基于Modbus TCP現場總線的儲液罐遠程監控系統實現

摘" 要：針對工業生產中用到的溶劑儲液罐液位遠程監控的問題，提出采用基于Modbus TCP的現場總線控制結構。Modbus TCP現場總線應用層采用Modbus協議作為通信協議，傳輸層和網絡層采用TCP/IP協議，數據鏈路層和物理層由以太網實現，所以Modbus TCP具有通用性強和通信速度快的雙重優點。設計監控系統結構和I/O點控制算法，編寫監控軟件，進行系統實驗。實驗結果表明，Modbus TCP現場總線控制結構能夠保證系統具有很高的實時性能，系統結構合理，可擴展性強。

關鍵詞：Modbus TCP;儲液罐;遠程實時監控;現場總線;FCS;液位監控;可擴展性

中圖分類號：TP273" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0136-05

Abstract： In order to solve the problem of remote monitoring of liquid level of solvent storage tank used in industrial production， a field bus control structure based on Modbus TCP is proposed. The Modbus TCP fieldbus application layer uses Modbus protocol as the communication protocol， the transport layer and network layer uses TCP/IP protocol， and the data link layer and physical layer are implemented by Ethernet， so Modbus TCP has the dual advantages of strong versatility and fast communication speed. The structure of the monitoring system and the I/O point control algorithm are designed， the monitoring software is compiled， and the system experiments are carried out. The experimental results show that the Modbus TCP fieldbus control structure can ensure that the system has high real-time performance， reasonable structure and strong expansibility.

Keywords： Modbus TCP; liquid storage tank; remote real-time monitoring; fieldbus; FCS; liquid level monitoring; expansibility

儲液罐是工業生產中用于儲存生產用溶劑的儲存設備。為了對溶劑儲液罐的使用進行管理，需要設計一個能夠在控制室對生產現場儲液罐進行監控的自動化系統。傳統的自動化監控系統一般采用DCS（Distributed Control System，分布式控制系統）實現。但隨著系統規模和控制距離的逐漸增大，DCS控制距離短、擴展能力弱的缺點就顯現出來了。所以在DCS之后出現了FCS（Fieldbus Control System，現場總線控制系統）。FCS中的設備均為支持現場總線協議的智能設備，這些設備可以簡單掛接在現場總線上，控制器通過總線協議與各傳感器和其他控制器進行通信。現場總線經過專門設計，通信距離能夠到達上千米，通信速率從每秒幾千比特到每秒上千兆比特，其中以以太網作為底層通信手段的現場總線通訊速度最快、通信距離最長。目前流行的現場總線協議有很多種，每一種都形成了自己世界通用的標準并有專門的行業協會維護和發展[1-5]。因為控制室與儲液罐現場的距離很遠，并且FCS布線簡單，可靠性高，擴展性好，所以溶劑儲液罐系統選擇了FCS實現自動化監控。

Modbus協議是由MODICON在1979年開發的，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議。現在，Modbus協議的所有權歸屬于IDA組織（Interface for Distributed Automation），該組織成立了Modbus-IDA組織，專門進行Modbus協議的發展和應用。Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言，是全球應用最為廣泛的工業協議。和許多收費的現場總線協議不同，Modbus協議完全免費，因此得到了工業自動化領域的廣泛關注和應用[6-11]。Modbus協議具有容易學習、便于應用、可靠性高和成本低廉的特點，因此使用Modbus協議可以連接到工業自動化領域幾乎所有的傳感器和控制設備上。

根據網絡連接形式的不同，Modbus協議有很多變種。Modbus TCP就是其中一個。Modbus TCP協議于1999年被提出，是基于以太網的Modbus協議。Modbus TCP的應用層使用Modbus協議，傳輸層采用TCP協議，網絡層采用IP協議，數據鏈路層和物理層由以太網實現。因為TCP/IP以太網具有傳輸速度快和可靠性高的特點，所以Modbus TCP具有通用性強和傳輸速度快的雙重優點。因此，儲液罐監控系統采用Modbus TCP作為通信總線。

