詹 俊，龍 辛，黃 波，楊杰軍，陳雄姿

（1.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院 電氣工程系，湖南 湘潭 411105；2.湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭411105；3.長沙金博聯(lián)信息技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域扮演十分重要的角色，區(qū)別于傳統(tǒng)的PLC，軟PLC系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、操作方便、開發(fā)周期短等多方面的優(yōu)點，逐漸成為未來工業(yè)控制器的主力軍。

軟PLC主要分為基于PC軟PLC系統(tǒng)和基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟PLC系統(tǒng)。其中后者以其實時性能的優(yōu)勢成為主流。Vx Works操作系統(tǒng)作為一款具有強(qiáng)實時性能的嵌入式操作系統(tǒng)，能根據(jù)需求靈活地對其進(jìn)行裁剪，所以目前被廣泛應(yīng)用在基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟PLC開發(fā)上［1］。CodeSys是由3S公司開發(fā)的一種功能強(qiáng)大的PLC軟件編程工具，它支持IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)，通過其runtime庫可以與底層操作系統(tǒng)很好地鏈接［2］。二者結(jié)合不僅可以很好地保證系統(tǒng)的實時性能，同時也可大大地縮短開發(fā)周期。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由基于Vx Works的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊、上位機(jī)監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析處理模塊和基于CodeSys的輸出信息函數(shù)庫三大部分組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上位機(jī)與被監(jiān)控設(shè)備直接采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信，以減少對系統(tǒng)資源的消耗，同時提高處理的速度。被監(jiān)控目標(biāo)系統(tǒng)循環(huán)偵聽請求，一旦接收到上位機(jī)發(fā)送過來的監(jiān)控請求即以固定頻率收集信息并發(fā)送，如果接收到其他控制請求則進(jìn)行其他操作。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Vx Wor ks系統(tǒng)中通過啟動數(shù)據(jù)采集發(fā)送任務(wù)（TInf Send）及PLC信息采集任務(wù)（Get Log Data）實現(xiàn)全部信息的收集發(fā)送工作。主要任務(wù)包括：任務(wù)信息采集、CPU及內(nèi)存使用信息采集、系統(tǒng)異常處理、程序計數(shù)器計數(shù)值采集、PLC應(yīng)用程序輸出信息采集、信息發(fā)送。數(shù)據(jù)采集發(fā)送主程序流程見圖2。

1.2 功能模塊設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)任務(wù)信息

Vx Works操作系統(tǒng)函數(shù)庫提供了taskInfo庫函數(shù)用于用戶獲取所有任務(wù)的信息，其中主要的信息包括：任務(wù)ID、任務(wù)名稱、入口地址、優(yōu)先級、當(dāng)前狀態(tài)、堆棧值等。系統(tǒng)是根據(jù)可以唯一識別任務(wù)的ID號來檢索任務(wù)相關(guān)信息的，通過函數(shù)taskId List Get（）可以獲取到當(dāng)前系統(tǒng)運行的所有任務(wù)的ID，同時系統(tǒng)提供根據(jù)ID檢索任務(wù)信息的函數(shù)taskInfo Get（），獲取的信息以TASK＿DESC結(jié)構(gòu)體格式存儲［3］，提取其中有用的信息存于構(gòu)建的TASK＿INFO結(jié)構(gòu)體中，打包成發(fā)送數(shù)據(jù)包的格式，實現(xiàn)了任務(wù)信息的采集。任務(wù)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

typedef struct／＊TASK＿INFO－任務(wù)結(jié)構(gòu)體 ＊／

｛

int td＿id；／＊ 任務(wù)ID＊／

Char td＿na me［12］；／＊ 任務(wù)名稱 ＊／

int td＿priority；／＊ 優(yōu)先級 ＊／

int td＿status；／＊ 任務(wù)當(dāng)前狀態(tài) ＊／

int td＿stack Size；／＊ 堆棧大小 ＊／

int td＿stack Current；／＊ 當(dāng)前堆棧大小 ＊／

int td＿error Status；／＊任務(wù)錯誤狀態(tài) ＊／

｝TASK＿INFO；

圖2 數(shù)據(jù)采集發(fā)送主程序流程圖

1.2.2 資源信息

系統(tǒng)資源包括CPU資源和內(nèi)存資源，Vx Works提供的系統(tǒng)工具直接將這些信息定位到文件或指定IO輸出。這里通過構(gòu)建函數(shù)截取CPU資源的信息，并且通過修改系統(tǒng)函數(shù)直接將內(nèi)存使用信息定位到指定的內(nèi)存區(qū)域。

