0 引言

    目前國(guó)產(chǎn)PLC上位機(jī)監(jiān)控軟件廠(chǎng)家有西門(mén)子、施耐德、歐姆龍、三菱、橫河、臺(tái)達(dá)等，各類(lèi)軟件均有各自的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)占有較大的份額。然而針對(duì)不同系統(tǒng)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)軟件所開(kāi)發(fā)出的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)之間兼容性較差，不能實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信。這是由于系統(tǒng)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)軟件之間的耦合性較強(qiáng)造成的。

    在上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)的最底層(即網(wǎng)絡(luò)層)，通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與控制器間的數(shù)據(jù)通信以及操作員站之間的數(shù)據(jù)同步。通信子系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)中配置子系統(tǒng)提供的系統(tǒng)構(gòu)成信息，通過(guò)以太網(wǎng)完成系統(tǒng)中各個(gè)站點(diǎn)之間的狀態(tài)監(jiān)控、組態(tài)同步、進(jìn)程控制、文件維護(hù)等工作。而不同的PLC上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中配置子系統(tǒng)提供的系統(tǒng)構(gòu)成信息卻因系統(tǒng)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)軟件的不同而不同。

    數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)接管上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)內(nèi)部上層應(yīng)用軟件需要的所有數(shù)據(jù)通信和文件傳輸，并能夠以消息方式通知上層應(yīng)用軟件。如果系統(tǒng)的構(gòu)成信息有差異，則會(huì)導(dǎo)致上位機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的紊亂。

    對(duì)此，文獻(xiàn)[1]、[2]均通過(guò)在不同上位機(jī)軟件之間建立公共的Modbus協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)之間通信數(shù)據(jù)的兼容。雖然Modbus在上位機(jī)通信當(dāng)中使用較多，但中間需將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成公共“可識(shí)別”的數(shù)據(jù)，降低了通信效率。文獻(xiàn)[3]則是在不同的上位機(jī)之間建立以太網(wǎng)，把每個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)當(dāng)作自己的下層系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的兼容轉(zhuǎn)換和傳輸。此種方法對(duì)以太網(wǎng)的傳輸效率和系統(tǒng)架構(gòu)要求較高，不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]是在每個(gè)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中加裝GPRS通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)快平臺(tái)的通信。GPRS由于其傳輸距離和本身可靠性的限制，在跨平臺(tái)的通信中較少應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]提出使用第三方監(jiān)控軟件作為公共數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換平臺(tái)，這種方法和文獻(xiàn)[2]的方法類(lèi)似，對(duì)第三方的系統(tǒng)要求較高且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)較為復(fù)雜。

    本文采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)。首先對(duì)數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)進(jìn)行了功能分析，然后進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)，并對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行化整為零的模塊拆分，最后對(duì)各模塊的實(shí)現(xiàn)方式、方法提出參考方案，并進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述。

1 系統(tǒng)功能分析

    數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)需要完成監(jiān)控軟件系統(tǒng)中上層應(yīng)用軟件需要的所有數(shù)據(jù)通信和文件傳輸，并能夠以消息方式通知上層應(yīng)用軟件。數(shù)據(jù)通信內(nèi)容包括站間狀態(tài)數(shù)據(jù)包、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)包、歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包、命令包、請(qǐng)求包等所有需要網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，文件傳輸包含組態(tài)文件、配置文件、日志文件等所有需要網(wǎng)絡(luò)傳輸和同步的文件。

    數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)程控制命令包方式，對(duì)其他站的進(jìn)程進(jìn)行帶參數(shù)啟動(dòng)、定時(shí)啟動(dòng)、定時(shí)停止、監(jiān)視等操控，通過(guò)站點(diǎn)控制命令包方式，對(duì)其他操作員站進(jìn)行啟動(dòng)在線(xiàn)、定時(shí)啟動(dòng)在線(xiàn)、定時(shí)停止在線(xiàn)等操控。支持一對(duì)一和一對(duì)多的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，根據(jù)需要，分別提供可靠的TCP傳輸方式和非連接的UDP傳輸方式。TCP方式用于大數(shù)據(jù)塊的復(fù)制和同步，UDP用于少量數(shù)據(jù)的傳輸。原則是周期性數(shù)據(jù)用UDP，事件性的數(shù)據(jù)用TCP。支持優(yōu)先級(jí)控制，不同的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)按照高優(yōu)先級(jí)先發(fā)送原則進(jìn)行處理，保證重要數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)包很大時(shí)，需分包處理，并自行控制以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷最高不超過(guò)20％，以10％以下為佳。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    如圖1所示，數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)總體劃分為3個(gè)模塊：數(shù)據(jù)交互模塊、網(wǎng)絡(luò)操作模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。數(shù)據(jù)交互模塊管理數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，負(fù)責(zé)完成站與站之間TCP/UDP數(shù)據(jù)和文件的傳送，發(fā)送隊(duì)列管理和接收數(shù)據(jù)，并通知進(jìn)程；網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于上位機(jī)監(jiān)控軟件站間各應(yīng)用程序與傳送數(shù)據(jù)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信接口，主要是發(fā)送接口函數(shù)、接收接口函數(shù)；網(wǎng)絡(luò)操作模塊主要完成提供遠(yuǎn)程登陸、獲取網(wǎng)絡(luò)地址、指定站狀態(tài)功能，該模塊主要提供兩個(gè)接口函數(shù)，分別是獲取指定站的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)和獲取網(wǎng)絡(luò)地址。由于數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)同時(shí)支持Windows平臺(tái)和Linux平臺(tái)，為了解決平臺(tái)差異性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低耦合性，網(wǎng)絡(luò)操作模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊均采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式實(shí)現(xiàn)。

