摘要：隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，PLC驅動程序的設計和開發(fā)成為最常遇到的問題。信道利用率和數(shù)據(jù)采集效率直接影響到整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能。本文討論了設計和開發(fā)PLC驅動程序的方法；詳細介紹PLC底層驅動函數(shù)的設計和實現(xiàn)；并探討了提高信道利用率的幾個關鍵問題。實驗證明，能夠降低開發(fā)成本并大大提高計算機監(jiān)控系統(tǒng)與PLC之間的數(shù)據(jù)通信的效率和信道利用率。 1 引言 隨著計算機科學技術、工業(yè)控制等方面的新技術的迅速發(fā)展，使用計算機監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場PLC設備進行數(shù)據(jù)交換得到了廣泛的應用。這類數(shù)據(jù)交換往往具有以下的特點，數(shù)據(jù)量大，采集點分散，帶寬較窄。由于不同廠家所提供的PLC現(xiàn)場設備的通訊機制并不相同，計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件需要開發(fā)的設備通信驅動程序就越來越多。這種復雜的設備驅動程序的開發(fā)具有以下的特點: 首先，上位監(jiān)控系統(tǒng)與PLC設備間的數(shù)據(jù)交換，應用較普遍。 其次，這種數(shù)據(jù)通訊過程，缺乏有通用性的框架設計，開發(fā)周期長，難度大,難以通用。 再者，在有限帶寬限制條件下的大數(shù)據(jù)量傳輸，普遍存在著信道利用率低，系統(tǒng)效率差，不穩(wěn)定的情況,迫切需要大幅度提高信道利用率的算法。而且在已有的數(shù)據(jù)交換標準中，對于有限帶寬條件下的信道利用率也沒有成熟的設計。 如上所述，開發(fā)PLC設備的通用性數(shù)據(jù)通信接口具有廣泛的應用前景和實現(xiàn)價值。本文主要針對上位監(jiān)控系統(tǒng)與PLC設備之間的數(shù)據(jù)通信進行分析，介紹了PLC設備的驅動開發(fā)的方法，并提供PLC通信的實例。 2 PLC驅動的使用 本文中以使用串口通訊的PLC為例進行分析和說明，監(jiān)控系統(tǒng)為北京昆侖通態(tài)公司生產(chǎn)的MCGS監(jiān)控軟件。開發(fā)工具為VC++6.0。 MCGS中PLC已經(jīng)將串口通訊的波特率設置等功能集成至串口父設備中，因此PLC設備驅動是作為MCGS監(jiān)控軟件設備管理窗口中的子設備提供的。它可以使用父設備的通訊功能，即可以與其他設備共享父設備的通訊功能。由于使用串口的PLC設備較多，在這里我們以使用串口通訊方式的PLC為例進行說明PLC通用驅動的構架的開發(fā)。如使用自定義編程電纜方式或使用以太網(wǎng)方式連接，此PLC驅動構架同樣適用。 使用串口通訊的PLC與上位機的通訊方式中，有RS232、RS485、RS422多種方式。如果設備是采用RS232方式通訊，那么在一個串口下面只能掛接一個設備。如果采用RS485或者RS422的方式通訊，那么可以使用多個設備構成一個網(wǎng)絡，在這個網(wǎng)絡中，為了識別各個不同的設備，給每一個設備加上一個標志，一般來說把這個標志稱作設備地址。這個總線上的設備分為主設備和從設備兩類。在工作時，從設備一直在監(jiān)聽通訊線路上的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析，當收到對自己的請求時，會發(fā)送一個相應的應答幀。主設備在工作時會根據(jù)需要向從設備發(fā)送請求幀，請求一些數(shù)據(jù)或者是發(fā)送一條命令，在發(fā)完請求幀后主設備需等待從設備的回答，這個等待的過程有一個超時時間限制。如果過了一定的時間還沒有收到回答，它會認為本次通訊失敗，然后按照一定的邏輯判斷是應該重發(fā)請求還是放棄。 通訊使用的通訊協(xié)議，分為ASCII通訊和16進制通訊兩類。PLC的通訊協(xié)議中大多數(shù)都是使用16進制通訊。而且在串口通訊中，為了保證通訊的正確性、完整性，通常在通訊幀的尾部加上校驗，常見的有和校驗，異或校驗，CRC校驗等等。 