一种智能断路器中Modbus/TCP协议的实时性能测试方法

作者：郑晓敏

  目前在国内外的低压配电系统中智能电器的通信方式以Modbus、Profibus等现场总线协议为主，存在通信速率低、组网连接困难等缺点，难以适应现代智能电网高速、双向、实时的通信需求。Modbus/TCP协议是采用TCP/IP以太网用于工业自动化领域的标准协议，并且为Modbus/TCP注册了502端口，是至今唯一获得IANA（互联网数字分配机构）赋予TCP端口的自动化通信协议。本文将Modbus/TCP通信协议引入到低压配电系统巾的通信网络，通过构建Modbus/TCP通信网络实时性测试平台，对Modbus/TCP通信协议的实时性能（包括通信链路、信息响应时间）进行了测试和分析。测量方式采用主动测量和被动测量相结合。在实际的网络性能测试中具有相对独特性，保证了测量的可靠性和准确性。

1  智能低压配电网的通信要求

    通信系统是低压配电系统智能化的关键技术，通信系统的好坏很大程度上决定了其智能化的优劣。低压配电系统要借助可靠的通信手段才能实现数据实时获取、安全保护和对远方设备的监控和控制的智能化、信息化目标。智能低压配电通信系统应该具有的特点为：(1)通信节点分散；(2)通信速度快、距离短：要求通信速率是100Mbit/s以上，开关设备之间的距离一般在3 km以内；(3)通信数据量小：以太网的最长报文长度为1 518字节，足以传送配电网的信息数据；(4)通信信道多样。因此，根据以上这些特点，只有建立高速、双向、实时、集成的通信系统才能满足智能低压配电系统的通信要求。而智能低压配电通信网络的2个主要标准是实时性和确定性。通信实时性中最主要的部分是端到端的通信延时，指的是从信息发送到信息接收之间的信息响应时间,一般在工业控制网络中信息响应时间要求为0.01～0.50 s．通信实时性主要包括：排队延时、发送延时、传输延时、转发延时  通信确定性是指尽一切可能将信息传送到目的地，保证通信的可靠性。

    Modbus/TCP_T业以太网通信协议的出现迎合了低压配电网的通信需求，提供了一种有效的实时网络化通信的解决方案。

2  MOCdbus/TCP通信机制分析

    Modbus/TCP协议是Modbus协议和TCP/IP协议的结合，能够实现现场总线与以太网的无缝链接，以其开放、可扩展及标准化等特色成为工业网络通信中最常用的协议之一。从七层模型(open system interconnection,  OSI)上，  Modbus/TCP协议相对于以太网协议的通信模型做了改变．Modbus/TCP协议具有5层体系结构．含有物理层、数据链路层、网际层、传输层和应用层。Modbus/TCP协议模型如图1所示。

    数据链路层采用IEEE80 2.3标准，该标准定义了载波监听／碰撞检测( CSMA/CD)来实现以太网的介质访问控制(MAC)。若在通信总线上的站点数是不唯一的，就可能会发生碰撞产生访问冲突，导致通信失败，因此站点必须重新发送数据．直至发送成功为止，这样就使得站点从准备发送信息到成功发送的延时时间不确定，也就是说采用CSMA/CD机制的以太网实质上是不具备实时性。

    网络层采用IP协议，传输层采用面向连接的TCP协议，提供了可靠的数据传送服务。面向连接的TCP协议是指每一次面向连接的通信中连接的建立和释放是必不可少的过程．Modbus/TCP连接有3个阶段，即连接的建立、数据传送和连接的释放。Modbus/TCP连接建立采用客户机／服务器方式，如图2所示为Modbus/TCP客户机／且艮务器模式，在连接建立过程中上位机作为Modbus客户机，智能断路器则为Modbus服务器。TCP连接建立需要3次握手才能完成。第1次握手是客户机主动发起连接建立请求，此时．作为服务器的智能断路器则处于侦听等待连接请求状态：第2次握手是服务器收到客户机的连接请求后．向客白机返回连接请求确认：第3次握手是客户机收到眼务器接受连接请求的确认后，向服务器给出确认。这样经过3次握手后．TCP连接就建立好了，数据传输结束后必须对TCP连接进行释放．TCP连接的释放有4次联络：客户机向服务器发送释放连接不再发送数据报文，服务器收到释放连接通知后向客户机发送确认报文：服务器向客户机发送释放链接不再发送数据报文，客户机向服务器发送确认报文。经过这4次联络就完成了TCP连接释放。