    當(dāng)應(yīng)用程序有數(shù)據(jù)、文件或者命令要發(fā)送到目的站時(shí)，先調(diào)用網(wǎng)絡(luò)操作動(dòng)態(tài)庫(kù)中的相關(guān)函數(shù)，打通路徑；再調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通信動(dòng)態(tài)庫(kù)的相關(guān)函數(shù)將數(shù)據(jù)按照優(yōu)先級(jí)放到不同的隊(duì)列中。數(shù)據(jù)交互模塊按照優(yōu)先級(jí)算法查詢(xún)各個(gè)隊(duì)列，將各個(gè)隊(duì)列的數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地址；當(dāng)數(shù)據(jù)通信收到來(lái)自上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，先辨別是哪一類(lèi)，如果是輸出型模擬量、輸出型數(shù)字量等數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)放到接口輸入隊(duì)列；如果是命令，則即刻通知目標(biāo)應(yīng)用程序；如果是給應(yīng)用程序的內(nèi)存數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)放到接收內(nèi)存隊(duì)列，并馬上通知上層應(yīng)用程序來(lái)接收處理。校時(shí)數(shù)據(jù)由歷史站主站周期發(fā)送給全網(wǎng)，其他站被動(dòng)接收數(shù)據(jù)并修改自身的時(shí)鐘與歷史站主站保持一致。

    當(dāng)上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，數(shù)據(jù)交互模塊會(huì)調(diào)用整個(gè)系統(tǒng)錯(cuò)誤管理程序提供的接口函數(shù)顯示錯(cuò)誤提示。發(fā)送和接收錯(cuò)誤信息一律記入日志文件。為了保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性，如果發(fā)生數(shù)據(jù)包太多、超過(guò)處理能力時(shí)，則依據(jù)數(shù)據(jù)包中的重要性信息丟棄一部分不重要的數(shù)據(jù)，但用于操作PLC的數(shù)字量信息包永遠(yuǎn)不被丟棄。

3 數(shù)據(jù)交互模塊

    該模塊主要接管上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)的交互工作，包括命令、內(nèi)存、文件的傳送。對(duì)TCP/UDP通信的發(fā)送和接收端口進(jìn)行管理，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。

    接收到內(nèi)存數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)類(lèi)型再做處理：需要寫(xiě)到共享內(nèi)存隊(duì)列的，發(fā)送消息通知實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理進(jìn)程，包括操作數(shù)據(jù)包；如果是操作包，并且本機(jī)是歷史站的主站，則加上時(shí)間標(biāo)簽放到操作數(shù)據(jù)隊(duì)列，通知實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊處理數(shù)據(jù)，另外還要將這個(gè)操作包放到數(shù)字量、模擬量輸出隊(duì)列，等待PLC驅(qū)動(dòng)模塊處理，并調(diào)用數(shù)據(jù)通信模塊將其分發(fā)到其他機(jī)器上；需要寫(xiě)到共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)，不需要通知應(yīng)用程序；其他內(nèi)存數(shù)據(jù)，送到后，先放到一個(gè)緩存，并通知對(duì)方接收數(shù)據(jù)；對(duì)于消息和命令，傳送至目標(biāo)后直接發(fā)送到應(yīng)用程序。接收到命令后先放到程序內(nèi)部緩存，然后直接用消息通知給應(yīng)用程序。

