CN101452639A - 一种以太网数据采集传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实时数据采集技术，具体地说是一种基于以太网和可编程控制器PLC技术的分布式、网络化、可扩展、实时采集和传输数据的以太网数据采集传输方法及系统。以可编程控制器作为数据采集、通讯的控制设备，自身带有以太网控制器，采用Ethernet/IP通讯模式及Modbus传输协议与上位机进行以太网通讯；还包括I/O模块，与所述以太网控制器连接，通过最后一级数字量输出模块与终端模块连接；可编程控制器通过I/O模块接收来自传感器的数字量或模拟量信号，通过系统程序与上位机通讯，选择工作模式，将数字量或模拟量信号至受控设备。它通讯能力强、适应范围广、采集点多、能适应复杂工况要求的数据采集系统是工业现场的迫切要求。

Description

一种以太网数据采集传输方法及系统

技术领域

本发明涉及实时数据采集技术，具体地说是一种基于以太网和可编程控制器PLC技术的分布式、网络化、可扩展、实时采集和传输数据的数据采集传输方法及系统，适用于在复杂的工业监控中多点信号的实时采集。

技术背景

由于现场应用环境的复杂多样，致使对数据采集装置的要求也不尽相同，综观已知技术领域中的数据采集装置，普遍存在着信号处理速度有限，集成化水平低，不能实现分布式数据采集和远程数据综合处理，不能满足复杂工矿要求，数据吞吐量有限等问题。

以太网(Ethernet)是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，组建于七十年代早期。以太网是一种传输速率为10Mbps的常用局域网(LAN)标准。以太网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、网桥或交换机构成。可编程控制器具有高可靠性、I/O接口丰富、模块化结构、编程简单易学、安装简单、维修方便、具有通信和联网功能等的特点，目前广泛应用于各种工业控制场合。目前，有关数据采集技术的发明和实用新型专利层出不穷，但很多发明和实用新型在许多方面存在一定的问题。例如：名称为“一种计算机实时数据采集与处理系统”(专利号为98124514)的发明专利，涉及应用计算机进行实时数据采集与处理。该发明由微机ISA扩展槽、通道选择接口卡。带有IEEE-488接口的数字多用表及IEEE-488接口卡组成硬件部分。软件用Visual C++编写，用中文平台支持，在Win95或WinNT下运行。该发明具有32通道，可以与带有IEEE-488接口的数字多用表组成多通道测量与处理系统，在软件支持下实现后台实时采集数据时，前台仍可处理其它事务的实时数据采集与处理系统。但该发明所涉及的系统只能与带有IEEE-488接口的数字多用表组成多通道测量与处理系统，应用范围有限。名称为“数据采集器”(专利号为200520091109)的实用新型专利公开一种应用于建筑节能检测领域中的数据采集器。包括：CPU、时钟芯片、存储单元、信号采集部分。CPU端口分别接时钟芯片及存储单元的端口，依次提供通讯所需串行时钟信号及数据通讯信号；所述信号采集部分接CPU的端口，以实现采集信号的数据通讯。所述信号采集部分为温度信号采集部分、流量采集部分及热流密度采集部分；所述流量采集部分及热流密度采集部分的数据信号经A/D转换后送入CPU。该实用新型专利只能应用于建筑节能检测领域，应用领域有限，不具有通用性。名称为“远程数据采集传输系统”(专利号为01278706)的实用新型专利包括一个数据采集终端，通过RS232串口/通用串行总线接口连接主处理器，该处理器连接、接收并对数据采集终端采集的数据进行压缩处理，然后将处理的数据发送给传输模块。其特点是实现数据的无线传输。但无线传输成本高，且因天气等因素影响，数据传输稳定性差。该专利产品有一个数据采集终端，所以不能实现长距离内的多点数据采集。综上所述，现有相关专利及实用新型产品的不足之处主要表现在：

1)对信号或接入仪表的类型有强制性的要求，限制了应用的范围和领域，不能适应复杂工况的要求。

2)采集点单一，无法满足要求大范围多点，据采集，对复杂工况的适应能力不强，且处理速度不高，可扩展性不强。

3)通信能力不强。控制领域对实时性的要求越来越高，所以通讯能力的好坏是数据采集系统是否具有实时性的重要标志。传统的485或者232通讯速度有限，在某种程度上限制了数据采集系统的实时性。综上所述，通讯能力强、适应范围广、采集点多、能适应复杂工况要求的数据采集系统是工业现场的迫切要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以太网数据采集传输方法及系统，它通讯能力强、适应范围广、采集点多、能适应复杂工况要求的数据采集系统是工业现场的迫切要求。

