CN103634076B - 一种监控可编程逻辑控制器的通信数据打包方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种监控可编程逻辑控制器的通信数据打包方法，其特征在于，步骤为：步骤1、形成连续的有效数据包及有效数据包的排列关系；步骤2、有效数据包若符合拆分条件，则进入步骤3；有效数据包若符合合并条件，则进入步骤4；有效数据包若既不符合合并条件也不符合拆分条件，则进入步骤5，步骤3、拆分有效数据包；步骤4、合并有效数据包；步骤5、当前的有效数据包打包完成后，判断是否所有有效数据包全部打包完成，如果还有未被打包的有效数据包，则返回步骤2继续打下一个包，否则打包结束。本发明能够避免由于数据打包的不合理，导致通信效率降低，无法达到监控可编程逻辑控制器的最佳效果。

Description

一种监控可编程逻辑控制器的通信数据打包方法

技术领域

本发明涉及一种可编程控制逻辑控制器的通信数据打包方法。

背景技术

可编程逻辑控制器在当今的各行各业中具有广泛的应用，如汽车、化工、纺织等等。它采用可编程的存储区，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算数操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程。

用户可以使用设备供应商提供的可编程逻辑控制器编程软件对可编程逻辑控制器进行调试，达到实时监控可编程逻辑控制器存储区当前值的效果。

可是，在可编程逻辑控制器程序量大的情况下监控，周期性通信的数据量较多，通信交互的实时性无法得到应有的保障，不能给用户一个高效响应的友好可视化界面，甚至影响现场运行过程的跟踪与调试。如何快速、稳定的将可编程逻辑控制器存储区的值在可编程逻辑控制器编程软件的界面中实时的显示是其中一个很重要的问题。

在考虑如何解决此问题前，必须先了解目前监控可编程逻辑控制器通信的整个过程，如图2所示，其分为收集存储区地址、打包存储区地址、将打包的存储区地址信息转化为数据帧并发送给可编程逻辑控制器、等待可编程控制器回复数据。

从目前主流的可编程逻辑控制器编程软件访问可编程逻辑控制器存储区当前值的通信报文格式来看，发送数据帧的请求过程中，数据帧的报文格式中一定会包含的信息有，起始位、设备地址、功能代码、存储区类型、首地址、数量、效验位、结束符，如图3A及图3B所示。由此可得，访问存储区时，若数据为同一存储区类型，并且是连续的，则可以通过一次的数据交互过程完成。回复过程中，可编程控制器将访问的存储区当前值的数据回复给可编程控制器编程软件。

在符合主流通信报文格式的前提下，传统的存储区地址打包方式为：同一存储区类型的连续数据打包在一起，否则分开打包。此方案并非最优的打包方案，其原因在于：

第一、若同一存储区类型的连续数据量非常大，将其打成一个包，此包在一次通信交互过程中完成，回复的数据量会超出通信的最大负荷，导致误码率提高，影响通信效率。故此情况下，需要考虑将其再分包和怎么分包的问题。

第二、在同一存储区类型的连续数据量非常小的情况下，若连续同一存储区类型地址的中间有一处断开地址个数很少，将其分开打包，打成2个包，原本一次就可完成的交互过程现在需要进行2次数据交互才能完成对这些存储区地址的访问，而且2次交互的数据有部分为重复数据，例如，起始位、效验位、结束符等等。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是避免由于数据打包的不合理，导致通信效率降低，无法达到监控可编程逻辑控制器的最佳效果。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种监控可编程逻辑控制器的通信数据打包方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、生成需监控可编程逻辑控制器存储区地址的描述数据，记为有效数据，将所有有效数据根据存储区地址以连续性的特点分组，连续的有效数据分为一组，形成连续的有效数据包，将连续的有效数据包以存储区地址从小到大的顺序排列，形成有效数据包的排列关系；

步骤2、有效数据包若符合拆分条件，则进入步骤3；有效数据包若符合合并条件，则进入步骤4；有效数据包若既不符合合并条件也不符合拆分条件，则进入步骤5，其中：

拆分条件为：有效数据包的大小大于能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数；

合并条件为：相邻两个有效数据包合并后的大小不大于能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数，且相邻两个有效数据包合并后的估算通信时间小于多个有效数据包合并前的估算通信时间；

