采用Modbus协议实现DCS系统中监控级数据集成.pdf

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1、电子技术应用!年第#期（接上页）（测 试 条 件：!$!%&，!#$(&，#$)(*!+；此 时，$!,+，%$-!(%./0，$!1,+）。从以上的实验结果及实验可以看出，使用罐形铁氧体磁芯实现的正交变压器，体积小巧，性能优异稳定，工作可靠。把它用于有死区时间的小型开关电源中，可方便 地 实 现 稳 压，同 时 也 使 电 路 非 常 简 单2籍 此 设 计 的 小功率直流开关稳压电源，其可靠性与功率密度等指标得到了很大提高。参考文献何希才(新型开关电源设计与维护(北京3国防工业出版社4!叶慧贞4杨兴洲(新颖开关稳压电源(北京3国防工业出版社4111-赵凯华4陈熙谋(电磁学(北京3人民教育出

2、版社41#%5收稿日期：!66-）图 789:;?系统中的关键。一个典型=?系统从结构上可分为四层A：现场级、控制级、监控级和管理级。本文讨论的是监控级，在这一级有许多并列的子站，一般采用计算机作为人机接口，各站点可按功能划分，分别采集相应的现场信号和控制某些局部设备。但是，各站点之间不是孤立的，它们必须互相配合、协调才能保证产品质量和实现连续生产，这就需要各站点能互通讯息。另外，上级管理网也需要与监控级子站交互数据，以实现全局的监控和优化。然而，子 站 是 采 用 不 同 开 发 平 台、不 同 通 讯 协 议 组成的异构系统，可能由不同的厂家和个人开发。要为每种协议写一个转换接口或驱动是比

3、较繁琐的，特别是在站点和协议较多的时候。因此，怎样有效集成数据，避免信息孤岛的出现，是=?系统中常遇到的难点问题之一。比 较 好 的 方 法 是 各 站 点 都 采 用 标 准 协 议 进 行 数 据通讯，而不必为每一种协议开发一个通讯接口。目前这方面的协议比较多，789:;就是其中的一种。!#$%&协议简介789:;BB、CDE、FGE?、DF等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何 种 网 络 进 行 通 信 的!A。标准的789HI8J控制器使用C?!-!实现串行的789:;规定了连接器针脚、接线、信号电平、波特率、奇偶 校 验 等 信 息，7

4、89:;BB、CDE协 议 则 在 此 基 础上规定了消息、数据的结构、命令和应答的方式，如图所示。数据通讯采用7KLMN O?PKQM方式，7KLMN端发出数据 请 求 消 息，?PKQM端 接 收 到 正 确 消 息 后 就 可 以 发 送 数据到7KLMN端以响应请求；7KLMN端也可以直接发消息修改?PKQM端的数据，实现双向读写。图!是一个典型的789:;应用示例。789:;可以应 用 在 支 持789:;和FG之 间、FG和 个人计算机之间、计算机和计算机之间、远程FG和计算机之间以及远程计算机之间（通过789M,连接），可见789:;的应用是相当广泛的。由于789:;、/7B、组

5、态软件都支持789:;，而且789:;是一个开放标准，其协议内容可以免费获得，一些小型厂商甚至个人都可根据协议标准开发出支持789:;的产品或软件，从而使其产品联入到789R采用!#$%&协议实现()系统中监控级数据集成成都四川大学原子核科学技术研究所（)S）黄 宁 范轶翔 张 俊摘要：用789:;协议实现水泥生产生料系统中不同操作站的监控数据集成，采用+DG开发出基于789:;通讯协议的一种通用接口组件，使得各异构站点可以方便地互连。介绍网络的拓扑结构和实现方法，并把789:;的集成方式作了比较和讨论。关键词：=?监控数据集成789:;V7自动化与仪器仪表!投稿邮箱3()*+,-(.-#/.

