OPCUA，OPCDA与MODBUS学习笔记

MODBUS与OPC之间的关系是什么？

前言

OPC协议（OLE for Process Control，即过程控制的OLE）是一种标准化的通信协议，旨在帮助不同厂商的设备、控制系统和软件之间进行数据交换。OPC协议的目标是提供一种统一的接口，使得各种不同品牌、类型的硬件设备可以方便地与上层软件（如SCADA系统、HMI界面、监控系统等）进行无缝对接。
OPC协议最初由Microsoft和一批工业自动化厂商合作开发，基于Windows平台，目的是为了解决传统工业控制系统中不同硬件和软件之间的兼容性问题。OPC协议如今已经发展出了多个版本，最常见的包括：

• OPC DA（Data Access）：主要用于实时数据的获取和传输。
• OPC HDA（Historical Data Access）：用于历史数据的存储和查询。
• OPC A&E（Alarms & Events）：用于报警和事件的处理。
• OPC UA（Unified Architecture）：是一种更为现代化的协议，具有更强的安全性、跨平台支持和灵活的数据模型。

Modbus协议是一种非常经典的工业通信协议，由Modicon公司（现为施耐德电气）在1979年开发。Modbus最初设计用于工业设备之间的通信，尤其是在可编程逻辑控制器（PLC）与其他设备（如传感器、执行器）之间的数据传输。Modbus协议是一种简单、易于实现的协议，因此它被广泛应用于各种工业自动化系统中。
Modbus协议有多种实现方式，常见的包括：

• Modbus RTU（Remote Terminal Unit）：基于串行通信（如RS-232或RS-485）实现的数据传输方式。
• Modbus TCP：基于以太网协议的Modbus实现方式，适用于网络环境中的设备通信。
• Modbus ASCII：以ASCII码格式传输数据的Modbus协议形式，较少使用。

1. OPC协议与Modbus协议的主要区别

1.1 协议类型与通信模式

OPC协议：OPC协议是一种高级协议，它通常在软件层面工作，作为设备和控制系统之间的桥梁，主要用于不同厂商设备的互联互通。OPC协议支持多种通信模式，如客户端/服务器模式，并且可以处理更复杂的数据交换。OPC协议可以处理实时数据、历史数据、报警数据等多种类型的数据。

Modbus协议：Modbus协议是一种低级协议，它更注重设备之间的直接通信。Modbus通常用于设备和PLC之间的点对点通信，适用于较为简单的控制和数据传输。Modbus通常使用主从模式（Master/Slave），即一个主设备（通常是PLC或控制系统）与多个从设备（如传感器、执行器）进行通信。

1.2 数据传输的复杂性

OPC协议：OPC协议支持复杂的数据结构，能够传输实时数据、历史数据、报警信息、事件信息等。它允许在同一协议下处理多种类型的数据，并提供丰富的功能接口，适用于复杂的工业自动化系统。

Modbus协议：Modbus协议的数据结构较为简单，主要用于传输基本的数据类型（如整数、浮点数、开关量等）。它的数据模型比较简单，通常只支持设备的状态信息和控制指令，适合用于简单的设备之间的控制和监测。

1.3 设备支持与兼容性

OPC协议：OPC协议的最大优势之一是它的广泛兼容性。它支持不同厂家、不同品牌的设备和软件之间的数据交换，通常用于系统集成和软件层面的数据交换。OPC协议能够连接多种工业设备，如PLC、传感器、变频器、机器人等，不同设备之间通过OPC接口可以无缝地进行数据交换。

Modbus协议：Modbus协议通常用于设备与设备之间的通信，特别是在PLC和各种现场设备（如传感器、执行器）之间的通信。Modbus的兼容性也很好，但它通常需要特定的硬件接口（如RS-485串口、以太网等）才能正常工作。

1.4 安全性

OPC协议：OPC协议特别是在OPC UA版本中，安全性较强。OPC UA内置了加密、认证和授权等安全功能，适合用于大规模、分布式的工业自动化系统，确保数据交换的安全性和可靠性。

