CN104932364A - 一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置及方法 - Google Patents

一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置，包括：OPC UA地址空间管理模块、地址空间浏览模块、数据读写模块、数据订阅模块、OPC UA通讯模块、参数配置模块、Modbus串口通讯处理模块、Modbus/TCP通讯处理模块；一种Modbus通讯协议的OPC UA的数据转换方法，将Modbus通讯协议转换为OPC UA协议，将多个基于串行通讯或TCP通讯的Modbus设备封装成一个OPC UA服务器，符合OPC UA协议的OPC UA客户端程序均按照OPC UA规范对这些Modbus设备的数据进行读、写、订阅操作。将新的技术标准OPC UA技术引入Modbus通讯协议的设备，使Modbus设备可以直接按照OPC UA标准采集、修改Modbus设备的数据，使用Modbus通讯协议的设备无需进行软硬件的改变，就能在新的标准中正常运行。

Description

一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置及方法
技术领域
本发明涉及计算机自动控制领域，特别涉及一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置及方法。
背景技术
随着计算机技术的进一步发展,计算机在自动控制领域中日益发挥着重要的作用，工业控制中的各种仪器、仪表和单片机系统等都提供了与计算机的通讯协议,从而为计算机控制系统的设计提供了极大的方便.但是在OPC技术出现以前,计算机测控系统使用的智能仪表设备、分布式I/O模块、PLC等设备来自于不同的生产商，而各生产商为了各自的商业利益，没有遵循统一的接口规范，造成了设备之间的通信异常复杂，难以实现现场设备与上层控制软件间的信息交互和各现场设备间的直接互联与互操作，因此限制了计算机测控系统开放性、通用性的提高。工业控制领域用到大量的现场设备,都存在着上层软件和下层硬件的不一致性,对于不同的设备都要开发不同的驱动程序，这样就造成了硬件生产商和软件开发商之间产品的兼容性问题，并且用户对于硬件设备和软件的选用都受到了很大的限制,只能局限于专用的硬件设备厂商和软件厂商，为了满足实际工作需要,硬件生产商和软件开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性和互操作性的即插即用的设备驱动程序，在这种形式的要求下,OPC基 金会的OPC标准的出现解决了上述问题，但传统的OPC技术有很多缺点，如平台依赖微软、安全性差、数据信息单一等，目前已推出了新一代的OPC标准OPC UA(OPC统一构架)。OPC UA标准是OPC基金会2006年推出的一个新的工业软件应用接口规范，是企业软件架构的一个全新方向，主要目标是建立更丰富的数据模型与平台的独立性，以及提高工厂底层和企业系统之间的集成支持，实现了跨平台、跨网络传输数据，具有广阔的发展前景。
Modbus通讯协议是应用于工业设备层最广泛的通讯标准，国内外大多数PLC、DCS、数据采集模块和控制设备都使用Modbus通讯协议。目前已有将基于PC的Modbus协议的OPC服务器，但没有专门将OPC UA技术和Modbus技术紧密结合组成一个装置的技术和方法；为了使这些使用Modbus通讯协议的设备适用于新一代OPC UA技术，本发明将使用Modus通讯协议的设备(以下简称Modbus设备)通过专门设计的转换装置将其封装成一个OPC UA服务器，为其它厂商的OPC UA客户机提供数据服务，任何使用OPC UA标准的客户端程序无需改动即可采用统一的方式访问Modbus设备的数据信息,大大提高了控制系统的互操作性和适应性。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置及其方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置，包括：OPC UA地 址空间管理模块、地址空间浏览模块、数据读写模块、数据订阅模块、OPC UA通讯模块、参数配置模块、Modbus串口通讯处理模块、Modbus/TCP通讯处理模块；
