周奇才，路 凱，熊肖磊，趙 炯

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

傳統(tǒng)橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)的主要方式，應(yīng)用范圍廣泛，使用體量大，可靠性高，效率高，在機(jī)械加工、工業(yè)生產(chǎn)、冶金、物流運(yùn)輸中都發(fā)揮著巨大的作用［1］。但大多數(shù)橋式起重機(jī)，僅實(shí)現(xiàn)了較低級(jí)的智能化控制，并未真正實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、智能尋跡等高級(jí)智能化控制。因此，搭建起重機(jī)自動(dòng)化控制軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)智能化是必然趨勢(shì)。

在橋式起重機(jī)智能化平臺(tái)中工控機(jī)與PLC的數(shù)據(jù)交換是重要的一環(huán)，類(lèi)似于普通工業(yè)級(jí)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中上位機(jī)與下位機(jī)間的通信問(wèn)題。對(duì)于上、下位機(jī)之間的通信問(wèn)題，學(xué)者提出了很多解決方法［2－5］。而Python作為一種面向?qū)ο?、直譯式計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其語(yǔ)法簡(jiǎn)捷而清晰，具有豐富和強(qiáng)大的類(lèi)庫(kù)［6］。本文采用基于Windows下的Python語(yǔ)言進(jìn)行工控機(jī)編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)與橋式起重機(jī)機(jī)載PLC通信以及數(shù)據(jù)交互的功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋式起重機(jī)智能化平臺(tái)的設(shè)計(jì)架構(gòu)為兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。處于上位的計(jì)算機(jī)即將來(lái)的遠(yuǎn)程控制中心，它可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用在線最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行被控對(duì)象的最優(yōu)目標(biāo)值計(jì)算，輸出到下一級(jí)系統(tǒng)，還可以對(duì)故障進(jìn)行診斷與預(yù)測(cè)［7］；下位機(jī)為直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digital Control，簡(jiǎn)稱(chēng) DDC）。

本文重點(diǎn)介紹下位DDC系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)的智能化，DDC系統(tǒng)除原有PLC中采集到的各傳感器數(shù)據(jù)信息外，為實(shí)現(xiàn)吊鉤防搖、防搖策略閉環(huán)控制的吊鉤擺角檢測(cè)、起重機(jī)智能路徑規(guī)劃等高級(jí)控制功能，還需要加入計(jì)算機(jī)視覺(jué)等輸入信息。因此需加入以微型計(jì)算機(jī)為載體，可插接各種控制板實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能［8］的工控機(jī)，與機(jī)載PLC共同完成下位機(jī)功能。下層DDC結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。通過(guò)工控機(jī)與PLC組合實(shí)現(xiàn)DDC的功能，智能化平臺(tái)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖1 橋式起重機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)DDC結(jié)構(gòu)框圖

圖2 橋式起重機(jī)智能化平臺(tái)系統(tǒng)整體架構(gòu)

工控機(jī)作為數(shù)據(jù)路由是智能化平臺(tái)改造的核心，該數(shù)據(jù)交換要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高，筆者就工控機(jī)Windows下編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能進(jìn)行介紹。

1.2 接口設(shè)計(jì)

由于工控機(jī)集合了數(shù)據(jù)交互、路徑規(guī)劃、防搖控制等功能結(jié)構(gòu)，因此其接口設(shè)計(jì)包括：負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信的遠(yuǎn)程通信接口；進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的與PLC連接的PLC通信接口；涉及到路徑規(guī)劃時(shí)需要通過(guò)雙目攝像頭對(duì)環(huán)境視頻信息進(jìn)行采集的視頻接口等。工控機(jī)硬件接口設(shè)計(jì)如圖3所示。

工業(yè)控制系統(tǒng)有多種數(shù)據(jù)交互的方式，對(duì)于一般的常用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的可編程控制器，其工業(yè)控制要求使用Modbus通信協(xié)議，此為最常用的工業(yè)控制系統(tǒng)接口。而對(duì)于以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為核心的DCS控制系統(tǒng)中，一般采用TCP／IP等可靠傳輸通信方式［9］。

圖3 工控機(jī)硬件接口

考慮到控制系統(tǒng)的融合，本系統(tǒng)采用TCP／IP、Modbus和串口通信方式的對(duì)外接口。TCP／IP作為可靠通信方式，其通信速度、連接可靠性、通信數(shù)據(jù)包可自定義以適用于本系統(tǒng)；而用于與PLC通信的Modbus則需要根據(jù)其通信標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格按照其數(shù)據(jù)格式、長(zhǎng)度等進(jìn)行使用?？紤]到視頻信號(hào)及其他分散式控制器等，設(shè)計(jì)也滿(mǎn)足RS485數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇谕ㄐ欧绞健?/p>

2 數(shù)據(jù)交互Windows編程

2.1 程序?qū)蛹?jí)結(jié)構(gòu)

基于現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)功能設(shè)計(jì)框架，本設(shè)計(jì)在Windows環(huán)境下編程，以滿(mǎn)足方便可視化窗口編程、及時(shí)顯示代碼問(wèn)題、調(diào)用更多的庫(kù)函數(shù)等需求。

