高秀蘭

(沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110045)

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基于Modbus TCP/IP通訊綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

高秀蘭

(沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110045)

以Modbus TCP/IP通訊在城市軌道交通綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為基礎(chǔ)，研究當(dāng)前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛的Modbus TCP/IP通訊技術(shù)和特點(diǎn)，以解決城市軌道交通綜合監(jiān)控組網(wǎng)方式為目的，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建與應(yīng)用。以沈陽地鐵通訊技術(shù)發(fā)展為背景，重點(diǎn)開展以Modbus TCP/IP通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的城市軌道交通綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)踐。

Modbus TCP/IP；城市軌道交通；綜合監(jiān)控

0 引言

Modicon公司建立的C/S結(jié)構(gòu)串行通訊協(xié)議Modbus[1],以其開放、公開、標(biāo)準(zhǔn)、交互性好的優(yōu)勢已經(jīng)成為了工業(yè)控制領(lǐng)域的通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。隨著以太網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，融合了工業(yè)總線和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)，越來越受到工業(yè)控制用戶的青睞。基于Modbus TCP/IP[2]的工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、水利、裝備制造等領(lǐng)域。Modbus TCP/IP技術(shù)尤其在城市軌道交通領(lǐng)域，更以其穩(wěn)定、準(zhǔn)確、實(shí)時的特點(diǎn)得到了全面發(fā)展。城市軌道交通既需要安全可靠的車輛、供配電設(shè)施、機(jī)電設(shè)備，還需要建立一套與之相適應(yīng)的運(yùn)行監(jiān)督控制保障系統(tǒng)，以確保軌道交通運(yùn)輸?shù)陌踩?、高效。全國各地的城市軌道交通自動化綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，采用了多種系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及通訊協(xié)議，各自發(fā)揮出了技術(shù)特色和系統(tǒng)優(yōu)勢。本文以沈陽地鐵綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)為例，對Modbus TCP/IP通訊網(wǎng)絡(luò)在綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了闡述。

1 Modbus TCP/IP通訊網(wǎng)絡(luò)

Modbus通信協(xié)議廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場總線控制。Modbus通信協(xié)議采用主從通信模式(Master/Slave模式)[3]，尤其在工業(yè)現(xiàn)場分散控制方面應(yīng)用廣泛。

Modbus TCP/IP 通訊[4]網(wǎng)絡(luò)可由不同類型設(shè)備構(gòu)成。如：由客戶機(jī)、服務(wù)器以及負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、路由器等聯(lián)接設(shè)備組成。通過互聯(lián)設(shè)備可以將主網(wǎng)絡(luò)與鏈路中的服務(wù)器和客戶機(jī)相聯(lián)。

1.1 Modbus TCP數(shù)據(jù)幀[5]

Modbus通過TCP/IP的以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，Modbus TCP協(xié)議具有EthernetII和 802.3兩種數(shù)據(jù)幀格式。Modbus TCP數(shù)據(jù)幀由MBAP報文頭、功能碼和數(shù)據(jù)3個部分組成。Modbus TCP協(xié)議在基于RTU協(xié)議基礎(chǔ)上，附加了MBAP報文頭。因?yàn)門CP可靠性連接服務(wù)功能，在RTU協(xié)議中不需要附加CRC校驗(yàn)碼，于是Modbus TCP協(xié)議省去了CRC校驗(yàn)碼。Modbus TCP數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示。

1.2 Modbus通信應(yīng)用層[6]

Modbus客戶機(jī)可以實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用程序與遠(yuǎn)程控制設(shè)備的數(shù)據(jù)交換?？蛻魴C(jī)接口，根據(jù)應(yīng)用程序生成各種Modbus 服務(wù)請求，實(shí)現(xiàn)對Modbus網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備的訪問。Modbus服務(wù)器，根據(jù)Modbus 服務(wù)請求，對本地設(shè)備進(jìn)行各種讀、寫及控制操作。

2 城市軌道綜合監(jiān)控ISCS方案[7-8]

綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用兩級管理，即中心級、車站級管理。控制中心負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)視和控制。特殊緊急情況下，由中心對車站授權(quán)，直接對設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)對整個系統(tǒng)實(shí)施中心級、車站級和現(xiàn)場級的3個級別控制。車站現(xiàn)場本地級設(shè)備操作控制級別最高，對于現(xiàn)場級設(shè)備，通過“本地”和“遠(yuǎn)程”轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)置設(shè)備操作權(quán)限。當(dāng)本地設(shè)備選擇遠(yuǎn)程控制后，中心可以操作或授權(quán)車站予以控制。