步骤3、拆分有效数据包：

记Dbase为当前有效数据包的字节数，记L为能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数，将有效数据包一分为二，其一是能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数部分，记为L部分，其二是有效数据包去除能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数后剩余的部分，记为(Dbase-L)部分，将L部分与(Dbase-L)部分分别打成一个包，进入步骤5；

步骤4、合并有效数据包：

记Dafter为与当前的有效数据包相邻的有效数据包的字节数，记Dmid为相邻两个有效数据包之间的无效连续数据字节数，将相邻的两个有效数据包合并成一个，则新的打包的基本数据字节数的值为Dbase+Dmid+Dafter，以新的打包的基本数据字节数将相邻两个有效数据包打成一个包，进入步骤5；

步骤5、当前的有效数据包打包完成后，判断是否所有有效数据包全部打包完成，如果还有未被打包的有效数据包，则返回步骤2继续打下一个包，否则打包结束。

优选地，所述步骤2包括：

步骤2.1、开始监控可编程逻辑控制器之前，先发送一些固定长度的通信帧，测量4个参数，包括v、L、Ts，Tp，其中，v为通信平均速率，Ts为监控可编程逻辑控制器的设备收发数据的间隔时间，Tp为可编程逻辑控制器的收发数据的间隔时间；

步骤2.2、若Dbase＞L时，则满足拆分有效数据包的条件，进入所述步骤3，否则不满足拆分有效数据包的条件，进入步骤2.3；

步骤2.3、若Dbase+Dmid+Dafter＞L，则不满足合并有效数据包的条件，进入所述步骤5，否则判断相邻两个有效数据包合并后的估算通信时间是否小于多个有效数据包合并前的估算通信时间，若是，则进入所述步骤4，否则进入所述步骤5。

优选地，所述步骤2.3中判断相邻两个有效数据包合并后的估算通信时间是否小于多个有效数据包合并前的估算通信时间的步骤为：

步骤2.3.1、估算合并前需要的通信时间Tuc：

步骤2.3.2、估算合并后需要的通信时间Tc：

；

步骤2.3.3、对合并前和合并后需要的通信时间进行比较：若Tc-Tuc＜0，则进入所述步骤4，否则进入所述步骤5。

本发明提供了一种可编程控制逻辑控制器的通信数据打包方法，能够避免由于数据打包的不合理，导致通信效率降低，无法达到监控可编程逻辑控制器的最佳效果。

附图说明

图1为一种监控可编程逻辑控制器的通信数据打包方法的整个过程；

图2为目前监控可编程逻辑控制器通信的整个过程；

图3A为目前主流的可编程逻辑控制器编程软件访问可编程逻辑控制器存储区当前值的发送通信报文格式；

图3B为目前主流的可编程逻辑控制器编程软件访问可编程逻辑控制器存储区当前值的回复通信报文格式；

图4为拆分数据包的过程；

图5为合并数据包的过程；

图6A为实施例的发送通信报文格式；

图6B为实施例的回复通信报文格式；

图7为实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

结合图1及图7，本发明提供了一种监控可编程逻辑控制器的通信数据打包方法，其步骤为：

需要监视可编程控制器的存储区地址为QB1QB2QB3QB5QB6QB7QB8QB53QB54，则按照如下步骤打包。

步骤1：生成需监视可编程逻辑控制器存储区地址的描述数据，形成存储区地址的集合和排列关系集合。将所有存储区地址的数据以从小到大的顺序排列，根据连续性的特点分为，QB1QB2QB3、QB5QB6QB7QB8、QB53QB54三个部分的此序列的集合。

步骤2-1：开始监视可编程逻辑控制器之前，先发送一些固定长度的通信帧，测量4个参数，包括v、L、Ts，Tp，得到

v＝9600bps＝9600bit／s＝1200byte／s，L＝64byte，Ts＝0.003s，Tp＝0.002s

其中，V为通信平均速率，L为能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数，Ts为监视可编程逻辑控制器的设备收发数据的间隔时间，Tp为可编程逻辑控制器的收发数据的间隔时间。

步骤2-2：推导出是否需要拆分数据包的判断条件。

通常，在数据包大于能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数时，会出现误码，重传等现象，导致通信速率的降低。所以，推导出拆分以及合并数据包的条件为数据包的大小大于能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数，因此，是否需要拆分数据包的判断条件如下：