為使整個(gè)軟件的通信過(guò)程更加合理，軟件層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖4所示，借鑒TCP／IP層級(jí)結(jié)構(gòu)，將工控機(jī)軟件按照功能邏輯劃分為通信層、協(xié)議層、業(yè)務(wù)層。

圖4 軟件層級(jí)結(jié)構(gòu)

通信層負(fù)責(zé)建立端口，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)／串口／USB等外部設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)，其不僅要保證讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的完整性，而且還要對(duì)讀寫(xiě)時(shí)間進(jìn)行控制；協(xié)議層負(fù)責(zé)將上層需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照協(xié)議格式組裝成數(shù)據(jù)幀，向下傳遞給通信層，或接收來(lái)自通信層的數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行解析，向上傳遞給業(yè)務(wù)層；業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)處理來(lái)自遠(yuǎn)程設(shè)備或手持設(shè)備的請(qǐng)求，根據(jù)請(qǐng)求向PLC發(fā)送指令進(jìn)行控制。本系統(tǒng)充分利用軟件的分層設(shè)計(jì)來(lái)降低數(shù)據(jù)交互的復(fù)雜度，并且使整個(gè)系統(tǒng)的軟件和硬件耦合度降低。

2.2 Modbus／TCP通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，屬于主從網(wǎng)絡(luò)，是一種基于應(yīng)用層的報(bào)文傳輸協(xié)議，協(xié)議采用命令／應(yīng)答模式實(shí)現(xiàn)一個(gè)主機(jī)對(duì)一個(gè)或多個(gè)從機(jī)的通信［10］。TCP協(xié)議是基于傳輸層的協(xié)議，為面向連接的端到端可靠傳輸協(xié)議，還可提供設(shè)備間的全雙工連接，保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

Modbus／TCP通信模型是將Modbus協(xié)議作為應(yīng)用層嵌入底層TCP／IP中，如圖5所示，采用Client／Server模式進(jìn)行報(bào)文傳輸。在客戶(hù)端，負(fù)責(zé)把來(lái)自用戶(hù)的信息（如用戶(hù)要求執(zhí)行的操作和被控制的對(duì)象等）封裝成Modbus幀；在服務(wù)器端，負(fù)責(zé)解釋來(lái)自客戶(hù)端的Modbus幀，執(zhí)行相應(yīng)的請(qǐng)求［11］。最終實(shí)現(xiàn)上位工控機(jī)對(duì)PLC寄存器、I／O輸入口信號(hào)讀取的監(jiān)控功能。

2.3 數(shù)據(jù)交換

PLC提供了大量的數(shù)據(jù)寄存器，并將寄存器分成各種功能塊，其中包含了中間繼電器區(qū)、開(kāi)關(guān)量輸出繼電器區(qū)、模擬量輸出寄存器區(qū)、開(kāi)關(guān)量輸入繼電器區(qū)、計(jì)數(shù)器等功能寄存器區(qū)、模擬量輸入寄存器區(qū)、數(shù)據(jù)寄存器區(qū)等。

圖5 Modbus／TCP模型

基于通信協(xié)議設(shè)計(jì)架構(gòu)，在Windows操作環(huán)境下編程時(shí)，選擇已有的pyModbusTCP庫(kù)函數(shù)。pyModbusTCP庫(kù)允許通過(guò)雙向通信的方式使用指定的MODBUS地址從PLC中讀取數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入PLC。pyModbusTCP使用TCP／IP連接上的異步通信，減少了代碼量，并具有良好的調(diào)試和連接管理功能。

可讀PLC指定地址寄存器線圈字節(jié)，以此讀取每一位數(shù)據(jù)值進(jìn)行后續(xù)分析。下面代碼利用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，設(shè)置 Modbus Tcp Client類(lèi)，及對(duì)應(yīng)的連接方法如connect，實(shí)際函數(shù)內(nèi)部采用winsocket編程，Socket編程是為了簡(jiǎn)化TCP／UDP通信而產(chǎn)生的技術(shù)，是一個(gè)通信連接在本端的句柄（該句柄由本地操作系統(tǒng)分配和管理），建立Socket連接后通信雙方通過(guò)本地的Socket句柄和對(duì)端通信［12］。

下列為利用Socket函數(shù)進(jìn)行初始化地址設(shè)置及連接相應(yīng)端口，并設(shè)置連接超時(shí)，確定連接在設(shè)置時(shí)間內(nèi)是否成功連接，并返回連接結(jié)果的代碼段：

