楊 世 江

(上海電科電器科技有限公司, 上海 200063)

基于Modbus/TCP的低成本網(wǎng)關(guān)設(shè)計

楊 世 江

(上海電科電器科技有限公司, 上海 200063)

現(xiàn)有低壓電器產(chǎn)品運(yùn)用的通信接口多為Modbus接口,限制了網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品在智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用。提出了一種基于Modbus /TCP的網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案。測試結(jié)果表明,設(shè)計的網(wǎng)關(guān)能完成相應(yīng)轉(zhuǎn)換功能,減少了對協(xié)議轉(zhuǎn)換處理芯片的性能要求,降低了整個系統(tǒng)的設(shè)計成本及軟件設(shè)計難度。

智能電網(wǎng); Modbus/TCP協(xié)議; 網(wǎng)關(guān); 硬件設(shè)計

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及人們生活水平的不斷提高,傳統(tǒng)電網(wǎng)已經(jīng)不能滿足電力行業(yè)的需求,智能電網(wǎng)已成為電力行業(yè)的發(fā)展趨勢。智能電網(wǎng)是在傳統(tǒng)電網(wǎng)的基礎(chǔ)上融合計算機(jī)可視化、通信技術(shù)、傳感檢測等多種技術(shù)的新型電網(wǎng),具有數(shù)字化、自動化、信息化等基本特征。電網(wǎng)中大部分電能是在終端用電設(shè)備上消耗的,而且用戶端產(chǎn)品量大、面廣,是電能管理和安全保護(hù)的主要對象。

智能用戶端是指從電力變壓器到用電設(shè)備之間對電能進(jìn)行傳輸、分配、控制、保護(hù)和能源管理的所有設(shè)備及系統(tǒng),而對整個電網(wǎng)(局部電網(wǎng))上的智能用戶端進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)信息交互是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。因此,需要一種聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)智能用戶端的信息交互。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)相對于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù),具有價格低、穩(wěn)定可靠、通信速率高、資源共享能力強(qiáng)、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點。將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)領(lǐng)域,實現(xiàn)用戶端產(chǎn)品的互聯(lián)信息交互,具有可行性和實用性。與此同時,現(xiàn)有低壓電器產(chǎn)品運(yùn)用的通信接口多為Modbus接口,要實現(xiàn)利用工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)接入,就需要一個協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)

在國際電工委員會制訂的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158中定義了10種工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[1],這些以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)從處理方式上可分為3類:

(1) A類使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件和標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧,通過上層中合理的控制來應(yīng)對通信中的非確定因素,如Modbus/TCP協(xié)議。

(2) B類使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件,但過程數(shù)據(jù)的傳輸采用專門的傳輸協(xié)議,如Power-Link協(xié)議。

(3) C類協(xié)議中所用從站由專門的硬件實現(xiàn),如EtherCAT協(xié)議[2]。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

文獻(xiàn)[3]提出了基于x86處理器的嵌入式網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的硬件設(shè)計方法,其缺點在于x86結(jié)構(gòu)處理器目前已很少在嵌入式設(shè)備中使用,另外其Modbus接口端采用RS-232C通信方式,在傳輸距離和傳輸可靠性方面都存在問題。文獻(xiàn)[4]采用32位的高性能ARM嵌入式微處理器,通過實時嵌入式操作系統(tǒng)Nucleus Plus統(tǒng)一管理以太網(wǎng)驅(qū)動程序、串行驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序,內(nèi)嵌Web服務(wù)器實現(xiàn)系統(tǒng)的交互訪問,該方案僅從硬件系統(tǒng)設(shè)計方面考慮,硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。文獻(xiàn)[5]為解決不同現(xiàn)場總線之間的通信問題,設(shè)計出適合現(xiàn)場總線互聯(lián)的解決方案,設(shè)計的基于工業(yè)控制現(xiàn)場總線的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng),在使用現(xiàn)有的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)的情況下,實現(xiàn)與Internet的集成,解決設(shè)備直接上網(wǎng)問題。該方案缺點是硬件采用S3C2410作為核心控制器件,周圍輔助器件較多,成本較高,軟件設(shè)計需操作系統(tǒng)配合。