圖1 Modbus TCP數(shù)據(jù)幀

3 基于Modbus TCP/IP通信的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]

如圖2所示，城市軌道交通綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由中心級ISCS、車站級ISCS、仿真測試和培訓(xùn)4部分組成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中采用了冗余、分布式C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，中心級和車站級監(jiān)控均采用基于TCP/IP的通訊協(xié)議，同時強(qiáng)化了故障隔離和抗干擾功能。

綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用了分層、分布式C/S 結(jié)構(gòu)。將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)共分為3個層次：中心監(jiān)控層、車站監(jiān)控層、仿真設(shè)備層。

圖2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2 城市軌道交通綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備軟件配置

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中配置了服務(wù)器、工作站和PLC等設(shè)備。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器負(fù)責(zé)通過PLC對各種現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行采集和控制，對客戶機(jī)發(fā)來的監(jiān)控請求進(jìn)行響應(yīng)并傳輸數(shù)據(jù)，對于系統(tǒng)所需仿真PLC功能進(jìn)行模擬。因此服務(wù)器配備了VijeoCitect開發(fā)軟件，主要承擔(dān)上位機(jī)組態(tài)開發(fā)、Modbus TCP網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置、系統(tǒng)變量的定義等。服務(wù)器中配置了Unity Pro的軟件開發(fā)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)、Modbus TCP網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置、PLC程序開發(fā)、PLC仿真模擬等。

3.3 城市軌道交通綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)Citect組態(tài)和Modbus TCP/IP通訊實(shí)現(xiàn)

3.3.1 城市軌道交通綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的Citect組態(tài)設(shè)置實(shí)現(xiàn)

3.3.1.1 服務(wù)器設(shè)置(實(shí)現(xiàn)示例)

網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置：主網(wǎng)絡(luò)地址：“192.168.0.10” ，備網(wǎng)絡(luò)地址：“192.168.1.10”。新建主、備I/O服務(wù)器，選擇相關(guān)網(wǎng)絡(luò)地址。

3.3.1.2 通信設(shè)置

快速通信向?qū)В盒陆↖/O服務(wù)器“IOServer”；新建I/O設(shè)備“IODevP”；選擇外部I/O設(shè)備；驅(qū)動程序選擇：Ethernet(TCP/IP),如圖3所示。

圖3 Ethernet(TCP/IP)通訊設(shè)置窗口

TCP/IP協(xié)議信息：設(shè)置通信主機(jī)IP地址：“192.168.0.1”，端口：“502”，符合Modbus TCP/IP對自動化設(shè)備的唯一端口設(shè)置；使用協(xié)議：“TCP”,v如圖4所示。

圖4 TCP/IP協(xié)議信息設(shè)置

I/O設(shè)備冗余配置：新建“IODevS”,地址為 “192.168.1.1”,在I/O Devices里將IODevP/ IODevS的MODE分別設(shè)置為Primary與Standby，并且兩者的Number必須一致。具體設(shè)置如圖5所示。

圖5 I/O設(shè)備冗余配置

3.3.1.3 標(biāo)簽設(shè)置

配置變量名稱與標(biāo)簽地址等相關(guān)參數(shù),用于Modbus TCP參數(shù)傳遞。

3.3.2 城市軌道交通綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組態(tài)的Unity Pro設(shè)置實(shí)現(xiàn)

3.3.2.1 本地總線硬件組態(tài)(設(shè)備型號根據(jù)實(shí)際情況)

硬件組態(tài)設(shè)置：電源：“CPS42400”；CPU：“67160”，昆騰PLC；通信模塊：“NOE77101”，Modbus接口模塊。

3.3.2.2 變量設(shè)置

配置與上位機(jī)相同的標(biāo)簽地址，通過變量地址與工作站變量進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.3.2.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

將PLC主備通信模塊的地址分別設(shè)置為“192.168.0.1”與“192.168.1.1”。

3.4 綜合監(jiān)控系統(tǒng)向客戶端面、服務(wù)器端軟件工作流程

按照綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作流程，設(shè)計綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖見圖6、圖7,操作運(yùn)行界面見圖8。

