帶你深入解讀：基于多線程技術(shù)的PLC與PC的通訊方式

0.引言

在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，PLC以其高可靠性、適應(yīng)工業(yè)過程現(xiàn)場(chǎng)、強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用?？蓪?shí)現(xiàn)順序控制、PID回路調(diào)節(jié)、高速數(shù)據(jù)采集分析、計(jì)算機(jī)上位管理，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的重要手段和發(fā)展方向。但PLC無法單獨(dú)構(gòu)成完整的控制系統(tǒng)，無法進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算和顯示各種實(shí)時(shí)控制圖表和曲線，無良好的用戶界面，不便于監(jiān)控。將個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）與PLC結(jié)合起來使用，可以使二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，充分利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的人機(jī)接口功能、豐富的應(yīng)用軟件和低廉的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，組成高性能價(jià)格比的控制系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)構(gòu)成

推進(jìn)系統(tǒng)中，PC機(jī)選用工控計(jì)算機(jī)。它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，是上位機(jī)。其主要利用良好的圖形用戶界面，顯示從PLC接收的開關(guān)量和控制手柄的位置，進(jìn)行一些較復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算，并且向PLC發(fā)出控制指令。

PLC是該系統(tǒng)的下位機(jī)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)高速數(shù)據(jù)采集（控制手柄的位置），實(shí)現(xiàn)邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)、PID調(diào)節(jié)等功能，通過串行通訊口向PC機(jī)傳送PLC工作狀態(tài)及有關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)從PC機(jī)接受指令，向蜂鳴器、指示燈、滑油泵、控制手柄的位置等發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的管理，提高了PLC的控制能力和控制范圍，使整個(gè)系統(tǒng)成為集散控制系統(tǒng)。

2.通訊協(xié)議

計(jì)算機(jī)與PLC之間的通信是建立在以RS232標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的異步雙向通信上的，F(xiàn)X系列PLC有其特定的通信格式，整個(gè)通信系統(tǒng)采用上位機(jī)主動(dòng)的通信方式，PLC內(nèi)部不需要編寫專門的通信程序，只要把數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中即可，每個(gè)數(shù)據(jù)寄存器都有相應(yīng)的物理通信地址，通信時(shí)計(jì)算機(jī)直接對(duì)物理通信地址進(jìn)行操作。通信過程中，傳輸字符和命令字以ASCⅡ碼為準(zhǔn)，常用的字符及其ASCⅡ碼對(duì)應(yīng)關(guān)系。

計(jì)算機(jī)與PLC進(jìn)行通訊時(shí)，計(jì)算機(jī)與PLC之間是以幀為單位進(jìn)行信息交換的，其中控制字符ENQ、ACK、NAK，可以構(gòu)成單字符幀發(fā)送和接受，其余的信息幀發(fā)送和接受時(shí)都是由字符STX、命令字、數(shù)據(jù)、字符ETX以及和校驗(yàn)5部分組成。

校驗(yàn)和在信息幀的尾部用來判斷傳輸?shù)恼_與否，和校驗(yàn)碼的計(jì)算方法是將命令碼到ETX之間的所有字符的ASCⅡ碼（十六進(jìn)制數(shù)）相加，取所得和的最低2位數(shù)，在后面的通信程序設(shè)計(jì)里面還會(huì)提到。進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)的方法很多，常用的有奇偶校驗(yàn)碼，水平垂直冗余校驗(yàn)LRC，目前廣泛使用的是CRC校驗(yàn)碼，它能查處99%以上18位或更長(zhǎng)的突出錯(cuò)誤，而在計(jì)算機(jī)與PLC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短距離通訊時(shí)，出錯(cuò)的幾率較小，因而采用校驗(yàn)和法，基本能滿足要求。

3.多線程技術(shù)及在VC++串口通信程序中的實(shí)現(xiàn)

在Windows的一個(gè)進(jìn)程內(nèi)，包含一個(gè)或多個(gè)線程，每個(gè)線程共享所有的進(jìn)程資源，包括打開的文件、信號(hào)標(biāo)識(shí)及動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存等等。

一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的所有線程使用同一個(gè)32位地址空間，而這些線程的執(zhí)行由系統(tǒng)調(diào)度程序控制，調(diào)度程序決定哪個(gè)線程可執(zhí)行和什么時(shí)候執(zhí)行線程。線程有優(yōu)先級(jí)別，優(yōu)先權(quán)較低的線程必須等到優(yōu)先權(quán)較高的線程執(zhí)行完任務(wù)后再執(zhí)行。在多處理器的機(jī)器上，調(diào)度程序可以把多個(gè)線程放到不同的處理器上運(yùn)行，這樣可以使處理器的任務(wù)平衡，也提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

Windows內(nèi)部的搶先調(diào)度程序在活動(dòng)的線程之間分配CPU時(shí)間，Windows區(qū)分兩種不同類型的線程，一種是用戶界面線程（UserInterfaceThread），它包含消息循環(huán)或消息泵，用于處理接收到的消息；另一種是工作線程（WorkThread）它沒有消息循環(huán)，用于執(zhí)行后臺(tái)任務(wù)、監(jiān)視串口事件的線程即為工作線程。

