基于Prodave組件的PLC通訊接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏富平

摘要：上位PC機(jī)利用從PLC控制器實(shí)時(shí)采集的各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，自動(dòng)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各種機(jī)械設(shè)備和傳感器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行有效合理的統(tǒng)計(jì)分析，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和信息化管理，這已成為工業(yè)控制領(lǐng)域的一個(gè)重量的發(fā)展方向。本文以西門子的Prodave 組件為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種上位機(jī)與PLC控制器通訊的通用接口，項(xiàng)目實(shí)踐證明，該通訊接口穩(wěn)定性好、擴(kuò)展性強(qiáng)且實(shí)際操作靈活方便，便于用戶將此通訊接口集成至各類工業(yè)控制系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞： simatic;prodave;PLC;C#;設(shè)計(jì)模式

1 ?概述

自動(dòng)化工業(yè)控制領(lǐng)域中PLC作為一種高效、靈活、穩(wěn)定的控制器，有著廣泛的應(yīng)用。以PLC控制器為核心，上位PC機(jī)為實(shí)時(shí)監(jiān)控體的控制系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。實(shí)現(xiàn)PLC與PC的通信可以實(shí)現(xiàn)向上一級(jí)提供諸如工藝流程圖、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)畫面、報(bào)表顯示等多種窗口技術(shù)，使PLC控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，通過(guò)上位機(jī)對(duì)PLC數(shù)據(jù)的讀寫監(jiān)控實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、傳送以及生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度的自動(dòng)化和信息化，其應(yīng)用前景十分廣闊。

自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中通常會(huì)采用工業(yè)組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)系統(tǒng)，PLC作為下層控制設(shè)備，目前市場(chǎng)上通信組態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，應(yīng)用繁瑣，且不具備一定的通用性。隨著工業(yè)以太網(wǎng)的深入發(fā)展，相較于品種繁多的組態(tài)軟件來(lái)說(shuō)，高級(jí)編程語(yǔ)言更加適合開(kāi)發(fā)具有實(shí)時(shí)響應(yīng)、功能豐富、擴(kuò)展方便、高靈活性和易于移植等技術(shù)需求的上位機(jī)系統(tǒng)。為此，需要設(shè)計(jì)一種與PLC通信的通用接口，用戶采用高級(jí)編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的上位機(jī)系統(tǒng)能夠運(yùn)用此通訊接口與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

本文以造紙行業(yè)中紙卷輸送控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，對(duì)西門子S7系列中的PLC與上位機(jī)通訊的原理作深入細(xì)致的研究，依據(jù)Visual Studio 2005作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了PLC與上位PC機(jī)的通用通訊接口，該接口具有穩(wěn)定性好、易于擴(kuò)展維護(hù)且操作方便的特點(diǎn)，對(duì)于需要用上位機(jī)與PLC通訊的工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，具有一定的借鑒作用。

2 ?西門子Prodave組件介紹

Prodave是“Process Data Traffic”（過(guò)程數(shù)據(jù)交換）的縮寫形式，可以用于西門子S7-200、S7-300/400、M7和C7等S7系列PLC的通訊，通過(guò)MPI通信處理器、PC/MPI適配器和以太網(wǎng)絡(luò)可以方便地在PLC與PC之間建立數(shù)據(jù)鏈接。Prodave的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic Link Library，DLL）提供了大量的基于Windows系統(tǒng)的DLL函數(shù)，為用戶提供了解決上位機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)處理的詳細(xì)方案。

表1為項(xiàng)目中涉及到的Prodave組件的簡(jiǎn)單介紹。

現(xiàn)階段項(xiàng)目中使用的Prodave組件版本主要有Prodave5.x系列和Prodave6.2系列。其中，Prodave6.2可用于Window 64位操作系統(tǒng)，且可以采用MPI-Profibus或者以太網(wǎng)通信，而其他版本的組件只能安裝于Windows 32位操作系統(tǒng)的上位機(jī)中，一般采用MPI-Profibus通信方式。

Prodave組件的函數(shù)分為基本函數(shù)、數(shù)據(jù)處理函數(shù)和電話服務(wù)函數(shù)，基本函數(shù)主要包含建立連接、關(guān)閉連接、激活連接、讀取PLC地址數(shù)據(jù)以及寫入PLC地址數(shù)據(jù)的函數(shù)。

