软件过程管理论文：基于vc的执行机构联网控制系统软件设计

软件过程管理论文：基于VC的执行机构联网控制系统软件设计摘 要: 本文论述基于工业以太网通讯的监控系统联网软件设计与实现。介绍了系统的硬件结构、通讯协议和上位机与执行机构所采用的通讯方式。根据系统和以太网相应的特点,设计实现能够及时准确与执行机构通讯控制的网络监控软件。经过通讯测试实验,证明该软件是可行的并到达了通讯控制要求。关键词: 以太网;多台执行机构;通信协议1引 言电动执行机构是工业控制系统中一个十分重要的现场驱动装置,在电力,冶金,石油,化工等工业部门取得越来越广泛的应用。同时以太网的迅猛开展有着逐渐代替现场总线的趋势。现场总线有着本身的缺陷,开放性不彻底使得市场上多种总线标准通行。相对来说,在开放性上,以太网有着先天性的优势。如果以太网的控制能够大规模、网络化的应用于工业底层控制,那么可实现工业控制网络的无缝连接,实现控制网络的更大进步。本设计正是在这种环境下提出的。目前的工业控制领域之中,随着控制系统的规模不断增大,系统网络化的控制越来越成为主流趋势,针对单台机构的控制已经远远不能符合现在的工业控制要求,对多台机构进行系统网络化协同控制成为趋势。在工业应用中出现的大规模的系统,其中运行着多台甚至多种型号执行机构,将这些执行机构进行网络化连接,并且对它们进行实时的监控,对不同型号的执行机构采取不同的控制实现,对不同的系统采取不同的控制策略,出现故障要做出相应的判断处理等。为了实现这样的要求,就需要出现一套能够基于以太网的多台执行机构联网控制软件。2系统硬件结构整个系统的硬件结构如图1所示,上位机为PC控制,通过网卡连接集线器,每一个电动执行机构有着相对应的串口转以太网模块,串口转以太网模块相当于执行机构的网卡,主要作用是串口与TCP通信之间的协议转换。电动执行机构与串口转以太网模块之间通过串口TTL电平方式进行通讯,然后通过该模块将电平信号以网络数据帧结构通过网线(通过HUB)发送到上位机。本设计采用的串口转以太网模块是国内市场上较为成熟的一款产品,它内部集成了TCP/IP协议栈,用户利用它可以实现嵌入式设备的网络功能。该产品用于串口和以太网之间的数据传输,为串口设备增加以太网口。可用于串口设备与主控计算机之间,或者多个串口设备之间的远程通讯。采用串口转以太网模块分别与集线器相连,可以自组织一个容量在200以上电动执行机构的大系统,此规模在工业应用中对于联动网络控制已绰绰有余。采用的电动执行机构为SYJ系列角行程电动执行机构,该执行机构的主控芯片为Intel80196MC,执行机构与串口转以太网模块之间通讯通过TTL电平方式通讯,采用四个接口:输入口RxD,输出口TxD,电源Vcc及接地GND。如图2所示;图中执行机构主控板80196的串行输出与模块的输入RxD连接,主控板的输入与模块的输出TxD连接,地线及电源线主控板与串口转以太网模块互相对应连接。主控板中的80196MC与串口转以太网模块的通讯采用异步通讯方式,一帧包含10个字节长度。3通信协议PC端的控制信号主要是与以太网模块之间的通信,采用Tcp协议套接字,模块与执行机构的串口之间的通信采用自定义的通信协议。此协议中的信息帧主要分为两种:数据帧与命令帧。它实现一般信息通信功能。数据帧包含一般的I/O信,而命令帧那么包含控制、查询及设置等命令。采用异步通信方式,一帧包含10位,8位数据,1位奇偶校验,1位停止,奇校验,波特率4800bps。为了确保通讯的可靠性,采用校验和方式,对通讯数据进行检验。具体的实现分别在两端程序中表达如下:如节点与现场设备的握手帧,用于确认连接是否正常。4软件实现4.1 windows下软件通讯实现系统采用基于VC+6.0的WinSock编程。系统采用Client/Server模式。通过以太网转串口模块的配置软件,将该模块设置成效劳器模式,而主控计算机上的控制软件局部为客户端,每次启动由主控计算机主动连接执行机构。客户端和效劳器采用面向连接的通信协议:控制计算机和模块之间会建立一个虚拟连接这个连接一旦建立客户端和效劳器之间就可以把数据当作一个双向字节流进行交换;如果连接建立不成功,那么不会发送数据。另外,面向连接传输的每一个报文都需要接收端确认未确认报文被认为是出错的报文。该程序的编写按照以下步骤进行(1)首先调用WSAStartup函数来初始化套接字库。(2)调用socket函数来创立一个套接字。(3)调用connect函数连接效劳器,发出连接请求。