軟件過程管理論文：基于VC的執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件過程管理論文：基于VC的執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計摘 要: 本文論述基于工業(yè)以太網(wǎng)通訊的監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、通訊協(xié)議和上位機與執(zhí)行機構(gòu)所采用的通訊方式。根據(jù)系統(tǒng)和以太網(wǎng)相應(yīng)的特點,設(shè)計實現(xiàn)能夠及時準(zhǔn)確與執(zhí)行機構(gòu)通訊控制的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件。經(jīng)過通訊測試實驗,證明該軟件是可行的并達到了通訊控制要求。關(guān)鍵詞: 以太網(wǎng);多臺執(zhí)行機構(gòu);通信協(xié)議1引 言電動執(zhí)行機構(gòu)是工業(yè)控制系統(tǒng)中一個十分重要的現(xiàn)場驅(qū)動裝置,在電力,冶金,石油,化工等工業(yè)部門取得越來越廣泛的應(yīng)用。同時以太網(wǎng)的迅猛發(fā)展有著逐漸代替現(xiàn)場總線的趨勢?，F(xiàn)場總線有著本身的缺陷,開放性不徹底使得市場上多種總線標(biāo)準(zhǔn)通行。相對來說,在開放性上,以太網(wǎng)有著先天性的優(yōu)勢。如果以太網(wǎng)的控制能夠大規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用于工業(yè)底層控制,則可實現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接,實現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的更大進步。本設(shè)計正是在這種環(huán)境下提出的。目前的工業(yè)控制領(lǐng)域之中,隨著控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷增大,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的控制越來越成為主流趨勢,針對單臺機構(gòu)的控制已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能符合現(xiàn)在的工業(yè)控制要求,對多臺機構(gòu)進行系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制成為趨勢。在工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的大規(guī)模的系統(tǒng),其中運行著多臺甚至多種型號執(zhí)行機構(gòu),將這些執(zhí)行機構(gòu)進行網(wǎng)絡(luò)化連接,并且對它們進行實時的監(jiān)控,對不同型號的執(zhí)行機構(gòu)采取不同的控制實現(xiàn),對不同的系統(tǒng)采取不同的控制策略,出現(xiàn)故障要做出相應(yīng)的判斷處理等。為了實現(xiàn)這樣的要求,就需要出現(xiàn)一套能夠基于以太網(wǎng)的多臺執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)網(wǎng)控制軟件。2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)2.1系統(tǒng)硬件構(gòu)架整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,上位機為PC控制,通過網(wǎng)卡連接集線器,每一個電動執(zhí)行機構(gòu)有著相對應(yīng)的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊,串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊相當(dāng)于執(zhí)行機構(gòu)的網(wǎng)卡,主要作用是串口與TCP通信之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。電動執(zhí)行機構(gòu)與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊之間通過串口TTL電平方式進行通訊,然后通過該模塊將電平信號以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)通過網(wǎng)線(通過HUB)發(fā)送到上位機。本設(shè)計采用的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊是國內(nèi)市場上較為成熟的一款產(chǎn)品,它內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧,用戶利用它可以實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能。該產(chǎn)品用于串口和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸,為串口設(shè)備增加以太網(wǎng)口?？