CN113867230B

CN113867230B - 一种Modbus远程操作控制系统

Info

Publication number: CN113867230B
Application number: CN202111221370.4A
Authority: CN
Inventors: 范润东; 闵丽娟; 卢捍华; 包一鸣; 徐志豪; 顾鑫; 王亚石
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2024-06-18
Anticipated expiration: 2041-10-20
Also published as: CN113867230A

Abstract

一种Modbus远程操作控制系统，由客户端Modbus接口代理、Modbus设备配置服务、物联网服务器端软件、具有Modbus接口的物联网网关、边缘Modbus接口代理五部分组成，其中物联网服务器端软件、具有Modbus接口的物联网网关组成了基本物联网服务系统。通过Modbus接口代理，将处于现场的Modbus设备经由广域网接入远程接口服务系统，由该系统提供北向Modbus应用服务，形成虚拟的远程Modbus接口。在此基础上，用户可以通过人机界面、控制反馈等应用程序，在广域网的任意位置实现对Modbus设备的远程交互应用。这些远程交互应用包括但不限于：现场数据采集、Modbus接口配置和控制、远程控制反馈等。在本系统的支持下，使用者可以在远程如同在现场一样透明地接入和操作Modbus设备。

Description

一种Modbus远程操作控制系统

技术领域

本发明涉及物联网服务领域，具体涉及一种Modbus远程操作控制系统。

背景技术

Modbus是一种工业上应用广泛的上下位机之间通信接口协议，由于底层协议和传输格式的不同，有Modbus-RTU、Modbus-TCP、Modbus-ASCII等分支，在应用层面上，这些分支是完全等价的，可以相互转换。一般来说，通过Modbus协议进行的连接在范围上是受限制的，例如，通过RS-485串口进行通信的Modbus-RTU或Modbus-ASCII的连接范围一般不超过1千米。虽然理论上，Modbus-TCP或Modbus-RTU over TCP设备可以在整个Internet范围内接入一个指定的主站或从站，但在当前IPv4地址资源紧张的情况下，广泛使用这种接入是不现实的。因此实际情况是在工业环境下对Modbus-TCP设备的接入一般仅限于同一局域网的范围，技术人员无法直接通过广域网远程对设备进行测试和调试。而本发明的目的就是为了解决Modbus协议的远程接入和操作的问题。

专利CN104468298A提出了一种基于MODBUS远程智能通讯系统，其侧重点在于该系统既支持设备网络协议，也支持Modbus协议。专利CN113364659A公开了一种基于Modbus协议的数据采集系统，侧重于提供多条总线和多台主机的方案来解决当主机故障或总线断裂，导致实施过程中存在无法采集以及单点故障较多，采集效率低下的问题。但是上述两个专利都没有解决Modbus设备远程调试的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种Modbus远程操作控制系统，通过在现场和客户端端设置Modbus接口代理的方式，在物联网基本系统的支持下，将处于现场的Modbus设备和远程的应用程序连接起来，完成透明的Modbus传输。在此基础上，通过人机界面、控制反馈等应用程序，可以在广域网的任意位置实现透明的Modbus远程交互应用。这些远程交互应用包括现场数据采集、Modbus接口的配置和控制以及远程控制反馈等。

一种Modbus远程操作控制系统，包括客户端Modbus接口代理、Modbus设备配置服务、物联网服务器端软件、具有Modbus接口的物联网网关、边缘Modbus接口代理五部分；

所述客户端Modbus接口代理、Modbus设备配置服务和物联网服务器端软件相互连接，物联网网关和边缘Modbus接口代理相连接，物联网服务器端软件和物联网网关之间通过广域网连接；

整个Modbus设备远程操作控制系统的南向接入的是Modbus的从设备，北向接入的是Modbus客户端应用软件，其地位是Modbus主站，通过南北向的接入，实现应用与设备的远程透明连接和操作。

进一步地，客户端Modbus接口代理包括南向接口、全局标识处理模块、Modbus数据转换、虚拟Modbus接口四部分，作为独立进程在服务器本机或远程客户机环境下运行，通过各种类型的通信接口与物联网服务器端软件通信，提供了虚拟Modbus接口功能、各种Modbus协议数据与Modbus-RTU帧的转换功能，处理全局设备标识与虚拟Modbus设备标识、现场设备标识之间的对应关系，实现标识的透明转换。

