基于Modbus TCP和WEB的实时监控系统设计

摘要：为了实时、便捷地了解测控现场设备运行的状况，设计了一种基于Modbus TCP和WEB的实时监控系统。该系统设计基于dsPIC30F6014单片机，实现对采集模块的控制，并通过ASP.NET创建的动态WEB浏览器和SQL强大的数据库功能完成实时监控。结果表明，该系统能快速、方便、实时地动态显示设备的各项运行指标。

引言

随着自动化行业和控制技术的不断发展和进步，现场设备之间的通信不再仅仅局限于设备与控制器之间，人机之间的交互也越来越普遍。现场总线作为信息传输的主干道，已经不再局限于现场的短距离通信，其应用规模日益扩大、复杂化，人们对现场设备的监控也提出了越来越高的要求。封闭的总线环境已经不能满足现代自动化控制的要求，为了降低设备的维护成本，提高企业和公司的生产效率，需要对现场设备的运行进行实时的监测和控制。

近年来，大量先进的远程监控技术开始应用于现场总线和远程客户端的交换，但Modbus协议目前还仅限于现场总线上，只有基于TCP/IP的协议才能通过以太网实现超远距离的传输，为此 Modbus TCP/IP应运而生。笔者通过对Modbus TCP协议的研究，将油井现场采集的数据通过以太网、WiFi等设备传送到远距离的客户端，并通过浏览器终端实时地显示现场设备的运行状况，为客户提供一种远程实时监控的解决方案。

1 监控系统的总体设计

本监控系统的设计原理：利用dsPIC30F6014A单片机搭载底层的硬件电路采集数据，采用Modbus TCP/IP协议通过无线收发器传输至Int ernet，在此基础之上，利用C#语言编程，结合ASP.NET创建的动态WEB页面和SQL Server数据库的访问链接技术，设计了一种实时监控的WEB平台，达到了对现场设备的实时监控的目的。

实时监控系统主要由现场采集系统、数据传输、数据库系统、客户端系统4部分组成，其总体示意图如图1所示。

在本监控系统中，现场采集系统主要由单片机系统和RTU组成，单片机系统采集数据并传给RTU，RTU将数据进行存储，并随时等待服务器端的数据请求命令。当收到服务器端数据请求命令时，RTU根据传输的距离选择不同的传输方式，近距离传输选用无线模块传输，远距离传输选择Internet网络传输，数据库服务器对上传的数据进行分析和判断，将符合信息帧格式的数据进行处理并存储在数据库中。同时，采用B /S模式，浏览器终端用户可通过在浏览器地址栏输入服务器IP，以动态网页的形式浏览、查询多个设备数据;享有权限的管理人员可对生产现场设备进行远程管理和控制。只要有网络的地方就能使用该系统，实现对现场设备的数据实时监控。

2 硬件原理设计

图2为下位机硬件原理框图。其核心是dsPIC30F6014A单片机，主要由数据采集模块、电路保护模块、传输模块和系统配置模块组成。传感器对现场数据进行采集，通过A/D转换送到单片机，单片机经UART串口和无线模块将数据传送到嵌入式TCP/IP协议串口服务器，并通过Internet上传至数据库服务器中存储。浏览器终端可以通过WEB服务器访问数据库服务器了解现场设备的运行状态。为了保证系统的安全可靠性，在设计中添加了过流、过压、和防雷击等保护电路。硬件实物图如图3所示。

3 系统软件设计

系统软件的总体结构如图4所示，作为监控系统的管理人员，在浏览器终端可以实现用户管理、数据处理、浏览器实时显示当前数据和历史数据查询4个功能模块的操作。在用户管理界面，可以实现密码设置、用户添加和权限没置等功能;在数据处理中，管理人员可以对上传的数据进行存储备份，并保存到数据库服务器中，以供浏览器终端访问;在WEB平台中，可以对上传的数据进行实时的显示，对历史数据可以进行随时查询和曲线分析。

4 Modbus TCP协议

Modbus TCP协议以一种非常简单的方式将Modbus帧嵌入到TCP帧中，使其成为工业以太网应用层协议，并以其简单性、开放性、实时性及数据传输量大等特点，在工业自动化领域得到广泛的应用。

Modbus TCP协议规定每个控制器都需要有自己的地址，按地址识别发来的消息。如果需要回应，则控制器生成反馈信息并用Modbus TCP协议帧发出，但格式必须严格遵守协议规定，其应用数据单元(ADU)由MBAP报文头、功能码和数据域3部分构成，如图5所示。

5 数据传输的实现

5.1 现场与服务器端的数据传输

当油井分布较分散，传输距离比较远且超过1 km时，可以使用GPRS网络进行传输;当油井分布比较集中，传输距离近，不超过1 km时，可选择使用无线模块进行组网传输。

现场与服务器端的数据传输流程如图6所示，在系统运行时应首先启动数据库服务器、初始化套接字库。建立通信套接字后，服务器进入端口监听状态。当有现场终端向服务器发出连接请求时，服务器开一个线程建立连接，并启动数据请求定时器。当定时时间到时，服务器向已建立连接的现场终端发送Modbus TCP协议请求帧格式的数据请求。现场终端在接收到数据请求后，对信息帧格式进行分析，如果符合协议，则将数据按照Modbus TCP协议响应帧格式上传，否则不响应。

5.2 浏览器端与服务器端的数据传输

B/S模式是WEB兴起后的一种网络结构模式，即浏览器/服务器，与C/S模式相比，具有可以随时随地进行查询和浏览、维护简单方便、更新简单以及共享性强等特点，符合实时网络监控系统的发展要求。浏览器端与服务器端的数据传输采用的就是B/S模式。

B/S模式的工作流程如图7所示。当客户端通过浏览器终端访问数据库服务器时，首先浏览器端通过Internet发出一个WEB请求，当WEB服务器收到请求后，将请求交给ASP.NET Framework，此时ASP.NET Framework会向数据库服务器请求合适的源代码文件。数据库服务器将源代码的内容返回给ASP.NET Framework，后者执行源代码生成HTML输出返回给WEB服务器，这时WEB服务器会将请求的文件以动态网页的方式将HTML显示在计算机浏览器页面上。

结语

本文提出并实现了基于ModbusTCP及WEB的实时监控系统，较完善地实现了油井现场设备的实时监控。系统基于功能强大的dsPIC30F6014单片机开发了底层硬件环境，开放式的ModbusTCP通信协议，灵活的组网方式，结合最新的ASP.NET技术的B/S模式与SQL数据库的设计，使系统具备界面友好、功能强大、执行速度快且系统容错性、兼容扩展性好等特点，不仅能完成油井的监控，而且可广泛运用于工业现场的任何智能设备，具有很好的推广前景。