除了上述的設(shè)計方案,國內(nèi)外諸多廠商也有工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品,如EGX100、MESR901、MPort-100IE、CN1EG/10。以上工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品最低也在1 500元左右,不利于其在智能電網(wǎng)用戶端的廣泛使用。

2 低成本網(wǎng)關(guān)設(shè)計

智能電網(wǎng)的發(fā)展需要用戶端產(chǎn)品進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)互動,將Modbus接口的低壓電器設(shè)備聯(lián)網(wǎng),但目前的設(shè)計方案及相關(guān)產(chǎn)品價格昂貴,限制了網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品在智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用。因此,本文提出一種基于Modbus/TCP的低成本網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案。

2.1 硬件設(shè)計

Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計方面主要涉及Modbus物理層接口、 Modbus/TCP物理層接口和完成協(xié)議轉(zhuǎn)換的處理器。Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 Modbus/TCP網(wǎng)關(guān)硬件原理框圖

首先,根據(jù)GB/T 19582.2—2008《基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范 Modbus協(xié)議在串行鏈路上的實現(xiàn)指南》串行鏈路上的Modbus解決方案,可利用RS- 485、RS-232實現(xiàn)電氣連接,通信速率要求為9 600 b/s和19 200 b/s,也可使用1 200、2 400、4 800…38 400 b/s等。考慮到智能電網(wǎng)組網(wǎng)的信號傳輸距離及傳輸中的干擾抑制能力,該設(shè)計中采用RS- 485接口作為Modbus物理層接口。另外,在智能電網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中,設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜、干擾較大。為了保證設(shè)備通信正常以及核心控制電路的安全,必須在通信端口加入光耦隔離器。為實現(xiàn)整個網(wǎng)關(guān)的低成本,在器件選擇方面也要考慮其性價比。RS- 485通信芯片選擇MAX3085,最高通信速率為500 kb/s,完全能滿足要求;光耦選擇TLP281,其導(dǎo)通關(guān)斷時間為3 μs,以Modbus通信速率19 200 b/s為例,其單個字符時長為1/19 200 s=52 μs,因此光耦的開關(guān)時間對字符傳輸幾乎無影響。以上兩種器件的選擇均滿足了Modbus接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

Modbus物理層接口設(shè)計如圖2所示。

圖2 Modbus物理層接口設(shè)計

根據(jù)GB/T 19582.3—2008中Modbus在TCP/IP上的實現(xiàn)規(guī)定,Modbus/TCP物理層(以太網(wǎng)物理層)在設(shè)計該部分時考慮兩種設(shè)計方案。

(1) 采用獨立的PHY配合帶MAC控制器的處理芯片實現(xiàn)。該方案的缺點是一般帶MAC控制器的處理芯片功能都比較強(qiáng)大,通信接口及芯片I/O都比較多,軟件編程需要加入操作系統(tǒng)及TCP/IP協(xié)議。因此,硬件成本高,軟件開發(fā)時間周期長。

(2) 采用集成PHY、MAC及TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)芯片,加上簡單的處理器芯片即可完成以太網(wǎng)通信功能。該方案軟件開發(fā)周期短,且硬件成本低。

本文采用第二種方案,網(wǎng)絡(luò)接口選擇集成硬件TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)芯片W5200。該芯片硬件支持TCP、UDP、ICMP、IGMP、 IPv4、ARP、PPPoE協(xié)議,與MCU連接方式為SPI方式,MCU訪問它就如同訪問一般存儲器。核心控制芯片選擇ARM CortexTM-M0內(nèi)核處理器STM32F051,其通過高速SPI方式訪問W5200。在該設(shè)計方案中,W5200SPI通信接口通信頻率最高可達(dá)80 MHz,而STM32F051SPI通信接口通信頻率最高可達(dá)18 Mb/s,兩者通過SPI接口進(jìn)行通信的速率最高為18 Mb/s,完全滿足通信速率要求。