捎糜诖谠O(shè)備與主控計算機之間,或者多個串口設(shè)備之間的遠(yuǎn)程通訊。采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊分別與集線器相連,可以自組織一個容量在200以上電動執(zhí)行機構(gòu)的大系統(tǒng),此規(guī)模在工業(yè)應(yīng)用中對于聯(lián)動網(wǎng)絡(luò)控制已綽綽有余。2.2電動執(zhí)行機構(gòu)與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)通訊實現(xiàn)采用的電動執(zhí)行機構(gòu)為SYJ系列角行程電動執(zhí)行機構(gòu),該執(zhí)行機構(gòu)的主控芯片為Intel80196MC,執(zhí)行機構(gòu)與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊之間通訊通過TTL電平方式通訊,采用四個接口:輸入口RxD,輸出口TxD,電源Vcc及接地GND。如圖2所示;圖中執(zhí)行機構(gòu)主控板80196的串行輸出與模塊的輸入RxD連接,主控板的輸入與模塊的輸出TxD連接,地線及電源線主控板與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊互相對應(yīng)連接。主控板中的80196MC與串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊的通訊采用異步通訊方式,一幀包含10個字節(jié)長度。3通信協(xié)議PC端的控制信號主要是與以太網(wǎng)模塊之間的通信,采用Tcp協(xié)議套接字,模塊與執(zhí)行機構(gòu)的串口之間的通信采用自定義的通信協(xié)議。此協(xié)議中的信息幀主要分為兩種:數(shù)據(jù)幀與命令幀。它實現(xiàn)一般信息通信功能。數(shù)據(jù)幀包含一般的I/O信,而命令幀則包含控制、查詢及設(shè)置等命令。采用異步通信方式,一幀包含10位,8位數(shù)據(jù),1位奇偶校驗,1位停止,奇校驗,波特率4800bps。為了確保通訊的可靠性,采用校驗和方式,對通訊數(shù)據(jù)進行檢驗。具體的實現(xiàn)分別在兩端程序中體現(xiàn)如下:如節(jié)點與現(xiàn)場設(shè)備的握手幀,用于確認(rèn)連接是否正常。4軟件實現(xiàn)4.1 windows下軟件通訊實現(xiàn)系統(tǒng)采用基于VC+6.0的WinSock編程。系統(tǒng)采用Client/Server模式。通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊的配置軟件,將該模塊設(shè)置成服務(wù)器模式,而主控計算機上的控制軟件部分為客戶端,每次啟動由主控計算機主動連接執(zhí)行機構(gòu)?？蛻舳撕头?wù)器采用面向連接的通信協(xié)議:控制計算機和模塊之間會建立一個虛擬連接這個連接一旦建立客戶端和服務(wù)器之間就可以把數(shù)據(jù)當(dāng)作一個雙向字節(jié)流進行交換;如果連接建立不成功,則不會發(fā)送數(shù)據(jù)。另外,面向連接傳輸?shù)拿恳粋€報文都需要接收端確認(rèn)未確認(rèn)報文被認(rèn)為是出錯的報文。該程序的編寫按照以下步驟進行(1)首先調(diào)用WSAStartup函數(shù)來初始化套接字庫。(2)調(diào)用socket函數(shù)來創(chuàng)建一個套接字。(3)調(diào)用connect函數(shù)連接服務(wù)器,發(fā)出連接請求。(4)服務(wù)器響應(yīng)連接請求后與服務(wù)器開始進行交互操作(接收發(fā)送數(shù)據(jù)等),直到請求結(jié)束。(5)調(diào)用closesocket關(guān)閉套接字,釋放套接字資源。(6)調(diào)用WSACleanup函數(shù)釋放相應(yīng)資源。由于將以太網(wǎng)模塊設(shè)置為服務(wù)器端,則上位機將采取主動發(fā)送信息從以太網(wǎng)模塊獲取反應(yīng)信號的方法。而在以太網(wǎng)模塊的端口則設(shè)置函數(shù)Listen,對端口進行實時監(jiān)聽,當(dāng)其監(jiān)聽到來自客戶機端的信息和請求時,調(diào)用accept函數(shù)接收數(shù)據(jù),并接著調(diào)用connect函數(shù)建立與客戶端機的連接。具體流程可由圖2表示:4.2多臺聯(lián)網(wǎng)控制軟件的設(shè)計實現(xiàn)設(shè)計中的重點在于以太網(wǎng)通訊部分的實時性,工業(yè)應(yīng)用中首要考慮的便是信號可靠性和實時性的解決。由于系統(tǒng)由多臺且多種執(zhí)行機構(gòu)組成,同一時刻出現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)通訊是必須保證其可靠和及時的。設(shè)計使用以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)通訊控制有著固有的優(yōu)勢:1執(zhí)行機構(gòu)主控板設(shè)計通訊模式為被動應(yīng)答式,也就是只有當(dāng)80196MC從其RxD接口讀入數(shù)據(jù)時才會返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這樣就會相應(yīng)的減輕以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通訊負(fù)擔(dān),同時由于以太網(wǎng)采用的是數(shù)據(jù)碰撞檢測技術(shù),一臺主動(上位機)與多臺被動(執(zhí)行機構(gòu))可以避免數(shù)據(jù)傳輸過程中的碰撞幾率。