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強大的數據庫功能完成實時監(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。現場總線作為信息傳輸的主干道，已經不再局限于現場的短距離通信，其應用規(guī)模日益擴大、復雜化，人們對現場設備的監(jiān)控也提出了越來越高的要求。封閉的總線環(huán)境已經不能滿足現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)和公司的生產效率，需要對現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場總線和遠程客戶端的交換，但Modbus協議目前還僅限于現場總線上，只有基于TCP/IP的協議才能通過以太網實現超遠距離的傳輸，為此 Modbus TCP/IP應運而生。筆者通過對Modbus TCP協議的研究，將油井現場采集的數據通過以太網、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據，采用Modbus TCP/IP協議通過無線收發(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數據庫的訪問鏈接技術，設計了一種實時監(jiān)控的WEB平臺，達到了對現場設備的實時監(jiān)控的目的。

　　實時監(jiān)控系統(tǒng)主要由現場采集系統(tǒng)、數據傳輸、數據庫系統(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)采集數據并傳給RTU，RTU將數據進行存儲，并隨時等待服務器端的數據請求命令。當收到服務器端數據請求命令時，RTU根據傳輸的距離選擇不同的傳輸方式，近距離傳輸選用無線模塊傳輸，遠距離傳輸選擇Internet網絡傳輸，數據庫服務器對上傳的數據進行分析和判斷，將符合信息幀格式的數據進行處理并存儲在數據庫中。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)網頁的形式瀏覽、查詢多個設備數據;享有權限的管理人員可對生產現場設備進行遠程管理和控制。只要有網絡的地方就能使用該系統(tǒng)，實現對現場設備的數據實時監(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，主要由數據采集模塊、電路保護模塊、傳輸模塊和系統(tǒng)配置模塊組成。傳感器對現場數據進行采集，通過A/D轉換送到單片機，單片機經UART串口和無線模塊將數據傳送到嵌入式TCP/IP協議串口服務器，并通過Internet上傳至數據庫服務器中存儲。瀏覽器終端可以通過WEB服務器訪問數據庫服務器了解現場設備的運行狀態(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用戶管理、數據處理、瀏覽器實時顯示當前數據和歷史數據查詢4個功能模塊的操作。在用戶管理界面，可以實現密碼設置、用戶添加和權限沒置等功能;在數據處理中，管理人員可以對上傳的數據進行存儲備份，并保存到數據庫服務器中，以供瀏覽器終端訪問;在WEB平臺中，可以對上傳的數據進行實時的顯示，對歷史數據可以進行隨時查詢和曲線分析。

　　4 Modbus TCP協議

　　Modbus TCP協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)以太網應用層協議，并以其簡單性、開放性、實時性及數據傳輸量大等特點，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協議幀發(fā)出，但格式必須嚴格遵守協議規(guī)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 數據傳輸的實現

　　5.1 現場與服務器端的數據傳輸

　　當油井分布較分散，傳輸距離比較遠且超過1 km時，可以使用GPRS網絡進行傳輸;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傳輸。

　　現場與服務器端的數據傳輸流程如圖6所示，在系統(tǒng)運行時應首先啟動數據庫服務器、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，并啟動數據請求定時器。當定時時間到時，服務器向已建立連接的現場終端發(fā)送Modbus TCP協議請求幀格式的數據請求。現場終端在接收到數據請求后，對信息幀格式進行分析，如果符合協議，則將數據按照Modbus TCP協議響應幀格式上傳，否則不響應。