摘要：為了實時、便捷地了解測控現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(xiàn)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?，F(xiàn)場總線作為信息傳輸?shù)闹鞲傻?，已經不再局限于現(xiàn)場的短距離通信，其應用規(guī)模日益擴大、復雜化，人們對現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場總線和遠程客戶端的交換，但Modbus協(xié)議目前還僅限于現(xiàn)場總線上，只有基于TCP/IP的協(xié)議才能通過以太網實現(xiàn)超遠距離的傳輸，為此 Modbus TCP/IP應運而生。筆者通過對Modbus TCP協(xié)議的研究，將油井現(xiàn)場采集的數(shù)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(xiàn)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(shù)據，采用Modbus TCP/IP協(xié)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(shù)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(xiàn)場設備的實時監(jiān)控的目的。

實時監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場采集系統(tǒng)、數(shù)據傳輸、數(shù)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(xiàn)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(shù)據并傳給RTU，RTU將數(shù)據進行存儲，并隨時等待服務器端的數(shù)據請求命令。當收到服務器端數(shù)據請求命令時，RTU根據傳輸?shù)木嚯x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(shù)據庫服務器對上傳的數(shù)據進行分析和判斷，將符合信息幀格式的數(shù)據進行處理并存儲在數(shù)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(shù)據;享有權限的管理人員可對生產現(xiàn)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(xiàn)對現(xiàn)場設備的數(shù)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(shù)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(xiàn)場數(shù)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(shù)據傳送到嵌入式TCP/IP協(xié)議串口服務器，并通過Internet上傳至數(shù)據庫服務器中存儲。瀏覽器終端可以通過WEB服務器訪問數(shù)據庫服務器了解現(xiàn)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(xiàn)用戶管理、數(shù)據處理、瀏覽器實時顯示當前數(shù)據和歷史數(shù)據查詢4個功能模塊的操作。在用戶管理界面，可以實現(xiàn)密碼設置、用戶添加和權限沒置等功能;在數(shù)據處理中，管理人員可以對上傳的數(shù)據進行存儲備份，并保存到數(shù)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(shù)據進行實時的顯示，對歷史數(shù)據可以進行隨時查詢和曲線分析。

4 Modbus TCP協(xié)議

Modbus TCP協(xié)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(xié)議，并以其簡單性、開放性、實時性及數(shù)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(xié)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(xié)議幀發(fā)出，但格式必須嚴格遵守協(xié)議規(guī)定，其應用數(shù)據單元(ADU)由MBAP報文頭、功能碼和數(shù)據域3部分構成，如圖5所示。

5 數(shù)據傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

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

5.2 瀏覽器端與服務器端的數(shù)據傳輸

B/S模式是WEB興起后的一種網絡結構模式，即瀏覽器/服務器，與C/S模式相比，具有可以隨時隨地進行查詢和瀏覽、維護簡單方便、更新簡單以及共享性強等特點，符合實時網絡監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展要求。瀏覽器端與服務器端的數(shù)據傳輸采用的就是B/S模式。

B/S模式的工作流程如圖7所示。當客戶端通過瀏覽器終端訪問數(shù)據庫服務器時，首先瀏覽器端通過Internet發(fā)出一個WEB請求，當WEB服務器收到請求后，將請求交給ASP.NET Framework，此時ASP.NET Framework會向數(shù)據庫服務器請求合適的源代碼文件。數(shù)據庫服務器將源代碼的內容返回給ASP.NET Framework，后者執(zhí)行源代碼生成HTML輸出返回給WEB服務器，這時WEB服務器會將請求的文件以動態(tài)網頁的方式將HTML顯示在計算機瀏覽器頁面上。

結語

本文提出并實現(xiàn)了基于ModbusTCP及WEB的實時監(jiān)控系統(tǒng)，較完善地實現(xiàn)了油井現(xiàn)場設備的實時監(jiān)控。系統(tǒng)基于功能強大的dsPIC30F6014單片機開發(fā)了底層硬件環(huán)境，開放式的ModbusTCP通信協(xié)議，靈活的組網方式，結合最新的ASP.NET技術的B/S模式與SQL數(shù)據庫的設計，使系統(tǒng)具備界面友好、功能強大、執(zhí)行速度快且系統(tǒng)容錯性、兼容擴展性好等特點，不僅能完成油井的監(jiān)控，而且可廣泛運用于工業(yè)現(xiàn)場的任何智能設備，具有很好的推廣前景。