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[摘 要]稳定、经济、安全的能源供给系统，能够支持经济社会的可持续发展，电力能源作为与社会经济和人们生活密不可分的能源，其特点是生产和供给过程的连续性，这就要求发电机组能够长时间安全可靠地运行和工作，以达到保障我国电力能源的安全供应的目的，并有效促进我国经济的长期增长。
[关键词]通信协议；数据采集；设计
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0062-01
1 Modbus协议概述
现在，现场总线技术越来越受到关注和重视。近十几年由于现场总线的国际标准不断建立，现场总线发展的种类较多且存在差异，给实践带来复杂性和不便，影响了现场总线的开放性和互操作性，由于不同领域的自动化需求各种其独特的特点，目前现场总线处于多种总线共存的状态，且每种总线都有相应的应用领域，目前常用的现场总线主要有以下几种：
（1）CAN（Controller Area Network）总线是德国BOSCH公司在20世纪80年代提出的，当时主要用来解决汽车内部复杂信号接线的问题。目前CAN总线以其低成本、高可靠等特点在过程控制、农用机械、医疗器械等领域得到了广泛的应用。
（2）Lon Work（Local Operating Network）是美国Echelon公司于1992年推出的，LonWork依靠其高可靠性和安全性广泛应用于能源管理、火灾报警和家庭网络自动化等领域。
（3）FF（Foundation Field-bus），叫做基金会现场总线。在过程自动化领域，它获得了较为广泛的支持和应用，并且拥有较好的应用发展前景。
（4）Device-Net總线是由美国Rockwell公司在CAN总线的基础上推出的一种低成本的通信技术。主要功能是将基本的工业设备（如限位开关、电动机启动器、操作员接口等）连接到网络，实现传感器和执行器等工业设备与控制器高端设备之间的连接。
（5）工业以太网总线源于普通以太网技术，目前工业以太网依靠其高效和开放的特点贯穿于整个工业控制网络和各个层次，极大的促进了信息从控制层到管理层的集成。
（6）PROFIBUS现场总线是一组国际化、开放性、不依赖于设备生产商的现场总线，目前广泛应用于制造业自动化。
在本设计的通信系统连接中，现场总线的协议双方（远程I/O与DPU）最终采用的协议为Modbus协议。Modbus协议是一种单对多主从模式的协议，广泛用于串口及其他方式的通讯方式中。它的优点是结构简单明了，通讯可靠，通讯数据量大，缺点是通讯速度相对较为缓慢，不适应于高要求的一些具反馈功能的系统。远程I/O较常使用的是Modbus协议中的RTU模式，大多数厂家只是在一些参数设置上存在差异。
Modbus是专门为PLC设计的一种通信协议，从其功能上看，可以认为是一种现场总线。它通过24种总线命令来实现PLC与外界的信息交换。Modbus通信协议可以通过软件编程来实现，并应用到工业数据采集领域，Modbus是工业采集器的网络协议中的一种，现在Modbus已经成为应用最广泛的工业标准之一。所以本设计以DCS系统为切入点，结合所学知识，深入研究基于Modbus协议的数据采集系统。以下先详细介绍一下Modbus的相关知识。
2 Modbus协议简介
Modbus协议是工业采集控制领域的通用协议。采集器相互之间、采集器经由网络（例如以太网）和其它设备采用这个协议可以相互通信，连成网络进行统一监控。它规定了采集器与其它设备之间的请求和回应的形式，制定了消息域和内容的格式。在通信时，每个采集器都有一个地址，判断根据地址发来的消息是发给哪个设备的，并决定要实施的行动。对于要求给出回应的，采集器产生报文并发送。
3 Modbus协议工作原理
Modbus通信过程的工作原理：首先，客户机发送请求到服务器，接着服务器分析处理发来的请求，然后返回结果给客户机。如果在这个过程中有差错出现，服务器就会产生一个异常功能码并返回给客户机。
Modbus数据域的附加信息包含寄存器地址、处理项的数量、数据字节大小等内容。比如，如果读寄存器，数据域就规定起始寄存器和要读寄存器的个数。假如写寄存器，则数据域会表明起始寄存器和要写寄存器的个数、数据字节数、要写入的数据等信息。