进一步地，Modbus配置服务独立运行，用于完成Modbus接口代理的配置功能。

进一步地，边缘Modbus接口代理包括北向接口部分、Modbus接口转换部分、南向接口部分、代理配置文件、代理配置管理共五部分，实现Modbus通信接入和协议转换、Modbus数据适配、Modbus设备全局地址代理、Modbus设备配置和管理功能。

进一步地，物联网服务器端软件和物联网网关组成物联网基本服务系统，具备在广域网范围内的应用数据双向透明传输和设备全局寻址功能。

进一步地，在客户端和现场设置Modbus接口代理，共同构成了Modbus接口代理机制，提供了接口管理、通信数据协议转换、设备配置、心跳代理、全局标识管理、驱动源切换功能，进而实现Modbus接口和设备的远程操作。

进一步地，Modbus数据在系统内部统一处理，在系统南北接口处还原为原有的类型。

进一步地，通过附加的全局唯一设备标识，在整个广域网范围内选择和接入Modbus设备。选择设备是北向客户端软件操作中的唯一附加操作。选择设备的方式有两种：针对本系统开发的应用软件，提供API，由客户端应用软件调用选择，对代理进行配置；对于对于已有Modbus应用软件，以专门的配置界面调用API，提供人机接口，进行代理配置操作。

进一步地，客户端Modbus接口代理和边缘Modbus接口代理均通过配置文件定义；通过定义，客户端Modbus接口代理选择要操作的Modbus总线和设备，确定总线和设备的Modbus协议类型；边缘Modbus接口代理则定义南向串口或TCP端口的各种参数，本代理和Modbus设备的全局设备标识、驱动源切换状态；除全局设备标识以外，边缘Modbus接口代理的上述参数均动态修改。

进一步地，除Modbus设备配置服务、物联网服务器端软件以外的其他组成部分属于用户设施；客户端Modbus接口代理处于用户操作所在的地理位置，它的北向连接的是用户的应用程序；物联网网关、边缘Modbus接口代理处于Modbus设备所在的地理位置，边缘Modbus代理连接的是Modbus从站设备。

本发明达到的有益效果为：

（1）可以在整个广域互联网Internet范围内定义和使用任意已经接入系统的Modbus设备；（2）可以在整个Internet范围内，对已经定义的Modbus设备进行寻址和定位；（3）可以透明地处理包括Modbus-RTU、Modbus-TCP、Modbus-ASCII的不同Modbus变种形式，远程用户可以以他们原有本地接入的方式接入远程的Modbus设备；（4）可以实现所有在本地处理能够实现的Modbus功能，例如，数据的交换、接口的管理等；（5）可以在本地控制源（发送主站命令）和远端应用控制源之间进行动态的切换，适应不同的应用场景；（6）在此基础上，可以实现所有本地能够实现的应用功能，例如，数据的采集、控制执行命令的下发、接口的管理控制等；（7）客户端Modbus接口代理可以和任何原用于现场的第三方Modbus应用程序接口，后者不必作任何修改。

附图说明

图1为本发明实施例中的Modbus设备远程操作控制系统示意图。

图2为本发明实施例中的客户端Modbus接口代理的结构示意图。

图3为本发明实施例中的边缘Modbus接口代理的结构示意图。

图4为本发明实施例中的现场操作示意图。

图5为本发明实施例中的远程操作示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明所述的一种Modbus设备远程操作控制系统，由客户端Modbus接口代理、Modbus设备配置服务、物联网服务器端软件、具有Modbus接口的物联网网关（简称：物联网网关）、边缘Modbus接口代理五部分组成，见图1。其中物联网服务器端软件部署在广域网，即该服务器可以是企业自有的具有公网IP的服务器，也可以是租用的云平台。该系统的南向接入的是Modbus设备，其中本发明中涵盖的是各种Modbus从设备；北向接入的是Modbus客户端应用软件，例如Modbus配置软件，Modbus人机操作软件、反馈控制软件、第三方Modbus应用软件等。

