基于Vx Works的軟PLC 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

詹 俊，龍 辛，黃 波，楊杰軍，陳雄姿

（1.湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院 電氣工程系，湖南 湘潭 411105；2.湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭411105；3.長(zhǎng)沙金博聯(lián)信息技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域扮演十分重要的角色，區(qū)別于傳統(tǒng)的PLC，軟PLC系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、操作方便、開(kāi)發(fā)周期短等多方面的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為未來(lái)工業(yè)控制器的主力軍。

軟PLC主要分為基于PC軟PLC系統(tǒng)和基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟PLC系統(tǒng)。其中后者以其實(shí)時(shí)性能的優(yōu)勢(shì)成為主流。Vx Works操作系統(tǒng)作為一款具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性能的嵌入式操作系統(tǒng)，能根據(jù)需求靈活地對(duì)其進(jìn)行裁剪，所以目前被廣泛應(yīng)用在基于嵌入式操作系統(tǒng)的軟PLC開(kāi)發(fā)上［1］。CodeSys是由3S公司開(kāi)發(fā)的一種功能強(qiáng)大的PLC軟件編程工具，它支持IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)其runtime庫(kù)可以與底層操作系統(tǒng)很好地鏈接［2］。二者結(jié)合不僅可以很好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，同時(shí)也可大大地縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由基于Vx Works的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊、上位機(jī)監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析處理模塊和基于CodeSys的輸出信息函數(shù)庫(kù)三大部分組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上位機(jī)與被監(jiān)控設(shè)備直接采用UDP協(xié)議進(jìn)行通信，以減少對(duì)系統(tǒng)資源的消耗，同時(shí)提高處理的速度。被監(jiān)控目標(biāo)系統(tǒng)循環(huán)偵聽(tīng)請(qǐng)求，一旦接收到上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的監(jiān)控請(qǐng)求即以固定頻率收集信息并發(fā)送，如果接收到其他控制請(qǐng)求則進(jìn)行其他操作。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Vx Wor ks系統(tǒng)中通過(guò)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集發(fā)送任務(wù)（TInf Send）及PLC信息采集任務(wù)（Get Log Data）實(shí)現(xiàn)全部信息的收集發(fā)送工作。主要任務(wù)包括：任務(wù)信息采集、CPU及內(nèi)存使用信息采集、系統(tǒng)異常處理、程序計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值采集、PLC應(yīng)用程序輸出信息采集、信息發(fā)送。數(shù)據(jù)采集發(fā)送主程序流程見(jiàn)圖2。

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)任務(wù)信息

Vx Works操作系統(tǒng)函數(shù)庫(kù)提供了taskInfo庫(kù)函數(shù)用于用戶獲取所有任務(wù)的信息，其中主要的信息包括：任務(wù)ID、任務(wù)名稱、入口地址、優(yōu)先級(jí)、當(dāng)前狀態(tài)、堆棧值等。系統(tǒng)是根據(jù)可以唯一識(shí)別任務(wù)的ID號(hào)來(lái)檢索任務(wù)相關(guān)信息的，通過(guò)函數(shù)taskId List Get（）可以獲取到當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的所有任務(wù)的ID，同時(shí)系統(tǒng)提供根據(jù)ID檢索任務(wù)信息的函數(shù)taskInfo Get（），獲取的信息以TASK＿DESC結(jié)構(gòu)體格式存儲(chǔ)［3］，提取其中有用的信息存于構(gòu)建的TASK＿INFO結(jié)構(gòu)體中，打包成發(fā)送數(shù)據(jù)包的格式，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)信息的采集。任務(wù)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

typedef struct／＊TASK＿INFO－任務(wù)結(jié)構(gòu)體 ＊／

｛

int td＿id；／＊ 任務(wù)ID＊／

Char td＿na me［12］；／＊ 任務(wù)名稱 ＊／

int td＿priority；／＊ 優(yōu)先級(jí) ＊／

int td＿status；／＊ 任務(wù)當(dāng)前狀態(tài) ＊／

int td＿stack Size；／＊ 堆棧大小 ＊／

int td＿stack Current；／＊ 當(dāng)前堆棧大小 ＊／

int td＿error Status；／＊任務(wù)錯(cuò)誤狀態(tài) ＊／

｝TASK＿INFO；

圖2 數(shù)據(jù)采集發(fā)送主程序流程圖

1.2.2 資源信息

系統(tǒng)資源包括CPU資源和內(nèi)存資源，Vx Works提供的系統(tǒng)工具直接將這些信息定位到文件或指定IO輸出。這里通過(guò)構(gòu)建函數(shù)截取CPU資源的信息，并且通過(guò)修改系統(tǒng)函數(shù)直接將內(nèi)存使用信息定位到指定的內(nèi)存區(qū)域。