圖6 綜合監(jiān)控系統(tǒng)客戶端軟件流程

圖7 綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器端軟件流程

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)操作運(yùn)行界面

4 Modbus TCP/IP通訊的綜合監(jiān)控實(shí)現(xiàn)效果

Modbus TCP/IP通訊的綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用效果，適應(yīng)并支持系統(tǒng)二次開發(fā)。系統(tǒng)基于開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)時數(shù)據(jù)交換的技術(shù)基礎(chǔ)上。上位機(jī)軟件和數(shù)據(jù)庫軟件由一系列的基于服務(wù)器和基于工作站的軟件模塊組成，形成了標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)的客戶/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)。

Modbus TCP/IP通訊系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有下列特點(diǎn)：高可靠性。單個模塊的故障不引起數(shù)據(jù)的丟失和系統(tǒng)的癱瘓；易于實(shí)現(xiàn)通用的硬件和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件開發(fā)；系統(tǒng)體現(xiàn)出開放特性；易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)跨平臺的無縫連接；集成的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)處理層完成中心、車站、通信控制器、被集成子系統(tǒng)間的信息交互。

系統(tǒng)性能特點(diǎn)：安全性：從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、操作系統(tǒng)、軟件平臺、數(shù)據(jù)安全等多方面來保證系統(tǒng)安全；可靠性：支持雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)，提供雙機(jī)冗余管理功能?？捎眯曰蚩删S護(hù)性：系統(tǒng)基于實(shí)時數(shù)據(jù)技術(shù)，支持多種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議；支持組態(tài)、畫面編輯、程序修改、系統(tǒng)維護(hù)等操作。

[1] 賈華,朱高建,王臣.Modbus_TCP協(xié)議在拋光粉生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器，2012(11)：98-100.

[2] 劉沛津,谷立臣,韓行,等.基于Modbus_TCP的火電廠實(shí)時數(shù)據(jù)集成及網(wǎng)絡(luò)通信控制器研制. 電力自動化設(shè)備，2009(8):128-131.

[3] 唐會成.煤礦井下連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)的Modbus多機(jī)通信. 自動化儀表，2014(6):25-27.

[4] 韓松,李奎,王麗麗.基于Modbus_TCP協(xié)議的遠(yuǎn)程控制網(wǎng)關(guān).儀表技術(shù)與傳感器，2014(10):102-104.

[5] 金德剛,吳自然,吳桂初.基于Modbus_TCP的數(shù)字式電流互感器設(shè)計. 電子應(yīng)用技術(shù)，2014(6):23-26.

[6] 劉玲玲,劉德平,李保強(qiáng),等.基于Modbus協(xié)議的變頻器遠(yuǎn)程控制器的研究. 儀表技術(shù)與傳感器，2010(6):33-35.

[7] 董存祥.基于綜合監(jiān)控系統(tǒng)的城軌交通節(jié)能研究.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014(8):168-171.

[8] 吳浦升,吳溥峰.西安地鐵2號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)和環(huán)境與機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)綜述.城市軌道交通研究,2013(12):123-125．

[9] 郎學(xué)政,許同樂,李中華.基于Modbus協(xié)議的PLC在自動供水監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器，2013(2):62-64.

作者簡介：高秀蘭(1956—),教授，研究方向?yàn)樾畔⒒芾怼④浖?yōu)化、網(wǎng)絡(luò)教育。

Implementation of Comprehensive Monitoring Systembased on Modbus TCP/IP Communication

GAO Xiu-lan

(Shenyang Polytechnic College，Shenyang 110045，China)

The paper is based on the Modbus TCP/IP communication which is applied on the urban rail transit comprehensive monitoring network applications.And it researched the communication technology and its characteristic of Modbus TCP/IP which is applied widely.The objective of above is that it will solve the mode of urban rail transit comprehensive monitoring network,so that the network can be built and applied.The paper is based on the background of Shenyang subway communication technology development,in addition,it also researched and practiced about urban rail transit comprehensive monitoring network on the basis of Modbus TCP/IP communication technology.

Modbus TCP/IP;urban rail transit;comprehensive monitoring

王曉娜(1987—)，碩士研究生，主要從事微流控生物芯片集成控制方向研究。E-mail：672004090@qq.com 閆衛(wèi)平(1950—)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事集成微流控生物芯片和半導(dǎo)體傳感器等領(lǐng)域的研究。 E-mail：yanwp@dlut.edu.cn

沈陽市科學(xué)事業(yè)費(fèi)競爭性選擇項(xiàng)目

2015-06-11

TP29

A

1002-1841(2015)10-0104-03