4 Modbus网络架构
在一些网络体系架构中，通过Modbus协议，PLC设备、数据采集设备和I/O设备等都能进行远程启动操作，也可以TCP/IP网络上进行。Modbus协议可以实现设备之间的通信一目了然。
RS-232C是标准的Modbus串行通信接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率和奇偶校验。采集器由Modem可直接进行组网，使用主从技术（Master/Slave）来通信。主从技术是只有主设备可以初始化，从设备根据主设备作出相应的动作和回应。主设备和从设备通信有两种方式：广播方式与单独通信，其中广播方式不需要回应，而单独通信需要。若发生错误，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。
在其它类型的网络上，使用对等技术，即任一个采集器都能进行初始化操作和与其他设备进行通信。这样的话，在采用独立通信时，采集器就可以有双重身份：主设备和从设备。Modbus可以提供多通道，允许传输进程同时运行。
查询状态下的功能代码代表了从设备将要执行的功能类型，这个功能的附加信息全部放在数据段中。附加信息包括起始寄存器和寄存器数目（要执行功能的寄存器）。如果需要验证消息内容是否正确，可以使用错误校验方法。
5 数据采集系统软件设计
5.1 系统软件设计 整个数据采集系统的性能指标不仅取决于系统的硬件构成，并且依赖于它的软件系统。为了实现数据采集系统的各种预期功能，在满足硬件设计要求的基础上，设计软件时需要尽量作出合理科学的安排。系统软件部分主要包括信号采集程序、数据处理程序、通信程序和数据显示程序四大部分。数据信号采集程序实现数据采集任务的完成，包括对采集通道的采样控制，数据的存储等。数据处理程序主要完成数据的运算、数据的校正补偿等任务。数据显示程序是对处理后的数据以数字、字符、图形等形式显示等。
5.2 数据处理及相关软件设计
数据采集系统对热电偶、热电阻等温度传感器进行温度数据测量时，考虑测温器件和被测温度的函数关系是非线性的，因此要对测量得到的信号作线性化处理，一般的线性化处理方法有：线性插值法（分段）、最小二乘拟合线性化方法与查表法等方法。
6 数据采集工作原理及总体设计
数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集或产生信息的过程。作为一种测量系统，它结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的数据测量。
在当今快速发展的互联网产业中，数据采集的应用发生了重要变化，数据采集技术早已被广泛大量地应用在互联网领域和分布式工业控制领域。数据采集系统先是在国内外的智能分布式控制应用中取得了很大进展；其次总线兼容的数据采集插件的数量正在日益增加，与PC机兼容的数据采集系统的数量也越来越多。各种各样的国内国际数据采集机也已经出现，至此数据采集技术的发展进入了一个快速变化的时代。
一直以来，数据采集被人们误认为与数据记录及其它数据收集系统是等同的，即一部分采集的数据要打印出并进行拷贝，而另一些则把采集的数据传送给主计算机进行相关的数据处理并存储。但是，随着分布式控制技术被越来越普遍地应用在各个领域里，数据采集设备便开始同控制设备相结合，本文所研究的数据采集系统就与DCS系统进行了緊密的结合。在DCS系统下，本文所研究的数据采集部分（即采集前端），作为整个大系统的最底层最基本最重要的组成部分，所采集的数据的可靠性、实时性和准确性，往往会对整个系统的正常运行产生重要的影响，所以做好这部分的工作是至关重要的。采集到的数据通过RS-485串行总线（并采用Modbus协议）传送给DPU，然后经过DPU传送到实时控制网（A网或者B网），将数据向更上一级传送。
7 结语
本文研究并设计了一种基于Modbus协议的数据采集系统，系统能对多通道进行数据的采集、存储与显示。这个数据采集系统实现了对多路数据进行采集，采集的数据通过Modbus协议与主机之间进行通信，并进行了数据的相关处理、显示，用户通过这个系统可以实时关注整个工作过程和每个设备的工作状态。
参考文献
[1] 刘明波，侯孝民.网络化数据采集与处理系统设计[J].国外电子测量技术，2008，27（9）：68-71.