Modbus/TCP通讯处理模块连接RJ45网络接口，并与OPC UA地址空间相连，OPC UA地址空间分别连接配置文件、参数配置模块、地址空间浏览模块、数据读写模块、数据订阅模块、OPC UA地址空间管理模块和Modbus串口通讯处理模块，Modbus串口通讯处理模块分别连接RS-232串口和RS-485串口，参数配置模块连接触摸屏，地址空间浏览模块、数据读写模块、数据订阅模块和OPC UA地址空间管理模块分别连接OPC UA通讯模块，OPC UA通讯模块经RJ45网络接口与OPC UA地址空间配置模块连接；
其中OPC UA地址空间管理模块以所连接的Modbus设备为基础建立和管理OPC UA地址空间，形成OPC UA信息模型； 
地址空间浏览模块用来实现OPC UA客户端根据地址空间中各节点的关系浏览空间中的各个节点信息；
数据读写模块用来实现客户端读写地址空间节点的功能；
数据订阅模块用来实现客户端对地址空间节点的数据变化进行通知、报警功能；
OPC UA通讯模块由OPC UA协议栈构成，完成OPC UA服务器和客户端数据序列化、签名、加密、传输功能；
参数配置模块对各种参数包括对所连接Modbus设备的接口参数、设备作为OPC UA服务器的各种参数进行配置；
Modbus串口通讯处理模块用来建立OPC UA节点和基于串口相连的Modbus设备寄存器建立对应关系，构造命令数据帧通过串口发 送给设备，并处理设备返回的数据帧；
Modbus/TCP通讯处理模块用来建立OPC UA节点和网口相连的使用Modbus/TCP协议的设备寄存器建立对应关系，构造命令数据帧通过网络接口发送给设备，并处理设备返回的数据帧。
进一步的，本转换装置通过串口与基于串行通讯的Modbus设备进行了连接，通过RS232接口连接一个基于RS232通讯方式的Modbus设备相连，通过RS485接口和多个基于RS485通讯方式的Modbus设备相连。通过网口和基于TCP通讯协议的Modus设备相连，若有多个设备，将它们先连接到一个交换机，再将交换机与转换装置通过网口相连。
一种Modbus通讯协议的OPC UA的数据转换方法，将Modbus通讯协议转换为OPC UA协议，将多个基于串行通讯或TCP通讯的Modbus设备封装成一个OPC UA服务器，符合OPC UA协议的OPC UA客户端程序均按照OPC UA规范对这些Modbus设备的数据进行读、写、订阅操作。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：将新的技术标准OPC UA技术引入Modbus通讯协议的设备，使Modbus设备可以直接按照OPC UA标准采集、修改Modbus设备的数据，使用Modbus通讯协议的设备无需进行软硬件的改变，就能在新的标准中正常运行。
由于OPC UA的平台无关性，本发明将OPC UA技术移植到嵌入式系统中，嵌入式OPC UA的通讯模式省去了在控制层之上基于PC的与现场层数据一一对应的OPC UA Sever,在操作层或更高的管理层，可以通过一台支持OPC UA的客户端实时地、直接访问本发明的装置，即可得到支持Modbus协议的现场设备的数据了，期间没有 任何数据的格式变化与损失。同时本发明设计实现了图形化界面的OPC UA地址空间编辑器，根据系统配置自动按照OPC UA规范生成OPC UA地址空间，建立OPC UA信息模型，并可在图形化界面下，对OPC UA地址空间进行操作，利用键盘输入、鼠标拖拉等操作，可以方便地对OPC UA地址空间的节点、节点之间的关系进行建立、修改、删除等操作。
附图说明
图1为本发明的外部接口示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为本发明连接不同类型的Modbus设备，封装为OPC UA服务器的系统逻辑结构图。
图4为本发明作为OPC UA服务器建立的OPC UA信息模型的结构示意图
图中：1-RJ45网络接口，2-RJ45网络接口，3-RS-232串口，4-RS-485串口，5-OPC UA地址空间浏览模块，6-数据读写模块，7-数据订阅模块，8-OPC UA地址空间，9-Modbus/TCP通讯处理模块组成，10-Modbus串口通讯处理模块，11-配置模块，12-触摸屏，13-配置文件，14-OPC UA通讯模块，15-OPC UA地址空间管理模块，16-OPC UA地址空间配置模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
如图2所示：一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置，包括： OPC UA地址空间管理模块15、地址空间浏览模块5、数据读写模块6、数据订阅模块7、OPC UA通讯模块14、参数配置模块11、Modbus串口通讯处理模块10、Modbus/TCP通讯处理模块9；
