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1、PLC通用性数据通信接口的研究摘要：随着丁业自动化的发展，PLC驱动程序的设计和开发成为故常遇到的问题。信道利用率和数据采集 效率宜接影响到整个监控系统的性能。本文讨论了设计和开发PLC驱动程序的方法：详细介绍PLC底层 驱动函数的设计和实现：并探讨J提高信道利用率的儿个关键问题。实验证明，能够降低开发成木并大大 提高计算机监控系统与PLC之间的数据通信的效率和信道利用率。1引言随看计算机科学技术、工业控制等方面的新技术的迅速发展，使用计算机监控系统与现场PLC设备进行 数据交换得到了广泛的应用。这类数据交换往往具有以下的特点，数据厳大,采集点分散，带宽较窄。山 于不同厂家所提供的PLC现场设
2、备的通讯机制并不相同，计算机监控系统软件需要开发的设备通信驱动程 序就越來越多。这种复杂的设备驱动程序的开发具有以卜的特点:首先，上位监控系统与PLC设备间的数据交换，应用较普遍。其次,这种数据通讯过程,缺乏有通用性的框架设计,开发周期长，难度大，难以通用。再者，在育限带宽限制条件下的大数据量传输，普遍存在着信道利用率低，系统效率差，不稳定的情况, 迫切需要大帼度提高信道利用率的算法。而H在已育的数据交换标准中，对于有限带宽条件卜的信道利用 率也没有成熟的设计。如上所述，开发PLC设备的通用性数据通信接口具有广泛的应用前景和实现价值。www.chuwei-木文主要针对上位监控系统与PLC设备Z
3、间的数据通信进行分析，介绍了 PLC 设备的驱动开发的方法，并提供PLC通信的实例。2 PLC驱动的使用木文中以使用串I通讯的PLC为例进行分析和说明，监控系统为北京昆仑通态公司生产的MCGS监控 软件。开发工具为VC+6.0。MCGS中PLC C经将串丨I通讯的波特率设置等功能集成金串丨I父设备中，因此PLC设备驰动是作为 MCGS监控软件设备管理窗口中的子设备提供的。它可以使用父设备的通讯功能，即町以与其他设备共亭 父设备的通讯功能。山于使用串口的PLC设备较多，在这里我们以使用串口通讯方式的PLC为例进行说 明PLC通用驱动的构架的开发。如使用自定义编程电缆方式或使用以太网方式连接，此P
4、LC驱动构架同 样适用。使用串口通讯的PLC与上位机的通讯方式中，有RS232. RS485、RS422多种方式。如果设备是采用 RS232方式通讯，那么在一个串口下面只能挂接一个设备。如果采用RS485或者RS422的方式通讯，那 么可以使用多个设备构成一个网络，在这个网络中，为了识别各个不同的设备，给毎一个设备加上一个标 志，一般來说把这个标志称作设备地址。这个总线上的设备分为主设备和从设备两类。在工作时，从设备 一直在监听通讯线路上的数据，并对这些数据进行分析，当收到对自己的请求时,会发送一个相应的应答 帧。主设备在丁作时会根据需要向从设备发送请求帧，请求一些数据或者是发送一 条命令，在
5、发完请求帧后主设备需等待从设备的冋答，这个等待的过程有一个超时时间限制。如果过了一 定的时间还没有收到冋答，它会认为本次通讯失败，然后按照一定的逻轲判断是应该朿发请求还是放弃。通讯使用的通讯协议，分为ASCII通讯和16进制通讯两类。PLC的通讯协议中大多数都是使用16进制 通讯。而且在串口通讯中，为了保证通讯的正确性、完整性，通常在通讯帧的尾部加上校验，常见的有和 校验，并或校验，CRC校验等等。在通讯过程中，上位机的MCGS监控软件调用PLC驱动，根据具体协议，向PLC设备发送寄存器的读 写命令，并接收应答数据。3主要流程3.1采集流程为便于说明，此处以一个采集周期内仅需单次采集的故简情况
6、为例。在5.1中的密集采集模式中，描述 了对一周期内碍多次采集的算法。采集过程描述如下:首先进行初始化，随后创建通道。进入数据采集周期,在每个数据采集周期中，首 先形成读命令，随后校验发送数据帧，读写串口完成一次通讯，如果通讯成功，那么校验后将接收到的数 据解码输出到通道，返冋成功标识，如果通讯不成功或校验失败，返冋失败标识。3.2解析函数流程上图为解析数据帧的流程图。不同的设备具有不同的协议内容，使用定义好的模版解析函数貝需要开发 人员按照设备协议将帧分割为令效的数据部分，添入联合体FrameField即可。该联合体可将协议数据最小 分割为位來进行操作。如上图所示，第一个字节为帧头，最后一个
7、字节为帧尾，第二个字节为状态标示，第三至第六个字节为 模拟量，第七个字节为单位，第八个字节按位分为四路输入和四路输出。4接口设计通常:來说，一个厂家的同系列的PLC产品，通讯协议一般是一样的。区别只是在于其中一些寄存器的大 小不同。这样我们就考虑可以让这一个系列的设备使用同一个驱动。为了提高通用性，同时一般情况下， 用户也不需要使用所有的寄存器，所以把这种设备构件的通道设计成用户可以农组态时自己进行定义。所 有-的通道及其所对应的参数（即是寄存器地址）都山用户自己进行定义。驱动程序根据用户定义的信息进 行通讯。而且PLC当中可能有一些参数用户并不常用,如果纽成通道,毎一个采集周期都要进行通讯,
