一种基于Modbus的工业现场数据采集分析系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于Modbus的工业现场数据采集分析系统，属于Modbus总线的数据采集与分析系统技术领域，该系统以嵌入式平台为核心，通过串行链路与工业生产现场PLC、HMI、I/O、智能仪表等Modbus设备及网络连接，按一定时间周期设定的数据采集周期查询相关工艺生产参数，并进行采集、存储与分析。同时，该平台通过TCP/IP与上位机建立连接，动态响应ModbusTCP实时请求及工艺参数数据文件上传请求，实现远程的工业现场数据查询、监控和信息化管理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于工业现场总线的数据采集分析系统及其分析方法，尤其是涉及Modbus总线的数据采集与分析系统。
技术介绍
Modbus是一位于开放式通信系统互联参考模型第7层的应用层通信协议，提供连接至不同总线或网络的设备间客户机/服务器通信，主要用于TCP/IP和串行链路传输网络。同时，Modbus也是一请求/响应型协议，通过功能码提供相应服务。由于其公开发表，帧格式紧凑，支持多种传输网络，易于开发等特点，Modbus协议在工业自动化生产领域已得到广泛应用。但是，Modbus设备及网络仅支持工业现场数据的实时读写，无法提供对数据对象本身的描述、存储、分析，不能满足工业生产的信息化管理。同时，Modbus是在1979年为可编程控制器通信开发，不支持大型数据对象，并导致目前工业现场大多数设备仅支持串行链路通信，不能满足远程网络监控与数据信息化管理。专利方面，通过国家知识产权局的专利检索平台发现，Modbus协议的相关研究主要集中于Modbus转其它协议的网关实现以及针对Modbus帧本身的分析系统，目前未发现针对Modbus设备及网络内的数据对象的采集、存储与分析的新专利技术与装置。而目前，基于Modbus网络的工业生产现场的调试、运行、预警等环节都对基于Modbus的工业现场数据采集分析系统有着广泛而迫切的需求。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题的不足，提出一种基于Modbus的工业现场数据采集分析系统，该系统基于ARM嵌入式平台和嵌入式操作系统，在实现Modbus协议栈的基础上，一方面通过自主设计的采集分析策略库实现工业生产现场的数据管理需求；另一方面，通过TCP/IP及ModbusTCP协议实现与上位机的数据通信，从而满足远程的工业现场数据查询、监控与信息化管理。本专利技术为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种基于Modbus的工业现场数据采集分析系统，包括上位机、嵌入式平台、Modbus设备以及网络；所述嵌入式平台通过RS232或RS485总线与Modbus设备或网络连接，同时所述嵌入式平台按数据采集周期对Modbus设备或网络中的工艺参数进行查询读取，存储于嵌入式平台内，并通过嵌入式平台进行分析和管理；另外所述嵌入式平台还通过以太网接口接入本地局域网或外部因特网中，通过响应上位机请求，实现工业自动化生产的远程信息化管理和监控。优选的：所述上位机内设置有Wince嵌入式操作系统，所述Wince嵌入式操作系统用于管理整个嵌入式平台的硬件资源和框架，并提供图形用户界面；所述嵌入式平台包括数据采集分析系统底板和核心板，其中，所述数据采集分析系统底板通过系统总线与核心板相连，且数据采集分析系统底板上设置有第一串口、第二串口、第三串口以及以太网口，所述第一串口、第二串口、第三串口以及以太网口均与数据采集分析系统底板的系统总线相连；同时所述第一串口与Modbus设备相连，用于完成Modbus设备在串行链路上的数据通信；所述第二串口与工业现场上位机相连，用于完成对嵌入式平台的运行调试及数据通信；所述第三串口与工业现场的Modbus设备或网络相连，完成Modbus设备或网络在串行链路上的数据通信；而所述以太网口经局域网实现与上位机之间的TCP/IP通信，用于技术人员通过上位机对工业现场工艺参数进行信息化管理；所述核心板包括中央处理器、内存、NandFlash和NorFlash，所述中央处理器、内存、NandFlash和NorFlash分别与数据采集分析系统底板的系统总线相连。