    Modbus/TCP协议的应用层采用确定的主从式Modbus协议，应用层Modbus协议消除了数据链路层的CSMA/CD介质访问控制方式的数据传输延时的不确定性。该协议规定了数据传送必须有主节点（客户机）发起，采用轮询的方式逐一访问从节点（服务器），是一种主节点发起请求，从节点应答的通信方式。在建立好的连接上可以传送多条的Modbus请求报文和响应报文．这种通信方式的优点为：(1)每个请求报文都有应答报文，提高了数据通信的可靠性；(2)避免了每传送一次请求响应报文就建立一次连接的弊端；(3)主从方式可有效避免媒体访问冲突，保证通信可靠性．提高了Modbus/TCP通信效率和实时性能。

3  Modbus/TCP通信网络实时性测试

    Modbus/TCP通信网络实时性测试平台结构如图3所示。Modbus Poll第三方应用软件作为测试客户端，断路器采用HUM8D-400/35000智能型可通信塑壳断路器，该断路器带Modbus通信接口，中间通过Modbus/TCP网关连接到断路器。

    搭建的测试平台是主从通信方式．可通过上位机的Modbus Poll发起读取断路器不同寄存器的数据参数指令来测量Modbus/TCP通信链路上的数据传输时间，以不同链路上的数据传输时间作为实时性能的评估依据。图3所示的整个通信链路包括了Modbus/TCP的以太网通信链路和Modbus现场总线通信链路一通常，在Modbus链路上．客户机必须一次发送一个请求一这意味着客户机在发送第2个请求之前必须等待对第1个请求的回答。在Modbus/TCP以太网通信链路上，可以向同一个服务器发送多个请求而不需等待服务器的证实。为了解决这2种通信方式的不匹配．在Modbus/TCP网关中，设计了消息存储池和多线程技术，保证这两种操作之间的兼容性．有效地避免了因链路的独占性而引起的Modbus请求堵塞的问题，保证了所有消息都能得到及时处理。

    Modbus/TCP的以太网通信链路上PC机作为客户机．Modbus/TCP网关作为服务器实现

Modbus/TCP的客户机／服务器通信模型。Modbus通信链路上Modbus/TCP网关为主站，断路器是从站．是一种主从的通信模型。Modbus通信链路采用的是RS485串行通信方式和Modbus RTU传输模式，波特率设置为9 600 baud/s；实测中Modbus/TCP的以太网通信链路传输介质是通过双绞线直连至PC机．以有线方式传输数据。测试平台中PC机的IP地址设为192.168.0.100，Modbus/TCP网关的IP地址为192.168.0.127，网关的端口号设为502端口，断路器的从站地址为2。

3.1  实时性测试

    实时性测试方式采用主动测量和被动测量相结合的方式，主动测量是用第三方Modbus Poll应用软件发送请求数据到通信链路，请求数据是向HUM8D-400/35000智能型可通信断路器读取不同寄存器的数据参数。图4是读取1个寄存器的数据参数通信时序图；图5是读取16个寄存器的数据参数通信时序图。在数据传输过程中采用四通道示波器对Modbus/TCP网关作为主站设备的Modbus通信链路传输时延信号和RS485串行通信过程中数据帧的485电平信号进行采集。时序图是采用M atlab工具将示波器采样到的实时数据的时延信号和电平信号进行处理绘制所得。图中包括Modbus通信时延信号、485通信时延信号和485电平信号。被动测量是通过Ethereal以太网数据包捕获工具对Modbus/TCP数据包进行捕获分析,Ethereal获得的数据是总通信时延T1，T1是由Modbus Poll应用软件发起请求读取断路器数据指令为开始，到Modbus Poll收到断路器返同响应数据为结束的数据交换延时时间。通过主动测量和被动测量相结合的方式可以准确地测试网络的时延。