Vx Works提供了spy Lib庫函數(shù)用于監(jiān)控CPU的使用情況，spy利用輔助時鐘的中斷服務(wù)程序，并且為每個任務(wù)維護(hù)一個計數(shù)器，這樣在特定的時間周期內(nèi)即可統(tǒng)計出每個任務(wù)的CPU占用率。在庫的源程序中提供了spy Report Co mmon（FUNCPTR print－Rtn）用于系統(tǒng)工具（Shell等）獲取CPU信息，這里通過構(gòu)建print Rtn函數(shù)［4］，直接將信息格式輸出到指定的內(nèi)存區(qū)域，相關(guān)函數(shù)代碼如下所示：

Void spy Ptn Func（const char＊fmt Ptn）

｛

va＿list va1；

va＿start（va1，f mt Pt n）；

／＊Cpu Dt Buf存儲CPU信息的全局變量＊／

vsprintf（Cpu Dt Buf，f mt Pt n，va1）；

va＿end；

｝

Vx Wor ks對內(nèi)存信息進(jìn)行統(tǒng)計，系統(tǒng)提供的memshow（）函數(shù)直接將信息定位標(biāo)準(zhǔn)輸出，目前的辦法一般都是將其定位到文件再從中讀取。本文通過重新構(gòu)建函數(shù)庫，然后獲取CPU信息的辦法可以將信息定位到指定的區(qū)域，主要函數(shù)代碼如下：

STATUS jbl＿mem Part Show（PART＿ID part Id ，int type ，F(xiàn)UNCPTR print Pt n）

｛

Int nu mBlocks；

Unsigned total Bytes＝0；

Unsigned biggest words＝0；

...

／＊ 調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)獲取總大小及內(nèi)存塊參數(shù) ＊／

If（（total Bytes＝ mem Prat Available（patr Id，＆biggest Words，type））＝＝ ERROR）

｛...；

｝...

nu m Blocks＝dll Count（＆part Id－＞free List）；

...

／＊ 格式化輸出到指定位置 ＊／

If（nu m Blocks?。?）

｛

（＊ print Ptn）（"free%10u%9u%10u%10u＼n"，total Bytes，nu m Blocks，total Bytes／nu m Blocks，2＊biggest Words）；

｝...

｝

1.2.3 PLC應(yīng)用程序信息

以Vx Works加CodeSys模式構(gòu)建的軟PLC系統(tǒng)，在脫離在線編程模式時很難獲取客戶運行的PLC程序相關(guān)信息，因此在程序中安插信息輸出函數(shù)，使PLC程序運行到指定位置時如果滿足輸出要求即輸出一條消息，這樣就能像在C語言中加printf函數(shù)一樣獲取到程序不同位置的信息［5］。本設(shè)計中構(gòu)建基于ST語言的PLC函數(shù)庫、Util＿LogInfo（）函數(shù)和Util＿Log Wr n（）函數(shù)，其用法如以下ST代碼所示：

（＊ 變量定義 ＊）

PROGRA M PLC＿PRG

VAR

...

Log Msg：STRING：＝＇Rd Data is：＇；

Log Msg2：STRING：＝＇Gd Su m2－ Gd Su m ＝＇；

END＿VAR

（＊ 程序?qū)嵗?＊）

...