3 ?通用接口的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

3.1 現(xiàn)有設(shè)計(jì)問(wèn)題

由于上位機(jī)與PLC通信需要用到的Prodave組件版本過(guò)多，導(dǎo)致上位機(jī)與PLC通信時(shí)接口不盡相同，代碼復(fù)用能力差。當(dāng)上位機(jī)硬件設(shè)備升級(jí)或者更換Prodave通訊組件時(shí)，需要修改上位機(jī)控制系統(tǒng)中與PLC通信的模塊代碼。在紙卷輸送控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于每個(gè)項(xiàng)目的工藝設(shè)計(jì)和功能要求不同，工程設(shè)計(jì)人員在做項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)和設(shè)備選型時(shí)，選用西門子的CPU型號(hào)也不盡相同，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)不同的工藝需求采用不同版本的Prodave組件來(lái)編寫與PLC通信的代碼。圖1為上位機(jī)與PLC控制器現(xiàn)有通訊結(jié)構(gòu)。

3.2 通信接口設(shè)計(jì)要求

由于與PLC通信的Prodave組件版本多，對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)也不盡相同，因此對(duì)上位機(jī)來(lái)說(shuō)，新的通用接口需要滿足以下設(shè)計(jì)要求：

①通用性能強(qiáng)。能夠滿足現(xiàn)階段項(xiàng)目中使用的不同Prodave組件的要求，當(dāng)通信組件發(fā)生改變時(shí)，原有通信模塊不用發(fā)生變化;

②有較強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性能。如果未來(lái)出現(xiàn)新的Prodave組件的升級(jí)，現(xiàn)有系統(tǒng)中涉及的PLC通信模塊代碼不用發(fā)生變化，僅需要按接口要求增加新的Prodave組件對(duì)象即可;

③封裝性好，利于模塊移植。通用接口對(duì)應(yīng)的PLC通信模塊可以非常方便的遷移至其他項(xiàng)目中，盡可能少的修改原有模塊代碼。

3.3 通信接口設(shè)計(jì)方案

通過(guò)深入分析可以得知：不論是哪一種Prodave組件，上位機(jī)控制系統(tǒng)均希望此組件能完成對(duì)PLC控制器的建立連接、讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)和關(guān)閉連接的功能，而各種版本的Prodave組件均能滿足此種功能，不同的是接口函數(shù)名稱以及輸入?yún)?shù)各不相同。因此，可以按照軟件設(shè)計(jì)模式中的工廠設(shè)計(jì)方法，將涉及到與PLC操作的各個(gè)對(duì)象中操作函數(shù)按一定的規(guī)則抽象出來(lái)，形成一個(gè)通用的接口對(duì)象。圖2是改進(jìn)后上位機(jī)系統(tǒng)與PLC的通訊結(jié)構(gòu)。

3.4 通用接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)通用接口對(duì)象前，首先需要分析現(xiàn)有各版本Prodave 組件對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)，然后再根據(jù)各接口函數(shù)再抽象成對(duì)應(yīng)的接口對(duì)象。

①Prodave5.x組件。

主要包含有加載與激活連接、讀取與寫入PLC數(shù)據(jù)以及卸載連接的接口函數(shù)。

protected extern static int load_tool（byte nr， string device， byte[，] adr_table）

protected extern static int new_ss（byte no）

protected extern static int unload_tool（）

protected extern static int d_field_read（int dbno， int dwno， int amount， byte[] buffer）

protected extern static int d_field_write（int dbno， int dwno， int amount， byte[] buffer）

②Prodave6.x組件。

主要包含有加載與激活連接、讀取與寫入PLC數(shù)據(jù)以及卸載連接的接口函數(shù)。

protected extern static int LoadConnection_ex6（int ConNr， string pAccessPoint， int ConTableLen， ref CON_TABLE_TYPE pConTable）

protected extern static int SetActiveConnection_ex6（UInt16 ConNr）

protected extern static int UnloadConnection_ex6（UInt16 ConNr）

protected extern static int field_read_ex6（FieldType FType， UInt16 BlkNr， UInt16 StartNr， UInt32 pAmount， UInt32 BufLen， byte[] pBuffer， ref UInt32 pDatLen）

protected extern static int field_write_ex6（FieldType FType， UInt16 BlkNr， UInt16 StartNr， UInt32 pAmount， UInt32 BufLen， byte[] pBuffer）

從上述各版本Prodave組件對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)可知，Prodave5.x系列對(duì)應(yīng)的主要接口函數(shù)的函數(shù)名稱與對(duì)應(yīng)參數(shù)數(shù)量與類型與Prodave6.x系列對(duì)應(yīng)的主要接口函數(shù)函數(shù)名稱與對(duì)應(yīng)參數(shù)數(shù)量與類型基本不相同。因此需要在各個(gè)引用Prodave組件對(duì)應(yīng)的接口對(duì)象之上還需要抽象一個(gè)適配對(duì)象，目的在于將原始接口函數(shù)與加工后的接口函數(shù)分離開(kāi)，將各組件使用的接口函數(shù)的函數(shù)名稱與函數(shù)參數(shù)數(shù)量盡量保持一致。