Modbus/TCP通讯处理模块9连接RJ45网络接口2，并与OPC UA地址空间8相连，OPC UA地址空间8分别连接配置文件13、参数配置模块11、地址空间浏览模块5、数据读写模块6、数据订阅模块7、OPC UA地址空间管理模块15和Modbus串口通讯处理模块10，Modbus串口通讯处理模块10分别连接RS-232串口3和RS-485串口4，参数配置模块11连接触摸屏12，地址空间浏览模块5、数据读写模块6、数据订阅模块7和OPC UA地址空间管理模块15分别连接OPC UA通讯模块14，OPC UA通讯模块14经RJ45网络接口1与OPC UA地址空间配置模块16及OPC UA客户连接；
其中OPC UA地址空间管理模块15以所连接的Modbus设备为基础建立和管理OPC UA地址空间，形成OPC UA信息模型； 
地址空间浏览模块5用来实现OPC UA客户端根据地址空间中各节点的关系浏览空间中的各个节点信息；
数据读写模块6用来实现客户端读写地址空间节点的功能；
数据订阅模块7用来实现客户端对地址空间节点的数据变化进行通知、报警功能；
OPC UA通讯模块14由OPC UA协议栈构成，完成OPC UA服务器和客户端数据序列化、签名、加密、传输功能；
参数配置模块11对各种参数包括对所连接Modbus设备的接口参数、设备作为OPC UA服务器的各种参数进行配置；
Modbus串口通讯处理模块10用来建立OPC UA节点和基于串 口相连的Modbus设备寄存器建立对应关系，构造命令数据帧通过串口发送给设备，并处理设备返回的数据帧；
Modbus/TCP通讯处理模块9用来建立OPC UA节点和网口相连的使用Modbus/TCP协议的设备寄存器建立对应关系，构造命令数据帧通过网络接口发送给设备，并处理设备返回的数据帧。
进一步的，如图3所示，本转换装置通过串口与基于串行通讯的Modbus设备进行了连接，通过RS232接口连接一个基于RS232通讯方式的Modbus设备相连，通过RS485接口和多个基于RS485通讯方式的Modbus设备相连。通过网口和基于TCP通讯协议的Modus设备相连，若有多个设备，将它们先连接到一个交换机，再将交换机与转换装置通过网口相连。
一种Modbus通讯协议的OPC UA的数据转换方法，将Modbus通讯协议转换为OPC UA协议，将多个基于串行通讯或TCP通讯的Modbus设备封装成一个OPC UA服务器，符合OPC UA协议的OPC UA客户端程序均按照OPC UA规范对这些Modbus设备的数据进行读、写、订阅操作。
本发明的装置的外部接口示意图如图1所示：
在装置运行之前，需要连接Modbus设备并由设备管理员进行各种参数配置。管理员通过触摸屏12对转换装置的OPC UA参数和通讯端口参数进行设置，包括OPC UA服务器IP地址、端口号、安全策略等，串行通讯端口的波特率、奇偶校验位、数据位、停止位等参数进行设置，以上功能由参数配置模块11完成；通过专用OPC UA客户端配置所连接的Modbus设备，主要包括每个接口连接的设备数目，每个设备的IP地址(对于通过网口连接的设备)、从站地址(设 备号)、编码格式(RTU或ASCII)等；OPC UA地址空间管理模块15用来实现节点的建立、插入、删除、增加和删除节点之间的关系(Reference)。
OPC UA地址空间配置模块16为一个专用的OPC UA客户端程序，它由具有管理员权限的用户操作，具有对地址空间节点进行建立、删除、增加和删除节点间关系的权限，运行在网络中的计算机，具有人机交互的图形界面，将以图形的方式显示地址空间的节点以及它们之间的关系，通过键盘输入、鼠标点击与拖拉操作方便地对地址空间的节点与它们之间的关系进行操作。通过OPC UA通讯模块14连接到服务器，调用OPC UA地址空间管理模块15来对OPC UA地址空间进行配置。
本发明的一种实施例中，一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置，包括：一个嵌入式开发板，上面集成的主要原件有S3C6410A CPU，1GB DDR RAM，用来实现嵌入式OPC UA服务端程序；1GB Nand Flash，用来存放OPC UA参数和各个端口的参数配置；两个100M以太网RJ45接口(采用DM9000网卡芯片)，一个RS232串行通讯口，一个RS485串行通讯口,用来和具体的Modbus设备相连，一个RJ45网络接口用来连接网络，供连接在局域网或互联网上的OPC UA客户端访问，另一个RJ45接口用来连接基于TCP通讯的Modbus设备，串行通讯接口(RS232接口和RS485接口)分别用来连接不同接口类型的串行通讯Modbus设备；开发板集成了一个7寸LCD触摸屏，通过触摸屏用来对OPC UA参数和端口参数进行配置。
