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【案例】PLC通用性数据通信接口的研究

2016-06-17 08:28
seele_jin
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  4 、接口设计

  通常来说,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在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)都由用户自己进行定义。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,如果组成通道,每一个采集周期都要进行通讯,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进行抽象,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,达到通用的目的。通过封装格式,规范代码,统一接口,提高驱动开发效率,降低驱动开发的难度。提高代码的重用性,增强驱动的稳定性,减少设计中容易出现的错误。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(某些设备完成一次采集需要一次以上的发收过

  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;对与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来,降低开发的难度。

  对驱动的开发人员来说,需要关注的接口仅有以下部分:

  定义设备本身的属性;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口,实现过程将由开发人员完成。

  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三种采集模式,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。采集目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,在该模式下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,按流量计费,所以不能进行大量的通讯。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。

  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,之后直到下一次通道的刷新周期到达再进行下一次采集。

  在模块设计中,采集模式作为设备类的一个属性,由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下:

  密集采集执行流程:设置一个采集周期如1000ms。每当开始一个新采集周期时,重新计算采集通道的优先级别。遍历所有的通道,找出目前优先级最高的通道,进行采集。对通道进行分块(块中包含最需要刷新的通道)。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回应;根据返回的信息解析出结果,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一次采集直到一次通讯循环结束;直到遍历完所有需采集的通道。

  按需采集执行流程:循环对每个通道进行采集,保存采集成功的值,并进行后续处理。定时采集执行流程由定时器触发,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量的数据中,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。保证采集尽量少的通道,为每个需要采集的通道提供更快的采集周期。从而减少通讯量。

  (2)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来改变其优先级。

  (3)实现一个动态分块算法,在一个合理的粒度上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组成一个数据请求包,则进行处理,提高一次采集的通道数。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。重复同样的过程,将剩下的通道继续分块,直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量保证包含更多的请求,从而减少请求的总次数。

  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,并在不同项目中得到应用。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,可靠性高。保证了项目的顺利实施。本文作者创新点: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,并提高通信稳定性、实时性,具有很高的实用价值和经济价值。

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