CN109525429A - 一种适用于modbus协议的rtu及其通信方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于Modbus协议的RTU，用于实现现场传感仪表与监控上位机之间的通信，RTU包括依次通信连接的数据采集通讯模块、主控制器和上位通讯处理模块，其中数据采集通讯模块与若干组现场传感仪表通信连接，上位通讯处理模块与监控上位机通信连接，主控制器包括若干个与若干组现场传感仪表一一对应的Modbus地址表，Modbus地址表通信连接有协议处理及数据转换器、参数配置Web服务器和Modbus服务器，其中协议处理及数据转换器还与数据采集通讯模块通信连接，Modbus服务器还与上位通讯处理模块通信连接。本发明提供一种适用于Modbus协议的RTU及其通信方法，能够汇集多组独立传感仪表数据，模拟多个Modbus设备，减少远程现场RTU的布置数量，而且可以使用浏览器方便快捷地配置参数。

Description

一种适用于MODBUS协议的RTU及其通信方法
技术领域
本发明涉及工业现场通信设备领域，具体的说是一种适用于Modbus协议的RTU及其通信方法。
背景技术
随着物联网技术在工业自动化系统中推广应用，越来越多的企业对现有的数据采集与监视控制系统SCADA使用物联网技术进行系统升级改造，将原有的SCADA采集子系统由有线传输方式替换为无线传感网络方式。为了将无线传感采集子系统接入采用现场工业总线技术的SCADA平台系统，需要遵循SCADA的现场工业总线协议。Modbus协议是一种常用的现场工业总线协议。
远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU），是SCADA系统的基本组成单元。RTU是安装在远程现场的电子设备，主要负责对现场信号、各类传感器和工业设备进行监测和控制，并且完成SCADA控制中心与现场器件间的通讯。现有的RTU不直接支持无线传感网络协议与Modbus协议转换，造成RTU的工作效率低下。而且，工业现场往往需要检测多个现场地点，每个现场地点为检测多项参数所布置多个传感仪表构成该现场地点的一个传感器组，现有的RTU通常是实现为一个Modbus设备监测一个现场地点的传感器组，当现场检测地点数量大时，现有的RTU就需要随之增加部署量，使用起来多有不便。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种适用于Modbus协议的RTU及其通信方法，支持无线传感网络协议与Modbus协议间的转换，能够将无线传感采集系统按照Modbus协议接入到SCADA平台系统上，能够汇集多组独立传感仪表数据，模拟多个Modbus设备，减少远程现场RTU的布置数量，而且可以使用浏览器方便快捷地配置参数。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：一种适用于Modbus协议的RTU，用于实现现场传感仪表的数据采集、现场设备的监控以及监控上位机与现场设备间的通讯，所述RTU包括依次通信连接的数据采集通讯模块、主控制器和上位通讯处理模块，其中数据采集通讯模块与若干组现场传感仪表通信连接，上位通讯处理模块与监控上位机通信连接，所述主控制器包括若干个与所述若干组现场传感仪表一一对应的Modbus地址表，Modbus地址表通信连接有协议处理及数据转换器、参数配置Web服务器和Modbus服务器，其中协议处理及数据转换器还与所述数据采集通讯模块通信连接，Modbus服务器还与所述上位通讯处理模块通信连接。
所述数据采集通讯模块通过Zigbee或者RS485与所述现场传感仪表通信连接。
所述上位通讯处理模块通过GPRS、TCP/IP或者RS232/485与所述监控上位机通信连接。
所述主控制器设置为ARM开发板。
所述主控制器还电连接有网络接口，网络接口与所述参数配置Web服务器和所述上位通讯处理模块通信连接。
