王東

摘要：利用C#語言基于MODBUS通信協(xié)議開發(fā)了自動上料機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對設(shè)備的手動、自動控制和監(jiān)視，并能對相關(guān)的運行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，介紹了系統(tǒng)開發(fā)中的主要方案及關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)實際驗證，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：上位機(jī);MODBUS-ASCII;串口;監(jiān)控

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0008-02

某自動上料機(jī)用于將工件傳輸給測試設(shè)備進(jìn)行測試，該上料機(jī)有3個放料區(qū)，分別為待測區(qū)、PASS區(qū)、FAIL區(qū)，完成從待測區(qū)取料，送料給測試設(shè)備，測試完成后取回并根據(jù)測試結(jié)果（好或壞）將工件自動進(jìn)行分撿放置到PASS區(qū)和FAIL區(qū);3個放料區(qū)都由馬達(dá)和相應(yīng)的傳感器來控制，根據(jù)物料的高度自動升降料臺，以使料臺保持在合適的高度，方便上料機(jī)抓取和存放物料。該設(shè)備涉及啟動按鈕、安全光柵、限位開關(guān)等輸入端口40個，氣缸控制、直流電機(jī)控制等輸出端口16個，并由下位機(jī)直接控制，為了便于對設(shè)備進(jìn)行操作、監(jiān)視、控制和設(shè)置參數(shù)，開發(fā)了自動上料機(jī)的監(jiān)控軟件，采用串口與下位機(jī)進(jìn)行通信，為了確保通信的穩(wěn)定可靠，采用了MODBUS-ASCII通信協(xié)議。

1 上位機(jī)功能介紹

根據(jù)上料機(jī)的工藝要求，本監(jiān)控軟件由自動運行，工藝設(shè)置，輸出狀態(tài)，輸入狀態(tài)，手動控制，報警信息，電機(jī)參數(shù)等七個模塊構(gòu)成，各自完成相應(yīng)的功能，具體功能需求如圖1所示。

其中：自動運行主要用于監(jiān)視運行時物料及測試相關(guān)的2個主要參數(shù)，設(shè)置錯開放板數(shù)量和測試速度，顯示當(dāng)前測試通過和測試失敗的數(shù)量信息，以及對設(shè)備的緊急控制和啟動等。

工藝設(shè)置主要是進(jìn)行馬達(dá)控制、行程設(shè)定、氣缸控制以及馬達(dá)的參數(shù)設(shè)置。

輸出狀態(tài)：主要是各電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，以及各端口的輸出狀態(tài)。

輸入狀態(tài)：主要顯示各輸入端口的狀態(tài)，用于顯示監(jiān)控。

手動控制：主要用于手動控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。

電機(jī)參數(shù)：主要用于設(shè)置各驅(qū)動軸的各項電機(jī)控制、氣缸控制參數(shù)等。

2 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)運行環(huán)境為WINDOS 7及以上系統(tǒng)，C#語言是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮摹⑦\行于.NET Framework和.NET Core（完全開源，跨平臺）之上的高級程序設(shè)計語言。能使用SerialPort類庫直接進(jìn)行串口通信程序的開發(fā)，并且提供了事件驅(qū)動模式，開發(fā)方便，WINFORM程序開發(fā)非常適合上位機(jī)軟件開發(fā)，所以本系統(tǒng)采用C#語言開發(fā)。

2.1 界面設(shè)計思路及關(guān)鍵方法

根據(jù)上位機(jī)的功能需求，使用WINFORM繪制所需要的界面及相關(guān)的控件，具體如圖2（以自動運行為例）。

由上圖可知，軟件分為左側(cè)的功能選擇區(qū)和右側(cè)的功能實現(xiàn)區(qū)，左側(cè)功能選擇區(qū)包含7個按鈕（鎖定除外），對應(yīng)右側(cè)會包含7個界面，但任一時刻只顯示和左側(cè)選擇的功能相對應(yīng)的一個功能實現(xiàn)界面，為方便后期各功能界面之間的切換，每一個功能實現(xiàn)區(qū)所有控件組合成一個用戶自定義控件（UserControl）放到一個Panel控件中，故將整個界面分為兩部分：一是workbench，即整個軟件的主要界面，該workbench左側(cè)包含了各功能選擇按鈕區(qū)和右側(cè)的一個大的Panel控件，其中Panel控件用來作為各功能實現(xiàn)區(qū)用戶控件的容器;二是右側(cè)的功能實現(xiàn)區(qū)，功能實現(xiàn)區(qū)實際是前面所述用戶自定義控件（UserControl），是放在Panel中的一個控件，每個控件對應(yīng)左側(cè)的一個功能按鈕，所以一共需要定義7個用戶自定義控件。

為了保證軟件的可靠性和可維護(hù)性，軟件界面只能有一個實例，所以使用singleton模式來構(gòu)建用戶界面（workbench），對應(yīng)的界面類名MainFrom，定義singleton類：WorkBenchSingleTon，并定義MainFrom類型的私有類成員workBench，同時定義公開的靜態(tài)屬性WorkBench，但只提供外部對workBench的獲取，方便在整個軟件中其它控件對workBench訪問的同時又保證了只有一個workbench，具體代碼如下：

public class WorkBenchSingleTon

{

private static MainForm workBench = new MainForm（）;

public static MainForm WorkBench {

get{

if （workBench == null） {

workBench = new MainForm（）;

