低耦合现场总线控制系统设计与实现

更新时间:2024-01-14 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:31174 浏览:143920

摘 要 :设计并实现了一种低耦合现场总线控制系统,能帮助开发者较容易地开发出各种应用系统.该系统的核心怎么写作器基于PC平台设计实现,采用数据库技术管理系统的监控信息,通过设计modbus通信总线怎么写作器和操作站Web怎么写作器完成系统通信任务.实验表明,该系统具有易于实现、低耦合、应用开发灵活和运行稳定可靠等优点.

关 键 词 :现场总线;远程监控;modbus;Web怎么写作器

中图分类号:TP319 文献标识码:A 文章编号文章编号:16727800(2014)001010902

作者简介作者简介:朱志伟(1979-),男,硕士,武汉铁路职业技术学院讲师,研究方向为微机控制技术.

0 引言

随着工控要求的不断提高,工业控制系统不仅要能够对生产过程进行集中监控,还要能够通过局域网实现远程监控管理.FCS即现场总线控制系统,能够很好地满足这一要求,但FCS核心怎么写作器设备成本较高,操作站监控界面开发专业性强,给中小型FCS的广泛应用带来了一定困难.针对这种情况,本文设计实现了一种全开放、低耦合、易于实现和应用开发的FCS.该系统的核心怎么写作器以PC为平台设计,运用数据库技术管理系统监控信息,选用modbus协议现场总线,远程监控设备采用客户机/怎么写作器模式.应用开发者只需面向数据库独立开发所需的监控界面即可进行监控.

1.低耦合现场总线控制系统总体结构设计

该FCS系统采用操作站—现场智能设备的二层结构模式,连接这两层设备的是FCS怎么写作器,如图1所示.FCS怎么写作器下接modbus通信协议现场总线,上接局域网(LAN或WLAN),是整个分布式系统的核心,也是系统设计的最主要和最关键部分.为了达到系统易于实现的目的,怎么写作器采用PC平台设计实现,这样系统开发就不需要投入额外的工控设备,也可以利用计算机软硬件资源.由于本系统设计定位为易于实现的中小型FCS系统,现场总线采用广泛使用的modbus通信协议和RS-232C通信接口,只要是支持modbus通信协议的现场设备即可直接接入系统.局域网通过无线路由器把FCS怎么写作器、操作站和无线操作站组网,只要能接入局域网的设备都可作为监控设备.

2.基于PC平台的FCS怎么写作器设计

低耦合现场总线控制系统设计的核心内容是低耦合FCS怎么写作器设计.FCS怎么写作器基于PC平台设计,其主要功能包括:①通过局域网接收来自监控设备的控制命令信息和向监控设备发送现场设备信息的功能;②通过modbus通信总线把接收到的控制命令发送给对应现场设备并接收来自现场设备的应答信息.为了让FCS系统在软件开发上具有全开放性与低耦合性,且各部分有序高效运行,把FCS怎么写作器设计成3部分:系统监控信息数据库、modbus通信总线怎么写作器和操作站Web怎么写作器.

2.1 系统监控信息数据库设计

本系统的监控信息主要包括现场设备数据信息、监控设备发出的命令信息、系统工作状态信息和系统用户信息.系统监控信息数据库作为FCS怎么写作器的枢纽部分,不仅是FCS系统监控信息管理中心,也是modbus通信总线怎么写作器和操作站Web怎么写作器间的数据交换中心.这样的设计让FCS系统所有软件模块的开发全都面向数据库,进一步从系统软件开发上提高系统的开放性,最大可能降低系统软件开发过程中的耦合性.

数据库具体设计上,为了降低硬件设备与数据库的关联,在数据库中为每个现场设备建立一个设备监控信息表,每个设备监控信息表完全相同,且名称为现场设备的ID号.以ID为15号现场设备监控信息表作设计说明,表名为“ID_015”,按modbus协议命令功能号建立7条记录,记录的14个字段包含系统全部监控信息,系统工作状态信息字段有系统控制模式webcontrol、命令执行状态标志flage、现场设备应答状态标志ackflage,命令信息字段有命令功能号function、数据首地址startaddr、数据总数datanum,现场设备数据信息字段有现场设备数据value0-value7.此外,系统监控信息数据库还设计有一个用户信息表,管理用户登录信息和权限.

