天地（常州）自動化股份有限公司 王棟平

基于內(nèi)嵌Modbus協(xié)議的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

天地（常州）自動化股份有限公司 王棟平

在實踐應(yīng)用中結(jié)合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進行自動處理、傳輸、壓縮存儲，實現(xiàn)資源共享，提供有效、快捷、方便的服務(wù)給各級決策者和管理人員。應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的Modbus協(xié)議是一種標(biāo)準(zhǔn)的、真正開放的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，并且廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

Modbus協(xié)議；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計

一、引言

在生產(chǎn)和生活中監(jiān)控系統(tǒng)起到的作用越來重要，如在交通、銀行、電力等部門對監(jiān)控系統(tǒng)的要求越來越越高、需求也在不斷增大。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，作為一種種分布式控制系統(tǒng)和工業(yè)通信協(xié)議Modbus協(xié)議在工業(yè)領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用，本文針對其含義、系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架和系統(tǒng)性能進行詳細(xì)的闡述。

二、淺析Modbus協(xié)議

(1)Modbus協(xié)議開發(fā)的Modbus協(xié)議是一種分布式控制系統(tǒng)和工業(yè)通信協(xié)議，在分布式控制系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備通訊中得到很好的應(yīng)用，采用RS485方式作為物理接口?？刂破鹘?jīng)由網(wǎng)絡(luò)、控制器相互之間、通訊協(xié)議等可以通訊，在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)成為通用標(biāo)準(zhǔn)，可以連接不同的控制設(shè)備成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)集中控制和監(jiān)控。

(2)作為一種主從網(wǎng)絡(luò)Modbus網(wǎng)絡(luò)允許多個或一個從機和一個主機進行通信，其中應(yīng)答報文和命令報文是相對應(yīng)的關(guān)系，也就是采用命令/應(yīng)答方式。主機發(fā)出命令報文，當(dāng)收到主機發(fā)來的報文的時候，相應(yīng)的應(yīng)答報文發(fā)出對命令報文進行響應(yīng)。每個從機在網(wǎng)絡(luò)中都擁有一個唯一的地址，訪問的從機地址包含在主機發(fā)出的命令中，對相應(yīng)的命令做出應(yīng)答的是具有該地址的從機。

(3)傳輸模式ASCII和RTU被應(yīng)用在Modbus協(xié)議中。沒有奇偶校驗位、2個停位、8個數(shù)據(jù)為是RTU的傳輸格式。依靠接收字符間應(yīng)用的時間RTU接收設(shè)備對一個幀的開始進行判斷，在時間為3個半字符之后沒有完成幀或沒有新的字符，該幀會被接收設(shè)備放棄，新幀的開始以設(shè)下一個字符為標(biāo)準(zhǔn)。1字節(jié)的信息在RTU模式中被看作一個8為字符進行發(fā)送，

而作為兩個ASCII字符在ASCII模式中被發(fā)送。

三、系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架

圖1 設(shè)計通信部分的流程圖

圖2 串口通信流程圖

數(shù)據(jù)采集的RTU設(shè)備、數(shù)據(jù)交互的監(jiān)控設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控的服務(wù)器是這個系統(tǒng)硬件的主要組成部分。應(yīng)用串口通信RTU設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備之間通信并使Modbus TCP協(xié)議的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，應(yīng)用TCP套接字技術(shù)服務(wù)器與監(jiān)控設(shè)備之間進行通信并使Modbus TCP協(xié)議的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。

(1)設(shè)計協(xié)議轉(zhuǎn)換

在Modbus TCP協(xié)議中進行通信時候，是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)不需要考慮，因為它定義了一個消息結(jié)構(gòu)體，并且對消息域內(nèi)容和格局的公共公式進行了制定。在通信的時候這個協(xié)議對每個RTU設(shè)備的地址進行定義，對按地址發(fā)來的信息進行識別，并且對即將產(chǎn)生的行動進行決定。在需要回應(yīng)的情況下，反饋信息將在RTU設(shè)備中生成，采用Modbus TCP協(xié)議發(fā)出信息。相互轉(zhuǎn)換Modbus TCP協(xié)議與Modbus協(xié)議的時候，不需改變RTU，只需相應(yīng)的轉(zhuǎn)換MBAP報文頭。服務(wù)器的請求被接收到的時候，MBAP報文頭被Modbus TCP協(xié)議去掉并且被出送到RTU設(shè)備中。按照接收到的命令RTU設(shè)備進行數(shù)據(jù)讀取，而且對CRC進行差錯校驗；RTU設(shè)備的相應(yīng)被接收到的時候，相應(yīng)的MBAP報文頭被加在Modbus TCP協(xié)議上，CRC差錯校驗被去除并且傳送回服務(wù)器。通過這樣的過程實現(xiàn)兩個協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換。

