基于MODBUS协议的无线数据采集管理系统

1 MODBUS协议简介

MODBUS是一种工业通信和分布式控制系统协议，由美国著名的可编程控制器制造公司莫迪康公司(MODICON INC)提出，已广泛地应用于工业控制中。MODBUS是一种主从协议，允许一台主机与多台从机通信。在MODBUS中有两种有效的数据传送方式，即 ASCII码和RTU方式。本系统采用RTU方式，这种方式的主要优点是在同样的波特率下，RTU方式数据传送效率高。

2 用MODBUS协议构建无线数据采集系统

油田采油厂主要生产数据集中在联合站，一般采油厂有5～10个联合站，站间距离几公里到十几公里，每个联合站有3～4个操作岗位，岗位间距离20～300米之间不等，每个岗位有生产参数10～20个，对数据采集有实时性要求。建立联合站数据采集管理系统有多种方法，如铺设光缆、电缆、使用 CDMA网络等，考察各种方式，其系统造价、运营成本均很高，低成本建立此系统有一定难度。我们使用MODBUS协议、RS485接口、数据采集模块、远程、短程无线数传机，采用有线、无线数据传输相结合的传输方法，并与厂内原有的局域网对接，用组态软件管理上位机，低成本地构建了全厂具有多终端查询和监控功能的联合站生产数据采集管理系统，系统结构见图1。

现场数据由多个SSX-M03 8路标准信号、SSX-M04 6路脉冲信号数据采集模块负责数据采集，SSX-M21数据采集管理模块以有线、短程无线、RS485接口方式，按MODBUS协议将数据收集起来。因 RS485通讯接口双绞线传输距离在小于100kbps可达1200米，短程无线数传距离小于500米，各模块在安装时可分散就近安装。主PC机通过 RS232、RS232转RS485接口，主数传电台以MODBUS协议将各分站数据收集上来，在PC机上实现多联合站数据汇总报表、工艺自控流程图显示、趋势曲线绘制等工作，同时将PC机接入厂内局域网，厂内局域网各终端以BS方式浏览整个数据采集系统，打印报表，完成厂内联合站数据采集及管理。

图1 系统结构图

3 通讯接口设计

通讯是整个系统关键，为了保证系统长期可靠运行，系统中SSX-M21、SSX-M03、SSX-M04模块通讯硬件接口设计采用全隔离方式，避免线路干扰损坏采集模块，影响系统正常工作，具体线路原理图见图2。数据信号由RXD接收，由TXD发送，收发转换由RXD/TXD控制，经高速光电隔离器隔离后由专用RS485接口芯片MAX487驱动输入输出。三极管9012驱动发光二极管起观测通讯状态作用，MC7805负责提供RS485 通讯侧供电。

图2 通讯接口原理图

4 通讯协议配置

MODBUS通讯协议中命令较多，命令功能号不同，命令作用不同，本系统正常工作时主要使用03命令，读单个或者多个寄存器命令。下面叙述命令为读取8个模拟量及错误状态，命令由SSX-M21发出，SSX-M03应答，SSX-M03地址号为11。

主机呼叫报文，要求读出8个模拟量及错误状态，共9个寄存器。

地址00001011，功能00000011，数据起始寄存器号高位00000000，数据起始寄存器号低位00000000，数据寄存器数高位00000000，数据寄存器数低位00001001，CRC低位，CRC高位。合计8字节。

从机应答报文(8路模拟量采样数值为4095，无错误)：

地址00001011，功能00000011，数据字节计数00010010。

数据1输出寄存器高位00001111，数据1输出寄存器低位11111111;

数据2输出寄存器高位00001111，数据2输出寄存器低位11111111;

数据3输出寄存器高位00001111，数据3输出寄存器低位11111111;

数据4输出寄存器高位00001111，数据4输出寄存器低位11111111;

数据5输出寄存器高位00001111，数据5输出寄存器低位11111111;

数据6输出寄存器高位00001111，数据6输出寄存器低位11111111;

数据7输出寄存器高位00001111，数据7输出寄存器低位11111111;

数据8输出寄存器高位00001111，数据8输出寄存器低位11111111;

数据9输出寄存器高位00000000，数据9输出寄存器低位00000000;

CRC低位，CRC高位。合计23字节。

SSX-M21对SSX-M04模块呼叫命令、PC机呼叫各联合站SSX-M21命令与前述类似，只是地址与通讯的数据量不同。

5 KINGVIEW软件下的管理系统界面

各联合站数据以远程无线传输方式进入PC机后，所有数据处理均在此PC机中进行，并将相关画面、数据发布到局域网上，在KINGVIEW系统下，做如下几个部分工作：

联合站工艺自控流程图;

联合站油气水数据报表;

联合站原油含水趋势曲线;

联合站油罐液面历史纪录曲线;

用户登陆配置画面等。

图3为其中一联合站工艺自控流程图。

图3联合站工艺自控流程图

6 KINGVIEW软件下的局域网内浏览界面

KINGVIEW软件本身有网络功能，可以用CS或BS两种方式进行浏览，本系统采用BS方式，优点是使用方便，软件维护量小，在网上用EXPLORER直接输入本机IP地址即可实现全厂联合站生产数据浏览、打印报表等工作。

7 网络浏览权限管理

全厂生产状态与数据发布到局域网后，需要对使用本资源的人员、部门做一定管理，确定不同级别人员、部门浏览范围与权限，防止局域网内非相关人员登陆，为了达到这一目的，在网络管理上做了如下工作：

画面分组发布，不同组画面配置不同级别;

登陆用户权限设置分组分级别，与画面发布的分组相对应。

本系统设置了三个用户级别，与采油厂内部管理机制相对应，分为厂级、矿级、队级。局域网内用户按预先分配给自己的用户名、密码登陆，厂级用户可浏览全厂生产状态与数据，队级用户只能浏览本队生产状态与数据。

8 结束语

此系统采用工业上广泛使用的国际标准协议MODBUS、通讯接口RS485，用有线、无线、局域网相结合方式构建联合站生产数据采集管理系统，成本低，实时性好，满足了油田生产需求。由于各模块、各短程子数传机均采用RS485接口，使得各模块、数传机可以就地、就近的安放在现场数据采集点附近，减少了现场施工量，同时也降低了系统安装成本。