本系統(tǒng)采用MFC編程方法，MFC是把串口作為文件設(shè)備來處理的，它用CreateFile（）打開串口，并獲得一個(gè)串口句柄，用SetCommState（）進(jìn)行端口配置，包括緩沖區(qū)設(shè)置，超時(shí)設(shè)置和數(shù)據(jù)格式等。然后調(diào)用函數(shù)ReadFile（）和WriteFile（）進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，用WaitForSingleObject（）監(jiān)視通信事件。在用ReadFile（）和WriteFile（）讀寫串口時(shí)，一般采用重疊方式。因?yàn)橥絀/O方式是當(dāng)程序執(zhí)行完畢才返回，這樣會(huì)阻塞其他線程，降低程序執(zhí)行效率。而重疊方式能使調(diào)用的函數(shù)立即返回，I/O操作在后臺(tái)進(jìn)行，這樣線程就可以處理其他事務(wù)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了線程在同一串口句柄上實(shí)現(xiàn)讀寫操作。

使用重疊I/O方式時(shí)，線程要?jiǎng)?chuàng)建OVERLAPPED結(jié)構(gòu)供讀寫函數(shù)使用，該結(jié)構(gòu)最重要的成員是hEvent事件句柄。它將作為線程的同步對(duì)象使用，讀寫函數(shù)完成時(shí)hEvent處于有信號(hào)狀態(tài)，表示可進(jìn)行讀寫操作；讀寫函數(shù)未完成時(shí)，hEvent被置為無信號(hào)。

利用Windows的多線程技術(shù)，在輔助線程中監(jiān)視串口，有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)依靠事件驅(qū)動(dòng)，讀入數(shù)據(jù)并向主線程報(bào)告；并且，依靠重疊讀寫操作，讓串口讀寫操作在后臺(tái)運(yùn)行。

4.上位計(jì)算機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

以讀取PLC輸出線圈Y0為首的2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)為例，編寫一個(gè)通信程序。查PLC軟元件地址表可知，輸出線圈Y0的首地址為00A0H，2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)即為Y0-Y7和Y10-Y17，根據(jù)返回的數(shù)據(jù)，就可以知道PLC此時(shí)的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的監(jiān)控。在每一次讀操作之前，先要進(jìn)行握手聯(lián)絡(luò)。對(duì)PLC發(fā)請(qǐng)求訊號(hào)ENQ，然后讀PLC的響應(yīng)訊號(hào)。如果讀到的響應(yīng)訊號(hào)為ACK，則表示PLC已準(zhǔn)備就緒，等待接收通訊數(shù)據(jù)。

BOOLCPlcComDlg：：ReadFromPLC（char*Read_char，char*Read_address，intRead_bytes）

{CSerialSerial；//用于串行通訊的類

if（Serial.Open（1））//初始化串行通訊口COM1

{Serial.SendData（&ENQ_request，1）；//發(fā)送聯(lián)絡(luò)訊號(hào)

Sleep（20）；//等待20ms秒

Serial.ReadData（&read_BUFFER，1）；//讀取PLC響應(yīng)訊號(hào)

if（read_BUFFER==ACK）{

……

Serial.SendData（&STX_start，1）；//向PLC發(fā)送“開始”標(biāo)志代碼

Serial.SendData（&CMD0_read，1）；//發(fā)送“讀”命令代碼

datasum_check+=CMD0_read；

for（i=0；i《4；i++）{

Serial.SendData（&Read_address［i》，1）；//發(fā)送起始元件地址的ASCⅡ代碼

……

Serial.SendData（&ETX_end，1）；//發(fā)送結(jié)束標(biāo)志代碼

Change_to_ASCII（senddatasum_CHECK，datasum_check）；//將“和”轉(zhuǎn)化成ASCⅡ代碼

Sleep（40）；//等待PLC的反應(yīng)

……

Serial.ReadData（&Read_char［i》，1）；//讀Read_bytes個(gè)字節(jié)

if（*readdatasum_CHECK==*readdatasum_check）//“和”效驗(yàn)

{AfxMessageBox（“數(shù)據(jù)讀取成功！”）；

returnTRUE；｝

else{AfxMessageBox（“校驗(yàn)錯(cuò)誤！”）；

returnFALSE；｝｝

｝

5.結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：筆者提出了一種基于多線程的PC機(jī)與PLC的通訊，該通訊程序采用VC比用VB具有更好的實(shí)時(shí)性；并采用MFC編程方法用重疊結(jié)構(gòu)讀寫串口，使串口讀寫在后臺(tái)進(jìn)行。該通訊程序可靠、可移植性好。

本通訊程序作為該系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試證明，既簡(jiǎn)單又實(shí)用，具有很好的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，該系統(tǒng)具有直觀的人機(jī)界面和方便的操作方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。