第二章工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)》/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系列課程2.4工業(yè)設(shè)備接口與通信協(xié)議>>《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)》目錄物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT02工業(yè)設(shè)備接口01Modbus通訊協(xié)議03《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)》/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系列課程工業(yè)設(shè)備通常稱之為I/O接口，是一種電子電路(以IC芯片或接口板形式出現(xiàn))，其內(nèi)有若干專用寄存器和相應(yīng)的控制邏輯電路構(gòu)成，是CPU和I/O設(shè)備之間交換信息的媒介和橋梁，由于I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同，因此，習慣上說到接口只是指I/O接口。在工業(yè)應(yīng)用中，工業(yè)設(shè)備架構(gòu)圖如圖2.41。工業(yè)設(shè)備接口圖2.1工業(yè)設(shè)備通信架構(gòu)圖工業(yè)設(shè)備接口1.RS-232接口圖2.2RS232接口RS-232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟制定的串行數(shù)據(jù)通信接口標準，原始編號全稱是EIA-RS-232（簡稱RS232），它被廣泛用于DCE（DataCommunicationEquipment）和DTE（DataTerminalEquipment）之間的連接。DCE可以理解為數(shù)據(jù)通信端，比如modem設(shè)備；DTE可以理解為數(shù)據(jù)終端，比如電腦。最早的臺式電腦都會保留9針的232接口，用于串口通信，目前基本被USB接口取代?，F(xiàn)在RS232接口常用于儀器儀表設(shè)備，PLC以及嵌入式領(lǐng)域當作調(diào)試口來使用，如圖2.42。工業(yè)設(shè)備接口1.RS-232接口圖2.3RS232電平信號示意圖RS232是串行通訊接口，串口通信使用串行方式進行通信，即串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)序列。RS232傳輸線少，配線簡單，常用針腳定義：2為發(fā)送、3為接收、5為地。RS232為電平信號，邏輯“1”為-3V到-15V，邏輯“0”為+3V至+15V，噪聲容限為2V。電平信號傳輸過程中有衰減，所以RS232的傳輸距離有限，最大傳輸距離15米左右，其信號示意圖如下圖：工業(yè)設(shè)備接口1.RS-232接口圖2.4RS-232-C標準接口信號如上圖，RS-232-C標準接口如圖2.44。RS232特點：RS232就是串口，電腦機機箱后方的9芯插座，由于RS-232接口標準出現(xiàn)較早，難免有不足之處，主要有以下四點：（1）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。（2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps。（3）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。（4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺，實際上也只能用在50米左右。工業(yè)設(shè)備接口1.RS-232接口即然RS232傳輸距離只有15米這么短，那么有什么作用呢？其實它的應(yīng)用非常廣泛，可以連接各種設(shè)備，例如監(jiān)控、其它的設(shè)備升級或調(diào)試等都可能需要用到它。功能與USB比較接近，隨著USB端口的越來越普遍，將會出現(xiàn)更多的把USB轉(zhuǎn)換成RS-232或其它接口的轉(zhuǎn)換裝置。通過USB接口可連接更多的RS-232設(shè)備，不僅可獲得更高的傳輸速度，實現(xiàn)真正的即插即用，同時解決了USB接口不能遠距離傳輸?shù)娜秉c(USB通訊距離在5米內(nèi)）。由于RS232接口為異步通信方式，兩條都為數(shù)據(jù)線，沒有時鐘線，所以要約定通訊頻率來判定數(shù)據(jù)位，即波特率。波特率單位為位/秒，即bps。圖2.5RS-232接口與USB接口RS-232接口工業(yè)設(shè)備接口1.RS-232接口圖2.6串口通信參數(shù)停止位：用于表示單個包的最后一位，典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機校正時鐘同步的機會。奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。對于偶和奇校驗的情況，串口會設(shè)置校驗位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果是奇校驗，校驗位位1，這樣就有3個邏輯高位。工業(yè)設(shè)備接口2.RS-485接口圖2.7RS-485接口針對RS-232串口標準的局限性，人們又提出了RS-422，RS-485接口標準。RS-485/422采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A、B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測到低至200mV電壓。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復(fù)。工業(yè)設(shè)備接口2.RS-485接口圖2.8RS-485信號示意圖RS485為總線通信接口，RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，所以通訊距離可達幾十米到上千米。一般為2線制，A(DATA+)和B(DATA-)。RS485為差分信號，邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2-6)V表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2-6)V表示。雖然長距離通信2條通信線電壓有衰減，但差值穩(wěn)定。工業(yè)設(shè)備接口2.RS-485接口圖2.9RS485半雙工工作方式RS485和RS232一樣，都為異步通訊方式，通訊參數(shù)相同，都需設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、檢驗位、停止位。RS485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)。RS485采用主從式結(jié)構(gòu)來構(gòu)成的多機通信系統(tǒng)，主機控制多個從機，從機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，是主機一問一答的形式通信，每臺從機均分配一個從機地址，同一總線中，從機地址是唯一的。工業(yè)設(shè)備接口2.RS-485接口

