摘要：生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)用于生產(chǎn)企業(yè)，主要有數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控子系統(tǒng)組成，兩個(gè)子系統(tǒng)分別位于不同的安全域，依靠Modbus/TCP安全網(wǎng)關(guān)進(jìn)行物理隔離。位于內(nèi)部安全域的采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從OPC服務(wù)器中采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，借助Modbus/TCP協(xié)議穿越安全網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠糠前踩虻谋O(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)并顯示到Web頁(yè)面，為遠(yuǎn)程監(jiān)控人員提供可視化生產(chǎn)線映像。

關(guān)鍵詞：Modbus/TCP協(xié)議;OPC;冗余切換算法;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

中國(guó)分類號(hào)：TP391? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：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(yè)化的進(jìn)程不斷加快和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)的融合，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷提高。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也處于不斷升級(jí)換代之中，Modbus/TCP協(xié)議是有Modbus協(xié)議封裝在TCP協(xié)議中是面向連接的傳輸層協(xié)議。Modbus/TCP協(xié)議是以太網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議，該協(xié)議將Modbus報(bào)文信息封裝到TCP報(bào)文中，而TCP協(xié)議是面向連接的協(xié)議是可靠傳輸協(xié)議，能保證工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠傳輸[1]。

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)用來(lái)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控，生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)由采集端系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成，采集端系統(tǒng)用于OPC服務(wù)器端，獲取OPC服務(wù)器中設(shè)備參數(shù)，借助OPC通信規(guī)范Modbus/TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中取出數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)的顯示在監(jiān)控頁(yè)面上。

2 Modbus/TCP的監(jiān)控系統(tǒng)

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)（Produce Data Monitor System，以下簡(jiǎn)稱PDMS）它主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)組成。

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過(guò)OPC通信規(guī)范從OPC服務(wù)器（OPC Server）中采集生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且通過(guò)安全網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)主要保證數(shù)據(jù)安全采集。

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（Realtime Data Base，RDB）暫存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)管理員從遠(yuǎn)程登錄訪問(wèn)監(jiān)控子系統(tǒng)時(shí)，它以可視化的方式將指定生產(chǎn)線狀態(tài)顯示在監(jiān)控界面網(wǎng)頁(yè)中，為系統(tǒng)管理人員提供實(shí)時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，能夠有效支持生產(chǎn)控制決策。在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的作用是主導(dǎo)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要有準(zhǔn)確性、高效性傳輸?shù)奖O(jiān)控頁(yè)面上。

采集層要不斷獲取OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)，不包含任何通信接口程序，不必關(guān)心底層的硬件設(shè)備特性，也不必考慮軟硬件如何通信，只要遵循OPC數(shù)據(jù)接口協(xié)議，就能夠從OPC服務(wù)器中取得數(shù)據(jù)，由于OPC 服務(wù)端與客戶端之間的接口是標(biāo)準(zhǔn)的，因此可以開(kāi)發(fā)出通用的 OPC客戶端，使不同的應(yīng)用訪問(wèn)同一臺(tái)設(shè)備或使同一個(gè)應(yīng)用訪問(wèn)不同的設(shè)備[2]。

通信層通信模塊[3]在生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中負(fù)責(zé)OPC采集端和OPC接受端之間的通信，OPC的采集端在OPC服務(wù)器端獲取OPC項(xiàng)的參數(shù)與OPC接受端通信，由于要保證OPC服務(wù)器的安全性，所以在OPC采集端和OPC接受端加入研華網(wǎng)關(guān)，研華網(wǎng)關(guān)支持10/100 Base-T標(biāo)準(zhǔn)，多達(dá)8個(gè)客戶同時(shí)訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、支持大多數(shù)帶 Modbus/TCP驅(qū)動(dòng)程序，配置為RS-485串行模式時(shí)最多可提供3個(gè)獨(dú)立的串行端口、提供自動(dòng)搜索設(shè)備ID。