Modbus協議采用一問一答的形式。如果問過之后等待回答，就會耗費計算機的運行時間，降低系統實時性。所以為了保證監控軟件的實時性能，采用了消息通信的機制接受應答信息。這樣，沒有應答信息時監控軟件可以進行其他工作，應答信息到了就會向監控軟件發送消息，監控軟件收到消息就可以及時接收和處理應答信息。

1" 系統結構

溶劑儲液罐需要監控的信息主要是儲液罐的液位。當液位高于某一指定值時進行報警，以提醒工作人員液位超限，同時自動關閉入口閥門和氣動泵。當液位低于某一指定值時也進行報警，以提醒工作人員進行加液。液位信息還要顯示在工作現場的觸摸屏和控制室的操作界面屏幕上。溶劑的加液操作由儲液罐入口閥門和入口氣動泵控制，溶劑的使用由出口閥門和出口氣動泵控制。用戶可以在控制室的操作界面屏幕上或在工作現場的觸摸屏上進行開關閥門和氣動泵的操作。儲液罐的液位值由差壓式液位傳感器采集。差壓式液位傳感器需要安裝在儲液罐下部，采集值其實是儲液罐里面液體下部的壓力，該壓力值與液面上面空氣的壓力值進行換算才能得到測量的液位值。所以在儲液罐的頂部安裝一個壓力傳感器，用于測量液面上面空氣的壓力。

令儲液罐液面上面空氣的壓力為pair（單位為Pa），差壓液位傳感器測量值為pt（單位為Pa），測得的儲液罐液位為h（單位為m），儲液罐中溶劑的密度為ρ（單位為kg/m3），重力加速度為g（kg·m/s2），則有

h=（pt-pair）/（ρg）。 （1）

選用的壓力變送器和差壓液位變送器均支持Hart通信，采用Hart與Modbus TCP轉換模塊HME635采集變送器傳送的信息并通過Modbus TCP傳給主控計算機。Hart通信是一種介于模擬量與數字量通信之間的通信形式，采用載波通信技術，能夠克服模擬量數據采集傳輸距離短、抗干擾能力弱的缺點。所以這里傳感器數據的傳輸采用Hart通信形式。HME635使用一種Hart通信轉Modbus TCP通信的工控模塊。HME635可以通過設定自動使用Hart通信采集變送器數據，存儲于自身的存儲器中。上位機可以通過Modbus TCP協議讀取這些數據。HME635最多同時支持3個Hart通道和64個Modbus TCP或Modbus UDP通道。通過HME635模塊使控制計算機能夠通過Modbus TCP訪問變送器傳送的數據，這樣就實現了基于Modbus TCP總線的數據采集。

報警器一共有2個，一個安裝在現場的控制柜上，一個安裝在控制室。當儲液罐液位異常時，2個報警器要同時報警。2個報警器均受主控制計算機控制，由支持Modbus TCP的PLC和控制模塊驅動。

主控計算機為研華ARK-2250嵌入式工控機，安裝在控制室。該型工控機采用無風扇設計，結構緊湊，接口豐富，擁有雙百兆以太網接口。因為現場工作條件比較差，所以采用了可靠性較高的三菱Q系列PLC作為驅動設備。三菱Q系列PLC采用模塊化設計，方便擴展應用。在PLC上安裝的QJ71MT91模塊支持Modbus TCP通信，主控計算機通過該模塊實現對PLC輸出信號的控制。工作現場的報警器、儲液罐的出入口閥門和氣動泵的控制均由PLC上的DO信號驅動。控制室的報警器使用一個ZQWL-IO遠程IO控制模塊驅動，該模塊支持Modbus TCP通信，包含2個DO通道和2個DI通道。

Modbus TCP采用客戶機/服務器形式進行通信。發起通信的一方為客戶機，接收通信數據并進行響應的一方為服務器。因此，PLC、控制模塊、HME635模塊工作于服務器模式，主控計算機為客戶機模式，操作界面計算機和觸摸屏兼有服務器模式和客戶機模式。通信網絡采用冗余環網，由2臺100 M的赫斯曼工業網絡交換機組成。