(2)實現(xiàn)設(shè)備參數(shù)讀寫

采用C/S模型實現(xiàn)設(shè)備參數(shù)讀寫模塊。建立Socket通信是第一步，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)服務(wù)器建立連接是通過發(fā)送注冊包實現(xiàn)的，TCP?；顧C制被啟動，等候服務(wù)器發(fā)出命令，寫入或讀取設(shè)備參數(shù)命令由數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送的時候，按照Modbus TCP協(xié)議遠(yuǎn)程監(jiān)控終端接收命令，在傳入設(shè)備之前把它轉(zhuǎn)化為Modbus協(xié)議，根據(jù)其命令RTU設(shè)備對相應(yīng)設(shè)備參數(shù)進行寫入或讀取，并向遠(yuǎn)程監(jiān)控終端發(fā)送響應(yīng)。在寫入或讀取成功的條件下，按照Modbus TCP協(xié)議接收到的響應(yīng)被遠(yuǎn)程監(jiān)控終端被封裝，并且發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器；如果是失敗的寫入或讀取，按照Modbus TCP協(xié)議異常響應(yīng)被遠(yuǎn)程監(jiān)控終端發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器。

(3)設(shè)計與實現(xiàn)套接字通信

監(jiān)控設(shè)備與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換是通過套接字通信層得以實現(xiàn)的，整個設(shè)計的核心是是串口同層并聯(lián)。設(shè)計通信部分的流程如圖1所示。

(5)設(shè)計與實現(xiàn)串口通信

去除報文頭的Modbus數(shù)據(jù)的讀取來自于共享內(nèi)存。半雙工機制是串口采用的機制，不能同時進行接收數(shù)據(jù)與發(fā)送命令，串口數(shù)據(jù)的讀取是在發(fā)送完命令之后。自動方向切換芯片被采用之后就可以解決這一問題了。串口通信流程圖如圖2所示。

四、分析系統(tǒng)性能

(1)在監(jiān)控系統(tǒng)的作用和功能方面，在空壓機中對壓風(fēng)機房管理、操作效率低下以及人力物力浪費等問題進行解決，使處理、交換、傳遞信息的速度加快，使監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和安全性得到保證，使控制系統(tǒng)的人性化、智能化、自動化水平提高。主要功能在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中得以實現(xiàn)的有：使工作報表正常運行，各種故障中的報警得以實現(xiàn)；供氣壓力參數(shù)可以遠(yuǎn)程設(shè)定，能夠在線修正參數(shù)；實時監(jiān)測供氣壓力，供氣過壓和欠壓都會進行報警；供電系統(tǒng)的可靠性得以提高；等等。

(2)通過透明傳輸?shù)姆绞?，接收到的命令只需被遠(yuǎn)程監(jiān)控終端進行拆包，即協(xié)議解析不需要進行，MBAP報文頭被去掉；RTU響應(yīng)被收到之后，只需組裝接收到的響應(yīng)，即CRC差錯校驗被去掉，加上MBAP報文頭，協(xié)議解析不需要進行，協(xié)議的透明化得以實現(xiàn)。套接字通信性能的完善是通過Socket異常處理來實現(xiàn)的，對于數(shù)據(jù)服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中斷并自動重連能夠及時被系統(tǒng)檢測到。正常的網(wǎng)絡(luò)中斷很容易被套接字通信機制發(fā)現(xiàn)，而像拔掉網(wǎng)線等不正的網(wǎng)絡(luò)中斷則不易被其發(fā)現(xiàn)。

五、結(jié)束語

通過上述淺析Modbus協(xié)議、系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架、分析系統(tǒng)性能，可以得知，基于內(nèi)嵌Modbus協(xié)議的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)設(shè)備參數(shù)讀寫和套接字通信，使處理、交換、傳遞信息的速度加快。總之，這一系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢，需要我們加大這這方面的研究和應(yīng)用。

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