8、效 率比较低下，考虑到这种情况，我们提供了一些外部接口供监控系统调用，在这些接口中可以发送命令， 支持所有的寄存器通道。而对不同厂家的PLC设备进行分析，也可以发现，可以将通讯过程和协议方式述行抽象，提取它们的共 同点和变化点，封装和隐藏数据交换过程中的细节，达到通用的日的。通过封装格式，规范代码，统一接II, 提高驱动开发效率，降低驱动开发的难度。提高代码的朿用性，增强驱动的稳定性，减少设计中容易出现 的错谋。使开发人员把主要的精力放在对设备的熟悉和对协议的分析上，而不是过多地纠缠于编程实现的 细枝末节上。封装的数据和操作包括:隐藏一次数据采集中的底层通讯过程（某些设备完成次采集需要一次以上
9、的发收过程,如西门子 S7200）:封装针对采集点分散的动态采集算法；封装常用的命令操作；对打监控系统间的交互提供统一 的接口; PLC驱动封装了底层的通讯过程,只将接口方法暴露在外面，开发人员以统一的方式去调用这个 方法，从而保证软件对客户的透明性，使开发人员从低层的开发中脱离出來，降低开发的难度。对驱动的开发人员來说，需要关注的接口仅有以下部分：定义设备木身的属性；如地址、实时采集的时间要求等；定义设备的读写操作属性:如通道数量等；通 用设计仅提供跟设备协议相关的组包和解包接1，实现过程将山开发人员完成。5关键问题分析为提供信道利用率，提高系统效率，在PLC的通信框架设计中考虑了几个关键问
10、题。5.1三种采集模式经过对现有的数据交换的分析，将用户的一般需求拟概括为二种采集模式，即密集采集，按需采集，定 时采集。密集采集模式：在这种情况下，用户希望能尽量利用物理带宽，保证最快的采集速度和更新。在这种模 式下，理想状态是设备始终处于采集状态。采集H前所有激活通道中离需要采集的周期时间最小的通道。 保证所有的通道都能获得采集机会,但是相对与其他模式,在该模式K CPU占用率会比较高。按需采集模式：在通讯链路需要受控的情况下，比如用户采用GPRS进行采集，按流最计费，所以不能 进行大最的通讯。这时候通过设置采集模式为按需采集，然后在需要时再调用接口函数启动单次采集。否 则不进行数据采集。
11、定时采集模式：该模式是在CPU的占用率和采集速度之间进行折衷的采集框式，保证在用户设置的通 道刷新周期的时间内进行通道的采集，之后盲到下次通道的刷新周期到达再进行下次采集。在模块设计中，采集模式作为设备类的一个属性，山开发人员根据具体情况，选择合适的采集模式。不 同采集模式的采集算法实现如卜:密集采集执行流程：设置个采集周期如1000ms.毎当开始一个新采集周期时,匝新计算采集通道的 优先级别。遍历所有的通道，找出日前优先级最高的通道，进行采集。对通道进行分块（块中包含垠需要 刷新的通道）。进入通讯循环（某些设备进行一次采集至少需要两次通讯所以需要通讯循环）。发送数据 请求并等待冋应：根据返冋
12、的信息解析出结果，并作相应处理：判断是否需要下一次采集，如果不需要跳 出循环;更新通道和采集标志；继续发送线程消息启动下次采集肖到一次通讯循环结束；直到遍历完所 有需采集的通道。按岛采集执行流程:循环对毎个通道进行采集,保存采集成功的值，并进行后续处理。定时采集执行流 程山定时器触发，采集流程与密集采集一样，但在判断没有满足采集要求的通道不进行采集。5.2采集点分散的动态采集算法在现有的数据交换过程中,用户关心的数据往往只占全部信息的很小一部分，而且这些采集点分散在海 最的数据中，如果不加判断的依次读取数据，有效信息与采集信息的比例很低，实时性差：如果仅采集有 效信息，分配的采集粒度过小,又会
13、造成系统效率低下，信道利用率差。针对这一问题，采取以下的解决 方法：（1）只采集用户关心的数据。如当有多个通道时，只传送当前用户只关心的通道的数据，而不关心其 它的通道。保证采集尽最少的通道，为毎个需要采集的通道提供更快的采集周期。从阳减少通讯最。对于待采集的数据分配不同的优先级，对实时性要求高的部分数据优先采集。可以根据用户设置 的数据刷新时间來改变其优先级。（3）实现一个动态分块算法，在一个合理的粒度匕对采集的信息分块传输，兼顾信道利用率与有效信 息获取的实时性：实现的分块算法简述如下：在采集时判断，如果当前采集的寄存器类的激活通道可以纽 成一个数据请求包，则进行处理,提高一次采集的通道数
14、。根据开发人员定义的通道优先级,找出优先级 最高的通道地址附近的地址连续（或紧密）的通道，这些通道形成一个通道块。匝复同样的过程，将剩下 的通道继续分块，肖到形成的块数大于某一规定的数值比如20或将本寄存器的所有通道分配完成。（4）根据通讯协议的特点，在打包数据请求时尽最保证包含更多的诘求，从闻减少请求的总次数。6结论根据本文的PLC通用性数据接口开发人员已开发出多个厂家的PLC驱动，并在不同项H中得到应用。 在此PLC通用数据接口基础上开发PLC驱动，缩短了开发时间和难度。投入运行的系统通信稳定，采集 速度快，通用性好，町靠性高。保证了项目的顺利实施。木文作者创新点:具有通用性的监控系统与PLC通 信接口设计，能够大大缩短开发时间和难度,并提髙通信稳定性、实时性，具有很高的实用价值和经济价 值。
