专利名称：一种以太网数据采集传输方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及实时数据釆集技术，具体地说是一种基于以太网和可编程
控制器PLC技术的分布式、网络化、可扩展、实时釆集和传输数据的数据 采集传输方法及系统，适用于在复杂的工业监控中多点信号的实时釆集。
背景技术：
由于现场应用环境的复杂多样，致使对数据釆集装置的要求也不尽相 同，综观已知技术领域中的数据采集装置，普遍存在着信号处理速度有限， 集成化水平低，不能实现分布式数据采集和远程数据综合处理，不能满足 复杂工矿要求，数据吞吐量有限等问题。
以太网(Ethernet)是当今现有局域网釆用的最通用的通信协议标准， 组建于七十年代早期。以太网是一种传输速率为10Mbps的常用局域网 (LAN)标准。以太网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆和多端 口集线器、网桥或交换机构成。可编程控制器具有髙可靠性、1/0接口丰富、 模块化结构、编程简单易学、安装简单、维修方便、具有通信和联网功能 等的特点，目前广泛应用于各种工业控制场合。目前，有关数据采集技术 的发明和实用新型专利层出不穷，但很多发明和实用新型在许多方面存在 一定的问题。例如名称为"一种计算机实时数据采集与处理系统"(专利 号为98124514)的发明专利，涉及应用计算机进行实时数据釆集与处理。 该发明由微机ISA扩展槽、通道选择接口卡。带有IEEE-488接口的数字多 用表及IEEE-488接口卡组成硬件部分。软件用Visual 。++编写，用中文平 台支持，在Win95或WinNT下运行。该发明具有32通道，可以与带有 IEEE-488接口的数字多用表组成多通道测量与处理系统，在软件支持下实 现后台实时釆集数据时，前台仍可处理其它事务的实时数据釆集与处理系 统。但该发明所涉及的系统只能与带有IEEE-488接口的数字多用表组成多 通道测量与处理系统，应用范围有限。名称为"数据釆集器"(专利号为 200520091109)的实用新型专利公开一种应用于建筑节能检测领域中的数 据釆集器。包括CPU、时钟芯片、存储单元、信号釆集部分。CPU端口 分别接时钟芯片及存储单元的端口，依次提供通讯所需串行时钟信号及数
4据通讯信号；所述信号采集部分接CPU的端口，以实现釆集信号的数据通 讯。所述信号釆集部分为温度信号采集部分、流量釆集部分及热流密度采
集部分；所述流量釆集部分及热流密度釆集部分的数据信号经a/d转换后
送入CPU。该实用新型专利只能应用于建筑节能检测领域，应用领域有限， 不具有通用性。名称为"远程数据采集传输系统"(专利号为01278706)的 实用新型专利包括一个数据釆集终端，通过RS232串口 /通用串行总线接 口连接主处理器，该处理器连接、接收并对数据采集终端釆集的数据进行 压缩处理，然后将处理的数据发送给传输模块。其特点是实现数据的无线 传输。但无线传输成本高，且因天气等因素影响，数据传输稳定性差。该 专利产品有一个数据釆集终端，所以不能实现长距离内的多点数据釆集。 综上所述，现有相关专利及实用新型产品的不足之处主要表现在
1) 对信号或接入仪表的类型有强制性的要求，限制了应用的范围和领 域，不能适应复杂工况的要求。
2) 采集点单一，无法满足要求大范围多点，据釆集，对复杂工况的适 应能力不强，且处理速度不高，可扩展性不强。
3) 通信能力不强。控制领域对实时性的要求越来越高，所以通讯能力 的好坏是数据采集系统是否具有实时性的重要标志。传统的485或者232 通讯速度有限，在某种程度上限制了数据釆集系统的实时性。综上所述， 通讯能力强、适应范围广、采集点多、能适应复杂工况要求的数据釆集系 统是工业现场的迫切要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以太网数据釆集传输方法及系统，它通讯 能力强、适应范围广、釆集点多、能适应复杂工况要求的数据釆集系统是 工业现场的迫切要求。'
本发明的技术解决方案如下