2簡短的控制指令,本設(shè)計采用的控制指令包含了所需要的信息,但是仍然保持在20個字節(jié)以內(nèi),如此簡短的指令可以使得應(yīng)用中完全忽略以太網(wǎng)延遲部分中的發(fā)送延遲。4.2.1數(shù)據(jù)優(yōu)先級處理實現(xiàn)對處于同一系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)置優(yōu)先級可以更有序處理數(shù)據(jù)。如不設(shè)置則按照程序默認(rèn)設(shè)置處理。默認(rèn)設(shè)置為無特別指定優(yōu)先級的情況下,當(dāng)控制指令發(fā)出時,在程序內(nèi)部對控制指令所包含的IP信息進行比較,指令按照IP值由小到大的順序發(fā)出。本設(shè)計默認(rèn)優(yōu)先級IP值越小,其優(yōu)先級越高。當(dāng)需要特別設(shè)置優(yōu)先級時,本程序內(nèi)置三個優(yōu)先級級別,實現(xiàn)方法采用對控制指令所附帶的IP地址進行預(yù)處理,設(shè)置某臺機構(gòu)的優(yōu)先級別為最高時,將其附屬IP值進行縮小,然后進行排序。程序內(nèi)置為三個優(yōu)先級級別。優(yōu)先級設(shè)置的必要性:對信號優(yōu)先級的設(shè)置,可以使得上位機處理數(shù)據(jù)時分出主從順序。例如:為了安全起見,網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)先級默認(rèn)低于現(xiàn)場控制級別;報警、故障信號級別設(shè)置為最高,優(yōu)先處理;結(jié)合執(zhí)行機構(gòu)設(shè)置的優(yōu)先級可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序處理。4.2.2設(shè)置指令存儲數(shù)組Temp當(dāng)系統(tǒng)中多臺機構(gòu)運轉(zhuǎn),且需要查詢其運行狀況時,上位機需要在同一時刻發(fā)出多條查詢指令,如果不適當(dāng)處理,就會引起網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)碰撞檢測,導(dǎo)致通信失敗。如圖4,在程序內(nèi)部設(shè)置存儲數(shù)組Temp,將排序完成的控制指令依次放入數(shù)組,并按照優(yōu)先級即放入順序依次發(fā)送。如出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤(校驗和出錯等)狀況,則程序默認(rèn)要求重發(fā),設(shè)置為三次,若三次全部錯誤,則在上位機報警處理。5總結(jié)設(shè)計采用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制,軟件控制基于VC,硬件選擇了成熟的以太網(wǎng)模塊,實現(xiàn)了準(zhǔn)確,高效的多臺機構(gòu)聯(lián)網(wǎng)控制,擺脫了以往的基于單一機構(gòu)的控制,并且注重實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)可靠性和軟件適用性。通訊測試實驗,本監(jiān)控軟件設(shè)計是可行的,并達到了通訊控制要求。本文作者創(chuàng)新點在于對處在網(wǎng)絡(luò)中的多臺執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)有序、可靠的控制,解決了可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)擁塞和實時性問題。在下一步的開發(fā)設(shè)計中將盡量實現(xiàn)與組態(tài)軟件的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)互通。組態(tài)軟件在工控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使得本控制軟件成為一個必須考慮的方面。市面上的組態(tài)軟件都會嵌入Modbus/tcp協(xié)議,部分組態(tài)軟件會留下數(shù)據(jù)接口,與其實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通,并且兼容市面上的大部分組態(tài)內(nèi)置協(xié)議。總之,隨著工業(yè)化得進一步發(fā)展,以太網(wǎng)所存在的問題得到進一步解決,其在工控中的應(yīng)用將會日趨成熟和廣泛。本文作者創(chuàng)新點在于對處在網(wǎng)絡(luò)中的多臺執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)有序、可靠的控制,解決了可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)擁塞和實時性問題。參考文獻1陽憲惠工業(yè)數(shù)據(jù)通訊與控制網(wǎng)絡(luò)M北京:清華大學(xué)出版社,2003 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