1引言
1.1电子皮带秤称量系统简介
电子皮带秤称量系统包含电子皮带秤、上位机监控软件系统。电子皮带秤是在皮带输送机输送物料过程中同时进行物料连续自动称重的一种计量设备。其特点是称重过程是连续和自动进行的，通常不需要操作人员的干预就可以完成称重操作。
电子皮带秤主要有传感器、秤架、二次仪表三大部分组成，在实际应用过程中，要想使电子皮带秤在一个较长的时间周期内保证一定的精确度，其检定过程非常重要。
同时，为保证皮带秤运行的安全性和运行状态的实时监控，皮带秤的运行参数与状态要实时显示更新，因而控制器必须有快速而安全的通信模式。
皮带秤监控软件是电子皮带秤的配套产品，主要用于称重数据的管理和对现场工作状态的监控，可以方便的实现远程实时数据管理和查询。计算机通过RS232、RS485、ModBus等方式与下位机连接，以实现集中控制。用户可通过上位机对多台下位机进行集中控制及参数查询。在计算机上用户可修改下位机中的各种参数，完成报表查询、历史数据曲线图显示、称重数据打印等操作以实现现代化的科学管理及控制。
本论文设计了一套基于ModBus/TCP协议的通信系统，详细介绍了通信协议的选取和通信程序的设计方法，实现了上位机与电子皮带秤控制器的远程和实时通信，通信速率比同类产品的485申口通信大大提高，能监控控制器的运行参数和状态实时更新，方便了工业现场的实时监控。此外，由于基于TCP/IP以太网实施，故而网络布置更加便利，数据通信的抗干扰性也更强，可以比传统传统RS232或RS485连接更多数量的下位机。
1.2工业通信协议的发展
目前，ModBus协议主要应用于电力自动化和过程控制中，一般采用RS232或者RS485通信接口，这样就导致了它传输距离短、速度慢，应用受到局限。TCP/IP协议主要应用于Internet和Intranet中，其传输距离长、传输速度快，应用非常广泛。通过将ModBus协议和TCP/IP协议相结合，实现了基于ModBusTCP/IP协议的远程网络通信，促进了ModBus协议在工业中的使用。
2ModBus/TCP通信协议介绍
ModBus/TCP协议是基于管理和控制自动化设备的ModBus系列通信协议的衍生协议。该协议定义了在一个使用TCP/IP协议的Intrannet或Internet环境中，如何传输ModBus报文。这种协议主要用在PLC、I/O模块、连接其他简单总线或I/O网络的网关的以太网适配器上。
ModBus/TCP协议是面向连接的协议，一个连接可以承载多个独立的事务。而UDP协议是一种面向非连接的协议，它不能实现对一个事务的持续控制。另外，由于TCP协议允许有很多个连接同时存在，所以在大多数情况下,ModBus/TCP连接的个数是由连接的发起端根据需要而定的。TCP协议应用在可靠性要求高的场合，而UDP协议则应用在可靠性要求低、传输经济的场合。对于工业控制领域，对可靠性、实时性要求很高。因此，在基于ModBus的以太网协议中，没有釆用UDP协议，而采用了TCP协议。
3电子皮带秤上位机系统设计与实现
本上位机软件通过以太网接口可以很方便地与皮带秤控制器连接，以实现集中化管理和控制。管理员可以通过上位机对多台皮带秤控制器进行远程集中控制及数据查询，还可以在计算机上修改皮带秤控制器中的各种参数，进行报表生成、称重数据打印、历史数据回显并生成曲线图等操作，以实现信息化管鲤及控制。
本项目在ModBus网络中，通过以太网和服务器实现了远程网络通信。对于由ModBus协议组网，适用于由单个主节点和众多从节点的通信网络。上位机作为主节点，现场设备作为从节点。上位机通过轮询的方式依次读取下位机的实时数据，起到控制整个网络的作用。这种通信方式可以提高整个网络的可靠性，避免网络上不同节点之间数据发生冲突。
实践证明，这种架构完全满足工控的实时性要求。这种ModBus工业网络还有传输距离远的优点，可在任何有网络的地方实现远程监控功能；而且可利用现有网络设施，无需额外投资建设网络，性价比高，实施成本低；通用性强,可应用于各种需要通过网络实现实时监控功能的设备。上位机监控系统与下位机通信结构图，如图1所示。

本系统主要由3个部分组成：数据采集设备终端、网络传输信道和上位机实时监控系统。监控系统以Windows操作系统为基础，采用SQLServer作为数据库。
实时监控系统数据通信的实现，以套接字SocketAPI接口为基础。基于Socket的监控系统采用C/S架构，与各个数据采集设备以多线程方式进行数据通信，实现现场设备的分布式采集与集中监控。该软件通过TCP/IP协议与数据采集设备进行通信，将采集到的实时数据进行集中处理，展现给用户友好的图形界面，实时显示各种开关量、模拟量数据，同时把数据存入数据库中，对不良运行状况进行实时报警。管理员可以向下位机发送控制命令，实现实时远程控制，并将实时运行状况生成各种报表，以作进一步分析、汇总。
3.1ModBus/TCP工业以太网监控系统的体系结构
本文所提到的称量监控系统共分两层：
(1)称量控制器；
(2)实时监控及网络管理。
监控系统总体结构如图2所示。