6、-,S电子技术应用!年第#期图!$%&()应用示例图*生料质量控制系统组成()的数据网络中。因此，$%&()有着广泛的应用基础。在实际应用中，可以使用+,!*!、+,-./0-!、$%&12加电话线、甚至345 0 65来联网7*8。所以，$%&()的传输介质种类较多，可以根据传输距离来选择。!#$%&的具体应用这里介绍的$%&()的具体应用是某厂的水泥生 料生产质量控制系统。此系统中一共有/个子站：钙铁分析仪、四元素分析仪、料位仪0料浆塞、配料秤、配库。每一个子站由一台计算机和相关软、硬件组成，控制系统组成如图*所示。从 图*可 看 出，系 统 基 本 上 是 两 个 控 制 回 路：一 路

7、由钙铁分析仪、配料秤及控制算法组成，实现磨前精配，即出磨生料质量的在线实时闭环控制；另一路由四元素分析仪、料浆塞、料位仪组成，实现磨后调配，即入窑前料浆质量的均化控制。配库算 法 在 第 二 条 回 路 中 起 控制、优化和网络接口的作用。系统控制参数的改变由两个事件触发：钙铁仪分析的结果和四元素分析的结果。这两个分析结果由对用户定期 采 得 的 实 际 生 产 中 的 样品的分析得到。从图*还可看出，各站之间是相互联系的，它们的协作关系到生料生产的质量。在网络设计中，不仅要实现各站之间数据交换，同时还要考虑到网络的灵 活 性、通用性、可扩展性。例如，数据源 站 点 应 能 比 较 容 易 地

8、 增 减数据、目标站点可能 有 多 个、数据流向应该是双向的、所 有生 料 系 统 的 数 据 需 送 到 厂 级94,中，因 此 网 络 的 实 现 比 较复杂。由 于$%&()协 议 具 有 多样 性、可 靠 性 等 特 点，而 且 是工业级标准协议，完全 可 以 适合具体应用，因此用$%&()实现网络。要在每个站点都用源程序实现$%&()是不实际的，因为应用程序开发平台不一样，有:;)(、:;)(=?);、?%A=等，不可能实现代码复用。但是，每个站点读写$%&()数据的操作又是相同的，为解决这个问题，我们采用4C$技术。4C$也是软件模块之间数据通讯的标准。4C$的特点是语言无关性、对

9、进程的透明性和可以实现二进制重用7-8。因为它的接口是开放的，所以支持4C$技术的客户程序可以通过其公共接口调用4C$组件的内部功能。众所周知，在D;B&%E)!中，4C$甚至是构成操作系统的基础。最后，采用F3G开发出了两个4C$组件，即$%&()$)H1A组件和$%&(),=模板技术的框架，它主要用在基于4C$的软件开发上，使用它可以大大简化组件的 开 发 过 程 并 提 高 代 码 的 效率7/8。$)H1A和,=I1组件都包含F,466、+3J、345三种方式，实现了4=)、4=)K规定的功能7*8。每个子站的客 户 程 序 不 需 要 了 解$%&()的 具 体 协 议 和 实 现

10、方 式，只需调用组件公开出来的方法，就可以与远程计算机交换数据，实现$%&()协议透明、网络数据传输透明。例如,=I1端的组件，客户端只需修改其连接数据就可以使 变 化 反 应 到$)H1A端，而$)H1A端 修 改 了 数 据 后，,=I1端会触发事件通知客户。网络结构没有使用点对点的连接，而是采用了星型连接，在一个站点上建立一个实时数据库，相当于一个数据中心。所有站点都只与数据中心相连，各站数据也发送到数据中心集中。网络结构见图-。(讨论()*关于具体应用图-所示的网络结构中，一方面，系统封装了$%&L()协议和网络的实现，实现了功能复用，减少了重复操作，并且使网络调试比较方便；另一方面，

