一種基于Linux系統(tǒng)的PLC至數(shù)據(jù)庫直傳模塊

念路兵 鄭磊 胡興朝 胡之冉

【摘要】? ? 本系統(tǒng)設(shè)計了一種基于Linux系統(tǒng)的PLC至數(shù)據(jù)庫直傳模塊，可實現(xiàn)同品牌多基站或不同品牌多基站之間的數(shù)據(jù)直傳。本系統(tǒng)通過工業(yè)應(yīng)用終端站向數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)直傳方式進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和傳輸，可降低PLC數(shù)據(jù)傳輸冗余，提高工業(yè)現(xiàn)場信號采樣數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，以低成本方案解決不同品牌、不同基站之間的數(shù)據(jù)實時采集問題。

【關(guān)鍵詞】? ? Linux系統(tǒng)? ? PLC? ? 數(shù)據(jù)庫? ? 低成本數(shù)據(jù)直傳

引言

PLC作為一種通用可編程控制器在工業(yè)自動化現(xiàn)場已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。高效地獲取生產(chǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)對目前工業(yè)4.0的推行尤為關(guān)鍵。

現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)采集方式中轉(zhuǎn)端程序開發(fā)和維護(hù)費用高，采用主站輪詢方式導(dǎo)致服務(wù)器的工作負(fù)荷較大，同時采集實時性較差。本設(shè)計產(chǎn)品采用熱插拔模式，大大簡化工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集難度，提升數(shù)據(jù)采集的實時性和可靠性，大大降低數(shù)據(jù)采集成本和后續(xù)維護(hù)成本。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

如圖1所示為低成本的PLC至數(shù)據(jù)庫直傳模塊系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)主要包括PLC，Linux系統(tǒng)和PC主機三大組件。PLC將本地數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)口上傳至Linux系統(tǒng)中間應(yīng)用層，Linux系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后基于TCP/IP協(xié)議以報文形式上傳至PC主機。同時，PC主機可以向Linux系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，Linux系統(tǒng)接收到相應(yīng)的通訊指令后對PLC下達(dá)數(shù)據(jù)采集操作指令，PLC負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳操作。

Linux系統(tǒng)處理器處理器通過網(wǎng)口A和PLC通信，網(wǎng)口A為10/100M自適應(yīng)全雙工網(wǎng)口。通信規(guī)則基于每一個品牌的PLC開發(fā)協(xié)議進(jìn)行設(shè)計。網(wǎng)口B和目標(biāo)數(shù)據(jù)庫通信。Linux系統(tǒng)板存儲器中保存了用于不同廠家PLC通信協(xié)議的描述文件和配置。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.2.1 電源設(shè)計

Linux系統(tǒng)控制板供電電源為5V，因此在本設(shè)計中我們考慮使用5V/3A規(guī)格電壓進(jìn)行供電。為防止電源電壓短路和系統(tǒng)安全，5V電源外接保險絲F1，然后再使用100uF和0.1uF電容進(jìn)行濾波，濾波后作為系統(tǒng)供電電源使用。

1.2.2 以太網(wǎng)接口設(shè)計

本模塊選用的以太網(wǎng)芯片為DM9621。該芯片具備高效的TX/RX FIFO的自動管理，支持4個端點包括控制、中斷、Bulk_IN、Bulk_OUT。背壓模式為半雙工模式的流量控制，低功耗單電源3.3V。同時兼容兼容2.5V，3.3V和5.0V的I/O電平。

1.2.3 燒錄調(diào)試接口設(shè)計

通過OTG燒寫方式可以燒寫Linux系統(tǒng)文件。OTG接口燒寫方式也叫Fastboot燒寫方式，燒寫速度比TF卡燒寫速度更快。使用通用的OTG線作為燒錄介質(zhì)使用，需要燒錄軟件的支持。首先使用串口線連接開發(fā)板串口到PC機串口，然后使用OTG線，將開發(fā)板OTG接口和PC的USB接口相連。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括三部分：Linux系統(tǒng)軟件、模塊運行底層軟件設(shè)計和Windows上位機系統(tǒng)配置軟件設(shè)計。

1.3.1 Linux系統(tǒng)軟件設(shè)計

Linux 2.2 提供核心系統(tǒng)服務(wù)，例如：安全、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、網(wǎng)絡(luò)堆棧、驅(qū)動模型。Linux Kernel 也作為硬件和軟件之間的抽象層，它隱藏具體硬件細(xì)節(jié)而為上層提供統(tǒng)一的服務(wù)。Linux系統(tǒng)分層的好處就是使用下層提供的服務(wù)而為上層提供統(tǒng)一的服務(wù)，屏蔽本層及以下層的差異，當(dāng)本層及以下層發(fā)生了變化不會影響到上層。各層提供固定的SAP（Service Access Point），符合高內(nèi)聚、低耦合的特點。