若Dbase＞L时，其中，Dbase为当前有效数据包的字节数的大小，则满足拆分数据包条件，否则不满足拆分数据包条件。

步骤2-3：根据图6A及图6B所描述的常见通信报文格式，推导出是否需要拆分数据包的判断条件。

首先，合并后数据包的大小不能大于能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数，也就是必须满足Dbase+Dmid+Dafter≤L，否则不允许合并，其中，Dafter为与当前的有效数据包相邻的有效数据包的字节数，记Dmid为相邻两个有效数据包之间的无效连续数据字节数。

然后，估算合并前和合并后需要的通信时间，对其进行比较，花费时间少的方案更适合，由此推导出相应的判断条件。由于此内容为本发明的重点，故在以下步骤2-3-1到2-3-3对其进行详细说明。

步骤2-3-1：估算合并前需要的通信时间，合并前是将两个相邻的数据包分别发送。

Tuc≈第一次发送数据的时间+可编程逻辑控制器的收发数据的间隔时间

+第一次回复数据的时间+监视可编程逻辑控制器的设备收发数据的间隔时间

+第二次发送数据的时间+可编程逻辑控制器的收发数据的间隔时间

+第二次回复数据的时间

$\begin{array}{c}\mathrm{Tuc}\≈\frac{\mathrm{Zs}+A+F+\mathrm{St}+\mathrm{Sa}+\mathrm{Sc}+P+\mathrm{Ze}}{v}+\mathrm{Tp}+\frac{\mathrm{Zs}+A+\mathrm{Sc}+\mathrm{Dbase}+P+\mathrm{Ze}}{v}+\mathrm{Ts}\\ +\frac{\mathrm{Zs}+A+F+\mathrm{St}+\mathrm{Sa}+\mathrm{Sc}+P+\mathrm{Ze}}{v}+\mathrm{Tp}+\frac{\mathrm{Zs}+A+\mathrm{Sc}+\mathrm{Dafter}+P+\mathrm{Ze}}{v},\end{array}$

其中，Tuc为估算的合并前通信时间，Zs为起始位字节数，A为设备地址字节数，F为功能代码字节数，St为存储区类型的字节数，Sa为存储区首地址的字节数，Sc为连续访问存储区数量字节数，P为效验位的字节数，Ze为结束符的字节数。

步骤2-3-2：估算合并后需要的通信时间，合并后是将两个相邻的数据包合并成一个包以后一次发送。

Tc≈发送数据时间+可编程逻辑控制器的收发数据的间隔时间+回复数据时间

$\begin{array}{c}\mathrm{Tc}\≈\frac{\mathrm{Zs}+A+F+\mathrm{St}+\mathrm{Sa}+\mathrm{Sc}+P+\mathrm{Ze}}{v}+\mathrm{Tp}\\ +\frac{\mathrm{Zs}+A+\mathrm{Sc}+\mathrm{Dbase}+\mathrm{Dmid}+\mathrm{Dafter}+P+\mathrm{Ze}}{v},\end{array}$

其中，Tc为估算的合并后通信时间。

步骤2-3-3：对合并前和合并后需要的通信时间进行比较，花费时间少的方案更适合，由此推导出相应的判断条件。

$\begin{array}{c}\mathrm{Tc}-\mathrm{Tuc}\≈(\frac{\mathrm{Zs}+A+F+\mathrm{St}+\mathrm{Sa}+\mathrm{Sc}+P+\mathrm{Ze}}{v}+\mathrm{Tp}\\ +\frac{\mathrm{Zs}+A+\mathrm{Sc}+\mathrm{Dbase}+\mathrm{Dmid}+\mathrm{Dafter}+P+\mathrm{Ze}}{v})\end{array}$

$\begin{array}{c}-(\frac{\mathrm{Zs}+A+F+\mathrm{St}+\mathrm{Sa}+\mathrm{Sc}+P+\mathrm{Ze}}{v}+\mathrm{Tp}+\frac{\mathrm{Zs}+A+\mathrm{Sc}+\mathrm{Dbase}+P+\mathrm{Ze}}{v}\\ +\mathrm{Ts}+\frac{\mathrm{Zs}+A+F+\mathrm{St}+\mathrm{Sa}+\mathrm{Sc}+P+\mathrm{Ze}}{v}+\mathrm{Tp}+\frac{\mathrm{Zs}+A+\mathrm{Sc}+\mathrm{Dafter}+P+\mathrm{Ze}}{v})\\ =\frac{\mathrm{Dmid}-2\mathrm{Zs}-2A-F-\mathrm{St}-\mathrm{Sa}-2\mathrm{Sc}-2P-2\mathrm{Ze}}{v}-\mathrm{Tp}-\mathrm{Ts}.\end{array}$

