基于Modbus TCP和WEB的實(shí)時(shí)監控系統設計

摘要：為了實(shí)時(shí)、便捷地了解測控現場(chǎng)設備運行的狀況，設計了一種基于Modbus TCP和WEB的實(shí)時(shí)監控系統。該系統設計基于dsPIC30F6014單片機，實(shí)現對采集模塊的控制，并通過(guò)ASP.NET創(chuàng )建的動(dòng)態(tài)WEB瀏覽器和SQL強大的數據庫功能完成實(shí)時(shí)監控。結果表明，該系統能快速、方便、實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)顯示設備的各項運行指標。

引言

隨著(zhù)自動(dòng)化行業(yè)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，現場(chǎng)設備之間的通信不再僅僅局限于設備與控制器之間，人機之間的交互也越來(lái)越普遍?，F場(chǎng)總線(xiàn)作為信息傳輸的主干道，已經(jīng)不再局限于現場(chǎng)的短距離通信，其應用規模日益擴大、復雜化，人們對現場(chǎng)設備的監控也提出了越來(lái)越高的要求。封閉的總線(xiàn)環(huán)境已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代自動(dòng)化控制的要求，為了降低設備的維護成本，提高企業(yè)和公司的生產(chǎn)效率，需要對現場(chǎng)設備的運行進(jìn)行實(shí)時(shí)的監測和控制。

近年來(lái)，大量先進(jìn)的遠程監控技術(shù)開(kāi)始應用于現場(chǎng)總線(xiàn)和遠程客戶(hù)端的交換，但Modbus協(xié)議目前還僅限于現場(chǎng)總線(xiàn)上，只有基于TCP/IP的協(xié)議才能通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現超遠距離的傳輸，為此 Modbus TCP/IP應運而生。筆者通過(guò)對Modbus TCP協(xié)議的研究，將油井現場(chǎng)采集的數據通過(guò)以太網(wǎng)、WiFi等設備傳送到遠距離的客戶(hù)端，并通過(guò)瀏覽器終端實(shí)時(shí)地顯示現場(chǎng)設備的運行狀況，為客戶(hù)提供一種遠程實(shí)時(shí)監控的解決方案。

1 監控系統的總體設計

本監控系統的設計原理：利用dsPIC30F6014A單片機搭載底層的硬件電路采集數據，采用Modbus TCP/IP協(xié)議通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器傳輸至Int ernet，在此基礎之上，利用C#語(yǔ)言編程，結合ASP.NET創(chuàng )建的動(dòng)態(tài)WEB頁(yè)面和SQL Server數據庫的訪(fǎng)問(wèn)鏈接技術(shù)，設計了一種實(shí)時(shí)監控的WEB平臺，達到了對現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)監控的目的。

實(shí)時(shí)監控系統主要由現場(chǎng)采集系統、數據傳輸、數據庫系統、客戶(hù)端系統4部分組成，其總體示意圖如圖1所示。

在本監控系統中，現場(chǎng)采集系統主要由單片機系統和RTU組成，單片機系統采集數據并傳給RTU，RTU將數據進(jìn)行存儲，并隨時(shí)等待服務(wù)器端的數據請求命令。當收到服務(wù)器端數據請求命令時(shí)，RTU根據傳輸的距離選擇不同的傳輸方式，近距離傳輸選用無(wú)線(xiàn)模塊傳輸，遠距離傳輸選擇Internet網(wǎng)絡(luò )傳輸，數據庫服務(wù)器對上傳的數據進(jìn)行分析和判斷，將符合信息幀格式的數據進(jìn)行處理并存儲在數據庫中。同時(shí)，采用B /S模式，瀏覽器終端用戶(hù)可通過(guò)在瀏覽器地址欄輸入服務(wù)器IP，以動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的形式瀏覽、查詢(xún)多個(gè)設備數據;享有權限的管理人員可對生產(chǎn)現場(chǎng)設備進(jìn)行遠程管理和控制。只要有網(wǎng)絡(luò )的地方就能使用該系統，實(shí)現對現場(chǎng)設備的數據實(shí)時(shí)監控。

2 硬件原理設計

圖2為下位機硬件原理框圖。其核心是dsPIC30F6014A單片機，主要由數據采集模塊、電路保護模塊、傳輸模塊和系統配置模塊組成。傳感器對現場(chǎng)數據進(jìn)行采集，通過(guò)A/D轉換送到單片機，單片機經(jīng)UART串口和無(wú)線(xiàn)模塊將數據傳送到嵌入式TCP/IP協(xié)議串口服務(wù)器，并通過(guò)Internet上傳至數據庫服務(wù)器中存儲。瀏覽器終端可以通過(guò)WEB服務(wù)器訪(fǎng)問(wèn)數據庫服務(wù)器了解現場(chǎng)設備的運行狀態(tài)。為了保證系統的安全可靠性，在設計中添加了過(guò)流、過(guò)壓、和防雷擊等保護電路。硬件實(shí)物圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