Modbus协议：Modbus协议本身并没有内置安全功能，数据传输过程中的安全性较差，容易受到网络攻击和篡改。因此，在使用Modbus时，通常需要额外的安全措施，如VPN、防火墙等。

1.5 跨平台支持

OPC协议：OPC UA支持跨平台运行，可以在不同操作系统（如Windows、Linux、Android等）上运行，适应更为复杂的现代工业环境。

Modbus协议：Modbus协议本身是基于硬件接口（如串口、以太网等）工作的，因此它并不依赖于操作系统，通常在设备层面实现，但它对于跨平台支持的灵活性较低，主要是在本地网络或专用设备间使用。

2. OPC

OPC（Open Platform Communications，以前称为 OLE for Process Control）是一组软件技术，为控制各种设备和交换数据提供单一、统一的接口。OPC 规范由国际非营利组织 OPC 基金会制定，该组织于 1994 年由领先的工业自动化产品制造商制定。创建 OPC 的目标是为工程师提供一个通用接口来控制各种设备。

通过实现对 OPC 客户端的支持，SCADA 系统开发人员摆脱了为各种设备支持数百个驱动程序的需要，设备制造商通过添加 OPC 服务器，确信他们的产品可以被任何 SCADA 系统的用户使用。

OPC 技术包括多个标准，这些标准描述了用于特定目的的一组功能。

2.1 OPC现行标准

• **OPC DA（数据访问）**是最常见的标准，它描述了一组与 PLC、DCS、HMI、CNC 和其他设备进行实时数据交换的功能。
• OPC HDA（历史数据访问）提供对已保存数据和历史的访问。
• OPC AE（警报和事件）为各种事件提供按需通知功能：紧急情况、操作员操作、信息消息等。
• OPC Batch提供工艺过程的步骤和配方控制功能。
• **OPC DX (Data eXchange)**提供通过以太网在 OPC 服务器之间组织数据交换的功能。该标准的主要目的是为来自不同制造商的设备和程序之间的数据交换创建网关。
• OPC 安全定义了组织客户端对 OPC 服务器数据的访问权限的功能。
• **OPC XML-DA（XML 数据访问）**提供了一种灵活的、规则驱动的格式，用于通过 XML、SOAP 和 HTTP 交换数据。
• OPC 复杂数据是一组针对 OPC DA 和 XML-DA 的附加规范，允许服务器处理复杂数据类型，例如二进制结构和 XML 文档。
• OPC 命令是一组编程接口，允许 OPC 客户端和服务器识别、发送和控制在控制器或 I/O 模块中执行的命令。
• **OPC UA（统一架构）**是不基于 Microsoft COM 技术的最新规范，它提供了跨平台兼容性。

最普遍的标准是 OPC DA，但它有一个明显的缺点。在其发展时，它建立在当时的现代 Windows 技术之上：OLE、ActiveX、COM/DCOM，但此后行业发生了变化，其他操作系统和技术也开始流行。因此，使 OPC 技术独立于平台，并在开放的跨平台技术上开发了 OPC UA（统一架构）标准。

通常，OPC 技术用于在控制器和 SCADA 系统之间交换数据，但也可以在过程控制系统的不同级别组织复杂的系统。

OPC 由两部分组成：OPC 客户端和 OPC 服务器。OPC 服务器软件通过现场总线通过设备驱动程序轮询各种设备。OPC 客户端软件通常内置于 SCADA 系统中，旨在从 OPC 服务器接收数据。

在这里，我们可以将 ACS 的几个级别可视化：

• 较低的级别是现场总线和单独的控制器
• 中间层是店铺网络
• APCS 级别是 SCADA 类型系统的操作级别
• MICS级别是企业资源管理应用、ERP、MES的级别