2.2 现场总线怎么写作器设计

现场总线怎么写作器设计是FCS怎么写作器设计的主要任务,采用VB语言开发环境进行开发设计.现场总线怎么写作器作为FCS怎么写作器的一个关键部分,其设计的主要任务是modbus协议总线通信设计.由于modbus协议是一种主从式通信协议,且FCS系统所有的监控信息都由数据库管理,所以其具体通信任务设计成下述5个步骤:①按固定周期查询数据库中未执行的命令信息记录,即在各现场设备监控信息表中命令执行状态标志flage为1的记录;②把未执行的命令信息记录转化成modbus协议的命令帧;③通过现场总线向现场设备发送命令帧,把命令执行状态标志flage设置为已执行状态0,并且把现场设备应答状态标志ackflage设置为未应答状态1;④串口监听并接收现场设备应答帧;⑤应答帧CRC校验,如CRC校验码正确则更新监控信息表中对应记录的现场设备数据信息value0~value7,并把现场设备应答状态标志ackflage设置为已应答状态0.对于现场总线怎么写作器的通信循环周期设计,设计RS-232C的通信频率为9 600bit/s或19 200bit/s,采用9 600bit/s通信频率时,现场总线怎么写作器完成一次5个步骤通信任务的可靠通信周期为25ms.

现场总线怎么写作器的其它功能设计包含FCS系统的工作状态设置功能设计,即现场总线怎么写作器通信设置,如RS-232C通信端口号、通信频率、奇偶校验、总线通信周期和现场总线怎么写作器启停等;该FCS系统的两种控制模式设置,即对于系统控制模式字段,Webcontrol默认0则为怎么写作器本地控制,设置为1则为客户端远程控制.对于modbus通信总线测试功能设计,为了方便调试现场总线接入设备,也为了准确诊断FCS系统应用开发与运行过程出现的故障,特别设计了modbus协议1~6、16号7个功能命令的测试界面.通过此界面可测试7个命令功能,读写现场设备各种数据信息,并且可观察发送命令帧和现场设备应答帧信息. 2.3 操作站Web怎么写作器设计

操作站Web怎么写作器作为FCS怎么写作器的一个重要部分,与远程监控设备构成客户机/怎么写作器模式.操作站Web怎么写作器的作用在于以监控信息数据库为基础,向远程监控设备发布监控系统登录界面和各种监控界面.这样的设计使得操作站Web怎么写作器的开发与系统硬件设备和软件模块间的耦合性得到最大程度地降低,完全是一个数据库驱动的网站开发过程,让采用各种最新的网站开发技术成为可能;也使得远程监控设备上无需开发任何程序,只要能够接入局域网,即可登录FSC系统进行监控管理.操作站Web怎么写作器具体设计,先在PC平台上安装iis5.1组件,再在Inter 信息怎么写作里新建一个网站,然后把开发好的网站登录界面和监控界面放上去设置好即可.

本系统除了远程监控设计外,还有在FCS怎么写作器本机上直接面向监控信息数据库独立开发的监控程序,这即是本系统设计的本地监控功能.

3.低耦合现场总线控制系统实现与应用

首先,按上述设计方法和要求完成FCS怎么写作器的设计,并用C编写modbus RTU协议下位机通信库文件modbus_c51.h,以支持在系统中接入单片机的要求;然后,按本系统的结构连接好系统,其中FCS怎么写作器是包含监控信息数据库、现场总线怎么写作器和Web怎么写作器的一台PC,场设备有阿尔泰RTU6603数据采集模块和AT89S52单片机控制器(AT89S52单片机作为实验用风帆旋转角度闭环控制系统的控制器),监控信息数据库包含用户信息表admin、RTU6603设备监控信息表和AT89S52单片机监控信息表,监控设备是采用无线路由接入的一台笔记本电脑和若干智能手机;再启动FCS怎么写作器中现场总线怎么写作器和Web怎么写作器,并设置相关参数;最后,用户登录FCS怎么写作器,通过本地或远程监控RTU6603数据采集模块和风帆旋转角度闭环控制系统运行.长时间反复实验表明,该系统运行稳定可靠,监控信息实时准确,且系统各种功能应用灵活.


实现与应用过程中的两个难点问题需及时解决:①程序设计过程中单精度实型数据的modbus通信处理,参考阿尔泰RTU6603数据采集模块实数modbus通信方法,把32bit单精度实型数据当作2个16bit字发送,低字在前、高字在后,所以可用modbus RTU协议3、4号和16号命令功能来读写现场设备中实型数据信息;②数据库多用户访问可能存在的冲突处理,通过优化监控信息数据库设计,并在监控界面程序设计时采用控制访问冲突的技术,以避免冲突产生.

4.结语

基于PC平台的低耦合现场总线控制系统是一个容易实现、应用开发简单灵活、运行稳定可靠的远程监测与控制系统,利用此方法让FCS系统的广泛应用变得非常容易, 最简单的应用只需要一台PC作为怎么写作器和一台笔记本电脑或手机作为监控设备即可与现场设备构成监控系统.