在通訊過程中，上位機的MCGS監(jiān)控軟件調(diào)用PLC驅動，根據(jù)具體協(xié)議，向PLC設備發(fā)送寄存器的讀寫命令，并接收應答數(shù)據(jù)。 3 主要流程 3.1采集流程 為便于說明，此處以一個采集周期內(nèi)僅需單次采集的最簡情況為例。在5.1中的密集采集模式中，描述了對一周期內(nèi)需多次采集的算法。 采集過程描述如下：首先進行初始化，隨后創(chuàng)建通道。進入數(shù)據(jù)采集周期，在每個數(shù)據(jù)采集周期中，首先形成讀命令，隨后校驗發(fā)送數(shù)據(jù)幀，讀寫串口完成一次通訊，如果通訊成功，那么校驗后將接收到的數(shù)據(jù)解碼輸出到通道，返回成功標識，如果通訊不成功或校驗失敗，返回失敗標識。 3.2解析函數(shù)流程 上圖為解析數(shù)據(jù)幀的流程圖。不同的設備具有不同的協(xié)議內(nèi)容，使用定義好的模版解析函數(shù)只需要開發(fā)人員按照設備協(xié)議將幀分割為有效的數(shù)據(jù)部分，添入聯(lián)合體FrameField即可。該聯(lián)合體可將協(xié)議數(shù)據(jù)最小分割為位來進行操作。 如上圖所示，第一個字節(jié)為幀頭，最后一個字節(jié)為幀尾，第二個字節(jié)為狀態(tài)標示，第三至第六個字節(jié)為模擬量，第七個字節(jié)為單位，第八個字節(jié)按位分為四路輸入和四路輸出。 4 接口設計 通常來說，一個廠家的同系列的PLC產(chǎn)品，通訊協(xié)議一般是一樣的。區(qū)別只是在于其中一些寄存器的大小不同。這樣我們就考慮可以讓這一個系列的設備使用同一個驅動。為了提高通用性，同時一般情況下，用戶也不需要使用所有的寄存器，所以把這種設備構件的通道設計成用戶可以在組態(tài)時自己進行定義。所有的通道及其所對應的參數(shù)（即是寄存器地址）都由用戶自己進行定義。驅動程序根據(jù)用戶定義的信息進行通訊。而且PLC當中可能有一些參數(shù)用戶并不常用，如果組成通道，每一個采集周期都要進行通訊，效率比較低下，考慮到這種情況，我們提供了一些外部接口供監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用，在這些接口中可以發(fā)送命令，支持所有的寄存器通道。 而對不同廠家的PLC設備進行分析，也可以發(fā)現(xiàn)，可以將通訊過程和協(xié)議方式進行抽象，提取它們的共同點和變化點，封裝和隱藏數(shù)據(jù)交換過程中的細節(jié)，達到通用的目的。通過封裝格式,規(guī)范代碼，統(tǒng)一接口，提高驅動開發(fā)效率，降低驅動開發(fā)的難度。提高代碼的重用性，增強驅動的穩(wěn)定性，減少設計中容易出現(xiàn)的錯誤。使開發(fā)人員把主要的精力放在對設備的熟悉和對協(xié)議的分析上，而不是過多地糾纏于編程實現(xiàn)的細枝末節(jié)上。 封裝的數(shù)據(jù)和操作包括： 隱藏一次數(shù)據(jù)采集中的底層通訊過程（某些設備完成一次采集需要一次以上的發(fā)收過程，如西門子S7200）；封裝針對采集點分散的動態(tài)采集算法；封裝常用的命令操作；對與監(jiān)控系統(tǒng)間的交互提供統(tǒng)一的接口；PLC驅動封裝了底層的通訊過程，只將接口方法暴露在外面，開發(fā)人員以統(tǒng)一的方式去調(diào)用這個方法，從而保證軟件對客戶的透明性，使開發(fā)人員從低層的開發(fā)中脫離出來，降低開發(fā)的難度。 對驅動的開發(fā)人員來說，需要關注的接口僅有以下部分： 定義設備本身的屬性；如地址、實時采集的時間要求等；定義設備的讀寫操作屬性；如通道數(shù)量等；通用設計僅提供跟設備協(xié)議相關的組包和解包接口，實現(xiàn)過程將由開發(fā)人員完成。 5 關鍵問題分析 為提供信道利用率，提高系統(tǒng)效率，在PLC的通信框架設計中考慮了幾個關鍵問題。 5.1三種采集模式 經(jīng)過對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)交換的分析，將用戶的一般需求擬概括為三種采集模式，即密集采集，按需采集，定時采集。 密集采集模式：在這種情況下，用戶希望能盡量利用物理帶寬，保證最快的采集速度和更新。