这些层中的每一层都可以由 OPC 服务器提供服务，将数据提供给更高层的 OPC 客户端或相邻设备。

2.2 OPC DA 服务器的工作原理

OPC DA 服务器在客户端程序（通常是 SCADA 系统）和终端设备之间提供数据交换（写入和读取）。OPC 中的数据是具有某些属性的标签变量。变量可以是 OLE 中允许的任何类型：各种整数和实数类型、布尔值、字符串、日期、数组等。属性可以是必需的、推荐的或自定义的。

必需的变量属性：

• 变量的当前值、它的类型和访问权限（读和/或写）。
• 变量的质量取决于超出动态范围的测量值、数据缺失、通信错误和其他参数。通常采用值：好/- 坏/不确定和附加信息。
• 该时间戳报告时可变收到的给定值的时间。
• OPC 服务器轮询变量的频率设置了更新变量值的时间。
• 变量描述，其中包含有关此变量是什么的用户信息。

此外，可以指定可选属性，例如：值变化范围、测量单位和其他自定义参数。

可以使用多种模式从 OPC 服务器读取数据：

• 同步模式：客户端向服务器发送请求并等待它的响应。
• 异步模式：客户端发送请求并立即继续执行其他任务。处理完请求后，服务器向客户端发送通知，客户端获取提供的数据。
• 订阅模式：服务器只向客户端发送发生变化的标签。为了防止数据的噪声被误认为它们的变化，引入了“死区”的概念，它稍微超过了干扰的最大可能幅度。
• 数据刷新模式：客户端调用所有活动标签的同时读取。除了那些被指定为“被动”的标签外，所有标签都被称为主动标签。标签的这种划分通过更新从物理设备接收到的数据来减少处理器的负载。

客户端从缓冲区或直接从终端设备接收来自 OPC 服务器的数据。从缓冲区读取速度更快，但其中的数据在读取时可能已过期。OPC 服务器通过从终端设备请求信息来定期更新数据。

数据以同步或异步模式写入终端设备，无需中间缓冲。在同步模式下，客户端写入数据并等待，直到收到终端设备对命令执行的确认。此过程可能需要很长时间，在此期间客户端正在等待。异步模式允许客户端向服务器发送请求并执行其他任务。录制结束后，服务器会向客户端发送通知。

2.3 OPC UA 标准

**OPC UA（统一架构）**是工业网络中数据传输的现代标准。它提供设备之间安全可靠的通信，同时独立于硬件和平台，允许不同操作系统的设备之间进行通信。

OPC UA 的优势在于面向对象的信息模型，它允许“查看”数据（以 Web 浏览器样式）和面向服务的架构 (SOA)。如果之前您必须使用多个 OPC 服务器：用于实时数据的 OPC DA、用于历史的 OPC HDA 和用于事件的 OPC AE，现在所有这些以及更多功能都可以在一个 OPC UA 标准中使用。现在引入了节点或对象的概念，而不是标签树。每个节点包括一个真实对象的变量、方法和其他数据结构。


数据交换现在通过二进制结构和 XML 文档进行。除了客户端/服务器模型，发布者/订阅者模型变得可用。该标准还定义了一种机制来支持冗余（如果一个客户端变得不可用，那么另一个客户端会取代它）并在发生故障时快速恢复通信。数据传输通过传输层 TCP、HTTP/SOAP 或 HTTPS 进行。OPC UA 支持数字证书和加密传输数据的能力，而不是 Windows 访问控制机制。

通过特殊的包装器和代理模块实现了与 OPC DA 的向后兼容性。为了通过路由器和防火墙传输数据，OPC DA 需要使用中间件，而 OPC UA 在没有这种介质的情况下工作。OPC UA 规范包括几个部分，描述了服务器和客户端的操作逻辑。IEC 62541 标准中提供了该规范的详细版本。

3. Modbus

Modbus协议是一种广泛应用于工业自动化和物联网（IoT）领域的通信协议，用于设备间的数据交换。结合Qt框架，开发者可以便捷地实现Modbus客户端或服务器功能。以下是Modbus协议的核心概念及Qt中的实现方法：

