基于Modbus TCP/IP通讯综合监控系统的实现

高秀兰

(沈阳职业技术学院，辽宁沈阳 110045)



基于Modbus TCP/IP通讯综合监控系统的实现

高秀兰

(沈阳职业技术学院，辽宁沈阳 110045)

以Modbus TCP/IP通讯在城市轨道交通综合监控网络应用为基础，研究当前工业网络应用最为广泛的Modbus TCP/IP通讯技术和特点，以解决城市轨道交通综合监控组网方式为目的，进行网络组建与应用。以沈阳地铁通讯技术发展为背景，重点开展以Modbus TCP/IP通讯技术为基础的城市轨道交通综合监控网络的研究与实践。

Modbus TCP/IP；城市轨道交通；综合监控

0 引言

Modicon公司建立的C/S结构串行通讯协议Modbus[1],以其开放、公开、标准、交互性好的优势已经成为了工业控制领域的通讯协议标准。随着以太网络的高速发展，融合了工业总线和计算机网络技术的工业以太网，越来越受到工业控制用户的青睐。基于Modbus TCP/IP[2]的工业以太网已经广泛应用于电力、水利、装备制造等领域。Modbus TCP/IP技术尤其在城市轨道交通领域，更以其稳定、准确、实时的特点得到了全面发展。城市轨道交通既需要安全可靠的车辆、供配电设施、机电设备，还需要建立一套与之相适应的运行监督控制保障系统，以确保轨道交通运输的安全、高效。全国各地的城市轨道交通自动化综合监控网络，采用了多种系统组成结构及通讯协议，各自发挥出了技术特色和系统优势。本文以沈阳地铁综合监控网络为例，对Modbus TCP/IP通讯网络在综合监控系统应用的技术优势和系统实现方法进行了阐述。

1 Modbus TCP/IP通讯网络

Modbus通信协议广泛应用于工业现场总线控制。Modbus通信协议采用主从通信模式(Master/Slave模式)[3]，尤其在工业现场分散控制方面应用广泛。

Modbus TCP/IP 通讯[4]网络可由不同类型设备构成。如：由客户机、服务器以及负责网络互联的网关、网桥、路由器等联接设备组成。通过互联设备可以将主网络与链路中的服务器和客户机相联。

1.1 Modbus TCP数据帧[5]

Modbus通过TCP/IP的以太网传输数据，Modbus TCP协议具有EthernetII和 802.3两种数据帧格式。Modbus TCP数据帧由MBAP报文头、功能码和数据3个部分组成。Modbus TCP协议在基于RTU协议基础上，附加了MBAP报文头。因为TCP可靠性连接服务功能，在RTU协议中不需要附加CRC校验码，于是Modbus TCP协议省去了CRC校验码。Modbus TCP数据帧格式如图1所示。

1.2 Modbus通信应用层[6]

Modbus客户机可以实现用户应用程序与远程控制设备的数据交换。客户机接口，根据应用程序生成各种Modbus 服务请求，实现对Modbus网络控制设备的访问。Modbus服务器，根据Modbus 服务请求，对本地设备进行各种读、写及控制操作。

2 城市轨道综合监控ISCS方案[7-8]

综合监控系统采用两级管理，即中心级、车站级管理。控制中心负责对整个系统中的设备进行统一监视和控制。特殊紧急情况下，由中心对车站授权，直接对设备进行监视和控制。

综合监控系统对整个系统实施中心级、车站级和现场级的3个级别控制。车站现场本地级设备操作控制级别最高，对于现场级设备，通过“本地”和“远程”转换开关设置设备操作权限。当本地设备选择远程控制后，中心可以操作或授权车站予以控制。

图1 Modbus TCP数据帧

3 基于Modbus TCP/IP通信的综合监控系统的实现

3.1 综合监控系统网络结构[9]

如图2所示，城市轨道交通综合监控网络由中心级ISCS、车站级ISCS、仿真测试和培训4部分组成。系统网络中采用了冗余、分布式C/S(Client/Server)结构，中心级和车站级监控均采用基于TCP/IP的通讯协议，同时强化了故障隔离和抗干扰功能。

综合监控网络采用了分层、分布式C/S 结构。将监控网络共分为3个层次：中心监控层、车站监控层、仿真设备层。

图2 综合监控系统网络结构图

3.2 城市轨道交通综合监控网络设备软件配置

系统网络中配置了服务器、工作站和PLC等设备。系统网络中的服务器负责通过PLC对各种现场设备的状态进行采集和控制，对客户机发来的监控请求进行响应并传输数据，对于系统所需仿真PLC功能进行模拟。因此服务器配备了VijeoCitect开发软件，主要承担上位机组态开发、Modbus TCP网络通信设置、系统变量的定义等。服务器中配置了Unity Pro的软件开发系统，负责网络硬件组态、Modbus TCP网络通信设置、PLC程序开发、PLC仿真模拟等。

3.3 城市轨道交通综合监控网络Citect组态和Modbus TCP/IP通讯实现

3.3.1 城市轨道交通综合监控网络的Citect组态设置实现

3.3.1.1 服务器设置(实现示例)

网络地址设置：主网络地址：“192.168.0.10” ，备网络地址：“192.168.1.10”。新建主、备I/O服务器，选择相关网络地址。

3.3.1.2 通信设置

快速通信向导：新建I/O服务器“IOServer”；新建I/O设备“IODevP”；选择外部I/O设备；驱动程序选择：Ethernet(TCP/IP),如图3所示。