在這種模式下，理想狀態(tài)是設備始終處于采集狀態(tài)。采集目前所有激活通道中離需要采集的周期時間最小的通道。保證所有的通道都能獲得采集機會，但是相對與其他模式，在該模式下CPU占用率會比較高。 按需采集模式：在通訊鏈路需要受控的情況下，比如用戶采用GPRS進行采集，按流量計費，所以不能進行大量的通訊。這時候通過設置采集模式為按需采集，然后在需要時再調(diào)用接口函數(shù)啟動單次采集。否則不進行數(shù)據(jù)采集。 定時采集模式：該模式是在CPU的占用率和采集速度之間進行折衷的采集框式，保證在用戶設置的通道刷新周期的時間內(nèi)進行通道的采集，之后直到下一次通道的刷新周期到達再進行下一次采集。 在模塊設計中，采集模式作為設備類的一個屬性，由開發(fā)人員根據(jù)具體情況，選擇合適的采集模式。不同采集模式的采集算法實現(xiàn)如下： 密集采集執(zhí)行流程：設置一個采集周期如1000ms。每當開始一個新采集周期時，重新計算采集通道的優(yōu)先級別。遍歷所有的通道，找出目前優(yōu)先級最高的通道，進行采集。對通道進行分塊（塊中包含最需要刷新的通道）。進入通訊循環(huán)（某些設備進行一次采集至少需要兩次通訊所以需要通訊循環(huán)）。發(fā)送數(shù)據(jù)請求并等待回應；根據(jù)返回的信息解析出結果，并作相應處理；判斷是否需要下一次采集，如果不需要跳出循環(huán)；更新通道和采集標志；繼續(xù)發(fā)送線程消息啟動下一次采集直到一次通訊循環(huán)結束；直到遍歷完所有需采集的通道。 按需采集執(zhí)行流程：循環(huán)對每個通道進行采集，保存采集成功的值，并進行后續(xù)處理。定時采集執(zhí)行流程由定時器觸發(fā)，采集流程與密集采集一樣，但在判斷沒有滿足采集要求的通道不進行采集。 5.2采集點分散的動態(tài)采集算法 在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)交換過程中，用戶關心的數(shù)據(jù)往往只占全部信息的很小一部分，而且這些采集點分散在海量的數(shù)據(jù)中，如果不加判斷的依次讀取數(shù)據(jù)，有效信息與采集信息的比例很低，實時性差；如果僅采集有效信息，分配的采集粒度過小，又會造成系統(tǒng)效率低下，信道利用率差。針對這一問題，采取以下的解決方法： （1）只采集用戶關心的數(shù)據(jù)。如當有多個通道時，只傳送當前用戶只關心的通道的數(shù)據(jù)，而不關心其它的通道。保證采集盡量少的通道，為每個需要采集的通道提供更快的采集周期。從而減少通訊量。 （2）對于待采集的數(shù)據(jù)分配不同的優(yōu)先級，對實時性要求高的部分數(shù)據(jù)優(yōu)先采集?？梢愿鶕?jù)用戶設置的數(shù)據(jù)刷新時間來改變其優(yōu)先級。 （3）實現(xiàn)一個動態(tài)分塊算法，在一個合理的粒度上對采集的信息分塊傳輸，兼顧信道利用率與有效信息獲取的實時性；實現(xiàn)的分塊算法簡述如下：在采集時判斷，如果當前采集的寄存器類的激活通道可以組成一個數(shù)據(jù)請求包，則進行處理，提高一次采集的通道數(shù)。根據(jù)開發(fā)人員定義的通道優(yōu)先級，找出優(yōu)先級最高的通道地址附近的地址連續(xù)（或緊密）的通道，這些通道形成一個通道塊。重復同樣的過程，將剩下的通道繼續(xù)分塊，直到形成的塊數(shù)大于某一規(guī)定的數(shù)值比如20或將本寄存器的所有通道分配完成。 （4）根據(jù)通訊協(xié)議的特點，在打包數(shù)據(jù)請求時盡量保證包含更多的請求，從而減少請求的總次數(shù)。 6 結論 根據(jù)本文的PLC通用性數(shù)據(jù)接口開發(fā)人員已開發(fā)出多個廠家的PLC驅動，并在不同項目中得到應用。在此PLC通用數(shù)據(jù)接口基礎上開發(fā)PLC驅動，縮短了開發(fā)時間和難度。投入運行的系統(tǒng)通信穩(wěn)定，采集速度快，通用性好,可靠性高。保證了項目的順利實施。本文作者創(chuàng)新點:具有通用性的監(jiān)控系統(tǒng)與PLC通信接口設計，能夠大大縮短開發(fā)時間和難度，并提高通信穩(wěn)定性、實時性，具有很高的實用價值和經(jīng)濟價值。