优选的：所述NandFlash内设置有Modbus协议栈、工艺参数配置文件、本地数据存储区、数据采集软件模块、数据分析软件模块和TCP/IP通信软件模块，其中：所述Modbus协议栈用于通过与Wince操作系统和应用层软件模块相连对Modbus通信数据帧提供编码和解码服务；所述工艺参数配置文件，用于建立工艺参数所在Modbus设备或网络地址与所述本地数据存储区地址的映射关系；所述本地数据存储区用于将不同数据类型的工艺参数进行分类存储；且单个工艺参数在任意时刻存储的数据帧包括工艺参数值和时间戳；所述数据采集软件模块用于通过Modbus协议栈对Modbus数据通信进行请求和响应，并将工艺参数的相关数据存入本地数据存储区；所述数据分析软件模块包括自带分析策略模块或用户自定义分析策略模块，采用轮询模式，通过利用工艺参数配置文件和本地数据存储区调入相应工艺参数数据，通过系统自带分析策略或用户自定义分析策略对工艺参数进行自动或手动分析；所述TCP/IP通信软件模块,用于响应上位机请求，并与之进行数据通信。优选的：所述数据采集软件模块首先在NandFlash相应位置找到并打开工艺参数配置文件，根据工业现场工艺参数采集分析需求进行更新与保存；其次打开并解析工艺参数配置文件，按照Modbus请求队列长度最小原则生成Modbus请求队列，所述Modbus请求队列长度最小原则是指根据Modbus设备地址、数据类型和地址顺序将同一设备同一数据类型地址连续的Modbus数据请求进行合并，以最大限度减小Modbus请求队列长度；然后按照Modbus请求队列顺序，以数据采集周期进行发送，并依次对Modbus设备或网络的响应进行接收；最后对接收的Modbus响应进行解析，并根据工艺参数配置文件查询对应的工艺参数名称，然后根据其映射关系将工艺参数值和采集时间戳保存至相应存储文件中。优选的：所述轮询模式是在一数据分析周期内对所述工艺参数配置文件中的各参数依次进行查询和分析；所述分析策略包括数值范围分析策略、数值波动分析策略以及数值变化率分析策略中的一个及以上；所述用户自定义分析策略模块用于用户通过人机交互界面针对工艺参数自定义分析策略并加以应用，所述自带分析策略模块用于所述数据分析软件模块对各工艺参数自动使用对应分析策略进行连续的运算和分析。优选的：所述上位机请求包括ModbusTCP请求和数据文件上传请求，其中：ModbusTCP请求，用于对工业现场Modbus设备或网络进行基于ModbusTCP的数据读写请求，所述TCP/IP通信软件模块对请求进行接收与解析，然后生成基于Modbus串行链路的数据读写请求并发送至相应Modbus设备或网络，最后通过解析来自Modbus设备或网络的响应生成ModbusTCP响应数据帧并发送至上位机；数据文件上传请求，用于将所述数据采集软件模块的工艺参数配置文件和数据存本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Modbus的工业现场数据采集分析系统，其特征在于:包括上位机、嵌入式平台、Modbus设备以及网络；所述嵌入式平台通过RS232或RS485总线与Modbus设备或网络连接，同时所述嵌入式平台按预设时间周期对Modbus设备或网络中的工艺参数进行查询读取，存储于嵌入式平台内，并通过嵌入式平台进行分析和管理；另外所述嵌入式平台还通过以太网接口接入本地局域网或外部因特网中，通过响应上位机请求，实现工业自动化生产的远程信息化管理和监控。

【技术特征摘要】