本发明的技术解决方案如下：

以太网数据采集传输系统：以可编程控制器作为数据采集、通讯的控制设备，自身带有以太网控制器，采用Ethernet/IP通讯模式及Modbus传输协议与上位机进行以太网通讯；还包括I/O模块，与所述以太网控制器连接，通过最后一级数字量输出模块与终端模块连接；可编程控制器通过I/O模块接收来自采集点传感器的数字量或模拟量信号，通过系统程序与上位机通讯，选择工作模式，将数字量或模拟量信号至受控设备。

其中：如果只有一个采集点(IP地址)，则上位机与可编程控制器采取直接通过交叉网线相连的方法进行以太网通讯；如果上位机通过集线器连接多个可编程控制器，为每个可编程控制器分配一个独立的IP地址。

以太网数据采集传输方法：采用两种工作模式，分别是联网模式和单机模式；采用如下系统程序步骤：

系统启动后，首先读取工作状态，若为联网模式，则进行以太网通讯，并判断通讯是否正常；若通讯正常，则继续读取工作状态位，判断工作模式；若通讯中断，则启动看门狗，重新启动系统；若为单机模式，则进行输入输出口的“读”和“写”操作，并继续判断工作状态位的值。

本发明具有如下有益效果：

1.稳定性强。可编程控制器是工业控制器中比较稳定的控制器件，适合于应用在工况较为复杂、使用环境相对较恶劣的场合，并且适合于长时间不间断的作业，所以可编程控制器十分广泛的应用在矿山、钢铁厂、电厂等场合。

2.信号可靠性强。可编程控制器每路的信号均采用了滤波及光电隔离方式进行信号的去噪，保证了信号的互不干扰和信号的纯度。

3.适应性强。I/O模块的可根据具体的应用场合选择模拟量输入、模拟量输出、数字两输入、数字量输出等不同功能的模块随意组合，还可以根据需要增加计数器模块和其它功能的通讯模块。

4.网络化。可实现多点、长距离的实时高速数据采集，特别适用于要求长距离多点采集数据的工业控制场合和复杂工程项目的数据收集。

5.实时性。采集到的数据可以实时的发送给上位机进行显示，也可以实时的将上位机法送来的命令传输给可编程控制器的输出口输出。

6.可扩充性。装置可以通过集线器组成网络，网络上的节点数可以根据需要增加或减少。

7.本地工作模式下可完成数据的采集并向输出口输出模拟量或数字数字量。

附图说明

图1为本发明系统总体结构图。

图2为本发明一个实施例可编程控制器结构图。

图3为数据采集传输方法中系统程序流程图。

图4为图3中以太网通讯子程序流程图。

具体实施方式

本发明以太网数据采集系统以可编程控制器PLC作为数据采集、通讯的控制设备，自身带有以太网控制器，采用Ethernet/IP通讯模式及Modbus传输协议与上位机进行以太网通讯；还包括I/O模块，与所述以太网控制器连接，通过最后一级数字量输出模块与终端模块连接；可编程控制器PLC通过I/O模块接收来自采集点传感器的数字量或模拟量信号，通过系统程序与上位机通讯，选择工作模式，将数字量或模拟量信号至受控设备。上位机利用以太网控制器并通过交叉网线与可编程控制器PLC通讯。上位机可以实时地给可编程控制器PLC传输控制命令，如数字量的状态、模拟量的大小，可编程控制器PLC可以实时的将采集的信号传输给上位机进行显示。I/O模块可以根据具体的工况要求设置其数量，采集点也可以增加或减少，作业距离也可以通过增加新的可编程控制器PLC以太网控制器和I/O模块的扩增(相当于增加新的IP地址)。

系统有两种工作模式，分别是联网模式和单机模式。单机模式可实现工业现场数据的采集、输出数据控制受控设备、与其他可编程控制器PLC之间的通讯；联网模式在此基础上可实现在上位机实时显示可编程控制器PLC采集的数据、通过网络向受控设备传输数据、以太网通讯功能。

