帶你深入解讀：基于多線程技術的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、適應工業(yè)過程現(xiàn)場、強大的聯(lián)網(wǎng)功能等特點，被廣泛應用?？蓪崿F(xiàn)順序控制、PID回路調節(jié)、高速數(shù)據(jù)采集分析、計算機上位管理，是實現(xiàn)機電一體化的重要手段和發(fā)展方向。但PLC無法單獨構成完整的控制系統(tǒng)，無法進行復雜的運算和顯示各種實時控制圖表和曲線，無良好的用戶界面，不便于監(jiān)控。將個人計算機（PC）與PLC結合起來使用，可以使二者優(yōu)勢互補，充分利用個人計算機強大的人機接口功能、豐富的應用軟件和低廉的價格優(yōu)勢，組成高性能價格比的控制系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)構成

推進系統(tǒng)中，PC機選用工控計算機。它是整個控制系統(tǒng)的核心，是上位機。其主要利用良好的圖形用戶界面，顯示從PLC接收的開關量和控制手柄的位置，進行一些較復雜的數(shù)據(jù)運算，并且向PLC發(fā)出控制指令。

PLC是該系統(tǒng)的下位機，負責現(xiàn)場高速數(shù)據(jù)采集（控制手柄的位置），實現(xiàn)邏輯、定時、計數(shù)、PID調節(jié)等功能，通過串行通訊口向PC機傳送PLC工作狀態(tài)及有關數(shù)據(jù)，同時從PC機接受指令，向蜂鳴器、指示燈、滑油泵、控制手柄的位置等發(fā)出命令，實現(xiàn)PC機對控制系統(tǒng)的管理，提高了PLC的控制能力和控制范圍，使整個系統(tǒng)成為集散控制系統(tǒng)。

2.通訊協(xié)議

計算機與PLC之間的通信是建立在以RS232標準為基礎的異步雙向通信上的，F(xiàn)X系列PLC有其特定的通信格式，整個通信系統(tǒng)采用上位機主動的通信方式，PLC內部不需要編寫專門的通信程序，只要把數(shù)據(jù)存放在相應的數(shù)據(jù)寄存器中即可，每個數(shù)據(jù)寄存器都有相應的物理通信地址，通信時計算機直接對物理通信地址進行操作。通信過程中，傳輸字符和命令字以ASCⅡ碼為準，常用的字符及其ASCⅡ碼對應關系。

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

校驗和在信息幀的尾部用來判斷傳輸?shù)恼_與否，和校驗碼的計算方法是將命令碼到ETX之間的所有字符的ASCⅡ碼（十六進制數(shù)）相加，取所得和的最低2位數(shù)，在后面的通信程序設計里面還會提到。進行差錯檢驗的方法很多，常用的有奇偶校驗碼，水平垂直冗余校驗LRC，目前廣泛使用的是CRC校驗碼，它能查處99%以上18位或更長的突出錯誤，而在計算機與PLC點對點的短距離通訊時，出錯的幾率較小，因而采用校驗和法，基本能滿足要求。

3.多線程技術及在VC++串口通信程序中的實現(xiàn)

在Windows的一個進程內，包含一個或多個線程，每個線程共享所有的進程資源，包括打開的文件、信號標識及動態(tài)分配的內存等等。

一個進程內的所有線程使用同一個32位地址空間，而這些線程的執(zhí)行由系統(tǒng)調度程序控制，調度程序決定哪個線程可執(zhí)行和什么時候執(zhí)行線程。線程有優(yōu)先級別，優(yōu)先權較低的線程必須等到優(yōu)先權較高的線程執(zhí)行完任務后再執(zhí)行。在多處理器的機器上，調度程序可以把多個線程放到不同的處理器上運行，這樣可以使處理器的任務平衡，也提高系統(tǒng)的運行效率。

Windows內部的搶先調度程序在活動的線程之間分配CPU時間，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)行后臺任務、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備來處理的，它用CreateFile（）打開串口，并獲得一個串口句柄，用SetCommState（）進行端口配置，包括緩沖區(qū)設置，超時設置和數(shù)據(jù)格式等。然后調用函數(shù)ReadFile（）和WriteFile（）進行數(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，一般采用重疊方式。因為同步I/O方式是當程序執(zhí)行完畢才返回，這樣會阻塞其他線程，降低程序執(zhí)行效率。而重疊方式能使調用的函數(shù)立即返回，I/O操作在后臺進行，這樣線程就可以處理其他事務，同時也實現(xiàn)了線程在同一串口句柄上實現(xiàn)讀寫操作。

使用重疊I/O方式時，線程要創(chuàng)建OVERLAPPED結構供讀寫函數(shù)使用，該結構最重要的成員是hEvent事件句柄。它將作為線程的同步對象使用，讀寫函數(shù)完成時hEvent處于有信號狀態(tài)，表示可進行讀寫操作；讀寫函數(shù)未完成時，hEvent被置為無信號。

利用Windows的多線程技術，在輔助線程中監(jiān)視串口，有數(shù)據(jù)到達時依靠事件驅動，讀入數(shù)據(jù)并向主線程報告；并且，依靠重疊讀寫操作，讓串口讀寫操作在后臺運行。

4.上位計算機通信程序設計

以讀取PLC輸出線圈Y0為首的2個字節(jié)的數(shù)據(jù)為例，編寫一個通信程序。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此時的狀態(tài)，以實現(xiàn)對PLC的監(jiān)控。在每一次讀操作之前，先要進行握手聯(lián)絡。對PLC發(fā)請求訊號ENQ，然后讀PLC的響應訊號。如果讀到的響應訊號為ACK，則表示PLC已準備就緒，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)絡訊號

Sleep（20）；//等待20ms秒

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

if（read_BUFFER==ACK）{

……

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

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)送結束標志代碼

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

Sleep（40）；//等待PLC的反應

……

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

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

{AfxMessageBox（“數(shù)據(jù)讀取成功！”）；

returnTRUE；｝

else{AfxMessageBox（“校驗錯誤！”）；

returnFALSE；｝｝

｝

5.結束語

本文作者創(chuàng)新點：筆者提出了一種基于多線程的PC機與PLC的通訊，該通訊程序采用VC比用VB具有更好的實時性；并采用MFC編程方法用重疊結構讀寫串口，使串口讀寫在后臺進行。該通訊程序可靠、可移植性好。

本通訊程序作為該系統(tǒng)的一個重要組成部分，經(jīng)現(xiàn)場調試證明，既簡單又實用，具有很好的實用價值。同時，該系統(tǒng)具有直觀的人機界面和方便的操作方式，具有廣闊的應用前景。