}

return workBench;

}

}

}

2.2 通信功能實現(xiàn)

根據(jù)該系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信采用串口通信，且為了保證通信的可靠性使用MODBUS-ASCII通信協(xié)議。為了開發(fā)的方便，使用開源的類庫NMODBUS，NMODBUS基于.NET封裝了MODBUS協(xié)議的各項功能，使用方便，在此將NMODBUS提供的Master類作為workBench的成員，同時提供公開訪問器，不提供賦值，也確保整個系統(tǒng)中只有一個Master被實例化。各項參數(shù)的初始化都在MainForm的構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行。

由前面的分析可知，右側(cè)的功能實現(xiàn)區(qū)，都需要和下位機(jī)通過MODBUS進(jìn)行通信，而MODBUS的特點是通信由主機(jī)發(fā)起，從機(jī)不能主動發(fā)起通信，在此系統(tǒng)中，上位機(jī)為主機(jī)，下位機(jī)為從機(jī)，所以所有的通信都由上位機(jī)發(fā)起。上位機(jī)要實時獲取從機(jī)的數(shù)據(jù)，必須以一定的時間間隔不停地向從機(jī)發(fā)送查詢命令，而本系統(tǒng)中，每個功能選擇都對應(yīng)一個功能實現(xiàn)區(qū)，但同一時刻只有一個功能實現(xiàn)區(qū)才被顯示，故只需要查詢被顯示的功能實現(xiàn)區(qū)中所需要的數(shù)據(jù)，其它的不用顯示，也就不需要向從機(jī)查詢。根據(jù)MODBUS通信的特性，需要定時向從機(jī)查詢數(shù)據(jù)，若每個功能實現(xiàn)區(qū)均使用定時器定時查詢，則需要判斷自己當(dāng)前是否被顯示來確定是否訪問下位機(jī)，容易造成多個功能實現(xiàn)區(qū)同時訪問從機(jī)造成軟件通信不穩(wěn)定，軟件不易維護(hù)等問題，因此定義一個接口IBaseControl，作為各功能實現(xiàn)區(qū)的接口約束，其中ReadModbusInfo用于實現(xiàn)各功能實現(xiàn)區(qū)需要向從機(jī)讀取數(shù)據(jù)的函數(shù)，而Title用于標(biāo)識各功能實現(xiàn)區(qū)的名稱，其接口如下：

interface IBaseControl ： IDisposable

{

string Title{get;set;}

bool ReadModbusInfo（）;

}

因此在各功能實現(xiàn)區(qū)只需要實現(xiàn)ReadModbusInfo成員函數(shù)，實現(xiàn)需要讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)的邏輯，而自身并不需要調(diào)用該成員函數(shù)。而將所有調(diào)用該函數(shù)的職責(zé)放到workBench中，在workBench中定義一個定時器，在定時器的事件響應(yīng)函數(shù)中調(diào)用當(dāng)前顯示的功能實現(xiàn)區(qū)的ReadModbusInfo接口函數(shù)即可，這樣所有功能實現(xiàn)區(qū)讀取從機(jī)數(shù)據(jù)的函數(shù)調(diào)用都集中在了一處，會自動根據(jù)當(dāng)前顯示的功能實現(xiàn)區(qū)而自動調(diào)用相應(yīng)的ReadModbusInfo實現(xiàn)函數(shù)，方便軟件維護(hù)的同時提高了穩(wěn)定性。需要注意的是，由于使用了串口通信，其數(shù)據(jù)接收在另一個線程中實現(xiàn)，所以在更新界面數(shù)據(jù)時，需要使用到委托才能更新數(shù)據(jù)。

對從機(jī)的控制命令，同樣集中在workBench中，功能實現(xiàn)區(qū)的用戶控件需要向從機(jī)寫數(shù)據(jù)時只需通過WorkBenchSingleTon.WorkBench.Master.WriteSingleCoil（）語句調(diào)用workbench中定義的寫寄存器函數(shù)向從機(jī)寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)向下位機(jī)發(fā)送命令。

3 結(jié)語

通過對自動上料機(jī)功能的分析，合理劃分軟件功能和實現(xiàn)方式，提高了軟件的可維護(hù)性和穩(wěn)定性，經(jīng)現(xiàn)場測試，本上位機(jī)軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定，與下位機(jī)的通信可靠達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李植鵬，徐政.設(shè)計模式在高壓直流輸電設(shè)計軟件包中的應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2013，34（11）：17-21.

[2] 夏浩波.單例模式的設(shè)計與應(yīng)用[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011，24（01）：58-59.

[3] 代濤，楊麗紅.基于C#的空調(diào)壓縮機(jī)聲強(qiáng)測試平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019，57（01）：75-79.

[4] 呂志剛，魯可心，李亮亮.基于C#的變電站運行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2018，31（07）：32-33+36.

[5] 楊少朋，趙龑驤.基于C#的溫濕度傳感器串口通信程序的實現(xiàn)[J].中國新通信，2019，21（15）：22.