若Tc-Tuc＜0，即

$\frac{\mathrm{Dmid}-2\mathrm{Zs}-2A-F-\mathrm{St}-\mathrm{Sa}-2\mathrm{Sc}-2P-2\mathrm{Ze}}{v}-\mathrm{Tp}-\mathrm{Ts}<0;$

Dmid＜(Tp+Ts)*v+2Zs+2A+F+St+Sa+2Sc+2P+2Ze；

也就是当Dmid＜(Tp+Ts)*v+2Zs+2A+F+St+Sa+2Sc+2P+2Ze，合并比不合并打包通信时间开销小。

已知的参数Tp、Ts、V为测量值，由步骤2-1测量得到，

V＝1200byte／s，Ts＝0.003s，Tp＝0.002s。

已知的参数Zs、A、F、St、Sa、Sc、P、Ze是通信报文格式中约定的数据，由图6A及图6B所描述的常见通信报文格式可得，

Zs＝1byte，A＝1byte，F＝1byte，St＝1byte，Sa＝2byte，Sc＝2byte，P＝2byte，Ze＝1byte.

所以将以上的已知参数代入不等式子，得：

Dmid＜(Tp+Ts)*V+2Zs+2A+F+St+Sa+2Sc+2P+2Ze：

Dmid＜[(0.002+0.003)*1200+2*1+2*1+1+1+2+2*2+2*2+2*1](byte)；

Dmid＜24(byte)。

也就是在当通信报文为图6A及图6B，当Dmid小于24个字节，合并比不合并打包通信时间开销小，满足合并的判断条件，所以执行合并数据包得操作。

步骤2-4：判断当前是否需要拆分数据包，也就是判断是否Dbase＞L，由于Dbase为QB1QB2QB3，故Dbase＝3byte，又因为步骤2-1测量得L＝64byte，所以不符合Dbase＞L的数据包拆分条件，不执行拆分数据包。

步骤2-5：判断当前是否需要合并数据包，首先，合并后数据包的大小不能大于能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数，也就是必须满足Dbase+Dmid+Dafter≤L，否则不允许合并。由于Dbase为QB1QB2QB3(记QB1～QB3)，Dafter为QB5QB6QB7QB8(记QB5～QB8)，所以Dmid为QB4，Dbase+Dmid+ Dafter＝3+1+4＝8(byte)，已知的参数L为测量值，由步骤2-1测量得到，L＝64byte，因此，Dbase+Dmid+Dafte＜L，满足合并的前提条件。

继续判断是否Dmid＜24(byte)，由于当前Dbase为QB1QB2QB3(记QB1～QB3)，Dafter为QB5QB6QB7QB8(记QB5～QB8)，Dmid为QB4，Dmid＝1(byte)＜24(byte)，所以符合合并数据包的判断条件。

步骤4：合并数据包，本步骤实现将相邻的两个数据包合并成一个，也就是将Dbase与Dafter合并，如图7所示，新的Dbase的值为Dbase＝Dbase+Dmid+Dafter，新的Dmid与Dafter的值可以由新的Dbase的值类推出。

由于当前Dbase为QB1QB2QB3(记QB1～QB3)，Dafter为QB5QB6QB7QB8(记QB5～QB8)，Dmid为QB4，所以将QB1～QB3与QB5～QB8合并形成QB1QB2QB3QB4QB5QB6QB7QB8(记QB1～QB8)，新的Dbase为QB1～QB8，新的Dafter为QB53QB54，新的Dmid为QB9～QB53。

步骤2-5：判断当前是否需要合并数据包，首先，合并后数据包的大小不能大于能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数，也就是必须满足Dbase+Dmid+Dafter≤L，否则不允许合并。由于当前Dbase为QB1～QB8，Dafter为QB53QB54，Dmid为QB9～QB53，Dbase+Dmid+Dafter＝8+44+2＝54(byte)，已知的参数L为测量值，由步骤2-1测量得到，L＝64byte，因此，Dbase+Dmid+Dafte＞L，不满足合并的前提条件。