    文件傳輸直接采用Linux/Windows平臺(tái)的文件拷貝命令或者文件序列化的方法。超過(guò)一定大小的文件需要先進(jìn)行文件壓縮，然后再發(fā)送壓縮后的文件，并由目標(biāo)機(jī)在其本地解壓縮。為防止變更集數(shù)據(jù)丟失，對(duì)重要數(shù)據(jù)傳輸采用TCP方式。全網(wǎng)傳送使用UDP組播或廣播方式。管理遠(yuǎn)程登錄連接，文件傳送完畢要關(guān)閉連接，但為了防止反復(fù)的打開(kāi)和關(guān)閉連接，使用超時(shí)機(jī)制，超時(shí)時(shí)間到才關(guān)閉連接。連接信息放在共享內(nèi)存中。傳送以字節(jié)為單位進(jìn)行，不修改數(shù)據(jù)包原來(lái)的數(shù)據(jù)精度。對(duì)于PC間內(nèi)存同步數(shù)據(jù)，采用UDP傳送，數(shù)據(jù)包有可能丟失，但是同步數(shù)據(jù)每秒同步，下一秒的數(shù)據(jù)到來(lái)可以彌補(bǔ)丟失數(shù)據(jù)^[6-8]。

4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

    提供本機(jī)進(jìn)程間的消息通信機(jī)制，調(diào)用公共函數(shù)可以在進(jìn)程間任意發(fā)消息通知。該模塊提供發(fā)送通知、發(fā)送文件、發(fā)送內(nèi)存、發(fā)送操作數(shù)據(jù)表、通知目標(biāo)任務(wù)接收數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的接口函數(shù)。如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，采用消息方式通知調(diào)用任務(wù)（此功能在數(shù)據(jù)交互模塊中）。UDP數(shù)據(jù)包分為大包、中包和小包。TCP數(shù)據(jù)包沒(méi)有這些限制。數(shù)據(jù)通信與上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)其他應(yīng)用程序的接口包括3種：消息、內(nèi)存和動(dòng)態(tài)庫(kù)^[9-12]。

4.1 本地消息實(shí)現(xiàn)

    鑒于上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)既要運(yùn)行在Linux下又要運(yùn)行在Windows下，但是兩個(gè)操作系統(tǒng)對(duì)消息的定義不同，所以采用Qt的本地Socket技術(shù)封裝上位機(jī)監(jiān)控軟件自己的消息機(jī)制，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的消息通信，其對(duì)外接口形式采用近似Windows的消息方式。

    本地消息通知分兩種，一種是傳遞消息值及消息參數(shù)，另一種是傳遞消息值及一小塊內(nèi)存數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)時(shí)采用QlocalSocket類(lèi)，封裝上述兩個(gè)函數(shù)并提供類(lèi)對(duì)象，上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)的所有進(jìn)程都可以加載網(wǎng)絡(luò)通信動(dòng)態(tài)庫(kù)，即可具備本地進(jìn)程間的消息通知功能。發(fā)送通知的進(jìn)程調(diào)用類(lèi)對(duì)象的發(fā)送命令的函數(shù)發(fā)送通知，接收通知的進(jìn)程只需定義本地接收通知的信號(hào)及對(duì)應(yīng)信號(hào)處理函數(shù)即槽函數(shù)，即可收到并處理通知。通知傳送處理流程如圖2所示。

4.2 機(jī)器間的消息實(shí)現(xiàn)

    機(jī)器間的消息通知亦采用Qt的Socket技術(shù)封裝上位機(jī)監(jiān)控軟件自己的消息機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同機(jī)器進(jìn)程間的消息通知。機(jī)器間消息通知亦分兩種，一種是傳遞消息值及消息參數(shù)，另一種是傳遞消息值及一小塊內(nèi)存數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)時(shí)采用QUdpSocket類(lèi)，封裝上述兩個(gè)函數(shù)并提供類(lèi)對(duì)象，上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)的所有進(jìn)程都可以加載網(wǎng)絡(luò)通信動(dòng)態(tài)庫(kù)，即可具備機(jī)器間進(jìn)程的消息通知功能。發(fā)送通知的進(jìn)程調(diào)用類(lèi)對(duì)象的發(fā)送命令的函數(shù)發(fā)送通知，接收通知的進(jìn)程只需定義遠(yuǎn)程接收信號(hào)及對(duì)應(yīng)槽函數(shù)，即可收到并處理通知。通知傳送處理流程如圖2所示。

4.3 機(jī)器間文件的發(fā)送實(shí)現(xiàn)

