基于Modbus/TCP的生产监控系统的研究与设计

摘要：生产监控系统用于生产企业，主要有数据采集子系统和实时数据监控子系统组成，两个子系统分别位于不同的安全域，依靠Modbus/TCP安全网关进行物理隔离。位于内部安全域的采集子系统负责从OPC服务器中采集生产数据，借助Modbus/TCP协议穿越安全网关将数据传输到外部非安全域的监控系统数据库，实时监控系统提取数据并显示到Web页面，为远程监控人员提供可视化生产线映像。

关键词：Modbus/TCP协议;OPC;冗余切换算法;实时数据库

中国分类号：TP391          文献标识码：A      文章编号：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

随着工业化的进程不断加快和互联网技术的高速发展，以及计算机技术、通信技术和电子技术的融合，工业控制网络技术的不断提高。工业控制网络在实际工业生产中发挥越来越重要的作用，网络协议也处于不断升级换代之中，Modbus/TCP协议是有Modbus协议封装在TCP协议中是面向连接的传输层协议。Modbus/TCP协议是以太网应用层协议，该协议将Modbus报文信息封装到TCP报文中，而TCP协议是面向连接的协议是可靠传输协议，能保证工业以太网数据的可靠传输[1]。

生产监控系统用来企业生产过程中的实时监控，生产监控系统由采集端系统和监控系统两部分组成，采集端系统用于OPC服务器端，获取OPC服务器中设备参数，借助OPC通信规范Modbus/TCP协议将数据传送到数据库中，然后监控系统在数据库中取出数据动态的显示在监控页面上。

2 Modbus/TCP的监控系统

生产监控系统（Produce Data Monitor System，以下简称PDMS）它主要由数据采集系统和生产监控系统组成。

数据采集子系统通过OPC通信规范从OPC服务器（OPC Server）中采集生产过程各个设备的运行数据，并且通过安全网关，网关主要保证数据安全采集。

生产监控系统由实时数据库（Realtime Data Base，RDB）暂存生产数据，当管理员从远程登录访问监控子系统时，它以可视化的方式将指定生产线状态显示在监控界面网页中，为系统管理人员提供实时的生产数据，能够有效支持生产控制决策。在监控系统中实时数据库的作用是主导，实时数据要有准确性、高效性传输到监控页面上。

采集层要不断获取OPC服务器的数据，不包含任何通信接口程序，不必关心底层的硬件设备特性，也不必考虑软硬件如何通信，只要遵循OPC数据接口协议，就能够从OPC服务器中取得数据，由于OPC 服务端与客户端之间的接口是标准的，因此可以开发出通用的 OPC客户端，使不同的应用访问同一台设备或使同一个应用访问不同的设备[2]。

通信层通信模块[3]在生产监控系统中负责OPC采集端和OPC接受端之间的通信，OPC的采集端在OPC服务器端获取OPC项的参数与OPC接受端通信，由于要保证OPC服务器的安全性，所以在OPC采集端和OPC接受端加入研华网关，研华网关支持10/100 Base-T标准，多达8个客户同时访问现场数据、支持大多数带 Modbus/TCP驱动程序，配置为RS-485串行模式时最多可提供3个独立的串行端口、提供自动搜索设备ID。

3 生产监控系统的实现

3.1 数据处理模块

Modbus/TCP 数据处理模块包括发送和接收模块。Modbus/TCP 帧有其固定的格式，在发送数据时，数据捕获模块获取需要发送的数据，而数据帧构造模块将数据按照 Modbus/TCP 帧的格式将数据重新组合，接收模块在接受数据时，一次只能接收一个写操作，该功能由数据帧传输模塊完成。

生产监控系统采集端接收到OPC服务器端发送的命令后，先按照比特填充转译原则将命令译码，然后计算CRC循环冗余检验码，再将2个字节的CRC码添加到报文尾部后发送到数据采集设备，数据采集设备根据生产监控系统采集端接的命令读取或写入相应的设备参数，并发送给生产监控系统采集端。如果读取或写入成功，生产监控系统采集端接收到封装的Modbus/TCP协议，按照比特填充转译原则转译，将信息发送给数据服务器;在读取或写入失败和发送给数据服务器失败的情况下，生产监控系统采集端重新尝试发送，如果超过6次就采集端启动冗余切换算法。[5]

3.2 数据采集端通信模块

生产监控系统采集端和数据采集设备之间的采用半双工的RS485串口来实现，生产监控系统采集端的RS485是由GPIO（通用的输入和输出）口来控制收发的数据[4]。因为采用半双工的模式的串口通信，不能同时进行发送数据和接受数据，生产监控采集端将命令发送给数据采集设备后，需要等待命令发送数据结束后才能读取数据采集设备发回的信息。数据采集端串口通信流程如下：1）初始化GPIO口和通信串口，打开GPIO口和通信串口、配置通信串口的参数和配置串口的波特率等。2）调用write（）函数将Modbus协议写入串口中并等待写入完成，然后再调用read（）函数读取数据采集设备的数据。3）调用close（）函数关闭GPIO口和通信串口。

4 生产监控系统的运行

生产监控系统的采集端程序页面，OPC采集端安装在OPC服务器上，采集OPC服务器上项对象的值，即设备运行参数值，将数值用Modbus/TCP协议通过隔离网关，将数据存储到实时数据库中。

生产监控系统的监控页面是动态的刷新页面从实时数据库中取出实时数据显示到页面上，这些数据动态的显示各个设备运行的情况。

生产监控系统是基于Modbus/TCP协议的以太网来实现，首先对整个系统的介绍，整个系统主要两个模块通信模块和管理模块，最后对生产监控系统的设计与实现，特别对Modbus/TCP数据处理模块、数据采集端串口通信、采集端设备读写的详细实现，最后使用冗余切换算法提高生产监控系统的通信可靠性和安全性。

5 结束语

生产监控系统基于OPC技術、Modbus/TCP协议和Web技术及数据库技术的基础上实现了数据的实时监控，便于管理员在安全生产时能远距离的监控系统，在远距离的网络上可以实时的反应各个设备的生产参数情况，如设备的温度、压强等以便管理员及时的处理。基于OPC技术和Modbus/TCP协议的生产监控系统，采用OPC规范，由于是组态化的管理，大大减低了系统的复杂度，提高了软件的稳定性和可靠性，便于系统的升级和管理。

参考文献：

[1] 陈伟. O基于Modbus/TCP的安全生产数据监控系统的研究与设计[D]. 芜湖： 安徽师范大学， 2013.

[2] 蔡翔云， 郑小虎， 姜麟. OPC 规范及开发应用[J]. 昆明理工大学学报： 理工版， 2002（3）： 47-50.

[3] 刘会平， 王倩， 唐蕾. 开放式多规约OPC通讯服务器的研究与设计[J]. 计算机工程与设计， 2003， 24（4）：69-71.

[4] 季胜鹏. 林中达基于OPC规范的客户/服务器模型设计[J]. 电力自动化设备， 2002（11）.

[5] 李晶. 基于Modbus/TCP协议的远程监控系统应用设计[D]. 杭州： 浙江工业大学， 2012.