本发明的工作原理为：
1)建立和修改数据监控点：由管理用户选择连接串行接口或TCP网口的Modbus设备，输入各个数据监控点的Modbus设备的寄存器地址、寄存器类型、数据类型等信息。系统自动为其建立OPC UA的DataVariable(数据变量)节点，节点的默认显示名(BrowseName和DisplayName)由系统自动编号设定，管理员可根据寄存器具体表示内容更改显示名。
2)系统根据配置信息和监控数据点自动建立地址空间，默认的信息模型如图4所示，每个设备映射为一个OPC UA的Object节点(Node)，将每个接口的设备分为一组，每个设备的寄存器按照Modbus寄存器类型(输入寄存器、保持寄存器，开关量寄存器)分组，组织为一个树形结构的子节点，各分支节点的类型为FolderType，每个设备映射为一个OPC UA Object类型节点，每个数据监控点映射为一个OPC UA DataVarible(数据变量)类型节点，节点的显示名由系统默认编号确定，相同接口的每个设备的寄存器放至一颗子树下，将相同类型的寄存器组织为一个树形结构的子节点。设计继承ObjectsTypes(物体类型)的类型节点DeviceType(设备类型),将每个设备的属性信息(设备的连接方式、连接参数)设计为Property(属性)类型节点，和每个Property节点通过HasProperty引用类型连接，设备节点通过HasTypeDefination类型引用同DeviceType节点进行连接，所以各设备节点为DeviceType节点的实例化节点，具有 DeviceType相同的所有Property节点，其属性值由OPC UA地址空间配置模块16得到的数据填充。设计继承DataVariableTypes(数据变量类型)的类型节点RegisterValueType(寄存器值类型),将寄存器的属性信息(Modbus寄存器类型、寄存器地址)设计为Property类型节点，和每个Property节点通过HasProperty引用类型连接，寄存器节点通过HasTypeDefination类型引用同RegisterType节点进行连接，所以各寄存器节点为RegisterType节点的实例化节点，具有RegisterType相同的所有Property节点，其属性值由OPC UA地址空间配置模块16得到的数据填充。地址空间管理模块提供图形化人机界面接口，设计并实现了OPC UA地址空间的图形化编辑器，可以按实际要求增加或删除FolderType类型节点，更改节点显示名，增加或删除节点之间的Reference来重新组织地址空间结构。
配置好地址空间后，将地址空间的配置信息以配置文件13的形式存放到Nand Flash，配置文件为XML文件格式，存放地址空间的结构，以后在装置启动时申请内存空间，将用户配置的结构文档导入，建立OPC UA地址空间8，如需改动地址空间，需要管理用户重新通过客户端电脑以管理员身份登陆，调用OPC UA地址空间配置模块16运行，将更改后的组织结构存入结构文档中，配置期间，暂停对其它OPC UA客户端的服务。
配置好装置后，将本装置通过RJ45网络接口1连接到网络中，等待OPC UA客户端相连；OPC UA客户端通过网络连接到本装置中，客户端和服务器端通过OPC UA通讯模块14建立连接，由OPC UA 协议栈构成。客户端如浏览地址空间，则通过地址空间浏览模块5向OPC UA地址空间8获取数据，向客户端返回地址空间节点信息；客户端如读写节点数据，则通过数据读写模块6向OPC UA地址空间8发出读写命令，OPC UA地址空间管理模块根据节点的层次结构和属性值，确定和Modbus设备寄存器的对应关系，根据相应设备的连接方式，由Modbus/TCP通讯处理模块9或Modbus串口通讯处理模块10，构建Modbus数据读写命令帧，通过RJ45网络接口2(Modbus/TCP设备)或RS-232串口3或RS-485串口4向设备发送，并接收Modbus响应数据帧，通过Modbus/TCP通讯处理模块9，Modbus串口通讯处理模块10，返回到OPC UA地址空间8处理后，通过数据读写模块6将结果传输到客户端；当客户端要订阅节点时，则通过7数据订阅模块，向OPC UA地址空间8中相应节点发出订阅，OPC UA地址空间8将根据数据采集频率，定时调用数据读写模块6，更新节点的数据值。当节点的属性值发生变化达到所设警戒值后通过数据订阅模块7向客户端发出报警通知。Modbus/TCP通讯处理模块9和Modbus串口通讯处理模块10的Modbus寄存器建立了对应关系，按照OPC UA规范实现Read和Write服务。具体流程如下：