＃Client connection

import socket

from socket import＊

ADDR＝（HOST＝‘192.168.1.100’，PORT＝52）

try：

tcpCliSocket＝socket（AF＿INET，SOCK＿STREAM）

tcpCliSocket.settimeout（10）

tcpCliSocket.connect（ADDR）

tcpCliSocket.settimeout（None）

print（“Connect Successful”）

except：

print（“Connect Failure！”）

同時(shí)利用庫(kù)函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)寄存器的功能，以此簡(jiǎn)化編程操作，滿(mǎn)足適應(yīng)任何平臺(tái)的交互。下列為設(shè)置連接后讀取相應(yīng)位置寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)功能的代碼段：

from pymodbus.client.sync import ModbusTcpClient

＃modbus connection

client＝ModbusTcpClient（‘192.168.1.100’）

connnection＝client.connect（）

＃read register

request＝client.read＿h(yuǎn)olding＿registers（＊＊＊，3）

result＝request.registers

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 通信測(cè)試

PLC端寄存器通過(guò)遠(yuǎn)程手持設(shè)備（如遙控設(shè)備）進(jìn)行測(cè)試值的遠(yuǎn)程輸入，測(cè)試電腦運(yùn)行程序讀取PLC相應(yīng)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)值。具體測(cè)試流程如圖6所示。

圖6 測(cè)試程序流程

遙控設(shè)備輸入信號(hào)值將對(duì)應(yīng)起重機(jī)相應(yīng)動(dòng)作位，因此我們通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)遙控設(shè)備發(fā)送的通信信號(hào)采集PLC對(duì)應(yīng)寄存器信號(hào)后，可經(jīng)過(guò)分析得到大車(chē)小車(chē)、主鉤的運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)速度（由控制信息可分析出運(yùn)行的檔位，對(duì)照起重機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可得到對(duì)應(yīng)裝置運(yùn)行速度），對(duì)應(yīng)信息如表1所示。

表1 起重機(jī)各機(jī)構(gòu)主要參數(shù)（速度） m／min

例如手持設(shè)備控制信息為大車(chē)向前移動(dòng)一檔，PLC將通過(guò)控制變頻器繼而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)的大車(chē)向前運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，并且電機(jī)將以起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一檔速度運(yùn)動(dòng)。

3.2 程序界面

我們利用工控機(jī)上Python程序進(jìn)行通信動(dòng)作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，將手持設(shè)備傳輸?shù)耐ㄐ艅?dòng)作指令進(jìn)行解碼，從而在驗(yàn)證通信過(guò)程的同時(shí)獲取設(shè)備狀態(tài)信息。在確定工控機(jī)、PLC的網(wǎng)絡(luò)連接及通信正常后，運(yùn)行工控機(jī)程序進(jìn)行測(cè)試。

（1）查看工控機(jī)程序是否成功連接到PLC，程序運(yùn)行界面如圖7所示。

圖7 工控機(jī)成功與PLC連接

（2）查看通信狀態(tài)輸出及起重機(jī)動(dòng)作狀態(tài)。圖8為工控機(jī)程序讀到的起重機(jī)初始動(dòng)作狀態(tài)，此時(shí)控制大車(chē)、小車(chē)、主起升的開(kāi)關(guān)量都為0，起重機(jī)的大車(chē)、小車(chē)、主起升等機(jī)構(gòu)均應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

圖8 初始狀態(tài)

（3）改變手持設(shè)備的通信控制狀態(tài)，觀察此時(shí)起重機(jī)接收狀態(tài)及起重機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否有變化。圖9為遙控器狀態(tài)改變。圖9表示此時(shí)接收到的通信動(dòng)作指令為：大車(chē)右行一檔、主起升上升一檔。此時(shí)大車(chē)應(yīng)該以一檔的速度向右行駛，主起升以一檔的速度上升。

圖9 遙控器狀態(tài)改變

多次改變控制動(dòng)作指令狀態(tài)，通信后讀取到起重機(jī)按照正確的方向、速度運(yùn)行，通信狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

3.3 實(shí)時(shí)分析

為測(cè)試工控機(jī)數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性和可靠性，我們通過(guò)網(wǎng)關(guān)向工控機(jī)信息路由發(fā)送分別包含2 000個(gè)傳輸數(shù)據(jù)包的4組數(shù)據(jù)，重復(fù)發(fā)送實(shí)驗(yàn)5次，其大小分別為128B、256B、512B和1kB，檢測(cè)發(fā)送成功后統(tǒng)計(jì)每組重復(fù)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的傳輸時(shí)延及丟包率，結(jié)果如表2所示。

表2 通信測(cè)試結(jié)果

表2中的結(jié)果驗(yàn)證了工控機(jī)信息路由的數(shù)據(jù)包捕獲轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程能正常進(jìn)行，且丟包率低，滿(mǎn)足通信交互的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文創(chuàng)新地利用Python語(yǔ)言及開(kāi)源庫(kù)在Windows編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了橋式起重機(jī)自動(dòng)化過(guò)程中的中層控制工控機(jī)的編程，實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)與起重機(jī)機(jī)載PLC的數(shù)據(jù)交換過(guò)程。

Windows環(huán)境下編寫(xiě)的工控機(jī)程序具有一定的普適性，還能避免傳統(tǒng)Linux環(huán)境下編程指令復(fù)雜、界面操作困難等弊端。有效地減少了系統(tǒng)環(huán)境限制，同時(shí)使用Windows下現(xiàn)有api函數(shù)庫(kù)與類(lèi)，簡(jiǎn)化了編程難度與代碼復(fù)雜程度，具有一定的推廣價(jià)值。