夏富平

摘要：上位PC機利用從PLC控制器實時采集的各項實時數(shù)據(jù)，自動監(jiān)控現(xiàn)場各種機械設備和傳感器設備的運行狀態(tài)，并根據(jù)設備的實時狀態(tài)進行有效合理的統(tǒng)計分析，從而實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的自動化和信息化管理，這已成為工業(yè)控制領域的一個重量的發(fā)展方向。本文以西門子的Prodave 組件為基礎，設計并實現(xiàn)了一種上位機與PLC控制器通訊的通用接口，項目實踐證明，該通訊接口穩(wěn)定性好、擴展性強且實際操作靈活方便，便于用戶將此通訊接口集成至各類工業(yè)控制系統(tǒng)中。

關鍵詞： simatic;prodave;PLC;C#;設計模式

1 ?概述

自動化工業(yè)控制領域中PLC作為一種高效、靈活、穩(wěn)定的控制器，有著廣泛的應用。以PLC控制器為核心，上位PC機為實時監(jiān)控體的控制系統(tǒng)已經(jīng)成為工業(yè)自動化PLC控制系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。實現(xiàn)PLC與PC的通信可以實現(xiàn)向上一級提供諸如工藝流程圖、動態(tài)數(shù)據(jù)畫面、報表顯示等多種窗口技術，使PLC控制系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，通過上位機對PLC數(shù)據(jù)的讀寫監(jiān)控實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳送以及生產(chǎn)過程調度的自動化和信息化，其應用前景十分廣闊。

自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中通常會采用工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)上位機系統(tǒng)，PLC作為下層控制設備，目前市場上通信組態(tài)系統(tǒng)結構復雜，價格昂貴，應用繁瑣，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)軟件來說，高級編程語言更加適合開發(fā)具有實時響應、功能豐富、擴展方便、高靈活性和易于移植等技術需求的上位機系統(tǒng)。為此，需要設計一種與PLC通信的通用接口，用戶采用高級編程語言開發(fā)的上位機系統(tǒng)能夠運用此通訊接口與PLC進行數(shù)據(jù)通信。

本文以造紙行業(yè)中紙卷輸送控制系統(tǒng)的設計方法為基礎，對西門子S7系列中的PLC與上位機通訊的原理作深入細致的研究，依據(jù)Visual Studio 2005作為開發(fā)平臺用C#語言實現(xiàn)了PLC與上位PC機的通用通訊接口，該接口具有穩(wěn)定性好、易于擴展維護且操作方便的特點，對于需要用上位機與PLC通訊的工程設計人員來說，具有一定的借鑒作用。

2 ?西門子Prodave組件介紹

Prodave是“Process Data Traffic”（過程數(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MPI通信處理器、PC/MPI適配器和以太網(wǎng)絡可以方便地在PLC與PC之間建立數(shù)據(jù)鏈接。Prodave的動態(tài)鏈接庫（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與PLC之間的數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)處理的詳細方案。

表1為項目中涉及到的Prodave組件的簡單介紹。

現(xiàn)階段項目中使用的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)和電話服務函數(shù)，基本函數(shù)主要包含建立連接、關閉連接、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 ?通用接口的詳細設計方案

3.1 現(xiàn)有設計問題

由于上位機與PLC通信需要用到的Prodave組件版本過多，導致上位機與PLC通信時接口不盡相同，代碼復用能力差。當上位機硬件設備升級或者更換Prodave通訊組件時，需要修改上位機控制系統(tǒng)中與PLC通信的模塊代碼。在紙卷輸送控制系統(tǒng)的設計過程中，由于每個項目的工藝設計和功能要求不同，工程設計人員在做項目方案設計和設備選型時，選用西門子的CPU型號也不盡相同，因此網(wǎng)絡設計人員需要根據(jù)不同的工藝需求采用不同版本的Prodave組件來編寫與PLC通信的代碼。圖1為上位機與PLC控制器現(xiàn)有通訊結構。

3.2 通信接口設計要求

由于與PLC通信的Prodave組件版本多，對應的接口函數(shù)也不盡相同，因此對上位機來說，新的通用接口需要滿足以下設計要求：

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

②有較強的靈活性和擴展性能。如果未來出現(xiàn)新的Prodave組件的升級，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組件對象即可;

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

3.3 通信接口設計方案

通過深入分析可以得知：不論是哪一種Prodave組件，上位機控制系統(tǒng)均希望此組件能完成對PLC控制器的建立連接、讀取數(shù)據(jù)、寫入數(shù)據(jù)和關閉連接的功能，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，可以按照軟件設計模式中的工廠設計方法，將涉及到與PLC操作的各個對象中操作函數(shù)按一定的規(guī)則抽象出來，形成一個通用的接口對象。圖2是改進后上位機系統(tǒng)與PLC的通訊結構。