1.3.2 底層運行軟件設(shè)計

底層軟件由C編寫，它是整個軟件的核心，軟件分為3個模塊。

A：PLC通信模塊

B： 數(shù)據(jù)庫通信模塊

C：主循環(huán)配置模塊

其中：模塊A調(diào)用配置文件中的PLC通信配置文件，實現(xiàn)不同品牌不同協(xié)議的PLC通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。采集需要指定讀取的目標(biāo)PLC內(nèi)存地址，采集分為周期性采集和條件觸發(fā)式采集。這些都是在配置文件中讀取出來的。

模塊B調(diào)用配置文件中數(shù)據(jù)庫的配置參數(shù)，實現(xiàn)模塊與數(shù)據(jù)庫的通信， 模塊A采集的數(shù)據(jù)與模塊B之間建立了一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以解決當(dāng)觸發(fā)模式下高速采集PLC數(shù)據(jù)與模塊至數(shù)據(jù)庫上傳的速度不同步的問題。

配置C為實現(xiàn)整個程序運行的邏輯和時序的模塊。以及與配置工具的交互。

1.3.3 系統(tǒng)通訊協(xié)議設(shè)計

計算機技術(shù)的飛速發(fā)展為PLC提供了新的技術(shù)手段，通過通訊手段使得計算機可以實時監(jiān)測PLC的運行。但是各PLC通訊介質(zhì)和通訊協(xié)議各不相同，主流的PLC通訊協(xié)議包括MPI、CAN總線、PROFIBUS、CP441、MODBUS等。本設(shè)計不需要針對專門的PLC編寫特殊的通訊協(xié)議，而是通過在上位機配置端口調(diào)用各品牌的PLC通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)通訊。以歐姆龍為例，通過上位機調(diào)用PLC通訊協(xié)議配置文件。

使用以上格式的識別碼，可以進(jìn)行PLC與上位機命令鏈接，構(gòu)成數(shù)據(jù)存儲區(qū)讀寫數(shù)據(jù)幀。

讀IR/SR時，命令碼為RR，讀指定的若干IR和SR字的內(nèi)容，以指定字的地址為起始。

1.3.4 Windows上位機系統(tǒng)配置設(shè)計

Windows桌面配置軟件由C#編寫。用于配置模塊的工作參數(shù)，也可以通過監(jiān)控模塊的工作狀態(tài)。軟件組成框圖如圖2所示。

其中通信配置模塊包含PLC通信配置和數(shù)據(jù)庫通信配置PLC通信配置中可以配置與PLC的通信參數(shù)比如PLC的IP地址，PLC的通信站號，使用的通信協(xié)議等。

數(shù)據(jù)庫通信配置中可以配置目標(biāo)數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)地址、用戶名、密碼。數(shù)據(jù)庫的目標(biāo)Sheet，綁定字段等操作。

采集配置模塊包含采集目標(biāo)內(nèi)存地址設(shè)置，采集模式設(shè)置。兩個部分。目標(biāo)地址可以設(shè)置PLC的輸入、輸出映象區(qū)，數(shù)據(jù)寄存器區(qū)?？梢栽O(shè)置Bit、Byte、Int、Dint、Flout、ASCII等多個類型的數(shù)據(jù)。對于不同的采集地址可設(shè)置2種采集模式，周期性采集和觸發(fā)式采集。其中觸發(fā)式采集模式可以通過讀取不同內(nèi)存地址的值，并通過一定的邏輯組合和條件判斷產(chǎn)生讀取目標(biāo)地址的條件，當(dāng)條件滿足后讀取數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)。

二、結(jié)語

本設(shè)計針對現(xiàn)有的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場PLC數(shù)據(jù)采集方案缺陷，設(shè)計了一種基于Linux的PLC至數(shù)據(jù)庫直傳模塊。采用主動式的上傳方法，數(shù)據(jù)的處理和中轉(zhuǎn)任務(wù)都放在每一個模塊內(nèi)部的處理器上，提高系統(tǒng)整體運行效率。設(shè)置較高的現(xiàn)場設(shè)備采樣頻率，同時模塊至數(shù)據(jù)庫之間增加緩存區(qū)域。有效避免關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)采集失真，運行Liunx系統(tǒng)并安裝多個數(shù)據(jù)的ODBC驅(qū)動，對幾乎所有的數(shù)據(jù)庫具有兼容性。低成本的數(shù)據(jù)采集傳輸方式在現(xiàn)有的工業(yè)數(shù)據(jù)采集方案傳輸中占據(jù)非常大的優(yōu)勢，具備可研究價值。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]任一.基于Linux系統(tǒng)分析計算機C語言編程技巧[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（16）：126.

[2]王前進(jìn)，馬小平，張守田。PLC軟冗余在通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動化，2014，40（01）：93-96.

[3]周石強，郭強，朱濤，等。電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)的分析研究[J].中華民居（下旬刊），2014（01）：199+201.

[4]郭瑋，田錄林，張永良，等。基于嵌入式PLC軟核的通用保護(hù)平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（16）：122-126.

[5]工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線EtherCAT驅(qū)動程序設(shè)計及應(yīng)用[M]. 2010.