    因?yàn)樯衔粰C(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)既要運(yùn)行在Linux下又要運(yùn)行在Windows下，所以機(jī)器間的文件傳送采用操作系統(tǒng)自身的遠(yuǎn)程文件拷貝功能，需要根據(jù)操作系統(tǒng)的不同，采用不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。在Windows平臺(tái)下，在上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)安裝配置時(shí)，就創(chuàng)建上位機(jī)監(jiān)控軟件專(zhuān)用的管理員賬戶(hù)，此賬戶(hù)所有計(jì)算機(jī)都一樣，利用系統(tǒng)默認(rèn)的CS、DS等默認(rèn)共享，如同操作本機(jī)文件一樣在各臺(tái)機(jī)器之間拷貝文件。在Linux平臺(tái)下，在上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)中設(shè)置相同的root用戶(hù)密碼，并在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，利用腳本打通各個(gè)機(jī)器之間的訪(fǎng)問(wèn)路徑，然后如同操作本機(jī)文件一樣在各臺(tái)機(jī)器之間拷貝文件^[13]。

4.4 機(jī)器間內(nèi)存同步實(shí)現(xiàn)

    機(jī)器間的共享內(nèi)存同步，采用Qt的QUdpSocket技術(shù)封裝，實(shí)現(xiàn)不同機(jī)器間共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的同步。實(shí)現(xiàn)時(shí)采用QUdpSocket類(lèi)，封裝上述函數(shù)并提供類(lèi)對(duì)象，上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)的所有進(jìn)程都可以加載網(wǎng)絡(luò)通信動(dòng)態(tài)庫(kù)，即可具備機(jī)器間共享內(nèi)存的同步功能。需要同步共享內(nèi)存的進(jìn)程調(diào)用類(lèi)對(duì)象的發(fā)送內(nèi)存接口函數(shù)發(fā)送內(nèi)存數(shù)據(jù)，函數(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)的大小，在最短的時(shí)間內(nèi)分包發(fā)送數(shù)據(jù)，并且每個(gè)分包中都帶有此數(shù)據(jù)包內(nèi)數(shù)據(jù)相對(duì)于原始共享內(nèi)存頭部的偏移地址及分包的大小。接收發(fā)送內(nèi)存通知的進(jìn)程只需定義發(fā)送內(nèi)存通知信號(hào)及對(duì)應(yīng)信號(hào)處理函數(shù)(即槽函數(shù))就能收到并處理內(nèi)存數(shù)據(jù)，收到的內(nèi)存數(shù)據(jù)根據(jù)偏移地址和大小，可以直接覆蓋本機(jī)的共享內(nèi)存中對(duì)應(yīng)部分的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的同步^[14]。

4.5 機(jī)器間發(fā)送操作數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)

    機(jī)器間發(fā)送操作數(shù)據(jù)包，采用Qt的QUdpSocket技術(shù)封裝并提供類(lèi)對(duì)象，可以實(shí)現(xiàn)不同機(jī)器間操作數(shù)據(jù)包的發(fā)送。待發(fā)送操作數(shù)據(jù)包的進(jìn)程調(diào)用類(lèi)對(duì)象的發(fā)送操作數(shù)據(jù)接口函數(shù)來(lái)發(fā)送操作數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)上接收計(jì)算機(jī)上的進(jìn)程只需定義接收操作數(shù)據(jù)的信號(hào)及該信號(hào)對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)即槽函數(shù)，即可收到并處理操作數(shù)據(jù)包。模擬量的畫(huà)面下發(fā)操作的數(shù)據(jù)包和數(shù)字量的置數(shù)操作的數(shù)據(jù)包采用不同的結(jié)構(gòu)^[15-16]。

    其中包類(lèi)型可以用于讓通信模塊識(shí)別來(lái)決定放到輸入接口隊(duì)列還是輸出接口隊(duì)列，數(shù)字量操作隊(duì)列有兩種：即畫(huà)面數(shù)字量操作包類(lèi)型和非畫(huà)面數(shù)字量操作包類(lèi)型，非畫(huà)面數(shù)字量操作包類(lèi)型指的是人工置數(shù)數(shù)字量點(diǎn)。畫(huà)面操作包需要為之做輸出型數(shù)字量清零處理，非畫(huà)面操作包不能清零。這兩個(gè)數(shù)據(jù)包由操作員所在的操作員站寫(xiě)入，但是時(shí)間標(biāo)簽由歷史站主站打包數(shù)據(jù)時(shí)寫(xiě)入，過(guò)程如圖3所示。

5 結(jié)論

    本文主要介紹了基于國(guó)產(chǎn)PLC、支持跨平臺(tái)的上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)方法。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊拆分，并應(yīng)用對(duì)每個(gè)模塊提出的新方法，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的上位機(jī)數(shù)據(jù)通信。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的長(zhǎng)時(shí)段高負(fù)荷的運(yùn)行驗(yàn)證中，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和可靠性。

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作者信息：

王毅璇，豐大軍，王  皓，張曉莉

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083）