一種基于Modbus TCP和WEB的實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

　　摘要：為了實時、便捷地了解測控現(xiàn)場設備運行的狀況，設計了一種基于Modbus TCP和WEB的實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計基于dsPIC30F6014單片機，實現(xiàn)對采集模塊的控制，并通過ASP.NET創(chuàng)建的動態(tài)WEB瀏覽器和SQL強大的數(shù)據(jù)庫功能完成實時監(jiān)控。結果表明，該系統(tǒng)能快速、方便、實時地動態(tài)顯示設備的各項運行指標。

　　引言

　　隨著自動化行業(yè)和控制技術的不斷發(fā)展和進步，現(xiàn)場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越普遍。現(xiàn)場總線作為信息傳輸?shù)闹鞲傻?，已?jīng)不再局限于現(xiàn)場的短距離通信，其應用規(guī)模日益擴大、復雜化，人們對現(xiàn)場設備的監(jiān)控也提出了越來越高的要求。封閉的總線環(huán)境已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代自動化控制的要求，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(xiàn)場設備的運行進行實時的監(jiān)測和控制。

　　近年來，大量先進的遠程監(jiān)控技術開始應用于現(xiàn)場總線和遠程客戶端的交換，但Modbus協(xié)議目前還僅限于現(xiàn)場總線上，只有基于TCP/IP的協(xié)議才能通過以太網(wǎng)實現(xiàn)超遠距離的傳輸，為此 Modbus TCP/IP應運而生。筆者通過對Modbus TCP協(xié)議的研究，將油井現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)、WiFi等設備傳送到遠距離的客戶端，并通過瀏覽器終端實時地顯示現(xiàn)場設備的運行狀況，為客戶提供一種遠程實時監(jiān)控的解決方案。

　　1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計

　　本監(jiān)控系統(tǒng)的設計原理：利用dsPIC30F6014A單片機搭載底層的硬件電路采集數(shù)據(jù)，采用Modbus TCP/IP協(xié)議通過無線收發(fā)器傳輸至Int ernet，在此基礎之上，利用C#語言編程，結合ASP.NET創(chuàng)建的動態(tài)WEB頁面和SQL Server數(shù)據(jù)庫的訪問鏈接技術，設計了一種實時監(jiān)控的WEB平臺，達到了對現(xiàn)場設備的實時監(jiān)控的目的。

　　實時監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、客戶端系統(tǒng)4部分組成，其總體示意圖如圖1所示。

　　在本監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場采集系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)和RTU組成，單片機系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并傳給RTU，RTU將數(shù)據(jù)進行存儲，并隨時等待服務器端的數(shù)據(jù)請求命令。當收到服務器端數(shù)據(jù)請求命令時，RTU根據(jù)傳輸?shù)木嚯x選擇不同的傳輸方式，近距離傳輸選用無線模塊傳輸，遠距離傳輸選擇Internet網(wǎng)絡傳輸，數(shù)據(jù)庫服務器對上傳的數(shù)據(jù)進行分析和判斷，將符合信息幀格式的數(shù)據(jù)進行處理并存儲在數(shù)據(jù)庫中。同時，采用B /S模式，瀏覽器終端用戶可通過在瀏覽器地址欄輸入服務器IP，以動態(tài)網(wǎng)頁的形式瀏覽、查詢多個設備數(shù)據(jù);享有權限的管理人員可對生產(chǎn)現(xiàn)場設備進行遠程管理和控制。只要有網(wǎng)絡的地方就能使用該系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)實時監(jiān)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(shù)據(jù)采集模塊、電路保護模塊、傳輸模塊和系統(tǒng)配置模塊組成。傳感器對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，通過A/D轉(zhuǎn)換送到單片機，單片機經(jīng)UART串口和無線模塊將數(shù)據(jù)傳送到嵌入式TCP/IP協(xié)議串口服務器，并通過Internet上傳至數(shù)據(jù)庫服務器中存儲。瀏覽器終端可以通過WEB服務器訪問數(shù)據(jù)庫服務器了解現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)的安全可靠性，在設計中添加了過流、過壓、和防雷擊等保護電路。硬件實物圖如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件的總體結構如圖4所示，作為監(jiān)控系統(tǒng)的管理人員，在瀏覽器終端可以實現(xiàn)用戶管理、數(shù)據(jù)處理、瀏覽器實時顯示當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢4個功能模塊的操作。在用戶管理界面，可以實現(xiàn)密碼設置、用戶添加和權限沒置等功能;在數(shù)據(jù)處理中，管理人員可以對上傳的數(shù)據(jù)進行存儲備份，并保存到數(shù)據(jù)庫服務器中，以供瀏覽器終端訪問;在WEB平臺中，可以對上傳的數(shù)據(jù)進行實時的顯示，對歷史數(shù)據(jù)可以進行隨時查詢和曲線分析。

　　4 Modbus TCP協(xié)議

　　Modbus TCP協(xié)議以一種非常簡單的方式將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，并以其簡單性、開放性、實時性及數(shù)據(jù)傳輸量大等特點，在工業(yè)自動化領域得到廣泛的應用。

　　Modbus TCP協(xié)議規(guī)定每個控制器都需要有自己的地址，按地址識別發(fā)來的消息。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(guī)定，其應用數(shù)據(jù)單元(ADU)由MBAP報文頭、功能碼和數(shù)據(jù)域3部分構成，如圖5所示。

　　5 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

　　5.1 現(xiàn)場與服務器端的數(shù)據(jù)傳輸

　　當油井分布較分散，傳輸距離比較遠且超過1 km時，可以使用GPRS網(wǎng)絡進行傳輸;當油井分布比較集中，傳輸距離近，不超過1 km時，可選擇使用無線模塊進行組網(wǎng)傳輸。

　　現(xiàn)場與服務器端的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示，在系統(tǒng)運行時應首先啟動數(shù)據(jù)庫服務器、初始化套接字庫。建立通信套接字后，服務器進入端口監(jiān)聽狀態(tài)。當有現(xiàn)場終端向服務器發(fā)出連接請求時，服務器開一個線程建立連接，并啟動數(shù)據(jù)請求定時器。當定時時間到時，服務器向已建立連接的現(xiàn)場終端發(fā)送Modbus TCP協(xié)議請求幀格式的數(shù)據(jù)請求?，F(xiàn)場終端在接收到數(shù)據(jù)請求后，對信息幀格式進行分析，如果符合協(xié)議，則將數(shù)據(jù)按照Modbus TCP協(xié)議響應幀格式上傳，否則不響應。