以太网数据釆集传输系统以可编程控制器作为数据采集、通讯的控 制设备，自身带有以太网控制器，釆用Ethemet/IP通讯模式及Modbus传输 协议与上位机进行以太网通讯;还包括I/O模块，与所述以太网控制器连接， 通过最后一级数宇量输出模块与终端模块连接；可编程控制器通过I/0模块 接收来自釆集点传感器的数字量或模拟量信号，通过系统程序与上位机通 讯，选择工作模式，将数字量或模拟t信号至受控设备。
其中如果只有一个釆集点(IP地址)，则上位机与可编程控制器采取 直接通过交叉网线相连的方法进行以太网通讯；如果上位机通过集线器连接多个可编程控制器，为每个可编程控制器分配一个独立的IP地址。
以太网数据釆集传输方法釆用两种工作模式，分别是联网模式和单
机模式；采用如下系统程序步骤
系统启动后，首先读取工作状态，若为联网模式，则进行以太网通讯，
并判断通讯是否正常；若通讯正常，则继续读取工作状态位，判断工作模 式；若通讯中断，则启动看门狗，重新启动系统；若为单机模式，则进行 输入输出口的"读"和"写"操作，并继续判断工作状态位的值。 本发明具有如下有益效果
1. 稳定性强。可编程控制器是工业控制器中比较稳定的控制器件，适 合于应用在工况较为复杂、使用环境相对较恶劣的场合，并且适合于长时 间不间断的作业，所以可编程控制器十分广泛的应用在矿山、钢铁厂、电 厂等场合。
2. 信号可靠性强。可编程控制器每路的信号均釆用了滤波及光电隔离
方式进行信号的去噪，保证了信号的互不干扰和信号的纯度。
3. 适应性强。I/O模块的可根据具体的应用场合选择模拟量输入、模 拟量输出、数字两输入、数字量输出等不同功能的模块随意组合，还可以 根据需要增加计数器模块和其它功能的通讯模块。
4. 网络化。可实现多点、长距离的实时高速数据采集，特别适用于要 求长距离多点采集数据的工业控制场合和复杂工程项目的数据收集。
5. 实时性。釆集到的数据可以实时的发送给上位机进行显示，也可以 实时的将上位机法送来的命令传输给可编程控制器的输出口输出。
6. 可扩充性。装置可以通过集线器组成网络，网络上的节点数可以根 据需要增加或减少。
7. 本地工作模式下可完成数据的釆集并向输出口输出模拟量或数字数 字量。
图l为本发明系统总体结构图。
图2为本发明一个实施例可编程控制器结构图。
图3为数据釆集传输方法中系统程序流程图。
图4为图3中以太网通讯子程序流程图。
具体实施例方式
本发明以太网数据釆集系统以可编程控制器PLC作为数据釆集、通讯 的控制设备，自身带有以太网控制器，釆用Ethemet/IP通讯模式及Modbus传输协议与上位机进行以太网通讯；还包括i/o模块，与所述以太网控制器 连接，通过最后一级数字量输出模块与终端模块连接；可编程控制器PLC 通过I/O模块接收来自釆集点传感器的数字量或模拟量信号，通过系统程序 与上位机通讯，选择工作模式，将数字量或模拟量信号至受控设备。上位 机利用以太网控制器并通过交叉网线与可编程控制器plc通讯。上位机可
以实时地给可编程控制器PLC传输控制命令，如数字量的状态、模拟量的 大小，可编程控制器PLC可以实时的将采集的信号传输给上位机进行显示。 I/O模块可以根据具体的工况要求设置其数量，釆集点也可以增加或减少， 作业距离也可以通过增加新的可编程控制器PLC以太网控制器和I/0模块
的扩增(相当于增加新的IP地址)。
系统有两种工作模式，分别是联网模式和单机模式。单机模式可实现
工业现场数据的釆集、输出数据控制受控设备、与其他可编程控制器PLC
之间的通讯；联网模式在此基础上可实现在上位机实时显示可编程控制器
PLC釆集的数据、通过网络向受控设备传输数据、以太网通讯功能。
1/0模块包括有模拟量输入模块，模拟量输出模块，数字量输入模块， 数字量输出模块。为了釆集工业生产现场的数据和控制工业现场的受控设 备，可编程控制器PLC的输入模块连接现场的各种传感器，输出模块连接 到现场的受控设备上。考虑到通讯的速度和稳定性，采用基于以太网和 Modbus通讯协议进行上位机和可编程控制器PLC之间的通讯。上位机负责 控制可编程控制器PLC和实时显示连接到可编程控制器PLC的受控设备的 状态，如果釆集点超过单台可编程控制器PLC的能力范围，则需要多台可 编程控制器PLC同时工作。考虑到这种工作模式，本发明将上位机作为以 太网通讯的服务器端，可编程控制器PLC作为以太网通讯的客户端，每个 可编程控制器PLC都是一个客户端，而服务器端只有一个。可编程控制器 PLC既可以和上位机进行通讯，自身也可以将信号输入模块采集到的数据 实时的通过输出模块输送到受控设备上，实现远程控制和本地控制两项功 能。系统工作模式的选择(单机模式或联网模式)。
