李紹成，馬連祥

（南京林業(yè)大學(xué) 木材工業(yè)學(xué)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(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、體積小、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)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(hào)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為此，需要設(shè)計(jì)、開發(fā)面向PLC的OPC服務(wù)器。

1 OPC服務(wù)器開發(fā)工具

面向PLC的OPC服務(wù)器開發(fā)需要完成以下兩個(gè)方面工作：一方面，需要根據(jù)PLC的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)服務(wù)器軟件與PLC的數(shù)據(jù)交換；另一方面，需要合理設(shè)計(jì)服務(wù)器軟件的架構(gòu)與接口，使之符合OPC技術(shù)規(guī)范。

由于OPC服務(wù)器是基于COM技術(shù)的，這就要求程序設(shè)計(jì)人員必須非常熟悉COM技術(shù)，而精通COM技術(shù)是有一定難度的，因此，OPC服務(wù)器的源碼級(jí)開發(fā)是相當(dāng)復(fù)雜的，一般由專業(yè)的軟件公司進(jìn)行開發(fā)[4,5]。

為了便于OPC技術(shù)的推廣和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外許多單位推出了OPC服務(wù)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(shù)和OPC的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)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(wù)上，從而簡(jiǎn)化了OPC服務(wù)器的開發(fā)。

基于工具包的OPC服務(wù)器開發(fā)，主要任務(wù)是熟悉工具包的API接口函數(shù)，通過(guò)調(diào)用工具包的API接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器的功能，為應(yīng)用軟件提供符合OPC規(guī)范的接口。

2 OPC服務(wù)器設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

基于工具包的面向PLC的OPC服務(wù)器開發(fā)的首要任務(wù)是設(shè)計(jì)OPC對(duì)象與接口、OPC服務(wù)器界面，然后進(jìn)行OPC服務(wù)器與PLC的通信設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器與PLC的數(shù)據(jù)交換，具體的軟件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 面向PLC的OPC服務(wù)器軟件架構(gòu)

OPC對(duì)象與接口是OPC服務(wù)器與客戶端程序進(jìn)行交互的部分。首先應(yīng)進(jìn)行OPC服務(wù)器對(duì)象設(shè)計(jì)，即定義服務(wù)器名稱ProgID和類標(biāo)識(shí)符CLSID。服務(wù)器名稱ProgID可以自由確定；類標(biāo)識(shí)符CLSID是一個(gè)128字節(jié)的數(shù)據(jù)，是用來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)COM對(duì)象的，可用微軟自帶的工具GUIDGEN.EXE快速確定。然后根據(jù)OPC項(xiàng)的管理要求設(shè)計(jì)OPC組對(duì)象，如果OPC項(xiàng)較少，可以直接利用工具包默認(rèn)的一個(gè)OPC組對(duì)象。最后確定OPC項(xiàng)對(duì)象，一個(gè)OPC項(xiàng)可以對(duì)應(yīng)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(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定可讀項(xiàng)與可寫項(xiàng)。

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

服務(wù)器程序界面可以為用戶提供友好的交互平臺(tái)，便于觀察數(shù)據(jù)項(xiàng)的變化，以及對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行管理和設(shè)置。

2.2 軟件開發(fā)

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

1）工具包動(dòng)態(tài)庫(kù)初始化

OPC服務(wù)器開始運(yùn)行時(shí)，應(yīng)進(jìn)行工具包動(dòng)態(tài)庫(kù)初始化，以及設(shè)置OPC服務(wù)器的最高刷新頻率，這是OPC服務(wù)器得以運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2）OPC服務(wù)器信息設(shè)置

主要是設(shè)置服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)、版本號(hào)、廠商信息等。

3）OPC項(xiàng)的創(chuàng)建與刪除

在OPC服務(wù)器開始運(yùn)行時(shí)創(chuàng)建OPC項(xiàng)，在OPC服務(wù)器運(yùn)行結(jié)束時(shí)刪除OPC項(xiàng)。

4）OPC項(xiàng)數(shù)據(jù)的更新

OPC服務(wù)器需要周期地更新OPC項(xiàng)的值、質(zhì)量和時(shí)間戳，即將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)更新到相應(yīng)的OPC項(xiàng)。當(dāng)客戶端程序請(qǐng)求寫數(shù)據(jù)時(shí)，OPC運(yùn)行庫(kù)調(diào)用寫回調(diào)函數(shù)，并利用服務(wù)器與PLC的通信模塊將數(shù)據(jù)寫入PLC中的相應(yīng)寄存器中；當(dāng)客戶請(qǐng)求讀數(shù)據(jù)時(shí)，OPC運(yùn)行庫(kù)調(diào)用讀回調(diào)函數(shù)，返回相應(yīng)的OPC項(xiàng)的數(shù)據(jù)。