图3 Ethernet(TCP/IP)通讯设置窗口

TCP/IP协议信息：设置通信主机IP地址：“192.168.0.1”，端口：“502”，符合Modbus TCP/IP对自动化设备的唯一端口设置；使用协议：“TCP”,v如图4所示。

图4 TCP/IP协议信息设置

I/O设备冗余配置：新建“IODevS”,地址为 “192.168.1.1”,在I/O Devices里将IODevP/ IODevS的MODE分别设置为Primary与Standby，并且两者的Number必须一致。具体设置如图5所示。

图5 I/O设备冗余配置

3.3.1.3 标签设置

配置变量名称与标签地址等相关参数,用于Modbus TCP参数传递。

3.3.2 城市轨道交通综合监控网络组态的Unity Pro设置实现

3.3.2.1 本地总线硬件组态(设备型号根据实际情况)

硬件组态设置：电源：“CPS42400”；CPU：“67160”，昆腾PLC；通信模块：“NOE77101”，Modbus接口模块。

3.3.2.2 变量设置

配置与上位机相同的标签地址，通过变量地址与工作站变量进行数据交换。

3.3.2.3 网络设置

将PLC主备通信模块的地址分别设置为“192.168.0.1”与“192.168.1.1”。

3.4 综合监控系统向客户端面、服务器端软件工作流程

按照综合监控系统软件工作流程，设计综合监控系统软件流程图见图6、图7,操作运行界面见图8。

图6 综合监控系统客户端软件流程

图7 综合监控系统服务器端软件流程

图8 监控系统操作运行界面

4 Modbus TCP/IP通讯的综合监控实现效果

Modbus TCP/IP通讯的综合监控网络系统具有良好的应用效果，适应并支持系统二次开发。系统基于开放系统结构和实时数据交换的技术基础上。上位机软件和数据库软件由一系列的基于服务器和基于工作站的软件模块组成，形成了标准、先进的客户/服务器(C/S)结构。

Modbus TCP/IP通讯系统总体结构设计具有下列特点：高可靠性。单个模块的故障不引起数据的丢失和系统的瘫痪；易于实现通用的硬件和标准化的软件开发；系统体现出开放特性；易于实现系统跨平台的无缝连接；集成的综合监控系统，在数据处理层完成中心、车站、通信控制器、被集成子系统间的信息交互。

系统性能特点：安全性：从网络构建、操作系统、软件平台、数据安全等多方面来保证系统安全；可靠性：支持双机冗余结构，提供双机冗余管理功能。可用性或可维护性：系统基于实时数据技术，支持多种标准通信协议；支持组态、画面编辑、程序修改、系统维护等操作。

[1] 贾华,朱高建,王臣.Modbus_TCP协议在抛光粉生产监控系统的应用.仪表技术与传感器，2012(11)：98-100.

[2] 刘沛津,谷立臣,韩行,等.基于Modbus_TCP的火电厂实时数据集成及网络通信控制器研制. 电力自动化设备，2009(8):128-131.

[3] 唐会成.煤矿井下连续运输系统的Modbus多机通信. 自动化仪表，2014(6):25-27.

[4] 韩松,李奎,王丽丽.基于Modbus_TCP协议的远程控制网关.仪表技术与传感器，2014(10):102-104.

[5] 金德刚,吴自然,吴桂初.基于Modbus_TCP的数字式电流互感器设计. 电子应用技术，2014(6):23-26.

[6] 刘玲玲,刘德平,李保强,等.基于Modbus协议的变频器远程控制器的研究. 仪表技术与传感器，2010(6):33-35.

[7] 董存祥.基于综合监控系统的城轨交通节能研究.铁道标准设计，2014(8):168-171.

[8] 吴浦升,吴溥峰.西安地铁2号线综合监控系统和环境与机电设备监控系统联调综述.城市轨道交通研究,2013(12):123-125．

[9] 郎学政,许同乐,李中华.基于Modbus协议的PLC在自动供水监控系统中的应用.仪表技术与传感器，2013(2):62-64.

作者简介：高秀兰(1956—),教授，研究方向为信息化管理、软件优化、网络教育。

Implementation of Comprehensive Monitoring Systembased on Modbus TCP/IP Communication

GAO Xiu-lan

(Shenyang Polytechnic College，Shenyang 110045，China)

The paper is based on the Modbus TCP/IP communication which is applied on the urban rail transit comprehensive monitoring network applications.And it researched the communication technology and its characteristic of Modbus TCP/IP which is applied widely.The objective of above is that it will solve the mode of urban rail transit comprehensive monitoring network,so that the network can be built and applied.The paper is based on the background of Shenyang subway communication technology development,in addition,it also researched and practiced about urban rail transit comprehensive monitoring network on the basis of Modbus TCP/IP communication technology.

Modbus TCP/IP;urban rail transit;comprehensive monitoring

王晓娜(1987—)，硕士研究生，主要从事微流控生物芯片集成控制方向研究。E-mail：672004090@qq.com 闫卫平(1950—)，教授，博士生导师，主要从事集成微流控生物芯片和半导体传感器等领域的研究。 E-mail：yanwp@dlut.edu.cn

沈阳市科学事业费竞争性选择项目

2015-06-11

TP29

A

1002-1841(2015)10-0104-03