[关键词]通信协议；数据采集；设计
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0062-01
1 Modbus协议概述
现在，现场总线技术越来越受到关注和重视。近十几年由于现场总线的国际标准不断建立，现场总线发展的种类较多且存在差异，给实践带来复杂性和不便，影响了现场总线的开放性和互操作性，由于不同领域的自动化需求各种其独特的特点，目前现场总线处于多种总线共存的状态，且每种总线都有相应的应用领域，目前常用的现场总线主要有以下几种：
（1）CAN（Controller Area Network）总线是德国BOSCH公司在20世纪80年代提出的，当时主要用来解决汽车内部复杂信号接线的问题。目前CAN总线以其低成本、高可靠等特点在过程控制、农用机械、医疗器械等领域得到了广泛的应用。
（2）Lon Work（Local Operating Network）是美国Echelon公司于1992年推出的，LonWork依靠其高可靠性和安全性广泛应用于能源管理、火灾报警和家庭网络自动化等领域。
（3）FF（Foundation Field-bus），叫做基金会现场总线。在过程自动化领域，它获得了较为广泛的支持和应用，并且拥有较好的应用发展前景。
（4）Device-Net總线是由美国Rockwell公司在CAN总线的基础上推出的一种低成本的通信技术。主要功能是将基本的工业设备（如限位开关、电动机启动器、操作员接口等）连接到网络，实现传感器和执行器等工业设备与控制器高端设备之间的连接。
（5）工业以太网总线源于普通以太网技术，目前工业以太网依靠其高效和开放的特点贯穿于整个工业控制网络和各个层次，极大的促进了信息从控制层到管理层的集成。
（6）PROFIBUS现场总线是一组国际化、开放性、不依赖于设备生产商的现场总线，目前广泛应用于制造业自动化。
在本设计的通信系统连接中，现场总线的协议双方（远程I/O与DPU）最终采用的协议为Modbus协议。Modbus协议是一种单对多主从模式的协议，广泛用于串口及其他方式的通讯方式中。它的优点是结构简单明了，通讯可靠，通讯数据量大，缺点是通讯速度相对较为缓慢，不适应于高要求的一些具反馈功能的系统。远程I/O较常使用的是Modbus协议中的RTU模式，大多数厂家只是在一些参数设置上存在差异。
Modbus是专门为PLC设计的一种通信协议，从其功能上看，可以认为是一种现场总线。它通过24种总线命令来实现PLC与外界的信息交换。Modbus通信协议可以通过软件编程来实现，并应用到工业数据采集领域，Modbus是工业采集器的网络协议中的一种，现在Modbus已经成为应用最广泛的工业标准之一。所以本设计以DCS系统为切入点，结合所学知识，深入研究基于Modbus协议的数据采集系统。以下先详细介绍一下Modbus的相关知识。
2 Modbus协议简介
Modbus协议是工业采集控制领域的通用协议。采集器相互之间、采集器经由网络（例如以太网）和其它设备采用这个协议可以相互通信，连成网络进行统一监控。它规定了采集器与其它设备之间的请求和回应的形式，制定了消息域和内容的格式。在通信时，每个采集器都有一个地址，判断根据地址发来的消息是发给哪个设备的，并决定要实施的行动。对于要求给出回应的，采集器产生报文并发送。
3 Modbus协议工作原理
Modbus通信过程的工作原理：首先，客户机发送请求到服务器，接着服务器分析处理发来的请求，然后返回结果给客户机。如果在这个过程中有差错出现，服务器就会产生一个异常功能码并返回给客户机。
Modbus数据域的附加信息包含寄存器地址、处理项的数量、数据字节大小等内容。比如，如果读寄存器，数据域就规定起始寄存器和要读寄存器的个数。假如写寄存器，则数据域会表明起始寄存器和要写寄存器的个数、数据字节数、要写入的数据等信息。
4 Modbus网络架构
在一些网络体系架构中，通过Modbus协议，PLC设备、数据采集设备和I/O设备等都能进行远程启动操作，也可以TCP/IP网络上进行。Modbus协议可以实现设备之间的通信一目了然。