(4)效劳器响应连接请求后与效劳器开始进行交互操作(接收发送数据等),直到请求结束。(5)调用closesocket关闭套接字,释放套接字资源。(6)调用WSACleanup函数释放相应资源。由于将以太网模块设置为效劳器端,那么上位机将采取主动发送信息从以太网模块获取反响信号的方法。而在以太网模块的端口那么设置函数Listen,对端口进行实时监听,当其监听到来自客户机端的信息和请求时,调用accept函数接收数据,并接着调用connect函数建立与客户端机的连接。具体流程可由图2表示:设计中的重点在于以太网通讯局部的实时性,工业应用中首要考虑的便是信号可靠性和实时性的解决。由于系统由多台且多种执行机构组成,同一时刻出现大规模的数据通讯是必须保证其可靠和及时的。设计使用以太网联网通讯控制有着固有的优势:1执行机构主控板设计通讯模式为被动应答式,也就是只有当80196MC从其RxD接口读入数据时才会返回相应的数据。这样就会相应的减轻以太网中的数据通讯负担,同时由于以太网采用的是数据碰撞检测技术,一台主动(上位机)与多台被动(执行机构)可以防止数据传输过程中的碰撞几率。2简短的控制指令,本设计采用的控制指令包含了所需要的信息,但是仍然保持在20个字节以内,如此简短的指令可以使得应用中完全忽略以太网延迟局部中的发送延迟。数据优先级处理实现对处于同一系统中的执行机构设置优先级可以更有序处理数据。如不设置那么按照程序默认设置处理。默认设置为无特别指定优先级的情况下,当控制指令发出时,在程序内部对控制指令所包含的IP信息进行比拟,指令按照IP值由小到大的顺序发出。本设计默认优先级IP值越小,其优先级越高。当需要特别设置优先级时,本程序内置三个优先级级别,实现方法采用对控制指令所附带的IP地址进行预处理,设置某台机构的优先级别为最高时,将其附属IP值进行缩小,然后进行排序。程序内置为三个优先级级别。优先级设置的必要性:对信号优先级的设置,可以使得上位机处理数据时分出主从顺序。例如:为了平安起见,网络控制的优先级默认低于现场控制级别;报警、故障信号级别设置为最高,优先处理;结合执行机构设置的优先级可以实现数据的有序处理。设置指令存储数组Temp当系统中多台机构运转,且需要查询其运行状况时,上位机需要在同一时刻发出多条查询指令,如果不适当处理,就会引起网络中的数据碰撞检测,导致通信失败。如图4,在程序内部设置存储数组Temp,将排序完成的控制指令依次放入数组,并按照优先级即放入顺序依次发送。如出现数据错误(校验和出错等)状况,那么程序默认要求重发,设置为三次,假设三次全部错误,那么在上位机报警处理。5总结设计采用基于以太网的网络控制,软件控制基于VC,硬件选择了成熟的以太网模块,实现了准确,高效的多台机构联网控制,摆脱了以往的基于单一机构的控制,并且注重实际应用中的数据可靠性和软件适用性。通讯测试实验,本监控软件设计是可行的,并到达了通讯控制要求。本文作者创新点在于对处在网络中的多台执行机构实现有序、可靠的控制,解决了可能出现的数据拥塞和实时性问题。在下一步的开发设计中将尽量实现与组态软件的协议转换和数据互通。组态软件在工控领域的广泛应用使得本控制软件成为一个必须考虑的方面。市面上的组态软件都会嵌入Modbus/tcp协议,局部组态软件会留下数据接口,与其实现数据互通,并且兼容市面上的大局部组态内置协议。总之,随着工业化得进一步开展,以太网所存在的问题得到进一步解决,其在工控中的应用将会日趋成熟和广泛。本文作者创新点在于对处在网络中的多台执行机构实现有序、可靠的控制,解决了可能出现的数据拥塞和实时性问题。参考文献1阳宪惠工业数据通讯与控制网络M北京:清华大学出版社,2003 45-732习博、方彦君工业以太网中网络通信技术的研究微计算机信息(测控自动化),2005,vol213唐华、杨新志基于80C196MC的执行机构以太网通信设计自动化仪表,vol284Jean Dominique Decotignie Ethernet-based Real-time and Industrial Communications Proceedings of the ieee vol93,No 65Max felser Real-time Ethernet Industrial Prospective Proceedings of the ieee vol93,No 66朱雍杰王成杨新志基于工业以太网的控制系统及其应用层协议设计微计算机信息2006,22,5