3.4 通用接口的設計實現(xiàn)

在實現(xiàn)通用接口對象前，首先需要分析現(xiàn)有各版本Prodave 組件對應的接口函數(shù)，然后再根據(jù)各接口函數(shù)再抽象成對應的接口對象。

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組件對應的接口函數(shù)可知，Prodave5.x系列對應的主要接口函數(shù)的函數(shù)名稱與對應參數(shù)數(shù)量與類型與Prodave6.x系列對應的主要接口函數(shù)函數(shù)名稱與對應參數(shù)數(shù)量與類型基本不相同。因此需要在各個引用Prodave組件對應的接口對象之上還需要抽象一個適配對象，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，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為對應組件的類設計示意圖，從圖中可以看出，每一種Prodave組件的接口函數(shù)均有一個適配對象與之對應，如Prodave5.0的接口對象PLCProdave5D0與適配對象PLCOperation5D0對應，同理Prodave5.6的接口對象PLCProdave5D6與適配對象PLCOperation5D6對應， PLCProdave6D0與適配對象PLCOperation6D0對應。從圖3中還可以看出，每一類適配對象對應的連接函數(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）以及關閉連接函數(shù)（CloseConnectPLC）對應的函數(shù)名稱、函數(shù)對應參數(shù)數(shù)量和類型均相同，每個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，可以在對應的適配器對象之上編寫統(tǒng)一的通用接口對象IPLCOperation。適配對象PLCOperation5D0、PLCOperation5D6和PLCOperation6D0除了繼承各自對應的接口對象外，還需要實現(xiàn)IPLCOperation和IDisposible接口，其中實現(xiàn)IDisposible接中主要用于在關閉對象時要求系統(tǒng)顯示釋放對應內(nèi)存等重要資源。

從圖3Prodave組件類設計圖中，將各適配器對象相同的部分抽象出來可以非常容易得到通用的PLC接口對象如圖4所示。

通用接口中用到的其他相關對象如圖5所示

以下代碼為通用接口類的具體實現(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PLC操作工廠類，完全將各種具體的PLC接口實現(xiàn)對象封裝起來，主要是根據(jù)外部參數(shù)的不同創(chuàng)建不同的具體的PLC操作對象實例，以下代碼為工廠類的具體實現(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)對象傳入PLC工廠對象中，由工廠對象根據(jù)PLC組件類型來實例化不同的PLC操作類。當然上述實現(xiàn)實例化不同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現(xiàn)

上位機控制系統(tǒng)只需要關注PLC通信通用接口的實現(xiàn)方式，因此在項目實際使用過程中，系統(tǒng)設計人員可以按以下方式使用。

4.1 PLC模塊初始化

在實際項目設計過程中，如某臺上位機控制系統(tǒng)需要與一個以上的PLC通信，此處可以在PLC通信模塊中，可以建立一個以PLC通用接口對象為元素的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通用接口和存儲連接PLC需要的各種參數(shù)值，圖6為多個PLC通信接口對應多個PLC的應用場景：

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PLC接口集合不為空時，可以循環(huán)遍歷PLC接口集合中的通用接口類，并讀取對應的PLC對應地址塊中數(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，然后調用對應的接口函數(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

當需要釋放PLC接品資源時，需要遍歷PLC接口集合，先關閉當前連接，然后再銷毀對象即可。

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

5 ?結論

以西門子的Prodave 組件為具體研究對象，結合軟件工程中的軟件設計模式思想，設計并實現(xiàn)了一種上位機與PLC通訊的通用接口，該通訊接口已成功應用于福建聯(lián)盛紙業(yè)PM5&6，PM7，PM8、山東太陽紙業(yè)PM19&20，24、安徽山鷹PM5&6等多套紙卷輸送控制系統(tǒng)中。實踐證明，該通訊接口可以使通訊模塊的代碼結構清晰，穩(wěn)定性好、擴展性和集成性強且實際操作靈活方便，可適應復雜的項目工藝需求變化，具有一定的參考價值和應用價值。

參考文獻：

[1]程宏.福建聯(lián)盛紙業(yè)PM8輸送控制系統(tǒng)源碼，2012.

[2]程宏.山東太陽紙業(yè)PM24輸送控制系統(tǒng)源碼，2014.

[3]王翔.設計模式-基于C#的工程化實現(xiàn)及擴展[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[4]葛新鋒，晉景濤.基于VB的上位機與PLC通信系統(tǒng)實現(xiàn)，2009.

[5]趙曉明，徐立，邵威，夏春林.基于VC++的上位機與西門子系列PLC通信的研究[J].機電工程，2007.