11、星型结构使增加数据、增加站点都很方便，原则上每个站点都可以取得任意站点的数据，而不需要增加新的连接。在图-所自动化与仪器仪表投稿邮箱M+,-./0+)0#1)0/-K电子技术应用!年第#期!安捷伦推出两系列中档快响应深存储示波器!#$系列及!%&$系列全球领先的高科技跨国公司安捷伦科技（$%&：(）近日宣布，利用其专利技术)*+,-./，安捷伦推出两系列中档快响 应 深 存 储示 波 器0121系 列 及01345系 列 共 七 款 新 产 品，包 括01216(、012167、0121!(和0121!7在 内 的 四 款 新 产 品 是40)89和0)89带宽，而01345、013465及0

12、134!5则在2)89和6:89带宽上引入)*+,-./技术。这些产品通过安捷伦公司的专利技术)*+,-./实现了敏捷的响应和简化的操作，解决了当前深存储器用户在仪器使用中的种种麻烦。安捷伦公司市场与销售经理$;,?先 生 表 述 说：“随 着 设 计 复 杂 程 序 的 增 加，工 程 师 及 设 计 人 员 需 要 有 更 高 带 宽、在 实 现 深 存 储 的 同 时 维 持 高 采 样 率 并 能 在 长 时间间隔内捕获数据、同时有操作简单方便的示波器。此次安捷伦推出的新产品正是基于对客户需求的深刻理解上推出，将会进一步加速通信、国防和计算机行业的研制与开发。”自动的深存储器保证了总能

13、得到最高的分辨率。用户不必停下来进行计算和手动设置存储器。当选择自动标度（自动设置）时，)*+,-./就开始自动计算和设置存储器深度。在工程师改变水平标度（时间A格）时，它能按最大采样率的要求重新计算和设置存储器。当用户需要观察更长的时间段时，)*+,-./自动增加存储器，以保持最高采样率和分辨率。)*+,-./使工程师能以可能的最佳分辨率捕获时间跨度大的连续波形。这样就能 在 放 大 信 号 时 看 到 真 实 的 波 形，精 确 测 量、捕 获 和 显 示 快 速 事 件，而 无 需 使 用 专 门 的工作模式或设置。(+B*CD公司新推出的1种新的40)89至0)89多功能深存储 混 合

14、 信 号 示 波 器（)&E）适 用 于 调 试 具 有 模 拟 和 数 字 成 分 的 复杂设计，而且还内置0位硬件频率计数器功能，因此，一些工程师 也 把 它 们 成 为 多 功 能 示 波 器 或 数 字 电 路 综 测 仪（集 深 存 储 示 波 器，逻辑定时分析仪，频率计数器与一体）。(+B*CD0121系列中的!款多功能混合信号示波器型号，有!个模拟通道和62个集成的数字通道，最大采样率为!:&,A F，并带有3)5深存储器，最高售价只有G6，3H0)89带宽，63通道）。图1网络结构示的网络结构下，可以方便地把配库和配料秤相连，实现半库调配（根据料浆库质量反馈控制配料秤配方），将

15、控制回路增加到4条。部分实时数据还可以存入历史数据库，以便长期保存和事后分析查询。!#$%&()协议的其它特点除了在简介中提到的应用广泛的特点外，).IJKF还有其它特点。).IJKF协议需要对数据进行校验，串行协议中除了有奇偶校验外，(&=LL模式采用MN=校验，NOP模式采用62位=N=校验，但O=Q模式没有额外规定校验，因为O=Q协议是一个面向连接的可靠协议。另外，).IJKF采用主从方式定时收发数据，在实际使用中如果某&B,R*站点断开后（如故障或关机），),FD*?端可以诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，).IJKF协议的可靠性较好。).IJKF定义了很多功能，对工业

