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基于多線程技術的PLC與PC的通訊方式

知識百科

0.引言
在現代工業控制系統中， PLC以其高可靠性、適應工業過程現場、強大的聯網功能等特點， 被廣泛應用 。 可實現順序控制、PID回路調節、高速數據采集分析、計算機上位管理， 是實現機電一體化的重要手段和發展方向 。 但PLC無法單獨構成完整的控制系統， 無法進行復雜的運算和顯示各種實時控制圖表和曲線， 無良好的用戶界面， 不便于監控 。 將個人計算機(PC)與PLC結合起來使用， 可以使二者優勢互補， 充分利用個人計算機強大的人機接口功能、豐富的應用軟件和低廉的價格優勢， 組成高性能價格比的控制系統 。
1.系統構成
推進系統中， PC機選用工控計算機 。 它是整個控制系統的核心， 是上位機 。 其主要利用良好的圖形用戶界面， 顯示從PLC接收的開關量和控制手柄的位置， 進行一些較復雜的數據運算， 并且向PLC發出控制指令 。
PLC是該系統的下位機， 負責現場高速數據采集(控制手柄的位置)， 實現邏輯、定時、計數、PID調節等功能， 通過串行通訊口向PC機傳送PLC工作狀態及有關數據， 同時從PC機接受指令， 向蜂鳴器、指示燈、滑油泵、控制手柄的位置等發出命令， 實現PC機對控制系統的管理， 提高了PLC的控制能力和控制范圍， 使整個系統成為集散控制系統 。
2.通訊協議
計算機與PLC之間的通信是建立在以RS232標準為基礎的異步雙向通信上的， FX系列PLC有其特定的通信格式， 整個通信系統采用上位機主動的通信方式， PLC內部不需要編寫專門的通信程序， 只要把數據存放在相應的數據寄存器中即可， 每個數據寄存器都有相應的物理通信地址， 通信時計算機直接對物理通信地址進行操作 。 通信過程中， 傳輸字符和命令字以ASCⅡ碼為準， 常用的字符及其ASCⅡ碼對應關系 。
計算機與PLC進行通訊時， 計算機與PLC之間是以幀為單位進行信息交換的， 其中控制字符ENQ、ACK、NAK， 可以構成單字符幀發送和接受， 其余的信息幀發送和接受時都是由字符STX、命令字、數據、字符ETX以及和校驗5部分組成 。
校驗和在信息幀的尾部用來判斷傳輸的正確與否， 和校驗碼的計算方法是將命令碼到ETX之間的所有字符的ASCⅡ碼(十六進制數)相加， 取所得和的最低2位數， 在后面的通信程序設計里面還會提到 。 進行差錯檢驗的方法很多， 常用的有奇偶校驗碼， 水平垂直冗余校驗LRC， 目前廣泛使用的是CRC校驗碼， 它能查處99%以上18位或更長的突出錯誤， 而在計算機與PLC點對點的短距離通訊時， 出錯的幾率較小， 因而采用校驗和法， 基本能滿足要求 。
3.多線程技術及在VC++串口通信程序中的實現
在Windows的一個進程內， 包含一個或多個線程， 每個線程共享所有的進程資源， 包括打開的文件、信號標識及動態分配的內存等等 。
一個進程內的所有線程使用同一個32位地址空間， 而這些線程的執行由系統調度程序控制， 調度程序決定哪個線程可執行和什么時候執行線程 。 線程有優先級別， 優先權較低的線程必須等到優先權較高的線程執行完任務后再執行 。 在多處理器的機器上， 調度程序可以把多個線程放到不同的處理器上運行， 這樣可以使處理器的任務平衡， 也提高系統的運行效率 。
Windows內部的搶先調度程序在活動的線程之間分配CPU時間， Windows區分兩種不同類型的線程， 一種是用戶界面線程(UserInterfaceThread)， 它包含消息循環或消息泵， 用于處理接收到的消息；另一種是工作線程(WorkThread)它沒有消息循環， 用于執行后臺任務、監視串口事件的線程即為工作線程 。
1本系統采用MFC編程方法， MFC是把串口作為文件設備來處理的， 它用CreateFile()打開串口， 并獲得一個串口句柄， 用SetCommState()進行端口配置， 包括緩沖區設置， 超時設置和數據格式等 。 然后調用函數ReadFile()和WriteFile()進行數據的讀寫， 用WaitForSingleObject()監視通信事件 。 在用ReadFile()和WriteFile()讀寫串口時， 一般采用重疊方式 。 因為同步I/O方式是當程序執行完畢才返回， 這樣會阻塞其他線程， 降低程序執行效率 。 而重疊方式能使調用的函數立即返回， I/O操作在后臺進行， 這樣線程就可以處理其他事務， 同時也實現了線程在同一串口句柄上實現讀寫操作 。
使用重疊I/O方式時， 線程要創建OVERLAPPED結構供讀寫函數使用， 該結構最重要的成員是hEvent事件句柄 。 它將作為線程的同步對象使用， 讀寫函數完成時hEvent處于有信號狀態， 表示可進行讀寫操作；讀寫函數未完成時， hEvent被置為無信號 。
利用Windows的多線程技術， 在輔助線程中監視串口， 有數據到達時依靠事件驅動， 讀入數據并向主線程報告；并且， 依靠重疊讀寫操作， 讓串口讀寫操作在后臺運行 。
4.上位計算機通信程序設計
以讀取PLC輸出線圈Y0為首的2個字節的數據為例， 編寫一個通信程序 。 查PLC軟元件地址表可知， 輸出線圈Y0的首地址為00A0H， 2個字節的數據即為Y0-Y7和Y10-Y17， 根據返回的數據， 就可以知道PLC此時的狀態， 以實現對PLC的監控 。 在每一次讀操作之前， 先要進行握手聯絡 。 對PLC發請求訊號ENQ， 然后讀PLC的響應訊號 。 如果讀到的響應訊號為ACK， 則表示PLC已準備就緒， 等待接收通訊數據 。
BOOLCPlcComDlg：：ReadFromPLC(char*Read_char， char*Read_address， intRead_bytes)
{CSerialSerial；//用于串行通訊的類
if(Serial.Open(1))//初始化串行通訊口COM1
{Serial.SendData(&ENQ_request， 1)；//發送聯絡訊號
Sleep(20)；//等待20ms秒
Serial.ReadData(&read_BUFFER， 1)；//讀取PLC響應訊號
if(read_BUFFER==ACK){
……
Serial.SendData(&STX_start， 1)；//向PLC發送“開始”標志代碼
Serial.SendData(&CMD0_read， 1)；//發送“讀”命令代碼
datasum_check+=CMD0_read；
for(i=0；i<4；i++){
Serial.SendData(&Read_address[i>， 1)；//發送起始元件地址的ASCⅡ代碼
……
Serial.SendData(&ETX_end， 1)；//發送結束標志代碼
Change_to_ASCI