一種基于Modbus協(xié)議的遠程監控系統設計

一.引言

在生產(chǎn)和生活中監控系統起到的作用越來(lái)重要，如在交通.銀行.電力等部門(mén)對監控系統的要求越來(lái)越越高.需求也在不斷增大.在遠程監控系統中，作為一種種分布式控制系統和工業(yè)通信協(xié)議Modbus協(xié)議在工業(yè)領(lǐng)域得到很好的應用，本文針對其含義.系統設計構架和系統性能進(jìn)行詳細的闡述.

二.淺析Modbus協(xié)議

(1)Modbus協(xié)議開(kāi)發(fā)的Modbus協(xié)議是一種分布式控制系統和工業(yè)通信協(xié)議，在分布式控制系統和工業(yè)設備通訊中得到很好的應用，采用RS485方式作為物理接口.控制器經(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)成為通用標準，可以連接不同的控制設備成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現集中控制和監控.

(2)作為一種主從網(wǎng)絡(luò )Modbus網(wǎng)絡(luò )允許多個(gè)或一個(gè)從機和一個(gè)主機進(jìn)行通信，其中應答報文和命令報文是相對應的關(guān)系，也就是采用命令/應答方式.主機發(fā)出命令報文，當收到主機發(fā)來(lái)的報文的時(shí)候，相應的應答報文發(fā)出對命令報文進(jìn)行響應.每個(gè)從機在網(wǎng)絡(luò )中都擁有一個(gè)唯一的地址，訪(fǎng)問(wèn)的從機地址包含在主機發(fā)出的命令中，對相應的命令做出應答的是具有該地址的從機.

(3)傳輸模式ASCII和RTU被應用在Modbus協(xié)議中.沒(méi)有奇偶校驗位.2個(gè)停位.8個(gè)數據為是RTU的傳輸格式.依靠接收字符間應用的時(shí)間RTU接收設備對一個(gè)幀的開(kāi)始進(jìn)行判斷，在時(shí)間為3個(gè)半字符之后沒(méi)有完成幀或沒(méi)有新的字符，該幀會(huì )被接收設備放棄，新幀的開(kāi)始以設下一個(gè)字符為標準.1字節的信息在RTU模式中被看作一個(gè)8為字符進(jìn)行發(fā)送，而作為兩個(gè)ASCII字符在A(yíng)SCII模式中被發(fā)送.

三.系統設計構架

數據采集的RTU設備.數據交互的監控設備.遠程監控的服務(wù)器是這個(gè)系統硬件的主要組成部分.應用串口通信RTU設備與監控設備之間通信并使Modbus TCP協(xié)議的轉換實(shí)現，應用TCP套接字技術(shù)服務(wù)器與監控設備之間進(jìn)行通信并使Modbus TCP協(xié)議的轉換實(shí)現.

(1)設計協(xié)議轉換

在Modbus TCP協(xié)議中進(jìn)行通信時(shí)候，是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò )不需要考慮，因為它定義了一個(gè)消息結構體，并且對消息域內容和格局的公共公式進(jìn)行了制定.在通信的時(shí)候這個(gè)協(xié)議對每個(gè)RTU設備的地址進(jìn)行定義，對按地址發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行識別，并且對即將產(chǎn)生的行動(dòng)進(jìn)行決定.在需要回應的情況下，反饋信息將在RTU設備中生成，采用Modbus TCP協(xié)議發(fā)出信息.相互轉換Modbus TCP協(xié)議與Modbus協(xié)議的時(shí)候，不需改變RTU,只需相應的轉換MBAP報文頭.服務(wù)器的請求被接收到的時(shí)候，MBAP報文頭被Modbus TCP協(xié)議去掉并且被出送到RTU設備中.按照接收到的命令RTU設備進(jìn)行數據讀取，而且對CRC進(jìn)行差錯校驗;RTU設備的相應被接收到的時(shí)候，相應的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(guò)這樣的過(guò)程實(shí)現兩個(gè)協(xié)議的相互轉換.

(2)實(shí)現設備參數讀寫(xiě)

采用C/S模型實(shí)現設備參數讀寫(xiě)模塊.

建立Socket通信是第一步，遠程監控終端與數據服務(wù)器建立連接是通過(guò)發(fā)送注冊包實(shí)現的，TCP?；顧C制被啟動(dòng)，等候服務(wù)器發(fā)出命令，寫(xiě)入或讀取設備參數命令由數據服務(wù)器發(fā)送的時(shí)候，按照Modbus TCP協(xié)議遠程監控終端接收命令，在傳入設備之前把它轉化為Modbus協(xié)議，根據其命令RTU設備對相應設備參數進(jìn)行寫(xiě)入或讀取，并向遠程監控終端發(fā)送響應.在寫(xiě)入或讀取成功的條件下，按照Modbus TCP協(xié)議接收到的響應被遠程監控終端被封裝，并且發(fā)送給數據服務(wù)器;如果是失敗的寫(xiě)入或讀取，按照Modbus TCP協(xié)議異常響應被遠程監控終端發(fā)送到數據服務(wù)器.

(3)設計與實(shí)現套接字通信

監控設備與服務(wù)器之間的數據交換是通過(guò)套接字通信層得以實(shí)現的，整個(gè)設計的核心是是串口同層并聯(lián).設計通信部分的流程如圖1所示.

(5)設計與實(shí)現串口通信

去除報文頭的Modbus數據的讀取來(lái)自于共享內存.半雙工機制是串口采用的機制，不能同時(shí)進(jìn)行接收數據與發(fā)送命令，串口數據的讀取是在發(fā)送完命令之后.自動(dòng)方向切換芯片被采用之后就可以解決這一問(wèn)題了.串口通信流程圖如圖2所示.

四.分析系統性能

(1)在監控系統的作用和功能方面，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(wèn)題進(jìn)行解決，使處理.交換.傳遞信息的速度加快，使監控系統的可靠性和安全性得到保證，使控制系統的人性化.智能化.自動(dòng)化水平提高.主要功能在遠程監控系統中得以實(shí)現的有：使工作報表正常運行，各種故障中的報警得以實(shí)現;供氣壓力參數可以遠程設定，能夠在線(xiàn)修正參數;實(shí)時(shí)監測供氣壓力，供氣過(guò)壓和欠壓都會(huì )進(jìn)行報警;供電系統的可靠性得以提高;等等.

(2)通過(guò)透明傳輸的方式，接收到的命令只需被遠程監控終端進(jìn)行拆包，即協(xié)議解析不需要進(jìn)行，MBAP報文頭被去掉;RTU響應被收到之后，只需組裝接收到的響應，即CRC差錯校驗被去掉，加上MBAP報文頭，協(xié)議解析不需要進(jìn)行，協(xié)議的透明化得以實(shí)現.套接字通信性能的完善是通過(guò)Socket異常處理來(lái)實(shí)現的，對于數據服務(wù)在網(wǎng)絡(luò )中斷并自動(dòng)重連能夠及時(shí)被系統檢測到.正常的網(wǎng)絡(luò )中斷很容易被套接字通信機制發(fā)現，而像拔掉網(wǎng)線(xiàn)等不正的網(wǎng)絡(luò )中斷則不易被其發(fā)現.

五.結束語(yǔ)

通過(guò)上述淺析Modbus協(xié)議.系統設計構架.分析系統性能，可以得知，基于內嵌Modbus協(xié)議的遠程監控系統，可以實(shí)現設備參數讀寫(xiě)和套接字通信，使處理.交換.傳遞信息的速度加快.總之，這一系統具有很多優(yōu)勢，需要我們加大這這方面的研究和應用.