一种适用于Modbus协议的RTU的通信方法，包括如下步骤：
步骤1、将每个现场传感仪表与RTU连接，用户通过浏览器访问参数配置web服务器，利用参数配置web服务器为每个现场传感仪表分配组号，将所有现场传感仪表分为多组，并设置RTU监控的现场传感仪表总组数；
步骤2、根据RTU监控的现场传感仪表总组数，初始分配相同数目的Modbus地址表，并为每个Modbus地址表设置组号属性，Modbus地址表通过组号属性与现场传感仪表相对应；
步骤3、数据采集通讯模块采集现场传感仪表数据，并按照采集应用协议解析出仪表组号、仪表类型及应用数据，经协议处理及数据转换器处理后得到存储数据，并且按照Modbus应用协议将存储数据放入与仪表组号对应的Modbus地址表中的对应位置；
步骤4、Modbus服务器通过上位通讯处理模块监听来自于监控上位机的地址查询请求。
步骤5、Modbus服务器接收到地址查询请求后，解析出地址查询请求中的组号、操作地址及操作码；
步骤6、Modbus服务器检查解析出的组号是否合法，如果不合法则通过上位通讯处理模块向监控上位机返回错误消息，并返回步骤4继续执行；如果合法则将该组号标识的Modbus地址表关联到Modbus寄存器寻址空间上，并在该Modbus地址表上执行Modbus查询操作，获取该组号操作地址所存储的数据；
步骤7、Modbus服务器向监控上位机返回查询结果，完成监控上位机关于该组监控仪表的Modbus查询请求，然后返回步骤4，继续监听监控上位机查询请求；
步骤3和步骤4至7并行执行。
步骤6中，Modbus寄存器寻址空间为[40001-49999]。
有益效果：
1、本发明能够实现Zigbee等无线传感网络协议与Modbus协议间的转换，从而能够通过无线方式采集现场传感仪表的数据，满足各种复杂工业现场的应用需求；
2、本发明设有多个独立的Modbus地址表，可以汇集多组独立传感仪表数据，模拟多个Modbus设备，减少远程现场RTU的布置数量；
3、本发明设有参数配置Web服务器，能够使用浏览器方便快捷地配置参数，使得本系统更加的便捷、实用。
附图说明
图1为本发明RTU的结构框图；
图2为本发明中协议处理及数据转换器的工作过程示意图；
图3为本发明的数据帧格式示意图；
图4为本发明实施例电力监控无线采集的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至3，图1为本发明RTU的结构框图，图2为本发明中协议处理及数据转换器的工作过程示意图，图3为本发明的数据帧格式示意图。
一种适用于Modbus协议的RTU，用于实现现场传感仪表的数据采集、现场设备的监控以及监控上位机与现场设备间的通讯，RTU包括依次通信连接的数据采集通讯模块、主控制器和上位通讯处理模块。
其中数据采集通讯模块与若干组现场传感仪表通信连接，数据采集通讯模块通过Zigbee或者RS485与现场传感仪表通信连接。
上位通讯处理模块与监控上位机通信连接，通信协议采用Modbus TCP协议或Modbus RTU协议，通信接口可以是TCP/IP网络接口、GPRS模块或RS485/RS232串口接口。
主控制器包括若干个与若干现场传感仪表组一一对应的Modbus地址表，Modbus地址表通信连接有协议处理及数据转换器、参数配置Web服务器和Modbus服务器，其中协议处理及数据转换器还与数据采集通讯模块通信连接，Modbus服务器还与上位通讯处理模块通信连接。
主控制器设置为ARM开发板，以S3C6410处理器为核心。
Modbus地址表提供寻址地址为40001-49999的保持寄存器存储，存储采集的无线传感仪表数据，地址表具体存储分配遵循SCADA Modbus协议，由应用协议约定。
Modbus地址表的数目视应用中监控现场仪表组数而定，每个独立的地址表对应一个监控现场传感仪表组。Modbus RTU协议帧格式如图3所示，Modbus消息帧地址域字段代表组号。
