPC運行庫調用寫回調函數(shù)，并利用服務器與PLC的通信模塊將數(shù)據(jù)寫入PLC中的相應寄存器中；當客戶請求讀數(shù)據(jù)時，OPC運行庫調用讀回調函數(shù)，返回相應的OPC項的數(shù)據(jù)。

服務器與PLC的通信模塊是基于PLC的通信接口方式進行開發(fā)的。例如串口通信，其是根據(jù)PLC的通信協(xié)議采用串口通信控件或API函數(shù)編程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。

5）回調函數(shù)注冊

工具包中有三個回調函數(shù)：讀回調函數(shù)、寫回調函數(shù)和斷開回函數(shù)。只有注冊了這三個回調函數(shù)后，OPC服務器才能和客戶端程序按照OPC技術規(guī)范進行正常通信。

6）OPC服務器注冊和注銷

OPC服務器安裝到計算機后，首先應將服務器名稱ProgID和類標識符CLSID等信息進行注冊。在OPC服務器注冊后，OPC客戶端程序才能在本機或局域網(wǎng)上檢索到該OPC服務器，從而與該OPC服務器建立連接與數(shù)據(jù)交換。注銷是將計算機系統(tǒng)中的OPC服務器信息清除。

OPC服務器是一個進程外組件，其在運行過程中對工具包接口函數(shù)的調用流程如圖2所示。

圖2 工具包接口函數(shù)調用流程

3 設計實例

3.1 PLC控制對象

Denford公司的FMS（Flexible Manufacturing System）教學演示系統(tǒng)由一臺數(shù)控車床、一臺數(shù)控銑床、兩臺機器手和一條傳送帶組成，該系統(tǒng)可以通過數(shù)字I/O接口進行控制，各設備的I/O接口數(shù)如表1所示。

由表1可以看出，該FMS的控制器需要有13個數(shù)字輸入口采集設備的狀態(tài)信息，需要11個數(shù)字輸出口發(fā)送控制命令。歐姆龍公司生產(chǎn)的CPM1A-30CDR-A-V型PLC有18個數(shù)字輸入口和12數(shù)字輸出口，滿足該FMS控制的接口要求。為了滿足該FMS控制系統(tǒng)快速重構的要求，其控制系統(tǒng)必須是基于OPC規(guī)范接口的，即按照圖3所示的體系結構進行控制。因此，需要為圖3所示的PLC開發(fā)OPC服務器。

表1 Denford FMS硬件設備I/O接口

圖3 基于PLC和OPC的FMS控制系統(tǒng)

3.2 OPC服務器設計

由表1和圖3所示的CPM1A-30CDR-A-V型PLC控制對象的具體要求可知，該 OPC服務器主要與PLC的輸入與輸出口進行數(shù)據(jù)交換，因此，在該OPC服務器中設計定義了6個OPC項，其中4個OPC數(shù)據(jù)項為可讀項：TagIn0CH、TagIn1CH、TagIn10CH、TagIn11CH，分別用于讀取該PLC的輸入端000通道與001通道、輸出端010通道與011通道的數(shù)值，即采集FMS硬件設備的狀態(tài)信息；另外2個OPC數(shù)據(jù)項為可寫項：TagOut10CH、TagOut11CH，分別用于對該PLC的輸出端010通道與011通道寫數(shù)值，即向FMS硬件設備發(fā)送控制命令。

服務器與PLC的通信功能模塊是采用串口通信控件MSComm實現(xiàn)的，具體的通信協(xié)議是由CPM1A-PLC手冊中的讀出輸入輸出繼電器內(nèi)容和寫入輸入輸出繼電器區(qū)中的命令格式和響應格式確定的。

開發(fā)的OPC服務器主界面如圖4所示，具有注冊和注銷、OPC項的創(chuàng)建與刪除、OPC項數(shù)據(jù)的更新等功能。在該OPC服務器安裝、注冊后，利用圖4所示的OPC客戶端軟件進行了性能測試，結果表明該OPC 服務器符合OPC接口規(guī)范要求，可以在本機或局域網(wǎng)上進行訪問，滿足圖3所示的FMS控制要求。

圖4 CPM1A-30CDR型 PLC的OPC服務器界面

4 結束語

本文研究了面向PLC的OPC服務器的快速實現(xiàn)方法，設計了一用于Denford公司FMS控制的PLC的OPC服務器，運行結果表明采用本文研究的方法所開發(fā)的OPC服務器符合OPC技術規(guī)范要求，具有一定的工程應用價值。

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