基于Modbus/TCP的生產監控系統的研究與設計

摘要：生產監控系統用于生產企業，主要有數據采集子系統和實時數據監控子系統組成，兩個子系統分別位于不同的安全域，依靠Modbus/TCP安全網關進行物理隔離。位于內部安全域的采集子系統負責從OPC服務器中采集生產數據，借助Modbus/TCP協議穿越安全網關將數據傳輸到外部非安全域的監控系統數據庫，實時監控系統提取數據并顯示到Web頁面，為遠程監控人員提供可視化生產線映像。

關鍵詞：Modbus/TCP協議;OPC;冗余切換算法;實時數據庫

中國分類號：TP391? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0223-02

Research and design of Production Monitoring System Based on Modbus/TCP

CHEN Wei

（Electronic Information System， Anqing Vocational and Technical College， Anqing 24600， china）

Abstract： Production monitoring system for production enterprises， the main data acquisition subsystem and real-time data monitoring subsystem， two subsystems are located in different security domains， rely on the Modbus/TCP security gateway physical isolation. Acquisition subsystem is located inside the security domain is responsible for collecting production data from the OPC server， use the database monitoring system through Modbus/TCP protocol security gateway transmits data to an external nonsecurity domain， extracted the data real-time monitoring system and display to the Web page for remote monitoring personnel to provide visual image production line.

Key words： Modbus/TCP protocol; OPC; redundant switching algorithm; real time database

1 背景

隨著工業化的進程不斷加快和互聯網技術的高速發展，以及計算機技術、通信技術和電子技術的融合，工業控制網絡技術的不斷提高。工業控制網絡在實際工業生產中發揮越來越重要的作用，網絡協議也處于不斷升級換代之中，Modbus/TCP協議是有Modbus協議封裝在TCP協議中是面向連接的傳輸層協議。Modbus/TCP協議是以太網應用層協議，該協議將Modbus報文信息封裝到TCP報文中，而TCP協議是面向連接的協議是可靠傳輸協議，能保證工業以太網數據的可靠傳輸[1]。

生產監控系統用來企業生產過程中的實時監控，生產監控系統由采集端系統和監控系統兩部分組成，采集端系統用于OPC服務器端，獲取OPC服務器中設備參數，借助OPC通信規范Modbus/TCP協議將數據傳送到數據庫中，然后監控系統在數據庫中取出數據動態的顯示在監控頁面上。

2 Modbus/TCP的監控系統

生產監控系統（Produce Data Monitor System，以下簡稱PDMS）它主要由數據采集系統和生產監控系統組成。

數據采集子系統通過OPC通信規范從OPC服務器（OPC Server）中采集生產過程各個設備的運行數據，并且通過安全網關，網關主要保證數據安全采集。

生產監控系統由實時數據庫（Realtime Data Base，RDB）暫存生產數據，當管理員從遠程登錄訪問監控子系統時，它以可視化的方式將指定生產線狀態顯示在監控界面網頁中，為系統管理人員提供實時的生產數據，能夠有效支持生產控制決策。在監控系統中實時數據庫的作用是主導，實時數據要有準確性、高效性傳輸到監控頁面上。

采集層要不斷獲取OPC服務器的數據，不包含任何通信接口程序，不必關心底層的硬件設備特性，也不必考慮軟硬件如何通信，只要遵循OPC數據接口協議，就能夠從OPC服務器中取得數據，由于OPC 服務端與客戶端之間的接口是標準的，因此可以開發出通用的 OPC客戶端，使不同的應用訪問同一臺設備或使同一個應用訪問不同的設備[2]。

通信層通信模塊[3]在生產監控系統中負責OPC采集端和OPC接受端之間的通信，OPC的采集端在OPC服務器端獲取OPC項的參數與OPC接受端通信，由于要保證OPC服務器的安全性，所以在OPC采集端和OPC接受端加入研華網關，研華網關支持10/100 Base-T標準，多達8個客戶同時訪問現場數據、支持大多數帶 Modbus/TCP驅動程序，配置為RS-485串行模式時最多可提供3個獨立的串行端口、提供自動搜索設備ID。