RS-485的特點

RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2-6）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。圖2.10RS-485總線接口電路工業(yè)設(shè)備接口2.RS-485接口因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用DB-9的9芯插頭座，與智能終端RS485接口采用DB-9（孔），與鍵盤連接的鍵盤接口RS485采用DB-9（針）。圖2.11RS485類型智能終端工業(yè)設(shè)備接口2.RS-485接口RS485和RS232一樣，都為異步通訊方式，通訊參數(shù)相同，都需設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、檢驗位、停止位。RS485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)。RS485采用主從式結(jié)構(gòu)來構(gòu)成的多機通信系統(tǒng)，主機控制多個從機，從機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，是主機一問一答的形式通信，每臺從機均分配一個從機地址，同一總線中，從機地址是唯一的。RS485串口通信參數(shù)與RS232相同如圖2.12。圖2.12RS485串口通信參數(shù)目錄物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT02工業(yè)設(shè)備接口01Modbus通訊協(xié)議03《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)》/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系列課程物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT物聯(lián)網(wǎng)價值和意義在于能夠使組件能夠通信，而這種通信能力是將數(shù)據(jù)從端點設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)管道移動到中央服務(wù)器的原因。通信過程是通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議進行，可確保連接環(huán)境中的下一步和后續(xù)步驟接收和理解從端點設(shè)備（例如傳感器）發(fā)送的數(shù)據(jù)，無論數(shù)據(jù)的下一步是發(fā)送到另一個端點設(shè)備還是應(yīng)用程序或網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)常用協(xié)議如圖2.50所示：MQTT、CoAP、LwM2M、HTTP、LoRaWAN和NB-IoT，本小節(jié)主要介紹MQTT協(xié)議。圖2.13IoT中的常用協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT1.MQTT協(xié)議MQTT是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布，是IBM的AndyStanford-Clark和Arcom的ArlenNipper于1999年為了一個通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接輸油管道的項目開發(fā)的。MQTT最大優(yōu)點在于，可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。MQTT是一個基于客戶端/服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議是輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的，這些特點使它適用范圍非常廣泛，其通訊方式如圖2.13。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。圖2.13MQTT通訊方式物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT1.MQTT協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT

2.MQTT協(xié)議實現(xiàn)方式實現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）（服務(wù)器）、訂閱者（Subscribe），網(wǎng)絡(luò)傳輸模式如圖2.52。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。MQTT會構(gòu)建底層網(wǎng)絡(luò)傳輸：它將建立客戶端到服務(wù)器的連接，提供兩者之間的一個有序的、無損的、基于字節(jié)流的雙向傳輸。當應(yīng)用數(shù)據(jù)通過MQTT網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時，MQTT會把與之相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）和主題名（Topic）相關(guān)連。圖2.14 網(wǎng)絡(luò)傳輸與應(yīng)用消息物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT

2.MQTT協(xié)議實現(xiàn)方式訂閱（Subscription）訂閱包含主題篩選器（TopicFilter）和最大服務(wù)質(zhì)量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關(guān)聯(lián)。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。會話（Session）每個客戶端與服務(wù)器建立連接后就是一個會話，客戶端和服務(wù)器之間有狀態(tài)交互。會話存在于一個網(wǎng)絡(luò)之間，也可能在客戶端和服務(wù)器之間跨越多個連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接。圖2.14 MQTT協(xié)議的訂閱（Subscription）物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT

2.MQTT協(xié)議實現(xiàn)方式主題名（TopicName）連接到一個應(yīng)用程序消息的標簽，該標簽與服務(wù)器的訂閱相匹配。服務(wù)器會將消息發(fā)送給訂閱所匹配標簽的每個客戶端。主題篩選器（TopicFilter）一個對主題名通配符篩選器，在訂閱表達式中使用，表示訂閱所匹配到的多個主題。負載（Payload）消息訂閱者所具體接收的內(nèi)容。圖2.15 MQTT協(xié)議的工作原理物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT

3.MQTT協(xié)議中方法MQTT協(xié)議中定義了一些方法（也被稱為動作），用于表示對特定資源進行的操作。這些資源可以是預(yù)先存在的數(shù)據(jù)，也可以是動態(tài)生成的數(shù)據(jù)，具體取決于服務(wù)器的實現(xiàn)。通常來說，資源指服務(wù)器上的文件或輸出。主要方法有：Connect,等待與服務(wù)器建立連接。Disconnect,等待MQTT客戶端完成所做的工作，并與服務(wù)器斷開TCP/IP會話。Subscribe,等待完成訂閱。UnSubscribe,等待服務(wù)器取消客戶端的一個或多個topics訂閱

Publish,MQTT客戶端發(fā)送消息請求，發(fā)送完成后返回應(yīng)用程序線程。MQTT協(xié)議的架構(gòu)由Broker和連接到Broker的多個Client組成，如右圖2.15所示：圖2.16 MQTT協(xié)議框架物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT

3.MQTT協(xié)議中方法MQTT協(xié)議可以為大量的低功率、工作網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不可靠的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供通信保障。而它在移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也大有作為，很多AndroidApp的推送功能都是基于MQTT協(xié)議實現(xiàn)的，一些IM的實現(xiàn)也是基于MQTT協(xié)議的。圖2.17 MQTT協(xié)議目錄物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT02工業(yè)設(shè)備接口01Modbus通訊協(xié)議03《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)》/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系列課程Modbus通訊協(xié)議1.Modbus通訊協(xié)議圖2.20Modbus協(xié)議原理圖MODBUS是一個請求/應(yīng)答協(xié)議，并且提供功能碼規(guī)定的服務(wù)。MODBUS功能碼是MODBUS請求/應(yīng)答PDU的元素,Modbus通訊協(xié)議原理圖如2.20所示：圖2.19Modbus協(xié)議Modbus通訊協(xié)議1.Modbus通訊協(xié)議Modbus通訊協(xié)議1.Modbus通訊協(xié)議Modbus已成為工業(yè)領(lǐng)域最受歡迎的通信協(xié)議之一，它采用主/從（Master/Slave）方式通信，即一對多的方式連接，一個主控制器最多可以支持247個從屬控制器，工作原理圖如圖2.21。對于ModbusRTU和ModbusASCII來說，主站是Master，從站是Slave，對于ModbusTCP而言，主站通常稱為Client，從站稱為Server。圖2.21 Modbus協(xié)議工作原理圖Modbus通訊協(xié)議1.Modbus通訊協(xié)議Modbus協(xié)議使用串口傳輸時可以選擇RTU或ASCII模式，并規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答方式并需要對數(shù)據(jù)進行校驗。ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗，通過以太網(wǎng)傳輸時使用TCP，這種模式不使用校驗，因為TCP協(xié)議是一個面向連接的可靠協(xié)議。Modbus協(xié)議規(guī)定了4個存儲區(qū)，輸出線圈、輸入離散量、輸入寄存器、保持寄存器，如下表2.1所示：表2.1MODBUS存儲區(qū)Modbus通訊協(xié)議1.Modbus通訊協(xié)議Modbus協(xié)議同時規(guī)定了二十幾種功能碼，但是常用的只有8種，用于針對上述存儲區(qū)的讀寫，如下表2.2所示：表2.2 MODBUS常用功能碼功能碼名稱功能說明