参数配置web服务器用于配置RTU的各项参数，包括现场传感仪表采集参数、RTU参数和Zigbee参数等。其中RTU参数包括设置数据采集通讯模块与上位通讯处理模块的电连方式、RTU监控仪表的组数等参数。
参数配置Web服务器采用运行于主控制器上的Goahead嵌入式Web服务器，主控制器还电连接有网络接口，网络接口与参数配置web服务器通信连接。通过设置参数配置WEB服务器，本发明能够使用通过计算机和浏览器方便快捷地配置参数，使得本系统更加的便捷、实用。
协议处理及数据转换器主要进行通信协议转换和应用协议转换。通信协议转换实现Zigbee、RS485总线等数据采集端的通信与TCP/IP、RS485/RS232总线或GPRS等RTU与监控上位机间通信方式的转换。应用协议转换实现无线传感采集应用协议与Modbus协议之间的转换。RTU通过数据采集通讯模块接收第一协议数据单元PDU，按底层通信协议解析出应用数据单元ADU，并进行拆包、组包、计算等处理，再封装成第二协议数据单元PDU，经底层通信协议与监控上位机进行通信，或进行反向转换。
RTU与监控上位机间基于多Modbus地址表的通信方法包括以下步骤1至7，其中步骤3和步骤4－7并行执行。
步骤1、将每个现场传感仪表与RTU连接，用户通过浏览器访问参数配置Web服务器，利用参数配置Web服务器为每个现场传感仪表分配组号，将所有现场传感仪表分为多组，并设置RTU监控的现场传感仪表总组数。现场传感仪表与RTU之间的连接方式可以为RS485连接或者Zigbee无线通信连接。
步骤2、根据RTU监控的现场传感仪表总组数，初始分配相同数目的Modbus地址表，并为每个Modbus地址表设置组号属性，Modbus地址表通过组号属性与现场传感仪表相对应。
步骤3、数据采集通讯模块采集现场传感仪表数据，并按照采集应用协议解析出仪表组号、仪表类型及应用数据，经协议处理及数据转换器处理后得到存储数据，并且按照Modbus应用协议将存储数据放入与仪表组号对应的Modbus地址表中的对应位置。
步骤4、Modbus服务器通过上位通讯处理模块监听来自于监控上位机的地址查询请求。
步骤5、Modbus服务器接收到地址查询请求后，解析出地址查询请求中的组号、操作地址及操作码。
步骤6、Modbus服务器检查解析出的组号是否合法，如果不合法则通过上位通讯处理模块向监控上位机返回错误消息，并返回步骤4继续执行；如果合法则将该组号标识的Modbus地址表关联到Modbus寄存器寻址空间[40001-49999]上，并在该地址表上执行Modbus查询操作，获取该组号操作地址所存储的数据。
步骤7、Modbus服务器向监控上位机返回查询结果，完成监控上位机关于该组监控仪表的Modbus查询请求，然后返回步骤4，继续监听监控上位机查询请求。
步骤3和步骤4－7并行执行，能够保证与上位机的通信过程和现场传感仪表的数据采集过程互不干扰，不会造成任一过程的中断，从而保证RTU稳定运行。
请参阅图4，图4为本发明实施例电力监控无线采集的结构示意图。
本发明提供一种应用在电力监控系统中的实施例。电力监控系统包括若干条线路，每条线路上设置有一组现场传感仪表，每组现场传感仪表包括电压表、电流表、功率表和功率因数表等。所有的现场传感仪表通过本发明的RTU与监控上位机通信连接，RTU与监控上位机之间通过RS485总线通信连接。
本发明提供一种应用在电力监控系统中的实施例。
电力监控系统用于实时远程检测电力参数，系统包括电力仪表、传输线路和监控上位机。电力仪表感知电量数据，参数包括电压、电流、功率和功率因数等。每个线路包括电压、电流、功率和功率因数等仪表。
将采集子系统改进为无线传感方式采集。使用RTU作为无线采集子系统与原监控系统的网关，RTU采用S3C6410处理器为控制核心模块，带有Zigbee通信模块和RS485接口。RTU与电力仪表间的通讯采用Zigbee通讯，与监控上位机的通讯采用Modbus RTU协议，使用RS485总线相连。RTU根据实用场所，一个RTU可最多监控10以内条线路。可在RTU上电工作前通过参数配置设置监控线路数目。