Vx Works提供了spy Lib庫(kù)函數(shù)用于監(jiān)控CPU的使用情況，spy利用輔助時(shí)鐘的中斷服務(wù)程序，并且為每個(gè)任務(wù)維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器，這樣在特定的時(shí)間周期內(nèi)即可統(tǒng)計(jì)出每個(gè)任務(wù)的CPU占用率。在庫(kù)的源程序中提供了spy Report Co mmon（FUNCPTR print－Rtn）用于系統(tǒng)工具（Shell等）獲取CPU信息，這里通過(guò)構(gòu)建print Rtn函數(shù)［4］，直接將信息格式輸出到指定的內(nèi)存區(qū)域，相關(guān)函數(shù)代碼如下所示：

Void spy Ptn Func（const char＊fmt Ptn）

｛

va＿list va1；

va＿start（va1，f mt Pt n）；

／＊Cpu Dt Buf存儲(chǔ)CPU信息的全局變量＊／

vsprintf（Cpu Dt Buf，f mt Pt n，va1）；

va＿end；

｝

Vx Wor ks對(duì)內(nèi)存信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)提供的memshow（）函數(shù)直接將信息定位標(biāo)準(zhǔn)輸出，目前的辦法一般都是將其定位到文件再?gòu)闹凶x取。本文通過(guò)重新構(gòu)建函數(shù)庫(kù)，然后獲取CPU信息的辦法可以將信息定位到指定的區(qū)域，主要函數(shù)代碼如下：

STATUS jbl＿mem Part Show（PART＿ID part Id ，int type ，F(xiàn)UNCPTR print Pt n）

｛

Int nu mBlocks；

Unsigned total Bytes＝0；

Unsigned biggest words＝0；

...

／＊ 調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)獲取總大小及內(nèi)存塊參數(shù) ＊／

If（（total Bytes＝ mem Prat Available（patr Id，＆biggest Words，type））＝＝ ERROR）

｛...；

｝...

nu m Blocks＝dll Count（＆part Id－＞free List）；

...

／＊ 格式化輸出到指定位置 ＊／

If（nu m Blocks！＝0）

｛

（＊ print Ptn）（"free%10u%9u%10u%10u＼n"，total Bytes，nu m Blocks，total Bytes／nu m Blocks，2＊biggest Words）；

｝...

｝

1.2.3 PLC應(yīng)用程序信息

以Vx Works加CodeSys模式構(gòu)建的軟PLC系統(tǒng)，在脫離在線編程模式時(shí)很難獲取客戶運(yùn)行的PLC程序相關(guān)信息，因此在程序中安插信息輸出函數(shù)，使PLC程序運(yùn)行到指定位置時(shí)如果滿足輸出要求即輸出一條消息，這樣就能像在C語(yǔ)言中加printf函數(shù)一樣獲取到程序不同位置的信息［5］。本設(shè)計(jì)中構(gòu)建基于ST語(yǔ)言的PLC函數(shù)庫(kù)、Util＿LogInfo（）函數(shù)和Util＿Log Wr n（）函數(shù)，其用法如以下ST代碼所示：

（＊ 變量定義 ＊）

PROGRA M PLC＿PRG

VAR

...

Log Msg：STRING：＝＇Rd Data is：＇；

Log Msg2：STRING：＝＇Gd Su m2－ Gd Su m ＝＇；

END＿VAR

（＊ 程序?qū)嵗?＊）

...