圖3為對(duì)應(yīng)組件的類設(shè)計(jì)示意圖，從圖中可以看出，每一種Prodave組件的接口函數(shù)均有一個(gè)適配對(duì)象與之對(duì)應(yīng)，如Prodave5.0的接口對(duì)象PLCProdave5D0與適配對(duì)象PLCOperation5D0對(duì)應(yīng)，同理Prodave5.6的接口對(duì)象PLCProdave5D6與適配對(duì)象PLCOperation5D6對(duì)應(yīng)， PLCProdave6D0與適配對(duì)象PLCOperation6D0對(duì)應(yīng)。從圖3中還可以看出，每一類適配對(duì)象對(duì)應(yīng)的連接函數(shù)（ConnectPLC）、重新連接函數(shù)（ReConnectPLC）、讀取PLC數(shù)據(jù)函數(shù)（ReadData）、寫入PLC數(shù)據(jù)函數(shù)（WriteData）以及關(guān)閉連接函數(shù)（CloseConnectPLC）對(duì)應(yīng)的函數(shù)名稱、函數(shù)對(duì)應(yīng)參數(shù)數(shù)量和類型均相同，每個(gè)適配類使用的屬性名稱和數(shù)量以及定義的事件名稱和返回的參數(shù)也相同。因此，可以在對(duì)應(yīng)的適配器對(duì)象之上編寫統(tǒng)一的通用接口對(duì)象IPLCOperation。適配對(duì)象PLCOperation5D0、PLCOperation5D6和PLCOperation6D0除了繼承各自對(duì)應(yīng)的接口對(duì)象外，還需要實(shí)現(xiàn)IPLCOperation和IDisposible接口，其中實(shí)現(xiàn)IDisposible接中主要用于在關(guān)閉對(duì)象時(shí)要求系統(tǒng)顯示釋放對(duì)應(yīng)內(nèi)存等重要資源。

從圖3Prodave組件類設(shè)計(jì)圖中，將各適配器對(duì)象相同的部分抽象出來(lái)可以非常容易得到通用的PLC接口對(duì)象如圖4所示。

通用接口中用到的其他相關(guān)對(duì)象如圖5所示

以下代碼為通用接口類的具體實(shí)現(xiàn)方式：

public interface IPLCOperation

{

event PLCMessageEventHandler OnPLCMessageChanged;

bool Connected ?{get;}

PLCType CurrPLCType { get; }

bool ConnectPLC（）;

bool CloseConnectPLC（）;

bool ReConnectPLC（）;

bool ReadData（int dbno， string strAddr， ref string retBoolValue）;

bool ReadData（int dbno， int dwno， int amount， ref byte[] buffer）;

bool WriteData（int dbno， string strAddr）;

bool WriteData（int dbno， string strAddr， bool blnValue）;

bool WriteData（int dbno， int dwno， int amount， ulong data）;

bool WriteData（int dbno， int dwno， int amount， byte[] buffer）;

}

最后建立了一個(gè)PLC操作工廠類，完全將各種具體的PLC接口實(shí)現(xiàn)對(duì)象封裝起來(lái)，主要是根據(jù)外部參數(shù)的不同創(chuàng)建不同的具體的PLC操作對(duì)象實(shí)例，以下代碼為工廠類的具體實(shí)現(xiàn)代碼：

public class PLCFactory

{

public static IPLCOperation CreatePLC（PLCType plcType， PLCConnItem plcConnParams）

{

IPLCOperation currPLCOperation;

switch （plcType）

{

case PLCType.PLC_5D0：

currPLCOperation = new PLCOperation5D0（plcConnParams）;

break;

case PLCType.PLC_5D6：

currPLCOperation= new PLCOperation5D6（plcConnParams）;

break;

case PLCType.PLC_6D0：

currPLCOperation = new PLCOperation6D0（plcConnParams）;

break;

default：

currPLCOperation = new PLCOperation6D0（plcConnParams）;

break;

}

return currPLCOperation;

}

}

上述代碼將PLC組件類型和PLC連接參數(shù)對(duì)象傳入PLC工廠對(duì)象中，由工廠對(duì)象根據(jù)PLC組件類型來(lái)實(shí)例化不同的PLC操作類。當(dāng)然上述實(shí)現(xiàn)實(shí)例化不同PLC操作類還可以使用反射的方法，在此不再贅述。