服務(wù)器與PLC的通信模塊是基于PLC的通信接口方式進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。

5）回調(diào)函數(shù)注冊(cè)

工具包中有三個(gè)回調(diào)函數(shù)：讀回調(diào)函數(shù)、寫回調(diào)函數(shù)和斷開回函數(shù)。只有注冊(cè)了這三個(gè)回調(diào)函數(shù)后，OPC服務(wù)器才能和客戶端程序按照OPC技術(shù)規(guī)范進(jìn)行正常通信。

6）OPC服務(wù)器注冊(cè)和注銷

OPC服務(wù)器安裝到計(jì)算機(jī)后，首先應(yīng)將服務(wù)器名稱ProgID和類標(biāo)識(shí)符CLSID等信息進(jìn)行注冊(cè)。在OPC服務(wù)器注冊(cè)后，OPC客戶端程序才能在本機(jī)或局域網(wǎng)上檢索到該OPC服務(wù)器，從而與該OPC服務(wù)器建立連接與數(shù)據(jù)交換。注銷是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的OPC服務(wù)器信息清除。

OPC服務(wù)器是一個(gè)進(jìn)程外組件，其在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)工具包接口函數(shù)的調(diào)用流程如圖2所示。

圖2 工具包接口函數(shù)調(diào)用流程

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 PLC控制對(duì)象

Denford公司的FMS（Flexible Manufacturing System）教學(xué)演示系統(tǒng)由一臺(tái)數(shù)控車床、一臺(tái)數(shù)控銑床、兩臺(tái)機(jī)器手和一條傳送帶組成，該系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)字I/O接口進(jìn)行控制，各設(shè)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(gè)數(shù)字輸入口采集設(shè)備的狀態(tài)信息，需要11個(gè)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(gè)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(gòu)的要求，其控制系統(tǒng)必須是基于OPC規(guī)范接口的，即按照?qǐng)D3所示的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。因此，需要為圖3所示的PLC開發(fā)OPC服務(wù)器。

表1 Denford FMS硬件設(shè)備I/O接口

圖3 基于PLC和OPC的FMS控制系統(tǒng)

3.2 OPC服務(wù)器設(shè)計(jì)

由表1和圖3所示的CPM1A-30CDR-A-V型PLC控制對(duì)象的具體要求可知，該 OPC服務(wù)器主要與PLC的輸入與輸出口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此，在該OPC服務(wù)器中設(shè)計(jì)定義了6個(gè)OPC項(xiàng)，其中4個(gè)OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)為可讀項(xiàng)：TagIn0CH、TagIn1CH、TagIn10CH、TagIn11CH，分別用于讀取該P(yáng)LC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(shè)備的狀態(tài)信息；另外2個(gè)OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)為可寫項(xiàng)：TagOut10CH、TagOut11CH，分別用于對(duì)該P(yáng)LC的輸出端010通道與011通道寫數(shù)值，即向FMS硬件設(shè)備發(fā)送控制命令。

服務(wù)器與PLC的通信功能模塊是采用串口通信控件MSComm實(shí)現(xiàn)的，具體的通信協(xié)議是由CPM1A-PLC手冊(cè)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(yīng)格式確定的。

開發(fā)的OPC服務(wù)器主界面如圖4所示，具有注冊(cè)和注銷、OPC項(xiàng)的創(chuàng)建與刪除、OPC項(xiàng)數(shù)據(jù)的更新等功能。在該OPC服務(wù)器安裝、注冊(cè)后，利用圖4所示的OPC客戶端軟件進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果表明該OPC 服務(wù)器符合OPC接口規(guī)范要求，可以在本機(jī)或局域網(wǎng)上進(jìn)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(wù)器界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了面向PLC的OPC服務(wù)器的快速實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了一用于Denford公司FMS控制的PLC的OPC服務(wù)器，運(yùn)行結(jié)果表明采用本文研究的方法所開發(fā)的OPC服務(wù)器符合OPC技術(shù)規(guī)范要求，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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