My＿Log Msg：＝ CONCAT（Log Msg，DINT＿TO＿STRING（Gd－Su m））；

Util＿LogInf o（My＿Log Msg）；

My＿Log Msg2：＝ CONCAT（Log Msg2，DINT＿TO＿STRING（Gd Su m － Gd Su m2））；

Util＿LogInf o（My＿Log Msg2）；

…

底層基于Vx Wor ks消息機(jī)制，接口函數(shù)定義為：jbl＿Log Msg（char＊f mt，int ar g1，...，int ar g6）。CodeSys通過(guò)RUNTI ME SYSTEM調(diào)用此接口函數(shù)，系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)辟任務(wù)Get Log Data用于獲取來(lái)自PLC應(yīng)用程序的輸出信息，并且將其定向到指定的內(nèi)存區(qū)域和記錄到日志文件里面。輸出信息格式定義見(jiàn)表1。

表1 PLC應(yīng)用程序的輸出信息格式

1.2.4 信息發(fā)送

設(shè)計(jì)中對(duì)每幀網(wǎng)絡(luò)包的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行重新定義，這就保證了上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的解析，數(shù)據(jù)包格式見(jiàn)表2。

表2 數(shù)據(jù)包格式

2 實(shí)時(shí)系統(tǒng)性能分析和故障排查

基于Windows開(kāi)發(fā)上位機(jī)程序，項(xiàng)目中已經(jīng)搭建了基于Vx Works加CodeSys的軟PLC系統(tǒng)，在系統(tǒng)初始化階段啟動(dòng)信息采集任務(wù)，并且運(yùn)行上位機(jī)程序監(jiān)控到如圖3所示數(shù)據(jù)。

Vx Works提供一個(gè)異常處理句柄（handler）和一個(gè)名為t Exc Task的任務(wù)來(lái)處理異常。異常出現(xiàn)后任務(wù)將變?yōu)閽炱馉顟B(tài)（suspend），并且不能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌麪顟B(tài)，通過(guò)任務(wù)信息窗口STAT可以準(zhǔn)確觀測(cè)到任務(wù)的狀態(tài)，選擇相應(yīng)任務(wù)，通過(guò)點(diǎn)擊左側(cè)按鈕欄對(duì)任務(wù)進(jìn)行掛起、恢復(fù)、刪除處理。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控主界面

程序非法執(zhí)行或訪問(wèn)內(nèi)存越界等都會(huì)發(fā)生任務(wù)異常，通過(guò)異常處理函數(shù)打印輸出的信息反映了當(dāng)前異常的具體信息。

運(yùn)行一段時(shí)間，點(diǎn)擊繪制曲線按鈕可得到free內(nèi)存的柱狀圖（如圖4所示）和其中TInf Send任務(wù)CPU占用率曲線圖（如圖5所示）。由圖5可直觀看到一段時(shí)間內(nèi)CPU占用率為8%，所以此時(shí)可以直觀觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況。

圖4 內(nèi)存使用信息柱狀圖

圖5 CPU使用信息圖（以采集任務(wù)為例）

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)和運(yùn)行階段通過(guò)網(wǎng)線簡(jiǎn)單連接目標(biāo)板和上位機(jī)即可準(zhǔn)確及時(shí)獲取到軟PLC系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方便技術(shù)人員及時(shí)排查故障和優(yōu)化應(yīng)用程序，具有一定的使用價(jià)值。下一步將進(jìn)一步優(yōu)化故障處理，增加可控項(xiàng)目，使系統(tǒng)實(shí)用性更強(qiáng)。

［1］ 李峰，應(yīng)宏.利用TCP／IP實(shí)現(xiàn) Windows與Vx works的通信［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006（5）：80－82.

［2］ 王麗麗，康存鋒，馬春敏，等.基于codesys的嵌入式軟PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代制造工程，2007（3）：54－56.

［3］ 汪毅，顧曉霞，奚宏明.Vx Works嵌入式系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011（27）：6747－6755.

［4］ Bollerslev T.PLC and PSTN based expert system for long－distance fault diagnosis of can－body resistance welding machine［J］.Review of Economics and Statistics，2007，72：498－505.

［5］ Mohammad Abu Zalata，Tariq M Younes，Mohammad A K Alia.Development of equivalent virtual instruments to PLC functions and net works［J］.Journal of Soft ware Engineering and Applications，2011（3）：172－180.