Read服务：当得到读节点请求服务时，将根据节点和寄存器对应关系找到对应寄存器地址，由于一条Modbus命令可同时操作地址连续的多个寄存器，因此，将节点对应的地址连续的寄存器分成一组，统一生成一条读命令的Modbus协议数据单元(PDU)，包括：分站号、读功能码、起始寄存器地址，寄存器数量，根据Modbus数据传输类 型(RTU，ASCII，或TCP)，以PDU为基础生成不同传输类型的Modbus数据帧，通过相应端口向Modbus设备发出读请求；当收到设备的响应的数据帧后，分析响应PDU，如成功则取出相应信息，更新相应OPC UA节点的属性值。
Write服务：Modbus数据帧生成过程和Read服务类似，当得到写节点请求服务时，找到对应寄存器地址，填写Modbus协议数据单元，生成数据帧，向Modbus设备发出写请求；当收到设备的响应后，分析响应PDU，返回结果状态。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种Modbus通讯协议的OPC UA转换装置，其特征在于，包括：OPC UA地址空间管理模块(15)、地址空间浏览模块(5)、数据读写模块(6)、数据订阅模块(7)、OPC UA通讯模块(14)、参数配置模块(11)、Modbus串口通讯处理模块(10)、Modbus/TCP通讯处理模块(9)；
Modbus/TCP通讯处理模块(9)连接RJ45网络接口(2)，并与OPC UA地址空间(8)相连，OPC UA地址空间(8)分别连接配置文件(13)、参数配置模块(11)、地址空间浏览模块(5)、数据读写模块(6)、数据订阅模块(7)、OPC UA地址空间管理模块(15)和Modbus串口通讯处理模块(10)，Modbus串口通讯处理模块(10)分别连接RS-232串口(3)和RS-485串口(4)，参数配置模块(11)连接触摸屏(12)，地址空间浏览模块(5)、数据读写模块(6)、数据订阅模块(7)和OPC UA地址空间管理模块(15)分别连接OPCUA通讯模块(14)，OPC UA通讯模块(14)经RJ45网络接口(1)与OPC UA地址空间配置模块(16)以及OPC UA客户端连接；
其中OPC UA地址空间管理模块(15)以所连接的Modbus设备为基础建立和管理OPC UA地址空间，形成OPC UA信息模型；
地址空间浏览模块(5)用来实现OPC UA客户端根据地址空间中各节点的关系浏览空间中的各个节点信息；
数据读写模块(6)用来实现客户端读写地址空间节点的功能；
数据订阅模块(7)用来实现客户端对地址空间节点的数据变化进行通知、事件报警功能；
OPC UA通讯模块(14)由OPC UA协议栈构成，完成OPC UA服务器和客户端数据序列化、签名、加密、传输功能；
参数配置模块(11)对各种参数包括对所连接Modbus设备的接口参数、设备作为OPC UA服务器的各种参数进行配置；
Modbus串口通讯处理模块(10)用来建立OPC UA节点和基于串口相连的Modbus设备寄存器建立对应关系，构造命令数据帧通过串口发送给设备，并处理设备返回的数据帧；
Modbus/TCP通讯处理模块(9)用来建立OPC UA节点和网口相连的使用Modbus/TCP协议的设备寄存器建立对应关系，构造命令数据帧通过网络接口发送给设备，并处理设备返回的数据帧。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，本装置通过串口与基于串行通讯的Modbus设备进行了连接，通过RS232接口连接一个基于RS232通讯方式的Modbus设备相连，通过RS485接口和多个基于RS485通讯方式的Modbus设备相连，通过网口和基于TCP通讯协议的Modus设备相连，若有多个设备，将它们先连接到一个交换机，再将交换机与转换装置通过网口相连。
3.基于权利要求1或2装置的一种Modbus通讯协议的OPC UA的数据转换方法，其特征在于，将Modbus通讯协议转换为OPC UA协议，将多个基于串行通讯或TCP通讯的Modbus设备封装成一个OPC UA服务器，符合OPC UA协议的OPC UA客户端程序均按照OPC UA规范对这些Modbus设备的数据进行读、写、订阅操作。
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