每个可编程控制器PLC模块由两路24V直流电源供电， 一路供给可编 程控制器PLC, —路供给和可编程控制器PLC的以太网控制器连接的并且 相互之间也连接到一起的I/0模块。由电源指示灯指示当前系统的供电是否 正常。根据应用现场的具体情况，如所需釆集信号的种类信号路数的多少， 选择相应的1/0模块，同一个IP地址下的1/0模块的多少和类型可以根据 具体情况改变，每个IP地址下最多可包含64个各种类型的I/0模块，数据
7吞吐量非常大。如果只有一个采集点(IP地址)，则上位机和可编程控制器
PLC可以釆取直接通过交叉网线相连的方法进行以太网通讯；如果釆集现 场的地理位置的跨度较大，上位机通过集线器连接多个可编程控制器PLC, 为每个可编程控制器PLC分配一个独立的IP地址。每个可编程控制器PLC 都可以和上位机之间进行以太网通讯。同样每个IP地址下最多都可以包含 64个1/0模块。上位机可以向可编程控制器PLC发送命令，命令的内容可 以是希望输出口输出的数字量或者模拟量，命令通过IP地址可以准确地传 到^fH ;1旳口」辆程设刺番plu 。问仔母T 口」辆往逸刺番plcj也口J以冋上m
机发送数据，数据的内容可以是输入模块正在实时釆集的数字量或者模拟 量。
单个节点的作为数据釆集装置的可编程控制器结构图如图2所示，由 以太网控制器1通过以太网控制器1和电源触点15连接第一模拟量输入模 块4,第一模拟量输入模块4通过电源触点15连接第二模拟量输入模块5， 第二模拟量输入模块5通过电源触点15连接第三模拟量输入模块6，第三 模拟量输入模块6通过电源触点15连接第一模拟量输出模块7，第一模拟 量输入模块7通过电源触点15连接第二模拟量输出模块8，第二模拟量输 入模块8通过电源触点15连接第三模拟量输出模块9，第三模拟量输入模 块9通过电源触点15连接第一数字量输入模块10，第一数字量输入模块 10通过电源触点15连接第二数字量输入模块11，第二数字量输入模块11 通过电源触点15连接第一数字量输出模块12，第一数字量输出模块12通 过电源触点15连接第二数字量输出模块13，第二数字量输出模块13通过 电源触点15连接终端模块14。
以太网控制器1的特点是以集中控制方式更好的支持可编程控制器 PLC或PC;复杂的应用问题可以通过多任务来完成；现场总线故障时可以 自动报警；自身所具有的信号预处理功能可以减少现场总线的传输时间； 可以直接控制附属设备，系统响应时间短；简单、自足控制。
在I/0模块中，输入过程数据得到转化。根据不同的需求，可以选用不 同功能的i/o模块。目前有数字/模拟输入/输出可供选择，也可以釆用特殊 功能模块，如计数器模块，用于计数。
参见图3，发明以太网数据采集传输方法根据系统程序流程所述步骤， 系统启动后，首先读取工作状态位的值，若为"1"则进入联网工作模式， 若为"0"则进入单机工作模式。
若为联网模式，则进行以太网通讯，并判断通讯是否正常。若通讯正常，则继续读取工作状态位，判断工作模式；若通讯中断，则启动看门狗, 重新启动系统。
若为单机模式，则进行输入输出口的"读"和"写"操作，并继续判 断工作状态位的值。
以太网通讯子程序流程参见图4，具体如下 步骤一开始； 步骤二启动看门狗；
步骤三若看门狗没有复位，读取网络状态；若看门狗复位，则回到 步骤一；
步骤四读取网络状态，若网络出错，则关闭以太网服务器，回到步 骤二；若网络正常，则读取通讯协议类型；
步骤五读取通讯协议类型，若为TCP通讯，则启动TCP模式通讯； 若为UDP通讯，则启动UDP通讯类型；
步骤六启动以太网服务器端；
步骤七启动以太网读函数，进行以太网读操作；
步骤八判断读函数是否出错；
步骤九若读函数出错，则关闭以太网服务器端，回到步骤二； 若读函数正常，则判断读取数据长度是否为零；
步骤十若读取数据长度不为零，则回到步骤七，继续读取； 若 读取数据长度为零，则判断是否可以获得以太网信息；