4 ?通用接口的具體操作實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)控制系統(tǒng)只需要關(guān)注PLC通信通用接口的實(shí)現(xiàn)方式，因此在項(xiàng)目實(shí)際使用過(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以按以下方式使用。

4.1 PLC模塊初始化

在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，如某臺(tái)上位機(jī)控制系統(tǒng)需要與一個(gè)以上的PLC通信，此處可以在PLC通信模塊中，可以建立一個(gè)以PLC通用接口對(duì)象為元素的PLC接口集合，將控制系統(tǒng)需要使用的PLC通信接口封裝在此集合體中，方便程序遍歷PLC通用接口和存儲(chǔ)連接PLC需要的各種參數(shù)值，圖6為多個(gè)PLC通信接口對(duì)應(yīng)多個(gè)PLC的應(yīng)用場(chǎng)景：

private void InitialPLCModule（）

{

CGlobal.PLCHelpers.Clear（）;

foreach （DataRow currRow in m_dtPLCConnParams.Rows）

{

//PLC連接參數(shù)初始化

PLCConnItem plcItem = new PLCConnItem（）;

plcItem.GongweiType = m_GongweiType;

plcItem.MobanNO = m_MobanNO;

plcItem.ByteBuffer = new byte[m_MaxBytesCount];

plcItem.DBUnit = m_DBUnit;

plcItem.Address=m_Address;

//建立一個(gè)PLC通用接口類，并將其放至集合中

IPLCOperation plcHelper = PLCFactory.CreatePLC（m_plcType， plcItem）;

plcHelper.OnPLCMessageChanged += new

PLCMessageEventHandler（PLCHelper_OnPLCMessageChanged）;

plcHelper.ConnectPLC（）;

plcItem.PLCHelper = plcHelper;

CGlobal.PLCHelpers.AddPLCConnItem（plcItem）;

}

}

4.2 PLC數(shù)據(jù)讀取操作

當(dāng)PLC接口集合不為空時(shí)，可以循環(huán)遍歷PLC接口集合中的通用接口類，并讀取對(duì)應(yīng)的PLC對(duì)應(yīng)地址塊中數(shù)據(jù)放置在指定的字節(jié)數(shù)組中。

private void ReadPLCData（）

{

if （CGlobal.PLCHelpers == null || CGlobal.PLCHelpers.Count == 0） return;

byte[] bytBuffer;

foreach （PLCConnItem plcItem in CGlobal.PLCHelpers）

{

if （plcItem == null || plcItem.PLCHelper == null）

{ continue; }

if （plcItem.PLCHelper.Connected）

{

bytBuffer = new byte[plcItem.ByteBuffer.Length];

bool blnSucc=plcItem.PLCHelper.ReadData（plcItem.DBUnit， 0， plcItem.ByteBuffer.Length， ref bytBuffer）;

if （blnSucc） plcItem.ByteBuffer = bytBuffer;

}

else{

CGlobal.DelayTime（1000）;

plcItem.PLCHelper.ReConnectPLC（）;

}

}

}

4.3 PLC數(shù)據(jù)寫入操作

PLC數(shù)據(jù)寫入的方法比較簡(jiǎn)單，首先按工位類型和模板類型參數(shù)遍歷PLC接口集合中找到指定接口，然后調(diào)用對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)WriteData即可。

CGlobal.PLCHelpers[m_GongweiType，m_MobanNO].PLCHelper.WriteData

（dbunit，dwno，amount，value）;

4.4 釋放PLC模塊資源

當(dāng)需要釋放PLC接品資源時(shí)，需要遍歷PLC接口集合，先關(guān)閉當(dāng)前連接，然后再銷毀對(duì)象即可。

if （CGlobal.PLCHelpers ！= null） CGlobal.PLCHelpers.Clear（）;

5 ?結(jié)論

以西門子的Prodave 組件為具體研究對(duì)象，結(jié)合軟件工程中的軟件設(shè)計(jì)模式思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種上位機(jī)與PLC通訊的通用接口，該通訊接口已成功應(yīng)用于福建聯(lián)盛紙業(yè)PM5&6，PM7，PM8、山東太陽(yáng)紙業(yè)PM19&20，24、安徽山鷹PM5&6等多套紙卷輸送控制系統(tǒng)中。實(shí)踐證明，該通訊接口可以使通訊模塊的代碼結(jié)構(gòu)清晰，穩(wěn)定性好、擴(kuò)展性和集成性強(qiáng)且實(shí)際操作靈活方便，可適應(yīng)復(fù)雜的項(xiàng)目工藝需求變化，具有一定的參考價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

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