    根据图3、图4和图5．Modbus/TCP通信网络实时性测试平台的测试数据包括Modbus链路上的数据传输时问、数据帧格式和Modbus/TCP以太网通信链路上的数据传输时间,T2表示Modb us/TCP网关作为主站在Modbus链路上对来自以太网请求数据帧，或是对来自断路器的响应数据帧进行数据缓存和格式转换处理，以及数据帧往返于网关和断路器之间的完整通信所消耗的时间：T3表示Modbus串行链路上的一次完整通信的数据传输时延：T12表示在Modbus链路上Modbus请求帧的传输时延．T34表示在Modbus链路上Modbus响应帧的传输时延。对比图4和图5，读取的寄存器数量的增多，则数据在Modbus链路的传输时间增大，即T34增大．T2和T3也就相应的增大。它们之间的关系可以从图3得出：总通信时延T1包括了Modbus/TCP通信时延T5和Modbus通信时延T2之和，即T1 =T2+T5：Modbus

通信时延T2包括485通信时延T3和网关内部耗时T4,即T2 =T3 +T4。通过测试平台能够测得总通信时延Tl、Modbus通信时延T2和485通信时延T3,那么根据关系式就可以得到如表l和表2中的Modbus/TCP通信时延T5和网关内部耗时T4的数值。Modbus/TCP通信时延T5是数据在Modbus/TCP通信链路上传输延时，是Modbus/TCP协议的实时性测试指标．T5的大小和固定性可以说明其实时性能的优劣。网关内部耗时T4是其内部处理数据可靠交换、网络传输协议解析以及数据保存等任务所消耗的时间．T4的大小和固定性可说明所设计网关的性能优劣。

    搭建的Modbus/TCP实时性测试平台不仅能测试Modbus/TCP通信协议的实时性能，还可以测得带RS485通信接口的断路器在Modbus通信链路上的传输时延，在表l、表2巾并没给出这些数据．也能对Modbus RTU数据帧的格式进行分析。

    485电平信号表示在RS485传输介质上Modbus RTU数据帧的485逻辑电平信号。RS485

采用的平衡双绞线传输，即AB线平衡差分传输，其逻辑电平是这样定义的：逻辑1（正逻辑电平）为B>A的状态．逻辑0（负逻辑电平）为A>B的状态，A、B之问的压差在0.2—6.0 V。Modbus RTU传输模式规定2种字符定时时间：Modbus帧间隔T3.5．即图4中的T3.5和Modbus帧内间隔T1.5。当链路上没有字符传输的时问间隔达到T3.5后，被识别为帧结束。根据本测试平台Modbus链路卜485平衡双绞线的波特率9 600 baud/s，可以计算出T3.5等于3.5 ms、Modbus帧内间隔T1.5是指在RTU模式上整个报文帧必须以连续的字节流传输．报文帧内每个字符传输间隔必须是要小于1.5字符时间．否则就认为该报文帧不完整而被丢弃．同理也可以计算出帧内间隔T1.5为1.5  ms。

3.2实时性测试的实验数据

    Modbus/TCP通信网络的实时性测试得到的测试数据如表1和表2所示，表1是执行读取地址为0001的1个寄存器数据指令下测得的10组通信时延数据．表2是执行读取从地址0001开始的16个寄存器数据指令下测得的10组通信时延数据，、2个表中的Modbus/TCP通信时延T4和网关内部耗时T5是通过测试平台测试得到的总的通信时延Tl、Modbus通信时延T2和485通信时延T3计算得出．TCP连接建立耗时T6是上位机与Modbus/TCP网关之间的建立连接所消耗的时问，通过第三方Modbus Poll应用软件完成连接建立时．由Ethereal工具测试得到。2个表巾的通信时延数据都是在一次TCP连接建立后进行的10次通信的测试结果，也就是说总通信时延Tl并不包括TCP连接建立耗时T6, T6只是独立测出的。