本发明所述的一种Modbus设备远程操作控制系统中，物联网服务端软件和物联网网关构成的是物联网基本服务系统，该基本服务系统需要满足以下功能：

1.有全局设备标识机制，并能够根据该标识对设备进行全局寻址；

2.能够实现物联网网关南向和物联网服务器北向之间双向透明应用数据传输；

3.能够实现物联网网关南向和物联网服务器北向之间的双向持续连接；

4.能够标识通信数据结构的用途。

其中前两条是基本要求，后两条可以使操作更为简便和使系统更为通用。

本发明所述的客户端Modbus接口代理作为独立进程在服务器本机或远程客户机环境下运行，通过通信接口（如HTTP、TCP、WebSocket等）与物联网服务端通信，其结构如图2所示，虚拟串口、虚拟TCP端口、南向接口和全局标识处理模块均与Modbus数据处理模块连接，此外南向接口和全局标识处理模块连接，Modbus数据处理模块与物理串口连接，包括以下组成部分：

1.南向接口（物联网服务器北向接口适配）部分：处理物联网基本服务系统的通信数据结构，分离接收到的通信数据结构中透明传输的Modbus-RTU帧；将要发送的Modbus-RTU帧组装到物联网基本服务系统的通信数据结构中，进行发送。

2.全局标识处理模块部分：在Modbus配置服务的支持下，该部分中包含客户端可以接入的所有边缘Modbus接口代理的全局设备标识（地址）及其属性（例如Modbus接口类型）的描述、边缘Modbus接口代理接入的设备的描述（例如从站地址等），它可以向Modbus应用程序提供地址查询服务；也可以通过独立的人机接口程序提供查询。查询得到的全局设备标识作为接口代理操作的当前配置，并通过物联网服务器北向接口适配部分，将应用程序选定的Modbus地址用于物联网基本服务系统的通信数据结构的地址（标识）字段中。

3.Modbus数据处理模块：本发明中的系统在传输和交换Modbus数据时，将Modbus帧统一转换为Modbus-RTU格式。本部分的功能是根据远端Modbus设备的类型，对Modbus数据帧进行转换，以达成透明传输交换的效果。例如，当远端设备为Modbus-ASCII时，应用程序可以用Modbus-ASCII格式的Modbus帧与其交互，由本部分和边缘Modbus接口代理的数据转换部分进行转换，使得设备和应用均使用Modbus-ASCII进行交互，而实际系统中交互的是Modbus-RTU帧。

4.虚拟Modbus接口部分：该部分向应用提供透明的传输接口，包括两类：一类是Modbus-RTU、Modbus-ASCII使用的虚拟串口；另一类是Modbus-TCP使用的虚拟TCP端口。处于远程的应用程序可以像在本地一样，透明地通过串口或TCP端口和远程Modbus设备通信。这种机制也使得第三方软件（如ModbusPoll）可以直接使用该系统与远程的Modbus接口进行互操作。其中唯一附加的操作是在客户端Modbus代理中选择远端接口，以配置Modbus接口代理。除了虚拟串口以外，外部Modbus-RTU/ASCII主站设备也可以通过物理串口和系统通信；外部的Modbus-TCP设备则可直接通过虚拟TCP端口通信。

Modbus配置服务是一个独立运行的进程或线程，作为物联网基本服务系统的附加部分，一般和物联网服务端在同一硬件或虚拟硬件平台上运行。它完成Modbus接口代理和设备的配置功能。这些功能包括：

1.维护一个Modbus配置数据库，用以描述Modbus设备、Modbus代理的配置及各种属性；

2.提供编程接口或服务，向配置应用提供设备描述的增删改、配置数据下发、上传等功能；

3.使用物联网服务端的北向通信接口，向边缘Modbus接口代理发送数据，接收来自边缘Modbus接口代理的数据，以支持上述编程接口或服务的数据下发和上传功能；

4.向客户端Modbus接口代理提供设备发现、全局标识关联等服务，以支持其Modbus数据转换、全局标识处理模块等功能。

边缘Modbus接口代理的结构如图3所示，北向接口、Modbus数据处理部分和南向接口依次连接，同时各个部分均与配置管理部分连接，具体包括以下组成部分：

1. 北向接口部分：该部分根据物联网基本服务系统的规范与物联网网关接口，实现通信、路由所需的转换和操作。具体包括：

（1）通信数据结构的转换，接收时，将物联网基本服务系统的数据结构中的承载的Modbus-RTU帧分离，送往Modbus数据转换部分；发送时，将Modbus数据转换部分发来的Modbus-RTU帧组装到物联网基本服务系统的数据结构中。

