1引言
1.1電子皮帶秤稱量係統簡介
電子皮帶秤稱量係統包含電子皮帶秤、上位機監控軟件係統。電子皮帶秤是在皮帶輸送機輸送物料過程中同時進行物料連續自動稱重的一種計量設備。其特點是稱重過程是連續和自動進行的，通常不需要操作人員的幹預就可以完成稱重操作。
電子皮帶秤主要有傳感器、秤架、二次儀表三大部分組成，在實際應用過程中，要想使電子皮帶秤在一個較長的時間周期內保證一定的精確度，其檢定過程非常重要。
同時，為保證皮帶秤運行的安全性和運行狀態的實時監控，皮帶秤的運行參數與狀態要實時顯示更新，因而控製器必須有快速而安全的通信模式。
皮帶秤監控軟件是電子皮帶秤的配套產品，主要用於稱重數據的管理和對現場工作狀態的監控，可以方便的實現遠程實時數據管理和查詢。計算機通過RS232、RS485、ModBus等方式與下位機連接，以實現集中控製。用戶可通過上位機對多台下位機進行集中控製及參數查詢。在計算機上用戶可修改下位機中的各種參數，完成報表查詢、曆史數據曲線圖顯示、稱重數據打印等操作以實現現代化的科學管理及控製。
本論文設計了一套基於ModBus/TCP協議的通信係統，詳細介紹了通信協議的選取和通信程序的設計方法，實現了上位機與電子皮帶秤控製器的遠程和實時通信，通信速率比同類產品的485申口通信大大提高，能監控控製器的運行參數和狀態實時更新，方便了工業現場的實時監控。此外，由於基於TCP/IP以太網實施，故而網絡布置更加便利，數據通信的抗幹擾性也更強，可以比傳統傳統RS232或RS485連接更多數量的下位機。
1.2工業通信協議的發展
目前，ModBus協議主要應用於電力自動化和過程控製中，一般采用RS232或者RS485通信接口，這樣就導致了它傳輸距離短、速度慢，應用受到局限。TCP/IP協議主要應用於Internet和Intranet中，其傳輸距離長、傳輸速度快，應用非常廣泛。通過將ModBus協議和TCP/IP協議相結合，實現了基於ModBusTCP/IP協議的遠程網絡通信，促進了ModBus協議在工業中的使用。
2ModBus/TCP通信協議介紹
ModBus/TCP協議是基於管理和控製自動化設備的ModBus係列通信協議的衍生協議。該協議定義了在一個使用TCP/IP協議的Intrannet或Internet環境中，如何傳輸ModBus報文。這種協議主要用在PLC、I/O模塊、連接其他簡單總線或I/O網絡的網關的以太網適配器上。
ModBus/TCP協議是麵向連接的協議，一個連接可以承載多個獨立的事務。而UDP協議是一種麵向非連接的協議，它不能實現對一個事務的持續控製。另外，由於TCP協議允許有很多個連接同時存在，所以在大多數情況下,ModBus/TCP連接的個數是由連接的發起端根據需要而定的。TCP協議應用在可靠性要求高的場合，而UDP協議則應用在可靠性要求低、傳輸經濟的場合。對於工業控製領域，對可靠性、實時性要求很高。因此，在基於ModBus的以太網協議中，沒有釆用UDP協議，而采用了TCP協議。
3電子皮帶秤上位機係統設計與實現
本上位機軟件通過以太網接口可以很方便地與皮帶秤控製器連接，以實現集中化管理和控製。管理員可以通過上位機對多台皮帶秤控製器進行遠程集中控製及數據查詢，還可以在計算機上修改皮帶秤控製器中的各種參數，進行報表生成、稱重數據打印、曆史數據回顯並生成曲線圖等操作，以實現信息化管鯉及控製。
本項目在ModBus網絡中，通過以太網和服務器實現了遠程網絡通信。對於由ModBus協議組網，適用於由單個主節點和眾多從節點的通信網絡。上位機作為主節點，現場設備作為從節點。上位機通過輪詢的方式依次讀取下位機的實時數據，起到控製整個網絡的作用。這種通信方式可以提高整個網絡的可靠性，避免網絡上不同節點之間數據發生衝突。
實踐證明，這種架構完全滿足工控的實時性要求。這種ModBus工業網絡還有傳輸距離遠的優點，可在任何有網絡的地方實現遠程監控功能；而且可利用現有網絡設施，無需額外投資建設網絡，性價比高，實施成本低；通用性強,可應用於各種需要通過網絡實現實時監控功能的設備。上位機監控係統與下位機通信結構圖，如圖1所示。

本係統主要由3個部分組成：數據采集設備終端、網絡傳輸信道和上位機實時監控係統。監控係統以Windows操作係統為基礎，采用SQLServer作為數據庫。
實時監控係統數據通信的實現，以套接字SocketAPI接口為基礎。基於Socket的監控係統采用C/S架構，與各個數據采集設備以多線程方式進行數據通信，實現現場設備的分布式采集與集中監控。該軟件通過TCP/IP協議與數據采集設備進行通信，將采集到的實時數據進行集中處理，展現給用戶友好的圖形界麵，實時顯示各種開關量、模擬量數據，同時把數據存入數據庫中，對不良運行狀況進行實時報警。管理員可以向下位機發送控製命令，實現實時遠程控製，並將實時運行狀況生成各種報表，以作進一步分析、匯總。
3.1ModBus/TCP工業以太網監控係統的體係結構
本文所提到的稱量監控係統共分兩層：
(1)稱量控製器；
(2)實時監控及網絡管理。
監控係統總體結構如圖2所示。

