基于Modbus/TCP工业以太网协议的温度采集网络设计

摘要

随着控制技术、计算机网络技术和通信技术的飞速发展，现场总线控制系统通过以太网与企业信息网集成技术成为企业信息一体化领域的研究热点之一。 本文首先通过分析Modbus/TCP工业以太网所遵循的MAC层中的CSMA/CD通信机制，给出了针对现有技术的以太网通信延时的解决方案，同时给出了基于BEB算法的改进算法，并通过Matlab软件给出改进算法后网络中平均延时时间和网络吞吐率这两个重要参数的仿真结果。其次，通过对Modbus/TCP协议构成的分析，并在采用了套接字与多线程技术的基础上，设计出基于Modbus/TCP协议工业以太网通信的二层网络。所构建的基于Modbus/TCP的工业以太网网络可实现对工业现场的温度数据采集、处理及通信等功能，同时通过分析Modbus/TCP协议所采用的客户端/服务器通信模式的特性，给出了客户端/服务器模式的数据通信流程图，并运用WINSOCK控件实现了其主要实现程序。最后，设计出了应用于工业现场的温度采集模块，给出了该模块的多路开关的扩展电路、A/D转换电路、非线性校验电路及Modbus网络的接口电路，其中，在热电偶冷端补偿的方面采用了牛顿迭代算法实现了软件补偿。同时采用VB6.0编程，实现了温度采集模块和计算机的通信软件设计。 从实验测试的效果看，这种基于工业以太网的控制系统在设计原理上是合理的，采用的软硬件能保证系统通信和数据采集功能的实现。热电偶温度检测装置在实验条件下已成功与计算机互连通信。针对实时性算法的改进算法，进行了仿真研究。通过比较原有算法的仿真结果，表明了改进算法的有效性。在得出以上结论的同时，也为构建工业实时性数据采集系统提供了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明

第1章绪论

1.1课题的来源及意义

1.2工业控制网络的历史和发展

1.3工业以太网研究的发展现状

1.4研究内容

第2章Modbus/TCP协议

2.1 Modbus协议简介

2.1.1 Modbus协议传输模式

2.1.2查询—回应循环

2.1.3 Modbus的消息帧

2.1.4 Modbus功能码

2.2 Modbus/TCP协议

2.2.1 Modbus/TCP通信协议模型

2.2.2 Modbus/TCP传输模式

2.2.3 Modbus/TCP数据帧

2.3客户端/服务器模型

2.3.1客户端实现

2.3.2多线程服务器的实现

第3章基于Modbus/TCP的MAC机制改进及仿真

3.1 MAC层中CSMA/CD通信机制的实时性研究

3.2通信延时分析

3.2.1排队延时

3.2.2发送延时

3.2.3传输延时

3.3改进通信延时的方案

3.4 BEB算法的改进及其仿真

3.4.1 BEB算法及其局限性

3.4.2算法改进

3.4.3仿真模型

3.4.4性能评价指标及算法实现

3.4.5仿真结果分析

第4章系统的架构设计及Modbus的温度采集节点设计

4.1系统的总体架构设计及功能设计

4.2温度采集模块的功能与特点

4.3温度采集模块的硬件设计

4.3.1多路开关CD4051选择及扩展

4.3.2 MC1403基准电压源

4.3.2 A/D转换电路

4.3.3 CPU单元

4.3.4看门狗电路和串行EEPROM模块

4.3.5非线性校验电路

4.3.6 Modbus网络通信接口电路

4.4热电偶温度采集模块的冷端软件补偿算法分析

第5章系统监控软件的设计与实现

5.1监控系统的设计及实现

5.2客户端/服务器模式的实现

第6章结论与展望

参考文献

附录Matlab算法实现程序

攻读学位期间公开发表论文

致谢

研究生履历