監控系統的結構如圖1所示。

操作界面計算機運行圖形監控界面軟件，圖形界面的刷新需要耗費計算機的運行時間。所以將監控軟件放在主控計算機中運行，以提高系統的實時性能。同時，即使用戶的失誤操作造成操作界面計算機不能正常工作，并不會影響主控計算機的工作，從而提高了系統的可靠性。

2" Modbus TCP的應用數據單元

Modbus的以太網協議分為Modbus TCP和Modbus UDP。其區別在于Modbus TCP在傳輸層采用TCP協議，Modbus UDP在傳輸層采用UDP協議。TCP適用于少量數據傳送，而UDP適用于大量數據傳送。用戶可以根據實際需要選擇Modbus TCP或者Modbus UDP。為了提高系統可靠性，溶劑儲液罐監控系統選擇Modbus TCP進行數據通信。

根據TCP/IP協議，每一個Modbus TCP設備都有一個固定的IP地址，數據傳送以IP地址區分不同的設備。使用Modbus TCP協議的服務器，其默認端口號均為502。Modbus TCP協議客戶機的端口號可設置為除502以外的值。Modbus TCP的應用數據單元（Application Data Unit，ADU）將Modbus簡單協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）按照TCP/IP協議標準進行封裝。一個TCP幀稱為一個應用數據單元，在一個Modbus TCP ADU中一般只發送一個Modbus TCP PDU。Modbus TCP ADU的結構如圖2所示。

MBAP報文頭字段見表1。

事務處理標識符用于事務處理配對，由用戶根據需要自行設置，服務器端接收到此標識符后應答時復制該值;協議標識符應為0;長度字段是后續字段的字節數，包括單元標識符和數據字段的字節數;單元標識符用于系統內路由選擇。

Modbus協議定義了公共功能碼、用戶定義功能碼和保留功能碼等3種功能代碼。Modbus協議是為了讀寫PLC數據而產生的，主要支持輸入離散量、輸出線圈、輸入寄存器和保持寄存器4種數據類型。Modbus協議相當復雜，但常用的功能碼主要有8個。這8個功能碼及功能見表2。

在功能碼之后是數據部分。數據部分的形式根據功能碼的不同而不同，但一般包括起始地址、寄存器數、數據字節數和實際數據等幾個部分。

3" 監控軟件設計

溶劑儲液罐監控程序要實現的功能包括：

1）打開關閉入口和出口閥門;

2）打開關閉入口和出口氣動泵;

3）設定高液位值，當液位高于高液位值時自動關閉入口閥門和氣動泵并通過現場警報器和控制室警報器報警;

4）設定低液位值，當液位低于低液位值時通過現場警報器和控制室警報器報警;

5）液位值、閥門和氣動泵的開關狀態在監控屏幕上和現場觸摸屏上顯示。

3.1" 以太網通信的實現

監控軟件采用Visual C++語言編寫。在Windows操作系統中，以太網的通信是由Windows套接字實現的。Visual C++中支持套接字的類有2個，分別是CSocket和CAsyncSocket。CSocket是CAsyncSocket的派生類，支持阻塞模式，即進行發送數據和接受數據，如果沒有完成則持續等待。但這也會帶來軟件運行停滯的風險。而CAsyncSocket通過消息機制處理數據的收發，數據發送之后即返回，發送完畢通過virtual void CAsyncSocket：：OnSend（int nErrorCode）消息通知軟件可以發送下一個數據。當接收到數據時通過virtual void CAsyncSocket：：OnReceive（int nErrorCode）通知軟件可以接收數據。這樣，當軟件工作任務比較多、對實時性有一定要求時會更方便一些。為了使用這些功能，需要自己定義CAsyncSocket的派生類，然后在派生類中對OnSend函數和OnReceive函數進行重載就可以了。因此，監控程序使用自定義的CAsyncSocket類的派生類實現以太網通信。

監控軟件運行于主控計算機中，需要與操作界面計算機、觸摸屏、HME635、PLC、控制模塊ZQWL-IO進行以太網通信。所以需要使用5個自定義的通信對象的實例，每個實例使用一個除502外的不同的端口號，連接至相應設備的502端口。其結構如圖3所示。