I/O模块包括有：模拟量输入模块，模拟量输出模块，数字量输入模块，数字量输出模块。为了采集工业生产现场的数据和控制工业现场的受控设备，可编程控制器PLC的输入模块连接现场的各种传感器，输出模块连接到现场的受控设备上。考虑到通讯的速度和稳定性，采用基于以太网和Modbus通讯协议进行上位机和可编程控制器PLC之间的通讯。上位机负责控制可编程控制器PLC和实时显示连接到可编程控制器PLC的受控设备的状态，如果采集点超过单台可编程控制器PLC的能力范围，则需要多台可编程控制器PLC同时工作。考虑到这种工作模式，本发明将上位机作为以太网通讯的服务器端，可编程控制器PLC作为以太网通讯的客户端，每个可编程控制器PLC都是一个客户端，而服务器端只有一个。可编程控制器PLC既可以和上位机进行通讯，自身也可以将信号输入模块采集到的数据实时的通过输出模块输送到受控设备上，实现远程控制和本地控制两项功能。系统工作模式的选择(单机模式或联网模式)。

每个可编程控制器PLC模块由两路24V直流电源供电，一路供给可编程控制器PLC，一路供给和可编程控制器PLC的以太网控制器连接的并且相互之间也连接到一起的I/O模块。由电源指示灯指示当前系统的供电是否正常。根据应用现场的具体情况，如所需采集信号的种类信号路数的多少，选择相应的I/O模块，同一个IP地址下的I/O模块的多少和类型可以根据具体情况改变，每个IP地址下最多可包含64个各种类型的I/O模块，数据吞吐量非常大。如果只有一个采集点(IP地址)，则上位机和可编程控制器PLC可以采取直接通过交叉网线相连的方法进行以太网通讯；如果采集现场的地理位置的跨度较大，上位机通过集线器连接多个可编程控制器PLC，为每个可编程控制器PLC分配一个独立的IP地址。每个可编程控制器PLC都可以和上位机之间进行以太网通讯。同样每个IP地址下最多都可以包含64个I/O模块。上位机可以向可编程控制器PLC发送命令，命令的内容可以是希望输出口输出的数字量或者模拟量，命令通过IP地址可以准确地传达到相应的可编程控制器PLC。同样每个可编程控制器PLC也可以向上位机发送数据，数据的内容可以是输入模块正在实时采集的数字量或者模拟量。

单个节点的作为数据采集装置的可编程控制器结构图如图2所示，由以太网控制器1通过以太网控制器1和电源触点15连接第一模拟量输入模块4，第一模拟量输入模块4通过电源触点15连接第二模拟量输入模块5，第二模拟量输入模块5通过电源触点15连接第三模拟量输入模块6，第三模拟量输入模块6通过电源触点15连接第一模拟量输出模块7，第一模拟量输入模块7通过电源触点15连接第二模拟量输出模块8，第二模拟量输入模块8通过电源触点15连接第三模拟量输出模块9，第三模拟量输入模块9通过电源触点15连接第一数字量输入模块10，第一数字量输入模块10通过电源触点15连接第二数字量输入模块11，第二数字量输入模块11通过电源触点15连接第一数字量输出模块12，第一数字量输出模块12通过电源触点15连接第二数字量输出模块13，第二数字量输出模块13通过电源触点15连接终端模块14。

以太网控制器1的特点是：以集中控制方式更好的支持可编程控制器PLC或PC；复杂的应用问题可以通过多任务来完成；现场总线故障时可以自动报警；自身所具有的信号预处理功能可以减少现场总线的传输时间；可以直接控制附属设备，系统响应时间短；简单、自足控制。

在I/O模块中，输入过程数据得到转化。根据不同的需求，可以选用不同功能的I/O模块。目前有数字/模拟输入/输出可供选择，也可以采用特殊功能模块，如：计数器模块，用于计数。