稱量控製器以電子皮帶秤為核心。它具有支持TCP/IP協議的以太網通信模塊，IP地址可配置，且可通過以太網與上位機通信。各節點與節點、節點與監控係統間均通過集線器進行鏈接，上位機對各監控節點統一管理。
本論文介紹的核心內容是雙向監控及實時網絡管理。它運行於Windows平台，基於ModBus/TCP協議建立通信鏈接，采用VisualC++開發完成可視化雙向監控管理平台，主要包括監控組態及網絡管理兩大部分：上位機作為服務器主要運行監控組態平台。該平台由3大模塊構成：數據管理模塊、雙向通信模塊、控製組態模塊。其中，數據管理模塊對控製器傳來的數據進行實時顯示、存儲、管理並實現曆史曲線回放。上位機和控製器的通信模塊互相對應，實現數據雙向傳輸與控製的功能。控製組態模塊與稱量控製器上的算法相對應，管理員可通過上位機對各節點的稱量控製器進行算法和參數組態。網絡管理模塊的作用主要是配置各控製節點的IP地址；檢測局域網內各台稱量控製器的工作狀態。
3.2基於ModBusTCP協議通信的實現
本係統采用C/S(客戶機/服務器)架構，上位機作為服務器，用來響應客戶機提出的請求。皮帶秤控製器作為客戶機，向服務器提出請求或要求某項服務。
係統采用Winsock技術開發通信模塊。服務器首先啟動並進行初始化操作，通過調用函數socket()創建一個套接字，然後調用函數bind。將該套接字和本地網絡地址綁定在一起，再調用函數listen()將該套接字轉換成偵聽套接字，用以偵聽網絡上是否有連接請求。一旦偵聽到客戶端發送的連接請求，就調用函數accept。來接受收客戶機的請求。客戶機在調用函數socketO建立套接字後就可調用函數connect()和服務器建立連接。一旦建立連接成功，客戶機和服務器之間就可以通過函數read。和write。來進行雙向通信。最後待數據傳送結束以後，雙方調用函數close。關閉套接字。LocalHost指上位機，RemoteHost指電子皮帶秤控製器。上位機的端口號設為0,表示應用程序不需要特定端口，每次連接時將選擇一個隨機端口作為TCP連接的本地端口。電子皮帶秤控製器的端口號設為502。圖3為服務器端和客戶端的通信流程圖。

上位機和設備的通信是通過TCP/IP協議，將符合ModBus協議的信息幀在Internet或者Intranet網絡上進行傳輸。在實際設計中為了提升網絡通信的效率，減少通信阻塞等待時間，提高連接皮帶秤的連接數量，本上位機係統采用多線程並發模式。整個網絡通信采用麵向連接方式，Socket采用基於TCP的流式套接字類型，為每台控製器都建立一個新線程，這樣可以減少連接隊列中連接請求的大小，極大地提高係統運行效率。
上位機和下位機控製器的通信流程為：首先，上位機監控管理軟件和下位機控製器都各自初始化並分別建立通信套接字(Socket),且上位機應率先進入監聽狀態；當下位機控製器發出連接請求，處在監聽狀態的上位機立刻響應，並新建一個線程來單獨處理。上位機通過accept。建立新的套接字，這樣新建立的線程就和下位機控製器實現了連接並進行通信，而原來負責監聽的套接字繼續監聽，如果有其他客戶機發來連接請求，則再開一個新的線程，處理與下位機控製器通信。軟件根據皮帶秤控製的ModBus命令號來發送數據，取得皮帶秤的運行數據與控製數據，從而對皮帶秤進行有效的監控；而原來的監聽Socket繼續等待新的控製器接入，通過accept。建立的新的套接字，如此循環。程序的設計流程應當由上位機首先啟動，然後在某一時刻啟動下位機控製器並使其與上位機建立連接。
 

控製器中ModBusTCP客戶端程序用Connect()函數建立對目標設備TCP502端口的連接。
數據通信的過程如下：
(1)準備ModBus報文，包括7個字節的MBAP在內的請求；
(2)使用Send()命令發送；
(3)在同一連接等待應答；
用recv()讀報文，完成一次數據交換過程;
(5)當通信任務結束時，關閉TCP連接，使服務器可以為其它設備服務。
3.3應用現場展示
本項目在浙能電力有限公司下屬某電廠輸煤係統中，對8台皮帶秤進行了有效的監測，對皮帶秤的線速度、K8凯发登录入口的監控保證了皮帶秤使用的安全；對皮帶秤累計量及各個時間段的使用統計，與能效係統的對接,方便了廠家對能耗比的統計，該上位機上線運行後，運行平穩可靠。監控界麵如圖5所示，配置界麵如圖6所示。

4總結和展望
隨著網絡技術的發展，工業控製網絡技術也在不斷的進步。工業控製係統的網絡化、集成化將為企業帶來更高的生產效率和更大的經濟效益。因此，本文提出了ModBus+TCP/IP通信協議模型來實現現場總線控製係統的通信互聯，並設計了本數據采集及監控係統，並對此方案進行了驗證。在電子皮帶秤平台的基礎上組建了一個小型的控製係統，用VisualC++實現了基於ModBus/TCP以太網通信接口的上位機監控係統。
本係統實現了ModBus/TCP的通信協議，從而使得通信的速率大大提高，另外，還實現了基於ModBus協議的串口通信，向下兼容了以往設備的通信接口。係統通過加載不同的動態鏈接庫，可以靈活的選擇以太網接口通信或者串行接口通信。
本係統隻是為以太網在工業自動化應用作了一些探索及研究，以太網完全代替現場總線還有很長的路要走，有待進一步研究。隨著工業以太網技術的成熟和大量帶有以太網通信接口的工控設備的應用，以及統一的工業以太網協議的製定，工業以太網作為一種開放的網絡通信標準，其易於普及以及易於與現有網絡整合的優點，將最終代替現場總線而走向統一。

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