系統軟件的總體結構如圖4所示，作為監控系統的管理人員，在瀏覽器終端可以實(shí)現用戶(hù)管理、數據處理、瀏覽器實(shí)時(shí)顯示當前數據和歷史數據查詢(xún)4個(gè)功能模塊的操作。在用戶(hù)管理界面，可以實(shí)現密碼設置、用戶(hù)添加和權限沒(méi)置等功能;在數據處理中，管理人員可以對上傳的數據進(jìn)行存儲備份，并保存到數據庫服務(wù)器中，以供瀏覽器終端訪(fǎng)問(wèn);在WEB平臺中，可以對上傳的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，對歷史數據可以進(jìn)行隨時(shí)查詢(xún)和曲線(xiàn)分析。

4 Modbus TCP協(xié)議

Modbus TCP協(xié)議以一種非常簡(jiǎn)單的方式將Modbus幀嵌入到TCP幀中，使其成為工業(yè)以太網(wǎng)應用層協(xié)議，并以其簡(jiǎn)單性、開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性及數據傳輸量大等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛的應用。

Modbus TCP協(xié)議規定每個(gè)控制器都需要有自己的地址，按地址識別發(fā)來(lái)的消息。如果需要回應，則控制器生成反饋信息并用Modbus TCP協(xié)議幀發(fā)出，但格式必須嚴格遵守協(xié)議規定，其應用數據單元(ADU)由MBAP報文頭、功能碼和數據域3部分構成，如圖5所示。

5 數據傳輸的實(shí)現

5.1 現場(chǎng)與服務(wù)器端的數據傳輸

當油井分布較分散，傳輸距離比較遠且超過(guò)1 km時(shí)，可以使用GPRS網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸;當油井分布比較集中，傳輸距離近，不超過(guò)1 km時(shí)，可選擇使用無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行組網(wǎng)傳輸。

現場(chǎng)與服務(wù)器端的數據傳輸流程如圖6所示，在系統運行時(shí)應首先啟動(dòng)數據庫服務(wù)器、初始化套接字庫。建立通信套接字后，服務(wù)器進(jìn)入端口監聽(tīng)狀態(tài)。當有現場(chǎng)終端向服務(wù)器發(fā)出連接請求時(shí)，服務(wù)器開(kāi)一個(gè)線(xiàn)程建立連接，并啟動(dòng)數據請求定時(shí)器。當定時(shí)時(shí)間到時(shí)，服務(wù)器向已建立連接的現場(chǎng)終端發(fā)送Modbus TCP協(xié)議請求幀格式的數據請求?，F場(chǎng)終端在接收到數據請求后，對信息幀格式進(jìn)行分析，如果符合協(xié)議，則將數據按照Modbus TCP協(xié)議響應幀格式上傳，否則不響應。

5.2 瀏覽器端與服務(wù)器端的數據傳輸

B/S模式是WEB興起后的一種網(wǎng)絡(luò )結構模式，即瀏覽器/服務(wù)器，與C/S模式相比，具有可以隨時(shí)隨地進(jìn)行查詢(xún)和瀏覽、維護簡(jiǎn)單方便、更新簡(jiǎn)單以及共享性強等特點(diǎn)，符合實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )監控系統的發(fā)展要求。瀏覽器端與服務(wù)器端的數據傳輸采用的就是B/S模式。

B/S模式的工作流程如圖7所示。當客戶(hù)端通過(guò)瀏覽器終端訪(fǎng)問(wèn)數據庫服務(wù)器時(shí)，首先瀏覽器端通過(guò)Internet發(fā)出一個(gè)WEB請求，當WEB服務(wù)器收到請求后，將請求交給ASP.NET Framework，此時(shí)ASP.NET Framework會(huì )向數據庫服務(wù)器請求合適的源代碼文件。數據庫服務(wù)器將源代碼的內容返回給ASP.NET Framework，后者執行源代碼生成HTML輸出返回給WEB服務(wù)器，這時(shí)WEB服務(wù)器會(huì )將請求的文件以動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的方式將HTML顯示在計算機瀏覽器頁(yè)面上。

結語(yǔ)

本文提出并實(shí)現了基于ModbusTCP及WEB的實(shí)時(shí)監控系統，較完善地實(shí)現了油井現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)監控。系統基于功能強大的dsPIC30F6014單片機開(kāi)發(fā)了底層硬件環(huán)境，開(kāi)放式的ModbusTCP通信協(xié)議，靈活的組網(wǎng)方式，結合最新的ASP.NET技術(shù)的B/S模式與SQL數據庫的設計，使系統具備界面友好、功能強大、執行速度快且系統容錯性、兼容擴展性好等特點(diǎn)，不僅能完成油井的監控，而且可廣泛運用于工業(yè)現場(chǎng)的任何智能設備，具有很好的推廣前景。