3 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)處理模塊

Modbus/TCP 數(shù)據(jù)處理模塊包括發(fā)送和接收模塊。Modbus/TCP 幀有其固定的格式，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)捕獲模塊獲取需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)幀構(gòu)造模塊將數(shù)據(jù)按照 Modbus/TCP 幀的格式將數(shù)據(jù)重新組合，接收模塊在接受數(shù)據(jù)時(shí)，一次只能接收一個(gè)寫操作，該功能由數(shù)據(jù)幀傳輸模塊完成。

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采集端接收到OPC服務(wù)器端發(fā)送的命令后，先按照比特填充轉(zhuǎn)譯原則將命令譯碼，然后計(jì)算CRC循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼，再將2個(gè)字節(jié)的CRC碼添加到報(bào)文尾部后發(fā)送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，數(shù)據(jù)采集設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采集端接的命令讀取或?qū)懭胂鄳?yīng)的設(shè)備參數(shù)，并發(fā)送給生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采集端。如果讀取或?qū)懭氤晒?，生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采集端接收到封裝的Modbus/TCP協(xié)議，按照比特填充轉(zhuǎn)譯原則轉(zhuǎn)譯，將信息發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器;在讀取或?qū)懭胧『桶l(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器失敗的情況下，生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采集端重新嘗試發(fā)送，如果超過(guò)6次就采集端啟動(dòng)冗余切換算法。[5]

3.2 數(shù)據(jù)采集端通信模塊

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采集端和數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的采用半雙工的RS485串口來(lái)實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采集端的RS485是由GPIO（通用的輸入和輸出）口來(lái)控制收發(fā)的數(shù)據(jù)[4]。因?yàn)椴捎冒腚p工的模式的串口通信，不能同時(shí)進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)，生產(chǎn)監(jiān)控采集端將命令發(fā)送給數(shù)據(jù)采集設(shè)備后，需要等待命令發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后才能讀取數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)回的信息。數(shù)據(jù)采集端串口通信流程如下：1）初始化GPIO口和通信串口，打開(kāi)GPIO口和通信串口、配置通信串口的參數(shù)和配置串口的波特率等。2）調(diào)用write（）函數(shù)將Modbus協(xié)議寫入串口中并等待寫入完成，然后再調(diào)用read（）函數(shù)讀取數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。3）調(diào)用close（）函數(shù)關(guān)閉GPIO口和通信串口。

4 生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的采集端程序頁(yè)面，OPC采集端安裝在OPC服務(wù)器上，采集OPC服務(wù)器上項(xiàng)對(duì)象的值，即設(shè)備運(yùn)行參數(shù)值，將數(shù)值用Modbus/TCP協(xié)議通過(guò)隔離網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控頁(yè)面是動(dòng)態(tài)的刷新頁(yè)面從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中取出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示到頁(yè)面上，這些數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)的顯示各個(gè)設(shè)備運(yùn)行的情況。

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)是基于Modbus/TCP協(xié)議的以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的介紹，整個(gè)系統(tǒng)主要兩個(gè)模塊通信模塊和管理模塊，最后對(duì)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，特別對(duì)Modbus/TCP數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集端串口通信、采集端設(shè)備讀寫的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)，最后使用冗余切換算法提高生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的通信可靠性和安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)基于OPC技術(shù)、Modbus/TCP協(xié)議和Web技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于管理員在安全生產(chǎn)時(shí)能遠(yuǎn)距離的監(jiān)控系統(tǒng)，在遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)上可以實(shí)時(shí)的反應(yīng)各個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)參數(shù)情況，如設(shè)備的溫度、壓強(qiáng)等以便管理員及時(shí)的處理。基于OPC技術(shù)和Modbus/TCP協(xié)議的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，采用OPC規(guī)范，由于是組態(tài)化的管理，大大減低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了軟件的穩(wěn)定性和可靠性，便于系統(tǒng)的升級(jí)和管理。

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