基于MODBUS協(xié)議的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)

1 MODBUS協(xié)議簡(jiǎn)介

MODBUS是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，由美國(guó)著名的可編程控制器制造公司莫迪康公司(MODICON INC)提出，已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制中。MODBUS是一種主從協(xié)議，允許一臺(tái)主機(jī)與多臺(tái)從機(jī)通信。在MODBUS中有兩種有效的數(shù)據(jù)傳送方式，即 ASCII碼和RTU方式。本系統(tǒng)采用RTU方式，這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是在同樣的波特率下，RTU方式數(shù)據(jù)傳送效率高。

2 用MODBUS協(xié)議構(gòu)建無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

油田采油廠主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)集中在聯(lián)合站，一般采油廠有5～10個(gè)聯(lián)合站，站間距離幾公里到十幾公里，每個(gè)聯(lián)合站有3～4個(gè)操作崗位，崗位間距離20～300米之間不等，每個(gè)崗位有生產(chǎn)參數(shù)10～20個(gè)，對(duì)數(shù)據(jù)采集有實(shí)時(shí)性要求。建立聯(lián)合站數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)有多種方法，如鋪設(shè)光纜、電纜、使用 CDMA網(wǎng)絡(luò)等，考察各種方式，其系統(tǒng)造價(jià)、運(yùn)營(yíng)成本均很高，低成本建立此系統(tǒng)有一定難度。我們使用MODBUS協(xié)議、RS485接口、數(shù)據(jù)采集模塊、遠(yuǎn)程、短程無(wú)線(xiàn)數(shù)傳機(jī)，采用有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的傳輸方法，并與廠內(nèi)原有的局域網(wǎng)對(duì)接，用組態(tài)軟件管理上位機(jī)，低成本地構(gòu)建了全廠具有多終端查詢(xún)和監(jiān)控功能的聯(lián)合站生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)由多個(gè)SSX-M03 8路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)、SSX-M04 6路脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，SSX-M21數(shù)據(jù)采集管理模塊以有線(xiàn)、短程無(wú)線(xiàn)、RS485接口方式，按MODBUS協(xié)議將數(shù)據(jù)收集起來(lái)。因 RS485通訊接口雙絞線(xiàn)傳輸距離在小于100kbps可達(dá)1200米，短程無(wú)線(xiàn)數(shù)傳距離小于500米，各模塊在安裝時(shí)可分散就近安裝。主PC機(jī)通過(guò) RS232、RS232轉(zhuǎn)RS485接口，主數(shù)傳電臺(tái)以MODBUS協(xié)議將各分站數(shù)據(jù)收集上來(lái)，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)多聯(lián)合站數(shù)據(jù)匯總報(bào)表、工藝自控流程圖顯示、趨勢(shì)曲線(xiàn)繪制等工作，同時(shí)將PC機(jī)接入廠內(nèi)局域網(wǎng)，廠內(nèi)局域網(wǎng)各終端以BS方式瀏覽整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，打印報(bào)表，完成廠內(nèi)聯(lián)合站數(shù)據(jù)采集及管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 通訊接口設(shè)計(jì)

通訊是整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵，為了保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，系統(tǒng)中SSX-M21、SSX-M03、SSX-M04模塊通訊硬件接口設(shè)計(jì)采用全隔離方式，避免線(xiàn)路干擾損壞采集模塊，影響系統(tǒng)正常工作，具體線(xiàn)路原理圖見(jiàn)圖2。數(shù)據(jù)信號(hào)由RXD接收，由TXD發(fā)送，收發(fā)轉(zhuǎn)換由RXD/TXD控制，經(jīng)高速光電隔離器隔離后由專(zhuān)用RS485接口芯片MAX487驅(qū)動(dòng)輸入輸出。三極管9012驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管起觀測(cè)通訊狀態(tài)作用，MC7805負(fù)責(zé)提供RS485 通訊側(cè)供電。

圖2 通訊接口原理圖

4 通訊協(xié)議配置

MODBUS通訊協(xié)議中命令較多，命令功能號(hào)不同，命令作用不同，本系統(tǒng)正常工作時(shí)主要使用03命令，讀單個(gè)或者多個(gè)寄存器命令。下面敘述命令為讀取8個(gè)模擬量及錯(cuò)誤狀態(tài)，命令由SSX-M21發(fā)出，SSX-M03應(yīng)答，SSX-M03地址號(hào)為11。

主機(jī)呼叫報(bào)文，要求讀出8個(gè)模擬量及錯(cuò)誤狀態(tài)，共9個(gè)寄存器。

地址00001011，功能00000011，數(shù)據(jù)起始寄存器號(hào)高位00000000，數(shù)據(jù)起始寄存器號(hào)低位00000000，數(shù)據(jù)寄存器數(shù)高位00000000，數(shù)據(jù)寄存器數(shù)低位00001001，CRC低位，CRC高位。合計(jì)8字節(jié)。

從機(jī)應(yīng)答報(bào)文(8路模擬量采樣數(shù)值為4095，無(wú)錯(cuò)誤)：

地址00001011，功能00000011，數(shù)據(jù)字節(jié)計(jì)數(shù)00010010。

數(shù)據(jù)1輸出寄存器高位00001111，數(shù)據(jù)1輸出寄存器低位11111111;