（2）应用路由操作，由于Modbus从站不会主动发送数据，所以需要根据物联网基本服务系统的要求，代理向其主动发送路由所需的信息，例如，附带全局设备标识的心跳数据，这样，网关就可以确定接口代理及其接入的设备的路由。

（3）物联网基本服务系统通信数据包的解析和路由选择，解析地址和功能，确定是Modbus数据还是配置数据，前者将在北向接口和Modbus数据转换部分之间交互，后者则在北向接口和配置管理部分之间交互。

2. Modbus数据处理部分：边缘Modbus接口代理中的Modbus数据转换部分的数据处理功能和结构与客户端Modbus接口代理中的相应部分基本相同。但在边缘接口代理中，增加了驱动源切换的功能，数据转换部分根据配置中的驱动源定义，可以在远端驱动源和本地驱动源之间选择其中一个作为主站数据收发的实体。驱动源的定义是动态的，可以在运行中切换。除此之外，还可以使用硬件切换的方式，在南向接口以外进行。硬件切换时，系统放弃对设备的控制和管理，相当于设备未接入系统。

3. 南向接口部分：一个南向接口实例只能处理一个Modbus接口，以独立线程的方式运行。南向接口分为两种：一是通过串口（如RS-485）接入的南向接口；二是通过IP端口接入的TCP南向接口。一个边缘Modbus接口代理要处理几条Modbus总线，就需要启动几个南向接口线程。

4. 代理配置文件，包含在代理配置管理部分内：这个配置文件是可读写的，其内容包括：

（1）接口代理的全局设备标识（地址），只读；

（2）包括串行口和TCP/IP端口在内的每个接口的全局设备标识，只读；

（3）每个接口的控制源定义，这使得控制源可以来自云端，也可以来自本地；

（4）每个串行接口（例如，RS-485）的配置参数（如速率、数据位长、流控等），读写；

（5）每个TCP端口的配置参数，主要是从站的IP地址和端口号，读写。

5.代理配置管理部分：与现场（边缘）驱动源连接，代理配置部分接收来自Modbus配置应用通过物联网基本服务系统和本系统发来的配置命令，对代理配置文件中的相应数据项进行改写，并根据策略重新启动代理；这个部分还可以根据配置应用发来的查询命令，向其发送配置文件中相应的数据。

边缘Modbus接口代理既可以部署在物联网网关内部，也可以独立部署。物联网网关与Modbus从站设备都是部署在现场。当边缘Modbus接口代理独立部署时，处于网络边缘，即物联网网关与Modbus从站设备之间。因此也可以将边缘Modbus接口代理称为现场Modbus接口代理。

边缘Modbus接口代理有两种实现方式。

第一种是将边缘Modbus接口代理和物联网网关集成，形成专用的边缘设备。具体实现要求：

1.使用包括嵌入式计算机、外围接口组成的专用硬件；

2.上述专用硬件上运行Linux或其他能够支持网关和接口代理操作的操作系统；

3.外围接口包括：一个或多个RS-485串行接口，用于接入Modbus-RTU/ASCII从设备；一个以太网或WiFi接口，用以通过局域网/广域网接入物联网基本服务系统的服务端，也用于接入局域网中的Modbus-TCP从设备；

4.物联网网关的软硬件功能进行裁剪，使之专门用于Modbus的操作；

5.通过服务器端软件提供的服务为网关和边缘Modbus接口代理进行配置。

这种方式的好处是：专用的硬件可以专门设计，能够适应不同环境对设备的要求，有相对较高的可靠性；专用硬件所要求的处理能力较低，在不需要其他边缘处理的情况下，可以降低系统的成本。

第二种是将边缘Modbus接口代理功能集成在通用的物联网网关硬件或其他集成有通用或专用网关功能的边缘处理设备上，这些边缘处理设备可以是局域网中边缘服务器、现场的个人计算机等。这种方式的好处是系统容易扩充，在已有设备的基础上，可以迅速实现整个系统，不必专门开发硬件。

客户端的Modbus接口代理一般是以独立进程或线程的方式部署在操作界面或上位机主站应用程序的同一主机上，接口代理南向与物联网服务器端通信，北向通过虚拟的或物理的串口或TCP端口与操作界面或上位机主站应用程序通信，实现后者的远程Modbus操作。