步骤2-6：根据步骤2-2和2-3推导出的判断条件判断可得，当前数据包既不符合合并条件也不符合-拆分条件。

步骤5、本数据包打包完成，本包的数据为QB1～QB8，判断是否存在未被打包的数据，通过观察可知数据QB53QB54还未被打包，所以继续打下一个包。

步骤2-4：判断当前是否需要拆分数据包，也就是判断是否Dbase＞L，由于Dbase为QB53QB54，故Dbase＝2byte，又因为步骤2-1测量得L＝64byte，所以不符合Dbase＞L的数据包拆分条件，不执行拆分数据包。

步骤2-5：判断当前是否需要合并数据包，由于QB53QB54之后没有相邻的有效数据与其合并，所以不满足合并的前提条件。

步骤2-6：根据步骤1-2和1-3推导出的判断条件判断可得，当前数据包既不符合合并条件也不符合-拆分条件。

步骤5：本数据包打包完成，本包的数据为QB53QB5，判断是否存在未被打包的数据，通过观察可知所有数据已经全部打包，所以打包已经全部完成。结束所有步骤。

以上步骤描述的数据处理过程如图7所示：

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种监控可编程逻辑控制器的通信数据打包方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、生成需监控可编程逻辑控制器存储区地址的描述数据，记为有效数据，将所有有效数据根据存储区地址以连续性的特点分组，连续的有效数据分为一组，形成连续的有效数据包，将连续的有效数据包以存储区地址从小到大的顺序排列，形成有效数据包的排列关系；

步骤2、有效数据包若符合拆分条件，则进入步骤3；有效数据包若符合合并条件，则进入步骤4；有效数据包若既不符合合并条件也不符合拆分条件，则进入步骤5，其中：

拆分条件为：有效数据包的大小大于能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数；

合并条件为：相邻两个有效数据包合并后的大小不大于能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数，且相邻两个有效数据包合并后的估算通信时间小于多个有效数据包合并前的估算通信时间；

步骤3、拆分有效数据包：

记Dbase为当前有效数据包的字节数，记L为能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数，将有效数据包一分为二，其一是能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数部分，记为L部分，其二是有效数据包去除能够确保通信误码率保持平稳的最大字节数后剩余的部分，记为(Dbase-L)部分，将L部分与(Dbase-L)部分分别打成一个包，进入步骤5；

步骤4、合并有效数据包：

记Dafter为与当前的有效数据包相邻的有效数据包的字节数，记Dmid为相邻两个有效数据包之间的无效连续数据字节数，将相邻的两个有效数据包合并成一个，则新的打包的基本数据字节数的值为Dbase+Dmid+Dafter，以新的打包的基本数据字节数将相邻两个有效数据包打成一个包，进入步骤5；

步骤5、当前的有效数据包打包完成后，判断是否所有有效数据包全部打包完成，如果还有未被打包的有效数据包，则返回步骤2继续打下一个包，否则打包结束：

所述步骤2包括：

步骤2.1、开始监控可编程逻辑控制器之前，先发送一些固定长度的通信帧，测量4个参数，包括v、L、Ts，Tp，其中，v为通信平均速率，Ts为监控可编程逻辑控制器的设备收发数据的间隔时间，Tp为可编程逻辑控制器的收发数据的间隔时间；

步骤2.2、若Dbase＞L时，则满足拆分有效数据包的条件，进入所述步骤3，否则不满足拆分有效数据包的条件，进入步骤2.3；

步骤2.3、若Dbase+Dmid+Dafter＞L，则不满足合并有效数据包的条件，进入所述步骤5，否则判断相邻两个有效数据包合并后的估算通信时间是否小于多个有效数据包合并前的估算通信时间，若是，则进入所述步骤4，否则进入所述步骤5；

所述步骤2.3中判断相邻两个有效数据包合并后的估算通信时间是否小于多个有效数据包合并前的估算通信时间的步骤为：

步骤2.3.1、估算合并前需要的通信时间Tuc：

步骤2.3.2、估算合并后需要的通信时间Tc：

；

步骤2.3.3、对合并前和合并后需要的通信时间进行比较：若Tc-Tuc＜0，则进入所述步骤4，否则进入所述步骤5。