1.一种基于Modbus的工业现场数据采集分析系统，其特征在于:包括上位机、嵌入式平台、Modbus设备以及网络；所述嵌入式平台通过RS232或RS485总线与Modbus设备或网络连接，同时所述嵌入式平台按预设时间周期对Modbus设备或网络中的工艺参数进行查询读取，存储于嵌入式平台内，并通过嵌入式平台进行分析和管理；另外所述嵌入式平台还通过以太网接口接入本地局域网或外部因特网中，通过响应上位机请求，实现工业自动化生产的远程信息化管理和监控。
2.根据权利要求1所述基于Modbus的工业现场数据采集分析系统，其特征在于：所述上位机内设置有Wince嵌入式操作系统，所述Wince嵌入式操作系统用于管理整个嵌入式平台的硬件资源和框架，并提供图形用户界面；所述嵌入式平台包括数据采集分析系统底板和核心板，其中，所述数据采集分析系统底板通过系统总线与核心板相连，且数据采集分析系统底板上设置有第一串口、第二串口、第三串口以及以太网口，所述第一串口、第二串口、第三串口以及以太网口均与数据采集分析系统底板的系统总线相连；同时所述第一串口与Modbus设备相连，用于完成Modbus设备在串行链路上的数据通信；所述第二串口与工业现场上位机相连，用于完成对嵌入式平台的运行调试及数据通信；所述第三串口与工业现场的Modbus设备或网络相连，完成Modbus设备或网络在串行链路上的数据通信；而所述以太网口经局域网实现与上位机之间的TCP/IP通信，用于技术人员通过上位机对工业现场工艺参数进行信息化管理；所述核心板包括中央处理器、内存、NandFlash和NorFlash，所述中央处理器、内存、NandFlash和NorFlash分别与数据采集分析系统底板的系统总线相连。
3.根据权利要求2所述基于Modbus的工业现场数据采集分析系统，其特征在于：所述NandFlash内设置有Modbus协议栈、工艺参数配置文件、本地数据存储区、数据采集软件模块、数据分析软件模块和TCP/IP通信软件模块，其中：所述Modbus协议栈用于通过与Wince操作系统和应用层软件模块相连对Modbus通信数据帧提供编码和解码服务；所述工艺参数配置文件，用于建立工艺参数所在Modbus设备或网络地址与所述本地数据存储区地址的映射关系；所述本地数据存储区用于将不同数据类型的工艺参数进行分类存储；且单个工艺参数在任意时刻存储的数据帧包括工艺参数值和时间戳；所述数据采集软件模块用于通过Modbus协议栈对Modbus数据通信进行请求和响应，并将工艺参数的相关数据存入本地数据存储区；所述数据分析软件模块包括自带分析策略模块或用户自定义分析策略模块，采用轮询模式，通过利用工艺参数配置文件和本地数据存储区调入相应工艺参数数据，通过系统自带分析策略或用户自定义分析策略对工艺参数进行自动或手动分析；所述TCP/IP通信软件模块,用于响应上位机请求，并与之进行数据通信。
4.根据权利要求3所述基于Modbus的工业现场数据采集分析系统，其特征在于：所述数据采集软件模块首先在NandFlash相应位置找到并打开工艺参数配置文件，根据工业现场工艺参数采集分析需求进行更新与保存；其次打开并解析工艺参数配置文件，按照Modbus请求队列长度最小原则生成Modbus请求队列，所述Modbus请求队列长度最小原则是指根据Modbus设备地址、数据类型和地址顺序将同一设备同一数据类型地址连续的Modbus数据请求进行合并，以最大限度减小Modbus请求队列长度；然后按照Modbus请求队列顺序，以一定时间周期预设时间周期进行发送，并依次对Modbus设备或网络的响应进行接收；最后对接收的Modbus响应进行解析，并根据工艺参数配置文件查询对应的工艺参数名称，然后根据其映射关系将工艺参数值和采集时间戳保存至相应存储文件中。
5.根据权利要求4所述基于Mo...

【专利技术属性】
技术研发人员：帅立国，张钢，陈慧玲，诸华强，陈建明，韩涛，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32