参见图3，发明以太网数据采集传输方法根据系统程序流程所述步骤，系统启动后，首先读取工作状态位的值，若为“1”则进入联网工作模式，若为“0”则进入单机工作模式。

若为联网模式，则进行以太网通讯，并判断通讯是否正常。若通讯正常，则继续读取工作状态位，判断工作模式；若通讯中断，则启动看门狗，重新启动系统。

若为单机模式，则进行输入输出口的“读”和“写”操作，并继续判断工作状态位的值。

以太网通讯子程序流程参见图4，具体如下：

步骤一：开始；

步骤二：启动看门狗；

步骤三：若看门狗没有复位，读取网络状态；若看门狗复位，则回到步骤一；

步骤四：读取网络状态，若网络出错，则关闭以太网服务器，回到步骤二；若网络正常，则读取通讯协议类型；

步骤五：读取通讯协议类型，若为TCP通讯，则启动TCP模式通讯；若为UDP通讯，则启动UDP通讯类型；

步骤六：启动以太网服务器端；

步骤七：启动以太网读函数，进行以太网读操作；

步骤八：判断读函数是否出错；

步骤九：若读函数出错，则关闭以太网服务器端，回到步骤二；若读函数正常，则判断读取数据长度是否为零；

步骤十：若读取数据长度不为零，则回到步骤七，继续读取；若读取数据长度为零，则判断是否可以获得以太网信息；

步骤十一：如果不能获得以太网信息，则指定客户端IP地址和端口号；

步骤十二：启动以太网写函数；

步骤十三：判断写函数是否出错；

步骤十四：回到步骤二。

Claims (8)

1.一种以太网数据采集传输系统，其特征在于：以可编程控制器(PLC)作为数据采集、通讯的控制设备，自身带有以太网控制器，采用Ethernet/IP通讯模式及Modbus传输协议与上位机进行以太网通讯；还包括I/O模块，与所述以太网控制器连接，通过最后一级数字量输出模块与终端模块连接；可编程控制器(PLC)通过I/O模块接收来自采集点传感器的数字量或模拟量信号，通过系统程序与上位机通讯，选择工作模式，将数字量或模拟量信号至受控设备。

2.按照权利要求1所述以太网数据采集传输系统，其特征在于：上位机作为服务端，设一个；可编程控制器(PLC)为客户端，至少设一个。

3.按照权利要求1所述以太网数据采集传输系统，其特征在于：I/O模块包括有：模拟量输入模块，模拟量输出模块，数字量输入模块，数字量输出模块。

4.按照权利要求3所述以太网数据采集传输系统，其特征在于：I/O模块还包括有：计数器模块，位于最后一级数字量输出模块与终问模块之间。

5.按照权利要求1所述以太网数据采集传输系统，其特征在于：由两路24V直流电源供电，一路接可编程控制器(PLC)，一路接I/O模块。

6.按照权利要求1所述以太网数据采集传输系统，其特征在于：如果只有一个采集点，则上位机与可编程控制器(PLC)采取直接通过交叉网线相连的方法进行以太网通讯；如果上位机通过集线器连接多个可编程控制器(PLC)，为每个可编程控制器(PLC)分配一个独立的IP地址。

7.一种以太网数据采集传输方法，其特征在于：采用两种工作模式，分别是联网模式和单机模式；采用如下系统程序步骤：

系统启动后，首先读取工作状态，若为联网模式，则进行以太网通讯，并判断通讯是否正常；若通讯正常，则继续读取工作状态位，判断工作模式；若通讯中断，则启动看门狗，重新启动系统；若为单机模式，则进行输入输出口的“读”和“写”操作，并继续判断工作状态位的值。

8.按照权利要求7所述以太网数据采集传输方法，其特征在于：以太网通讯步骤如下：

步骤一：开始；

步骤二：启动看门狗；

步骤三：若看门狗没有复位，读取网络状态；若看门狗复位，则回到步骤一；

步骤四：读取网络状态，若网络出错，则关闭以太网服务器，回到步骤二；若网络正常，则读取通讯协议类型；

步骤五：读取通讯协议类型，若为TCP通讯，则启动TCP模式通讯；若为UDP通讯，则启动UDP通讯类型；

步骤六：启动以太网服务器端；

步骤七：启动以太网读函数，进行以太网读操作；

步骤八：判断读函数是否出错；

步骤九：若读函数出错，则关闭以太网服务器端，回到步骤二；若读函数正常，则判断读取数据长度是否为零；

步骤十：若读取数据长度不为零，则回到步骤七，继续读取；若读取数据长度为零，则判断是否可以获得以太网信息；

步骤十一：如果不能获得以太网信息，则指定客户端IP地址和端口号；

步骤十二：启动以太网写函数；

步骤十三：判断写函数是否出错；

步骤十四：回到步骤二。

Images