WinCC与自定义设备通信的研究与实现

唐　磊，周　伦，唐　波

(西南交通大学机械工程学院，四川成都　610031)

0　引言

为了实现某电机运转实验台的实时监控及历史记录，制作了电机信息采集板，用来实时采集电机的运转状况，若采用微软的Visual Studio等开发工具开发一个上位机监控系统，将花费非常多的时间，并且存在后期修改维护困难的问题，而若使用WinCC等工控组态软件，将使开发时间大为缩减，并且修改维护极为方便。由于电机信息采集板属于自定义设备，则为了方便与WinCC连接，需要找到一种通用的工业级通信协议，而MODBUS作为一种久经考验的工业协议，由于其稳定性、可靠性和简单性，理应作为系统的首选。

1　WinCC组态系统和OPC技术介绍

WinCC(Windows Control Center)是SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)和HMI(Human-Machine Interface)系统，它是一个功能强大的全面开放的工控组态系统，既可以用于小规模简单的过程监控，也可以用于复杂的工控领域。WinCC提供了适用于工业的图形显示、数据归档、报警记录以及自动报表以及强大的CScript和VBScript功能，使其具有高度的实用性。

WinCC主要用于配合PLC进行开发人机界面组态系统，历来的版本只提供了与该公司硬件设备(如PLC、PROFIBUS网络设备)连接的相关驱动，而在实际使用中，用户往往会选择许多非西门子公司产品，这样WinCC就不能直接与这些设备相连接。常见的解决办法是使用OPC技术。

OPC全称是Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control，它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，OPC标准应运而生。OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM接口完成的，在OPC技术中使用的是OLE 2技术，OLE标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。

2　MODBUS协议介绍

MODBUS最初是Modicon公司在1979年为PLC发布的一种串行通信协议。它由于简单实用、免费可靠、方便布署等优点而被用于连接工业电气设备领域，并比其它通信协议使用得更为广泛。MODBUS协议是一项应用层报文传输协议，用于在通过不同类型的总线或网络连接的设备之间的客户机/服务器通信，目前可在以太网的TCP/IP和各种异步串行通信媒体(如RS232、RS485、RS422、光纤、无线)上实现MODBUS，大多数MODBUS设备通信通过串口RS485物理层进行。

对于串行连接的MODBUS协议，存在两个版本：一种称为MODBUS RTU；另一种称为MODBUS ASCII；它们在数值数据的表示和协议细节上略有不同。MODBUS RTU是一种紧凑的，采用二进制表示数据的方式，MODBUS ASCII是一种人类可读的，冗长的表示方式。

MODBUS协议是一个主/从(master/slave)架构的协议，在一个MODBUS网络中，必须有且仅有一个主(master)节点，而其它节点都为从(slave)节点。每一个从节点都有一个唯一的地址，只有被指定为主节点的设备才可以启动一个命令，而从节点只能被动应答主节点发送的命令。

一个MODBUS命令包含了即将执行该命令的设备地址，所有设备都会收到命令，但是只有指定地址的设备会执行并回复指令，所有的MODBUS命令包含了校验码，以保证从设备收到的命令的准确性。基本的MODBUS命令能指挥一个RTU改变它的寄存器的某个值，控制或者读取一个I/O端口，以及指挥设备回送一个或者多个其寄存器中的数据。

3　系统架构设计

系统的整体架构如图1所示，监控硬件使用一台配备Windows操作系统的工控机(IPC)，工控机使用WinCC 7．0作为上位机监控软件，由于6．0以后版本的WinCC不配备通用MODBUS驱动，因此以第三方OPC Server(KEPServerEx v4．5)为桥梁，通过MODBUS协议与下位机各设备通信；工控机一般只配备RS232接口，而MODBUS的多机通讯特性需要借助RS485网络，因此在把各电机信号采集板连入RS485总线网络后，将该总线通过一个RS232/RS485转换器转换为RS232总线，连入工控机RS232接口即可。

图1　整体架构图

4　系统软件设计

系统软件设计共分为3个部分：WinCC系统组态；OPC Server的配置；信号采集板实现MODBUS协议。

4．1WinCC系统组态

WinCC的组态是属于所见即所得式开发，大部分工作是配置各种控件，它们的位置和外观决定了界面的直观性和友好性，一般流程是将控件库中的各种控件拖放到显示界面上，设置其显示样式，再为控件关联一个变量，并设置一个变量刷新周期即可。由于电机驱动器所关注的变量有转速、总线电压、总线电流、IGBT温度，界面里用4个编辑框来直接显示它们，其中电机转速另用一个仪表盘直观表示，界面下方设置两个趋势图，用于显示电机转速的历史曲线，该WinCC界面的最终显示效果如图2所示。

图2　WinCC监控界面

4．2OPCServer的配置

OPC Server的作用是作为WinCC与电机信号采集板的桥梁，从具体意义上来说，就是获取电机信号采集板的各个变量，以便提供给WinCC使用。市场上有很多提供MODBUS协议的OPC Server，系统采用的是KEPServerEx v4．5软件，该软件功能强大，通过工业标准接口OPC，能提供针对数以百计的PLC、控制器、通讯模块等设备与HMI、SCADA、MES、ERP等客户程序之间的直接通讯。

在KEPServerEx v4．5软件中，当配置MODBUS系统时，使用的RS485总线以channel来表示，命名为MotorInformation，总线上的每台从设备(即信号采集板)以device表示，命名为Motor1，Motor2，在每个从设备内部以地址的形式标志了需要采集的各个变量，系统只采集每个电机关键的5个变量，由于实时性要求不太高，刷新时间为1s，实际配置界面如图3所示。

图3　OPC Server建立MODBUS主站界面

4．3信号采集板实现MODBUS协议

在系统中，工控计算机充当MODBUS主站角色，而每一个信号采集板都充当MODBUS从站角色且都具备唯一地址，从站不能够主动发起通信，而只能接收主站发送的数据并作出响应，根据MODBUS在串行总线上通信的协议，从机事务处理的一般过程如图4所示。从站的变量存储位置需要与OPC Server中的配置一一对应。

图4　MODBUS从机事务处理一般过程

5　结束语

系统使用WinCC组态软件、第三方OPC 服务器、标准MODBUS协议实现了电机测试台的监控系统，其人机界面便捷明了，且提供了历史曲线功能，是一个运行良好的小型监控系统，系统思路可用于其它类似的监控情景。

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