3 生產監控系統的實現

3.1 數據處理模塊

Modbus/TCP 數據處理模塊包括發送和接收模塊。Modbus/TCP 幀有其固定的格式，在發送數據時，數據捕獲模塊獲取需要發送的數據，而數據幀構造模塊將數據按照 Modbus/TCP 幀的格式將數據重新組合，接收模塊在接受數據時，一次只能接收一個寫操作，該功能由數據幀傳輸模塊完成。

生產監控系統采集端接收到OPC服務器端發送的命令后，先按照比特填充轉譯原則將命令譯碼，然后計算CRC循環冗余檢驗碼，再將2個字節的CRC碼添加到報文尾部后發送到數據采集設備，數據采集設備根據生產監控系統采集端接的命令讀取或寫入相應的設備參數，并發送給生產監控系統采集端。如果讀取或寫入成功，生產監控系統采集端接收到封裝的Modbus/TCP協議，按照比特填充轉譯原則轉譯，將信息發送給數據服務器;在讀取或寫入失敗和發送給數據服務器失敗的情況下，生產監控系統采集端重新嘗試發送，如果超過6次就采集端啟動冗余切換算法。[5]

3.2 數據采集端通信模塊

生產監控系統采集端和數據采集設備之間的采用半雙工的RS485串口來實現，生產監控系統采集端的RS485是由GPIO（通用的輸入和輸出）口來控制收發的數據[4]。因為采用半雙工的模式的串口通信，不能同時進行發送數據和接受數據，生產監控采集端將命令發送給數據采集設備后，需要等待命令發送數據結束后才能讀取數據采集設備發回的信息。數據采集端串口通信流程如下：1）初始化GPIO口和通信串口，打開GPIO口和通信串口、配置通信串口的參數和配置串口的波特率等。2）調用write（）函數將Modbus協議寫入串口中并等待寫入完成，然后再調用read（）函數讀取數據采集設備的數據。3）調用close（）函數關閉GPIO口和通信串口。

4 生產監控系統的運行

生產監控系統的采集端程序頁面，OPC采集端安裝在OPC服務器上，采集OPC服務器上項對象的值，即設備運行參數值，將數值用Modbus/TCP協議通過隔離網關，將數據存儲到實時數據庫中。

生產監控系統的監控頁面是動態的刷新頁面從實時數據庫中取出實時數據顯示到頁面上，這些數據動態的顯示各個設備運行的情況。

生產監控系統是基于Modbus/TCP協議的以太網來實現，首先對整個系統的介紹，整個系統主要兩個模塊通信模塊和管理模塊，最后對生產監控系統的設計與實現，特別對Modbus/TCP數據處理模塊、數據采集端串口通信、采集端設備讀寫的詳細實現，最后使用冗余切換算法提高生產監控系統的通信可靠性和安全性。

5 結束語

生產監控系統基于OPC技術、Modbus/TCP協議和Web技術及數據庫技術的基礎上實現了數據的實時監控，便于管理員在安全生產時能遠距離的監控系統，在遠距離的網絡上可以實時的反應各個設備的生產參數情況，如設備的溫度、壓強等以便管理員及時的處理。基于OPC技術和Modbus/TCP協議的生產監控系統，采用OPC規范，由于是組態化的管理，大大減低了系統的復雜度，提高了軟件的穩定性和可靠性，便于系統的升級和管理。

參考文獻：

[1] 陳偉. O基于Modbus/TCP的安全生產數據監控系統的研究與設計[D]. 蕪湖： 安徽師范大學， 2013.

[2] 蔡翔云， 鄭小虎， 姜麟. OPC 規范及開發應用[J]. 昆明理工大學學報： 理工版， 2002（3）： 47-50.

[3] 劉會平， 王倩， 唐蕾. 開放式多規約OPC通訊服務器的研究與設計[J]. 計算機工程與設計， 2003， 24（4）：69-71.

[4] 季勝鵬. 林中達基于OPC規范的客戶/服務器模型設計[J]. 電力自動化設備， 2002（11）.

[5] 李晶. 基于Modbus/TCP協議的遠程監控系統應用設計[D]. 杭州： 浙江工業大學， 2012.