步骤十一如果不能获得以太网信息，则指定客户端IP地址和端口号；
步骤十二启动以太网写函数；
步骤十三判断写函数是否出错；
步骤十四回到步骤二。
权利要求
1. 一种以太网数据采集传输系统，其特征在于以可编程控制器(PLC)作为数据采集、通讯的控制设备，自身带有以太网控制器，采用Ethernet/IP通讯模式及Modbus传输协议与上位机进行以太网通讯；还包括I/O模块，与所述以太网控制器连接，通过最后一级数字量输出模块与终端模块连接；可编程控制器(PLC)通过I/O模块接收来自采集点传感器的数字量或模拟量信号，通过系统程序与上位机通讯，选择工作模式，将数字量或模拟量信号至受控设备。
2. 按照权利要求l所述以太网数据釆集传输系统，其特征在于上位 机作为服务端，设一个；可编程控制器(PLC)为客户端，至少设一个。
3. 按照权利要求1所述以太网数据釆集传输系统，其特征在于I/O 模块包括有模拟量输入模块，模拟量输出模块，数字量输入模块，数字 量输出模块。
4. 按照权利要求3所述以太网数据釆集传输系统，其特征在于I/O 模块还包括有计数器模块，位于最后一级数字量输出模块与终问模块之 间。
5. 按照权利要求l所述以太网数据釆集传输系统，其特征在于由两 路24V直流电源供电， 一路接可编程控制器(PLC), —路接I/0模块。
6. 按照权利要求l所述以太网数据釆集传输系统，其特征在于如果 只有一个釆集点，则上位机与可编程控制器(PLC )釆取直接通过交叉网线 相连的方法进行以太网通讯；如果上位机通过集线器连接多个可编程控制 器(PLC),为每个可编程控制器(PLC)分配一个独立的IP地址。
7. —种以太网数据采集传输方法，其特征在于釆用两种工作模式， 分别是联网模式和单机模式；釆用如下系统程序步骤系统启动后，首先读取工作状态，若为联网模式，则进行以太网通讯， 并判断通讯是否正常；若通讯正常，则继续读取工作状态位，判断工作模 式；若通讯中断，则启动看门狗，重新启动系统；若为单机模式，则进行 输入输出口的"读"和"写"操作，并继续判断工作状态位的值。
8. 按照权利要求7所述以太网数据采集传输方法，其特征在于以太 网通讯步骤如下步骤一开始；步骤二启动看门狗；步骤三若看门狗没有复位，读取网络状态；若看门狗复位，则回到步骤四读取网络状态，若网络出错，则关闭以太网服务器，回到步 骤二；若网络正常，则读取通讯协议类型；步骤五读取通讯协议类型，若为TCP通讯，则启动TCP模式通讯； 若为UDP通讯，则启动UDP通讯类型；步骤六启动以太网服务器端；步骤七启动以太网读函数，进行以太网读操作；步骤八判断读函数是否出错；步骤九若读函数出错，则关闭以太网服务器端，回到步骤二； 若读函数正常，则判断读取数据长度是否为零；步骤十若读取数据长度不为零，则回到步骤七，继续读取； 若 读取数据长度为零，则判断是否可以获得以太网信息；步骤十一如果不能获得以太网信息，则指定客户端IP地址和端口号；步骤十二启动以太网写函数；步骤十三判断写函数是否出错；步骤十四回到步骤二。
全文摘要
本发明涉及实时数据采集技术，具体地说是一种基于以太网和可编程控制器PLC技术的分布式、网络化、可扩展、实时采集和传输数据的以太网数据采集传输方法及系统。以可编程控制器作为数据采集、通讯的控制设备，自身带有以太网控制器，采用Ethernet/IP通讯模式及Modbus传输协议与上位机进行以太网通讯；还包括I/O模块，与所述以太网控制器连接，通过最后一级数字量输出模块与终端模块连接；可编程控制器通过I/O模块接收来自传感器的数字量或模拟量信号，通过系统程序与上位机通讯，选择工作模式，将数字量或模拟量信号至受控设备。它通讯能力强、适应范围广、采集点多、能适应复杂工况要求的数据采集系统是工业现场的迫切要求。
文档编号G08C19/16GK101452639SQ20071015865
公开日2009年6月10日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者刘开周, 凯 孙, 崔胜国, 李智刚, 秦宝成, 威 郭 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所