16、上的实际应用考虑比较全面。而且协议仍在发展中，用户还可以自定义功能码。可见，).IJKF的扩展性是比较好的。对于一些重复发送的检测数据，可以采用PCF.BSDT*I方式，即),FD*?端不需发送请求，而由&B,R*端主动发送数据。这样可以降低网络数据流量，以提高传输速度。因此，).IJKF协议应用也比较灵活。!与*+,-.协议的对比$*D77协议有几个缺点：一是技术太老，UCV3平台上没有4!位的(QL，只有62位的，因此在4!位平台上实现起来较困难，而且$*D77不能实现串行连接；二是传输数据量小，传输批量数据比较烦；三是连接断开后不能自动恢复。因此，没有使用$*D77来实现我们的网络。!/

17、工业数据集成的新方向EQ=是一种开放的应用程序之间数据通讯的工业规范和标准，它采用客户A服务器体系，基于EM A=E)技术，为硬件厂商和应用软件开发者提供了一套标准的接口W2X。EQ=结构先进、速度快、功能强大，是今后工业数据集成发展的方向。但是，EQ=比较新颖，对开发者的要求较高，开发难度较大，而且EQ=产品价格比较昂贵，国内7=&应用中尚未普及，其推广和发展还需要一个过程。总之，).IJKF具有开放性、用户范围 广、易 实 现、扩展性好、可靠性强等优点。所以我们采用).IJKF协议和=E)技术来实现监控数据的集成，在与自开发的应用程序 连 接 和 与YEZ5ENE、NE&)EP$O、=L)

18、QML=LO%等7=&系统及8)L的连接中都取得了比较好的效果。参考文献6白焰;分散型控制系统与现场总线控制系统;北京：中国电力出版社，!6;4!).IS.C).IJKF Q?.D.S.B N*?*CS*:KI*;QL)5P&4N*R;4 E*C).IJKF A O=Q&*SS,D.C;N*B*,F*6;_!V),?S6VVV1潘爱民;=E)原理及应用;北京：清华大学出版社，6VVV;660 O./(?/FD?.C+著，董梁等译;(OM开发指南;北京：电子工业出版社，!;662马国华;监控组态软件及其应用;北京：清华大学出版社，!6;3H收稿日期：!64）自动化与仪器仪表欢迎邮购本刊6VV06

19、VVV年光盘版，每套6元1!采用Modbus协议实现DCS系统中监控级数据集成采用Modbus协议实现DCS系统中监控级数据集成作者：黄宁，范轶翔，张俊作者单位：成都四川大学原子核科学技术研究所,610064刊名：电子技术应用英文刊名：APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE年，卷(期)：2002，28(7)被引用次数：9次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.白焰 分散型控制系统与现场总线控制系统 20012.Modicon Modbus Protocol Reference Guide3.Open Modbus/TCP Specification.Releas

20、e 1.0 19994.潘爱民 COM原理及应用 19995.Tom Armstrong.董梁 ATL开发指南 20006.马国华 监控组态软件及其应用 2001 引证文献(9条)引证文献(9条)1.姜斌 基于Modbus/TCP工业以太网协议的温度采集网络设计学位论文硕士 20072.朱文亮 疏浚实验平台开发绞刀三维造型及土壤切削实验监控系统学位论文硕士 20073.姚良.张振仁 基于MODBUS协议的小环境恒湿系统设计期刊论文-仪表技术与传感器 2006(1)4.张波.许平.王声才.吴晓庆 Modbus协议在温湿度监控系统中的实现期刊论文-国外电子测量技术 2006(1)5.李飞 基于Modbus的电磁流量计通讯系统的研究学位论文硕士 20066.孔繁军 基于ARM7的嵌入式智能位移监测模块的设计与开发学位论文硕士 20067.刘美红 基于ARM的汽轮机监视保护系统设计与实现学位论文硕士 20058.陈鑫.孙苓生.张明 基于Modbus协议的SCADA系统构建期刊论文-电力自动化设备 2004(5)9.刘凤新.冯丽.王磊 电网分析仪与PC机间串行通讯的设计与实现期刊论文-北京化工大学学报(自然科学版)2004(2)本文链接：http:/