01H讀取輸出線圈狀態(tài)讀位（讀N個bit）-讀從機線圈寄存器，位操作02H讀輸入離散量讀位（讀N個bit）-讀從機線圈寄存器，位操作03H讀多個寄存器讀整型、字符型、狀態(tài)字、浮點型（讀N個words）---讀保持寄存器，字節(jié)操作04H讀取輸入寄存器讀整型、狀態(tài)字、浮點型（讀N個words）---讀輸入寄存器，字節(jié)操作05H預(yù)置單線圈寫位（寫一個bit）-寫線圈寄存器，位操作06H預(yù)置單寄存器寫整型、字符型、狀態(tài)字、浮點型（寫一個word）-寫保持寄存器，字節(jié)操作0FH預(yù)置多線圈寫位（寫n個bit）-強置一串連續(xù)邏輯線圈的通斷10H預(yù)置多個寄存器寫整形、字符型、狀態(tài)字、浮點型（寫n個word）-把具體的二進制值裝入一串連續(xù)的保持寄存器Modbus通訊協(xié)議2.MODBUS/TCPMODBUS/TCP是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設(shè)備的MODBUS系列通訊協(xié)議的派生產(chǎn)品，顯而易見，它覆蓋了使用TCP/IP協(xié)議的“Intranet”和“Internet”環(huán)境中MODBUS報文的用途。協(xié)議一般是為PLC（可編程邏輯控制器）、I/O模塊以及連接其他簡單域總線或I/O模塊的網(wǎng)關(guān)提供服務(wù)。MODBUS/TCP協(xié)議允許MODBUSRTU協(xié)議在以太網(wǎng)上運行，通過TCP/IP和以太網(wǎng)在不同站點之間傳輸MODBUS報文。MODBUS/TCP結(jié)合了以太網(wǎng)的物理網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)標準TCP/IP，以及以MODBUS作為應(yīng)用協(xié)議的數(shù)據(jù)表示方法。在MODBUS/TCP通信中，MODBUS報文被封裝在以太網(wǎng)的TCP/IP數(shù)據(jù)包中。圖2.22 MODBUS/TCPModbus通訊協(xié)議2.MODBUS/TCP第一層：物理層，提供設(shè)備物理接口，與市售介質(zhì)/網(wǎng)絡(luò)適配器相兼容。第二層：數(shù)據(jù)鏈路層，信號被格式化成包含源和目的硬件地址的數(shù)據(jù)幀。第三層：網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)帶有32位IP地址的IP報文，網(wǎng)絡(luò)層負責將數(shù)據(jù)幀封裝成IP數(shù)據(jù)包，以便在不同網(wǎng)絡(luò)之間進行路由。第四層：傳輸層，實現(xiàn)可靠性連接、傳輸、查錯、重發(fā)、端口服務(wù)、傳輸調(diào)度。第五層：應(yīng)用層，Modbus協(xié)議報文在Modbus客戶端程序中，可以設(shè)置任意通信端口，為了避免與其他通信協(xié)議發(fā)生沖突，一般建議從2000端口開始使用。圖2.23MODBUS/TCP模型(1)通訊所使用的以太網(wǎng)參考模型Modbus通訊協(xié)議2.MODBUS/TCP在讀寄存器的過程中，以ModbusTCP請求報文為例,具體的數(shù)據(jù)傳輸過程如下：（1）ModbusTCP客戶端實況，用Connect()命令建立目標設(shè)備TCP502端口連接數(shù)據(jù)通信過程；（2）準備Modbus報文，包括7個字節(jié)MBAP內(nèi)請求；（3）使用send()命令發(fā)送；（4）同一連接等待應(yīng)答；（5）同recv()讀報文，完成一次數(shù)據(jù)交換過程；（6）當通信任務(wù)結(jié)束時，關(guān)閉TCP連接，使服務(wù)器可以為其他服務(wù)。圖2.24MODBUS信息交換(2)