My＿Log Msg：＝ CONCAT（Log Msg，DINT＿TO＿STRING（Gd－Su m））；

Util＿LogInf o（My＿Log Msg）；

My＿Log Msg2：＝ CONCAT（Log Msg2，DINT＿TO＿STRING（Gd Su m － Gd Su m2））；

Util＿LogInf o（My＿Log Msg2）；

…

底層基于Vx Wor ks消息機(jī)制，接口函數(shù)定義為：jbl＿Log Msg（char＊f mt，int ar g1，...，int ar g6）。CodeSys通過RUNTI ME SYSTEM調(diào)用此接口函數(shù)，系統(tǒng)同時開辟任務(wù)Get Log Data用于獲取來自PLC應(yīng)用程序的輸出信息，并且將其定向到指定的內(nèi)存區(qū)域和記錄到日志文件里面。輸出信息格式定義見表1。

表1 PLC應(yīng)用程序的輸出信息格式

1.2.4 信息發(fā)送

設(shè)計中對每幀網(wǎng)絡(luò)包的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行重新定義，這就保證了上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的解析，數(shù)據(jù)包格式見表2。

表2 數(shù)據(jù)包格式

2 實時系統(tǒng)性能分析和故障排查

基于Windows開發(fā)上位機(jī)程序，項目中已經(jīng)搭建了基于Vx Works加CodeSys的軟PLC系統(tǒng)，在系統(tǒng)初始化階段啟動信息采集任務(wù)，并且運行上位機(jī)程序監(jiān)控到如圖3所示數(shù)據(jù)。

Vx Works提供一個異常處理句柄（handler）和一個名為t Exc Task的任務(wù)來處理異常。異常出現(xiàn)后任務(wù)將變?yōu)閽炱馉顟B(tài)（suspend），并且不能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌麪顟B(tài)，通過任務(wù)信息窗口STAT可以準(zhǔn)確觀測到任務(wù)的狀態(tài)，選擇相應(yīng)任務(wù)，通過點擊左側(cè)按鈕欄對任務(wù)進(jìn)行掛起、恢復(fù)、刪除處理。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控主界面

程序非法執(zhí)行或訪問內(nèi)存越界等都會發(fā)生任務(wù)異常，通過異常處理函數(shù)打印輸出的信息反映了當(dāng)前異常的具體信息。

運行一段時間，點擊繪制曲線按鈕可得到free內(nèi)存的柱狀圖（如圖4所示）和其中TInf Send任務(wù)CPU占用率曲線圖（如圖5所示）。由圖5可直觀看到一段時間內(nèi)CPU占用率為8%，所以此時可以直觀觀測系統(tǒng)運行情況。

圖4 內(nèi)存使用信息柱狀圖

圖5 CPU使用信息圖（以采集任務(wù)為例）

3 結(jié)束語

通過測試，系統(tǒng)在開發(fā)和運行階段通過網(wǎng)線簡單連接目標(biāo)板和上位機(jī)即可準(zhǔn)確及時獲取到軟PLC系統(tǒng)運行的各項參數(shù)，同時可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方便技術(shù)人員及時排查故障和優(yōu)化應(yīng)用程序，具有一定的使用價值。下一步將進(jìn)一步優(yōu)化故障處理，增加可控項目，使系統(tǒng)實用性更強(qiáng)。

［1］ 李峰，應(yīng)宏.利用TCP／IP實現(xiàn) Windows與Vx works的通信［J］.微計算機(jī)信息，2006（5）：80－82.

［2］ 王麗麗，康存鋒，馬春敏，等.基于codesys的嵌入式軟PLC系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代制造工程，2007（3）：54－56.

［3］ 汪毅，顧曉霞，奚宏明.Vx Works嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011（27）：6747－6755.

［4］ Bollerslev T.PLC and PSTN based expert system for long－distance fault diagnosis of can－body resistance welding machine［J］.Review of Economics and Statistics，2007，72：498－505.

［5］ Mohammad Abu Zalata，Tariq M Younes，Mohammad A K Alia.Development of equivalent virtual instruments to PLC functions and net works［J］.Journal of Soft ware Engineering and Applications，2011（3）：172－180.