2.2 軟件設(shè)計

串行鏈路上的Modbus幀結(jié)構(gòu)包括地址域、功能代碼、數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)。在Modbus串行鏈路上,主站通過在報文地址域中放置從站地址尋址從站。當(dāng)從站返回響應(yīng)時,主站將其地址放置到響應(yīng)地址域中,以便獲知子節(jié)點的響應(yīng)。功能碼指示服務(wù)器要執(zhí)行何種操作,功能碼后面是含有請求和響應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)域。差錯檢驗域是根據(jù)報文內(nèi)容執(zhí)行“冗余校驗”計算的結(jié)果。在TCP/IP上使用一種專門報文頭來識別Modbus應(yīng)用數(shù)據(jù)單元,報文頭被稱為MBAP,因此Modbus/TCP上的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括MBAP報文頭、地址域、功能代碼、數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù)。

因此,當(dāng)從以太網(wǎng)端口接收數(shù)據(jù)時,只需將幀結(jié)構(gòu)中的MBAP報文頭拆除,即可得到標(biāo)準(zhǔn)的Modbus幀結(jié)構(gòu),再根據(jù)功能碼及數(shù)據(jù)判定要做出何種響應(yīng)。當(dāng)從以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時,只需將Modbus幀加入MBAP報文頭即可得到Modbus/TCP幀,再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

3 測 試

為方便調(diào)試時與PC機(jī)連接,在設(shè)計時加入了RS-232接口,將PC機(jī)串口與樣機(jī)RS-232接口連接,PC機(jī)以太網(wǎng)口與樣機(jī)以太網(wǎng)口連接,樣機(jī)IP地址設(shè)置為10.10.100.254,通信端口設(shè)置為888,連接類型為TCP連接,設(shè)置串口通信參數(shù)為BR=9 600 b/s,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位,無校驗。測試時,串口和以太網(wǎng)口相互發(fā)送接收數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試界面如圖4所示,串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試界面如圖5所示。

圖4 以太網(wǎng)發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試界面

圖5 串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試界面

從圖4、圖5可知,串口向以太網(wǎng)發(fā)送82 Byte,以太網(wǎng)接收82 Byte,且字符無錯誤;以太網(wǎng)向串口發(fā)送83 Byte,串口接收83 Byte,且字符無錯誤。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)完成相應(yīng)轉(zhuǎn)換功能,采用TCP/IP硬件協(xié)議棧芯片,減少了對協(xié)議轉(zhuǎn)換處理芯片的性能要求,大大降低了整個系統(tǒng)的設(shè)計成本及軟件設(shè)計難度,從硬件上實現(xiàn)了低成本設(shè)計。

[1] IEC 61158-1 Industrial communication networks—Fieldbus specifications Overview and guidance for the IEC 61158 and IEC 61784 series[S].

[2] 魏亞鵬,韓衛(wèi)光.實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2013(7):50-53.

[3] 周冰宇,邱建利,龐宏冰.x86嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)MODBUS與TCP協(xié)議轉(zhuǎn)換[J].計算機(jī)與數(shù)字工程,2006(12):57-59.

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Design of Low-cost Gateway Based on Modbus/TCP Protocol

YANG Shijiang

(Shanghai Electric Appliance Science and Technology Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The existing low voltage electrical products almost use the Modbus interface,which restrains the extensive use of gateway products for the ending user in intelligent grid. This paper proposed a design of gateway based on Modbus/TCP protocol. The test results show that the gateway designed can accomplish the corresponding conversion function,and reduce the performance requirement of protocol processing unit,the system design cost,and the software design difficulty.

intelligent grid; Modbus/TCP protocol; gateway; software design

楊世江(1987—),男,工程師,從事終端電器智能化方面的研究。

TM 502

B

1674-8417(2015)02-0010-04

2014-10-21