称量控制器以电子皮带秤为核心。它具有支持TCP/IP协议的以太网通信模块，IP地址可配置，且可通过以太网与上位机通信。各节点与节点、节点与监控系统间均通过集线器进行链接，上位机对各监控节点统一管理。
本论文介绍的核心内容是双向监控及实时网络管理。它运行于Windows平台，基于ModBus/TCP协议建立通信链接，采用VisualC++开发完成可视化双向监控管理平台，主要包括监控组态及网络管理两大部分：上位机作为服务器主要运行监控组态平台。该平台由3大模块构成：数据管理模块、双向通信模块、控制组态模块。其中，数据管理模块对控制器传来的数据进行实时显示、存储、管理并实现历史曲线回放。上位机和控制器的通信模块互相对应，实现数据双向传输与控制的功能。控制组态模块与称量控制器上的算法相对应，管理员可通过上位机对各节点的称量控制器进行算法和参数组态。网络管理模块的作用主要是配置各控制节点的IP地址；检测局域网内各台称量控制器的工作状态。
3.2基于ModBusTCP协议通信的实现
本系统采用C/S(客户机/服务器)架构，上位机作为服务器，用来响应客户机提出的请求。皮带秤控制器作为客户机，向服务器提出请求或要求某项服务。
系统采用Winsock技术开发通信模块。服务器首先启动并进行初始化操作，通过调用函数socket()创建一个套接字，然后调用函数bind。将该套接字和本地网络地址绑定在一起，再调用函数listen()将该套接字转换成侦听套接字，用以侦听网络上是否有连接请求。一旦侦听到客户端发送的连接请求，就调用函数accept。来接受收客户机的请求。客户机在调用函数socketO建立套接字后就可调用函数connect()和服务器建立连接。一旦建立连接成功，客户机和服务器之间就可以通过函数read。和write。来进行双向通信。最后待数据传送结束以后，双方调用函数close。关闭套接字。LocalHost指上位机，RemoteHost指电子皮带秤控制器。上位机的端口号设为0,表示应用程序不需要特定端口，每次连接时将选择一个随机端口作为TCP连接的本地端口。电子皮带秤控制器的端口号设为502。图3为服务器端和客户端的通信流程图。

上位机和设备的通信是通过TCP/IP协议，将符合ModBus协议的信息帧在Internet或者Intranet网络上进行传输。在实际设计中为了提升网络通信的效率，减少通信阻塞等待时间，提高连接皮带秤的连接数量，本上位机系统采用多线程并发模式。整个网络通信采用面向连接方式，Socket采用基于TCP的流式套接字类型，为每台控制器都建立一个新线程，这样可以减少连接队列中连接请求的大小，极大地提高系统运行效率。
上位机和下位机控制器的通信流程为：首先，上位机监控管理软件和下位机控制器都各自初始化并分别建立通信套接字(Socket),且上位机应率先进入监听状态；当下位机控制器发出连接请求，处在监听状态的上位机立刻响应，并新建一个线程来单独处理。上位机通过accept。建立新的套接字，这样新建立的线程就和下位机控制器实现了连接并进行通信，而原来负责监听的套接字继续监听，如果有其他客户机发来连接请求，则再开一个新的线程，处理与下位机控制器通信。软件根据皮带秤控制的ModBus命令号来发送数据，取得皮带秤的运行数据与控制数据，从而对皮带秤进行有效的监控；而原来的监听Socket继续等待新的控制器接入，通过accept。建立的新的套接字，如此循环。程序的设计流程应当由上位机首先启动，然后在某一时刻启动下位机控制器并使其与上位机建立连接。
 

控制器中ModBusTCP客户端程序用Connect()函数建立对目标设备TCP502端口的连接。
数据通信的过程如下：
(1)准备ModBus报文，包括7个字节的MBAP在内的请求；
(2)使用Send()命令发送；
(3)在同一连接等待应答；
用recv()读报文，完成一次数据交换过程;
(5)当通信任务结束时，关闭TCP连接，使服务器可以为其它设备服务。
3.3应用现场展示
本项目在浙能电力有限公司下属某电厂输煤系统中，对8台皮带秤进行了有效的监测，对皮带秤的线速度、流量的监控保证了皮带秤使用的安全；对皮带秤累计量及各个时间段的使用统计，与能效系统的对接,方便了厂家对能耗比的统计，该上位机上线运行后，运行平稳可靠。监控界面如图5所示，配置界面如图6所示。

4总结和展望
随着网络技术的发展，工业控制网络技术也在不断的进步。工业控制系统的网络化、集成化将为企业带来更高的生产效率和更大的经济效益。因此，本文提出了ModBus+TCP/IP通信协议模型来实现现场总线控制系统的通信互联，并设计了本数据采集及监控系统，并对此方案进行了验证。在电子皮带秤平台的基础上组建了一个小型的控制系统，用VisualC++实现了基于ModBus/TCP以太网通信接口的上位机监控系统。
本系统实现了ModBus/TCP的通信协议，从而使得通信的速率大大提高，另外，还实现了基于ModBus协议的串口通信，向下兼容了以往设备的通信接口。系统通过加载不同的动态链接库，可以灵活的选择以太网接口通信或者串行接口通信。
本系统只是为以太网在工业自动化应用作了一些探索及研究，以太网完全代替现场总线还有很长的路要走，有待进一步研究。随着工业以太网技术的成熟和大量带有以太网通信接口的工控设备的应用，以及统一的工业以太网协议的制定，工业以太网作为一种开放的网络通信标准，其易于普及以及易于与现有网络整合的优点，将最终代替现场总线而走向统一。

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