本发明能够实现Zigbee等无线传感网络协议与Modbus协议间的转换，从而能够通过无线方式采集现场传感仪表的数据，满足各种复杂工业现场的应用需求。并且本发明设有多个独立的Modbus地址表，可以汇集多组独立传感仪表数据，模拟多个Modbus设备，减少远程现场RTU的布置数量。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种适用于Modbus协议的RTU，用于实现现场传感仪表与监控上位机之间的通信，所述RTU包括依次通信连接的数据采集通讯模块、主控制器和上位通讯处理模块，其中数据采集通讯模块与若干组现场传感仪表通信连接，上位通讯处理模块与监控上位机通信连接，其特征在于：所述主控制器包括若干个与所述若干组现场传感仪表一一对应的Modbus地址表，Modbus地址表通信连接有协议处理及数据转换器、参数配置Web服务器和Modbus服务器，其中协议处理及数据转换器还与所述数据采集通讯模块通信连接，Modbus服务器还与所述上位通讯处理模块通信连接。
2.如权利要求1所述的一种适用于Modbus协议的RTU，其特征在于：所述数据采集通讯模块通过Zigbee或者RS485与所述现场传感仪表通信连接。
3.如权利要求1所述的一种适用于Modbus协议的RTU，其特征在于：所述上位通讯处理模块通过GPRS、TCP/IP或者RS232/485与所述监控上位机通信连接。
4.如权利要求1所述的一种适用于Modbus协议的RTU，其特征在于：所述主控制器设置为ARM开发板。
5.如权利要求1所述的一种适用于Modbus协议的RTU，其特征在于：所述主控制器还电连接有网络接口，网络接口与所述参数配置Web服务器和所述上位通讯处理模块通信连接。
6.如权利要求1所述的一种适用于Modbus协议的RTU的通信方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、将每个现场传感仪表与RTU连接，用户通过浏览器访问参数配置Web服务器，利用参数配置Web服务器为每个现场传感仪表分配组号，将所有现场传感仪表分为多组，并设置RTU监控的现场传感仪表总组数；
步骤2、根据RTU监控的现场传感仪表总组数，初始分配相同数目的Modbus地址表，并为每个Modbus地址表设置组号属性，Modbus地址表通过组号属性与现场传感仪表相对应；
步骤3、数据采集通讯模块采集现场传感仪表数据，并按照采集应用协议解析出仪表组号、仪表类型及应用数据，经协议处理及数据转换器处理后得到存储数据，并且按照Modbus应用协议将存储数据放入与仪表组号对应的Modbus地址表中的对应位置；
步骤4、Modbus服务器通过上位通讯处理模块监听来自于监控上位机的地址查询请求。
7.步骤5、Modbus服务器接收到地址查询请求后，解析出地址查询请求中的组号、操作地址及操作码；
步骤6、Modbus服务器检查解析出的组号是否合法，如果不合法则通过上位通讯处理模块向监控上位机返回错误消息，并返回步骤4继续执行；如果合法则将该组号标识的Modbus地址表关联到Modbus寄存器寻址空间上，并在该Modbus地址表上执行Modbus查询操作，获取该组号操作地址所存储的数据；
步骤7、Modbus服务器向监控上位机返回查询结果，完成监控上位机关于该组监控仪表的Modbus查询请求，然后返回步骤4，继续监听监控上位机查询请求；
步骤3和步骤4至7并行执行。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤6中，Modbus寄存器寻址空间为[40001-49999]。
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