    读取不同寄存器数据的Modbus请求帧的协议数据单元( PDU)分别为读取1个寄存器：02 030001 0001,读取16个寄存器：02 03 0001 0010。通过Ethereal以太网数据包捕获工具分析出读取1个寄存器和16个寄存器的请求数据包长度都是66字节，读取1个寄存器数据返回的以太网响应数据包长度为65字节，渎取16个寄存器数据返回的以太网响应数据包长度为95字节。结合图4和图5也可发现读取16个寄存器数据时返回的数据帧长度是要长些。

4数据分析

    从表1和表2给出的总通信时延T1发现其数

值数据略有小幅的波动，分析其原因主要是断路器处理上位机的Modbus请求时产生的不确定性，可以通过对断路器控制器的性能改进来提高其稳定性。结合时序图4和图5，通过比较读取不同数量的寄存器数据所消耗的通信延时数据可以得出以下结论：

    (1)在Modbus通信链路上的通信延时是不同的，读取寄存器的数量增加所对应的数据在

Modbus通信链路上的通信延时就增长．测试中也发现当只读取1个寄存器数据消耗的时间是最短的，只有35 ms．读取16个寄存器数据大概是65 ms。究其原因是Modbus通信链路上从站断路器采用RS485的通信标准．其串口通信速率是固定的为9 600 baud/s。

    (2)从表中TCP连接建立耗时T6，可以看出TCP连接建立耗时消耗时间在几百微秒。Modbus/TCP协议时面向连接的，通信前必须先建立TCP连接，这是有Modbus/TCP协议的传输层TCP协议所决定的。本测试平台下Modbus/TCP的连接保持通信方式是可以在一次连接的建立下进行多次请求和响应，因此连接建立时间并不影响Modbus/TCP通信的实时性。对比2个表中的网关内部时延T4为160 μs和240 μS，得其数值小而固定，说明所设计的网关性能稳定可靠。

    (3)从2个表中Modbus/TCP通信时延T5数值分别为533.9 μs和539.3 μs，相比于总通信时延Tl的34.618 ms和65.087 ms,  可以表明Modbus/TCP以太网通信速度快传输延时小．Modbus通信链路受485双绞线通信速率的限制，导致Modbus通信链路的Modbus通信时延T2占据了总通信时延Tl的绝大部分时间。

    (4)测试结果与Modbus/TCP协议在应用层上采用主从式通信方式和轮询机制能够减少数据链路层上的数据碰撞几率．与避免访问冲突的理论分析相符合．实测中Modbus/TCP以太网通信链路上通信可靠．又根据执行读取不同数量寄存器数据下Modbus/TCP通信时延小而固定，说明Modbus/TCP通信协议有实时性好的优点，能满足低压配电系统的实时化网络通信的要求。

5结语

目前在低压配电系统实现智能化通信组网主要的解决方法是通过设计相应网关作为中间协议转换设备，实现断路器与以太网的通信组网。这种组网方式只是针对目前低压开关大多只带Mod-bus、Profibus等现场总线通信接口，存在一定的局限性。因此，基于以太网技术的迅猛发展和低压配电系统未来发展规划，在智能型断路器上，内嵌Modbus/TCP协议以太网通信模块，通过以太网通信接口直接与以太网互联而不需通过网关设备．这样可以极大地缩短断路器与上位机的通信延时，提高低压配电系统通信网络的实时性。

6摘  要：将Modbus/TCP通信协议应用于低压智能断路器，进行了Modbus/TCP通信协议实时性能的研究，从理论上分析了Modbus/TCP通信网络的链路建立和数据传输时间。通过在实验室利用智能断路器作为从站设备搭建了Modbus/TCP通信网络的实时性测试平台，对Modbus/TCP通信协议进行了实时性测试，根据测试数据详细分析了Modbus/TCP通信协议的通信实时性能，满足智能配电开关设备的通信要求，最终从测试结果分析中验证了在现有低压开关设备中采用Modbus/TCP通信协议的可行性和有效性，对低压配电系统的智能化和信息化的实现具有一定的现实意义。