RS-232C是标准的Modbus串行通信接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率和奇偶校验。采集器由Modem可直接进行组网，使用主从技术（Master/Slave）来通信。主从技术是只有主设备可以初始化，从设备根据主设备作出相应的动作和回应。主设备和从设备通信有两种方式：广播方式与单独通信，其中广播方式不需要回应，而单独通信需要。若发生错误，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。
在其它类型的网络上，使用对等技术，即任一个采集器都能进行初始化操作和与其他设备进行通信。这样的话，在采用独立通信时，采集器就可以有双重身份：主设备和从设备。Modbus可以提供多通道，允许传输进程同时运行。
查询状态下的功能代码代表了从设备将要执行的功能类型，这个功能的附加信息全部放在数据段中。附加信息包括起始寄存器和寄存器数目（要执行功能的寄存器）。如果需要验证消息内容是否正确，可以使用错误校验方法。
5 数据采集系统软件设计
5.1 系统软件设计 整个数据采集系统的性能指标不仅取决于系统的硬件构成，并且依赖于它的软件系统。为了实现数据采集系统的各种预期功能，在满足硬件设计要求的基础上，设计软件时需要尽量作出合理科学的安排。系统软件部分主要包括信号采集程序、数据处理程序、通信程序和数据显示程序四大部分。数据信号采集程序实现数据采集任务的完成，包括对采集通道的采样控制，数据的存储等。数据处理程序主要完成数据的运算、数据的校正补偿等任务。数据显示程序是对处理后的数据以数字、字符、图形等形式显示等。
5.2 数据处理及相关软件设计
数据采集系统对热电偶、热电阻等温度传感器进行温度数据测量时，考虑测温器件和被测温度的函数关系是非线性的，因此要对测量得到的信号作线性化处理，一般的线性化处理方法有：线性插值法（分段）、最小二乘拟合线性化方法与查表法等方法。
6 数据采集工作原理及总体设计
数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集或产生信息的过程。作为一种测量系统，它结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的数据测量。
在当今快速发展的互联网产业中，数据采集的应用发生了重要变化，数据采集技术早已被广泛大量地应用在互联网领域和分布式工业控制领域。数据采集系统先是在国内外的智能分布式控制应用中取得了很大进展；其次总线兼容的数据采集插件的数量正在日益增加，与PC机兼容的数据采集系统的数量也越来越多。各种各样的国内国际数据采集机也已经出现，至此数据采集技术的发展进入了一个快速变化的时代。
一直以来，数据采集被人们误认为与数据记录及其它数据收集系统是等同的，即一部分采集的数据要打印出并进行拷贝，而另一些则把采集的数据传送给主计算机进行相关的数据处理并存储。但是，随着分布式控制技术被越来越普遍地应用在各个领域里，数据采集设备便开始同控制设备相结合，本文所研究的数据采集系统就与DCS系统进行了緊密的结合。在DCS系统下，本文所研究的数据采集部分（即采集前端），作为整个大系统的最底层最基本最重要的组成部分，所采集的数据的可靠性、实时性和准确性，往往会对整个系统的正常运行产生重要的影响，所以做好这部分的工作是至关重要的。采集到的数据通过RS-485串行总线（并采用Modbus协议）传送给DPU，然后经过DPU传送到实时控制网（A网或者B网），将数据向更上一级传送。
7 结语
本文研究并设计了一种基于Modbus协议的数据采集系统，系统能对多通道进行数据的采集、存储与显示。这个数据采集系统实现了对多路数据进行采集，采集的数据通过Modbus协议与主机之间进行通信，并进行了数据的相关处理、显示，用户通过这个系统可以实时关注整个工作过程和每个设备的工作状态。
参考文献
[1] 刘明波，侯孝民.网络化数据采集与处理系统设计[J].国外电子测量技术，2008，27（9）：68-71.