图4和图5显示了介入Modbus远程操作控制系统后的Modbus设备远程操作的透明性。

图5中，Modbus主站或应用程序①、现场总线和网络②、Modbus从站设备③和图4中的对应项①、②、③是完全一致的。图5中介入了Modbus远程操作控制系统④以后，在代理配置完成的情况下，就可以在远程运行Modbus主站或应用程序，而不需对其做任何修改。图5中的Modbus远程操作控制系统④的结构见图1，其中物联网服务端和物联网网关之间是通过广域网进行连接的，这样就完成了通过广域网的现场Modbus设备与远程Modbus主站或应用程序的透明互联。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种Modbus远程操作控制系统，其特征在于：

所述系统包括客户端Modbus接口代理、Modbus设备配置服务、物联网服务器端软件、具有Modbus接口的物联网网关、边缘Modbus接口代理五部分；

整个Modbus设备远程操作控制系统的南向接入的是Modbus的从设备，北向接入的是Modbus客户端应用软件，其地位是Modbus主站，通过南北向的接入，实现应用与设备的远程透明连接和操作；

客户端Modbus接口代理包括南向接口、全局标识处理模块、Modbus数据转换、虚拟Modbus接口四部分，作为独立进程在服务器本机或远程客户机环境下运行，通过各种类型的通信接口与物联网服务器端软件通信，提供了虚拟Modbus接口功能、各种Modbus协议数据与Modbus-RTU帧的转换功能，处理全局设备标识与虚拟Modbus设备标识、现场设备标识之间的对应关系，实现标识的透明转换。

2.根据权利要求1所述的一种Modbus远程操作控制系统，其特征在于：Modbus配置服务独立运行，用于完成Modbus接口代理的配置功能。

3.根据权利要求1所述的一种Modbus远程操作控制系统，其特征在于：边缘Modbus接口代理包括北向接口部分、Modbus接口转换部分、南向接口部分、代理配置文件、代理配置管理共五部分，实现Modbus通信接入和协议转换、Modbus数据适配、Modbus设备全局地址代理、Modbus设备配置和管理功能。

4.根据权利要求1所述的一种Modbus远程操作控制系统，其特征在于：物联网服务器端软件和物联网网关组成物联网基本服务系统，具备在广域网范围内的应用数据双向透明传输和设备全局寻址功能。

5.根据权利要求1所述的一种Modbus远程操作控制系统，其特征在于：在客户端和现场设置Modbus接口代理，共同构成了Modbus接口代理机制，提供了接口管理、通信数据协议转换、设备配置、心跳代理、全局标识管理、驱动源切换功能，进而实现Modbus接口和设备的远程操作。

6.根据权利要求1所述的一种Modbus远程操作控制系统，其特征在于：Modbus数据在系统内部统一处理，在系统南北接口处还原为原有的类型。

7.根据权利要求1所述的一种Modbus远程操作控制系统，其特征在于：通过附加的全局唯一设备标识，在整个广域网范围内选择和接入Modbus设备；选择设备是北向客户端软件操作中的唯一附加操作；选择设备的方式有两种：针对本系统开发的应用软件，提供API，由客户端应用软件调用选择，对代理进行配置；对于已有Modbus应用软件，以专门的配置界面调用API，提供人机接口，进行代理配置操作。

8.根据权利要求1所述的一种Modbus远程操作控制系统，其特征在于：客户端Modbus接口代理和边缘Modbus接口代理均通过配置文件定义；通过定义，客户端Modbus接口代理选择要操作的Modbus总线和设备，确定总线和设备的Modbus协议类型；边缘Modbus接口代理则定义南向串口或TCP端口的各种参数，本代理和Modbus设备的全局设备标识、驱动源切换状态；除全局设备标识以外，边缘Modbus接口代理的上述参数均动态修改。

9.根据权利要求1所述的一种Modbus远程操作控制系统，其特征在于：除Modbus设备配置服务、物联网服务器端软件以外的其他组成部分属于用户设施；客户端Modbus接口代理处于用户操作所在的地理位置，它的北向连接的是用户的应用程序；物联网网关、边缘Modbus接口代理处于Modbus设备所在的地理位置，边缘Modbus代理连接的是Modbus从站设备。