3.1 协议类型

Modbus支持三种传输模式：

• RTU（远程终端单元）：二进制数据格式，传输效率高，常用于串口通信（如RS485）。

• TCP/IP：基于网络传输，适用于以太网环境，使用标准端口50238。

• ASCII：文本格式，可读性强但效率较低。

2. 通信结构

• 主从模式：主设备（Master）发起请求，从设备（Slave）响应。

• 寄存器类型：包括线圈（Coils）、离散输入（Discrete Inputs）、输入寄存器（Input Registers）和保持寄存器（Holding Registers），用于存储不同类型数据38。

3. 数据帧格式
   包含设备地址、功能码、数据字段和校验码（如CRC）。例如，读取保持寄存器的请求帧格式为：[地址][功能码][起始地址][寄存器数量][CRC]。

3.2 Qt中使用Modbus的实现方式

Qt通过Qt Serial Bus模块提供对Modbus的支持，包含以下核心类：

• QModbusClient：客户端的基类，支持TCP和RTU模式。
• QModbusTcpClient：用于TCP通信。
• QModbusRtuSerialMaster：用于RTU串口通信。
• QModbusDataUnit：封装读写操作的数据单元8。

实现步骤

1. 环境配置

• 在Qt项目文件（.pro）中添加模块依赖：QT += serialbus。

• 包含头文件：#include 或#include 。

2. 连接设备

QModbusTcpClient *client = new QModbusTcpClient(this);
client->setConnectionParameter(QModbusDevice::NetworkAddressParameter, "192.168.1.10");
client->setConnectionParameter(QModbusDevice::NetworkPortParameter, 502);
if (!client->connectDevice()) {qDebug() << "连接失败";
}

3. 读写寄存器

读取寄存器示例：

QModbusDataUnit readUnit(QModbusDataUnit::HoldingRegisters, 0, 10); // 起始地址0，读10个寄存器
QModbusReply *reply = client->sendReadRequest(readUnit, 1); // 从站地址1
connect(reply, &QModbusReply::finished, this, &MainWindow::handleReadResponse);

写入寄存器示例：

QModbusDataUnit writeUnit(QModbusDataUnit::HoldingRegisters, 0x02, 1); // 地址0x02，写1个值
writeUnit.setValue(0, 3); // 设置写入值为3
client->sendWriteRequest(writeUnit, 1);

4. 处理响应

通过信号槽机制异步处理回复：

void MainWindow::handleReadResponse() {auto reply = qobject_cast<QModbusReply*>(sender());if (reply->error() == QModbusDevice::NoError) {QModbusDataUnit data = reply->result();qDebug() << "读取数据：" << data.values();}reply->deleteLater();
}

核心功能模块优化
线程管理

• Modbus操作需在同一线程中完成。可通过moveToThread将业务逻辑封装到子线程，避免阻塞主线程1。

心跳检测与自动重连

• 使用定时器定期发送心跳包（如读取固定寄存器）。
• 若连接断开，启动重连机制（如间隔2秒重试）4。

错误处理

• 检查QModbusReply的error()属性，处理超时、校验失败等问题。
• 记录日志，方便调试通信异常。

常见问题及解决方案
通信不稳定
原因：线路干扰、参数配置错误（如波特率不匹配）。
解决：检查物理连接，使用屏蔽线缆；确保主从设备参数一致8。

数据异常
原因：寄存器地址或数据类型错误。
解决：参考设备手册确认寄存器定义，使用工具（如Modbus Poll）调试56。

硬件兼容性
问题：串口转换器不稳定。
解决：更换高质量转换器，并确保驱动正确安装8。

扩展与资源
官方示例：Qt提供了Modbus例程（如master和slave模块），涵盖TCP和RTU实现7。
工具推荐：使用Modbus Slave模拟从设备，VSPD配置虚拟串口56。
通过结合Qt的信号槽机制和Modbus协议，开发者可以构建高效、稳定的工业控制应用。具体实现时需注意线程安全和错误处理的完备性。