3.2" 控制器I/O點控制算法

開閉閥門、氣動泵、工作現場報警器、控制室報警器均要用到Modbus協議的寫線圈指令。05指令和15指令均為寫線圈指令，區別是05指令一次寫一個線圈，15指令一次寫多個線圈。線圈值置1則閉合開關，置0則斷開開關。

因為控制信號通過Modbus協議傳遞，所以設定設備狀態需要確保控制器正確執行了操作。當控制器正確響應了Modbus指令后會向客戶端返回一個響應指令，程序可通過該指令進行判斷。為控制器設置了唯一ID編號，并將發送指令的事務標識符設置為該ID編號。控制器傳回的響應指令中會將事務標識符完整復制，所以可通過響應指令中的事務標識符判斷控制器，然后根據響應指令中I/O口地址和設定值更新相應的標志值。

為了保證網絡暢通，要避免不必要的信息傳送。為此為每個設備設置一個控制變量和一個狀態標志變量。控制變量和狀態標志變量的設定值見表3。

控制變量在判斷工作狀態設定值時更新。狀態標志變量在接收到控制器響應指令時更新。如果某一設備的控制變量與狀態標志變量不一樣，則依據控制變量向控制器發送寫線圈指令。如果控制變量與狀態標志標量一致則不進行操作。

軟件初始化時，設置控制變量初始值為2，即關閉。設置狀態標志變量初始值為-1，這樣不管控制變量為何值都會發送一次寫線圈指令，客戶端在接收響應指令時即將狀態標志變量與設備實際工作狀態同步。設控制變量為整形變量cnt，狀態標志變量為整型變量st，則狀態標志變量初始化流程圖如圖4所示。

4" 測試舉例

設控制器PLC設備ID號為10，控制工作現場報警器的DO口地址為56H，控制變量為整形變量cnt，狀態標志變量為整型變量st，則當軟件初始化時令

cnt=2;

st=-1。

接下來判斷cnt和st是否相等，這時cnt和st不相等，所以要向PLC發送控制指令，這里使用05指令。

因為cnt為2表示關閉，所以發送的控制指令如下。

0x00 0x0A 0x00 0x00 0x00 0x06 0x01 0x05 0x00 0x56 0x00 0x00

指令中的數均為16進制。其中0x00 0x56表示線圈地址為56H，0x00代表地址高8位，0x56代表地址低8位。最后2個字節0x00 0x00代表關閉命令。如果是打開命令，則最后2個字節是0xFF 0x00。

PLC正確收到該指令后就發回響應指令，同時設置地址為56H的DO端口為關閉狀態。PLC發回的響應指令如下。

0x00 0x0A 0x00 0x00 0x00 0x06 0x01 0x05 0x00 0x56 0x00 0x00

由事務標識符0x00 0x0A可知設備ID號為10，也就是PLC。由第8個字節0x05可知是寫線圈操作，由第9和第10字節0x00 0x56可知是對控制工作現場報警器的線圈進行寫操作，由最后2個字節0x00 0x00可知是關閉線圈指令。然后修改st值，令

st=2;

這樣就完成了工作現場報警器狀態標志變量的初始化。

以太網的速度為100M bit/s，則每個字節傳送所用時間為0.08 μs，控制報警器的指令和返回指令共需用時1.92 μs。考慮到信息處理及數據校驗，則一次DO操作不超過10 μs。所以Modbus TCP的通信速度是非常快的。

5" 結束語

現場總線控制系統（FCS系統）相比于分布式控制系統（DCS系統）具有布線簡單、可靠性高、可擴展性強的優勢。所以，溶劑儲液罐采用FCS系統方案構建遠程監控系統。Modbus TCP現場總線是現場總線的一種。Modbus TCP現場總線使用具有廣泛支持的Modbus協議作為網絡應用層，網絡的傳輸層、網絡層使用TCP/IP協議，數據鏈路層和物理層采用以太網，因此Modbus TCP現場總線具有通用性強和通信速度快的雙重優點。構建的遠程監控系統采用了Modbus TCP現場總線。設計了控制系統結構和I/O點控制算法，開發了監控軟件，進行了系統測試實驗。實驗結果表明，基于Modbus TCP現場總線的監控系統實時性強，運行穩定，可靠性高，結構合理，具有很強的可擴展性。

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