ModbusTCP通訊應(yīng)用舉例Modbus通訊協(xié)議3.ModbusRTU通訊協(xié)議ModbusRTU通訊協(xié)議在數(shù)據(jù)通訊上采用主從應(yīng)答的方式進行。只能由主機（PC，HMI等）通過唯一從機地址發(fā)起請求，從機（終端設(shè)備）根據(jù)主機請求進行響應(yīng)，即半雙工通訊。該協(xié)議只允許主機發(fā)起請求，從機進行被動響應(yīng)，因此從機不會主動占用通訊線路造成數(shù)據(jù)沖突。ModbusRTU由于其采用二進制表現(xiàn)形式以及緊湊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通信效率較高，應(yīng)用比較廣泛。而ModbusASCII由于采用ASCII碼傳輸，并且利用特殊字符作為其字節(jié)的開始與結(jié)束標識，其傳輸效率低于ModbusRTU協(xié)議，一般只有在通信數(shù)據(jù)量較小的情況下才考慮使用ModbusASCII通信協(xié)議。在工業(yè)現(xiàn)場一般都是采用ModbusRTU協(xié)議，通俗來說，基于串口通信的Modbus通信協(xié)議都是指ModbusRTU通信協(xié)議。圖2.25ModbusRTU通訊協(xié)議Modbus通訊協(xié)議3.ModbusRTU通訊協(xié)議RTU協(xié)議中的指令由功能碼（一個字節(jié)），起始地址（兩個字節(jié)），地址碼(一個字節(jié)），數(shù)據(jù)（N個字節(jié)），校驗碼（兩個字節(jié)）五個部分組成，其中數(shù)據(jù)又由數(shù)據(jù)長度（兩個字節(jié)，表示的是寄存器個數(shù)，假定內(nèi)容為M）和數(shù)據(jù)正文（M乘以2個字節(jié)）組成，RTU協(xié)議指令功能碼。而RTU協(xié)議是采用3.5個字節(jié)的空閑時間作為指令的起始和結(jié)束，一般而言，只有當從機返回數(shù)據(jù)或者主機寫操作的時候，才會有數(shù)據(jù)正文，而其他時候比如主機讀操作指令的時候，沒有數(shù)據(jù)正文，只需要數(shù)據(jù)長度即可。圖2.26RTU協(xié)議中的指令功能碼Modbus通訊協(xié)議3.ModbusRTU通訊協(xié)議Modbus通訊協(xié)議4.OPCUAOPCUA（OpenPlatformCommunicationsUnifiedArchitecture）是OPC基金會為自動化以及其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)通信提供的新標準。該技術(shù)旨在通過允許使用不同協(xié)議并在不同平臺（例如Windows，Mac以及Linux）上運行的工業(yè)設(shè)備相互通信來解決此問題。而且，OPCUA超越了工業(yè)以太網(wǎng)的范圍，它包括從自動化金字塔最低層開始的設(shè)備-處理現(xiàn)實數(shù)據(jù)的現(xiàn)場設(shè)備，諸如傳感器、執(zhí)行器和電機等，一直到最高層，包括例如SCADA（supervisorycontrolanddataacquisition），MES（manufacturingexecutionsystems）和ERP（enterpriseresourceplanning）系統(tǒng)，以及云計算。OPCUA允許自動化金字塔各個級別的工業(yè)設(shè)備（以不同的協(xié)議和不同的平臺運行）相互通信。圖27

自動化金字塔Modbus通訊協(xié)議4.OPCUA

OPCUA主要有以下幾個特點：支持跨平臺應(yīng)用。目前，OPC技術(shù)已成功拓展到Linux、Android、Vxworks、Unix等各類主流平臺，采用基于Internet的WebService服務(wù)架構(gòu)和靈活的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。具有訪問統(tǒng)一性。可有效將現(xiàn)有OPC規(guī)范(A&E、DA、HDA、命令、對象類型和復(fù)雜數(shù)據(jù))進行集成，不需要依賴微軟的DCOM技術(shù)，開發(fā)和維護更加容易。OPCUA提供了一致、完整的地址空間和服務(wù)模型，解決了過去同一系統(tǒng)的信息不能以統(tǒng)一方式被訪問的問題。圖28

WebService服務(wù)架構(gòu)Modbus通訊協(xié)議4.OPCUA通信安全，具有廣泛的通訊范圍。防火墻不再是信息傳輸?shù)淖璧K，OPC的信息傳輸能力大幅提高。OPCUA信息的編碼格式通常采用XML文本格式或二進制格式，支持多種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。開發(fā)含有高度的可靠性和冗余性。OPCUA支持可調(diào)試逾時設(shè)置、錯誤自發(fā)現(xiàn)和自糾正等功能的實現(xiàn)，可使符合OPCUA規(guī)范的設(shè)備和系統(tǒng)具備自動處理通信錯誤和失敗的能力。用于OPCUA應(yīng)用程序之間傳遞消息的底層通信技術(shù)，都可以通過證書生成的公用密匙與私用密匙實現(xiàn)加密和標記功能，以防止信息泄漏和保障信息完整。圖29

OPCUA目標應(yīng)用程序Modbus通訊協(xié)議4.O