數(shù)據(jù)2輸出寄存器高位00001111，數(shù)據(jù)2輸出寄存器低位11111111;

數(shù)據(jù)3輸出寄存器高位00001111，數(shù)據(jù)3輸出寄存器低位11111111;

數(shù)據(jù)4輸出寄存器高位00001111，數(shù)據(jù)4輸出寄存器低位11111111;

數(shù)據(jù)5輸出寄存器高位00001111，數(shù)據(jù)5輸出寄存器低位11111111;

數(shù)據(jù)6輸出寄存器高位00001111，數(shù)據(jù)6輸出寄存器低位11111111;

數(shù)據(jù)7輸出寄存器高位00001111，數(shù)據(jù)7輸出寄存器低位11111111;

數(shù)據(jù)8輸出寄存器高位00001111，數(shù)據(jù)8輸出寄存器低位11111111;

數(shù)據(jù)9輸出寄存器高位00000000，數(shù)據(jù)9輸出寄存器低位00000000;

CRC低位，CRC高位。合計(jì)23字節(jié)。

SSX-M21對(duì)SSX-M04模塊呼叫命令、PC機(jī)呼叫各聯(lián)合站SSX-M21命令與前述類(lèi)似，只是地址與通訊的數(shù)據(jù)量不同。

5 KINGVIEW軟件下的管理系統(tǒng)界面

各聯(lián)合站數(shù)據(jù)以遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸方式進(jìn)入PC機(jī)后，所有數(shù)據(jù)處理均在此PC機(jī)中進(jìn)行，并將相關(guān)畫(huà)面、數(shù)據(jù)發(fā)布到局域網(wǎng)上，在KINGVIEW系統(tǒng)下，做如下幾個(gè)部分工作：

聯(lián)合站工藝自控流程圖;

聯(lián)合站油氣水?dāng)?shù)據(jù)報(bào)表;

聯(lián)合站原油含水趨勢(shì)曲線(xiàn);

聯(lián)合站油罐液面歷史紀(jì)錄曲線(xiàn);

用戶(hù)登陸配置畫(huà)面等。

圖3為其中一聯(lián)合站工藝自控流程圖。

圖3聯(lián)合站工藝自控流程圖

6 KINGVIEW軟件下的局域網(wǎng)內(nèi)瀏覽界面

KINGVIEW軟件本身有網(wǎng)絡(luò)功能，可以用CS或BS兩種方式進(jìn)行瀏覽，本系統(tǒng)采用BS方式，優(yōu)點(diǎn)是使用方便，軟件維護(hù)量小，在網(wǎng)上用EXPLORER直接輸入本機(jī)IP地址即可實(shí)現(xiàn)全廠聯(lián)合站生產(chǎn)數(shù)據(jù)瀏覽、打印報(bào)表等工作。

7 網(wǎng)絡(luò)瀏覽權(quán)限管理

全廠生產(chǎn)狀態(tài)與數(shù)據(jù)發(fā)布到局域網(wǎng)后，需要對(duì)使用本資源的人員、部門(mén)做一定管理，確定不同級(jí)別人員、部門(mén)瀏覽范圍與權(quán)限，防止局域網(wǎng)內(nèi)非相關(guān)人員登陸，為了達(dá)到這一目的，在網(wǎng)絡(luò)管理上做了如下工作：

畫(huà)面分組發(fā)布，不同組畫(huà)面配置不同級(jí)別;

登陸用戶(hù)權(quán)限設(shè)置分組分級(jí)別，與畫(huà)面發(fā)布的分組相對(duì)應(yīng)。

本系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)用戶(hù)級(jí)別，與采油廠內(nèi)部管理機(jī)制相對(duì)應(yīng)，分為廠級(jí)、礦級(jí)、隊(duì)級(jí)。局域網(wǎng)內(nèi)用戶(hù)按預(yù)先分配給自己的用戶(hù)名、密碼登陸，廠級(jí)用戶(hù)可瀏覽全廠生產(chǎn)狀態(tài)與數(shù)據(jù)，隊(duì)級(jí)用戶(hù)只能瀏覽本隊(duì)生產(chǎn)狀態(tài)與數(shù)據(jù)。

8 結(jié)束語(yǔ)

此系統(tǒng)采用工業(yè)上廣泛使用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議MODBUS、通訊接口RS485，用有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、局域網(wǎng)相結(jié)合方式構(gòu)建聯(lián)合站生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，成本低，實(shí)時(shí)性好，滿(mǎn)足了油田生產(chǎn)需求。由于各模塊、各短程子數(shù)傳機(jī)均采用RS485接口，使得各模塊、數(shù)傳機(jī)可以就地、就近的安放在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)附近，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工量，同時(shí)也降低了系統(tǒng)安裝成本。[!--empirenews.page--]

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議MODBUS、標(biāo)準(zhǔn)通訊接口RS485，以有線(xiàn)、遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)、短程無(wú)線(xiàn)、局域網(wǎng)多種方式相互結(jié)合做數(shù)據(jù)傳輸，低成本解決因地理?xiàng)l件分散，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)多，無(wú)法集中管理的難題。用KINGVIEW組態(tài)軟件做上位機(jī)數(shù)據(jù)管理并和局域網(wǎng)互聯(lián)，上位機(jī)軟件處理簡(jiǎn)單，省時(shí)省力，且可靠性好。

參考文件：

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