CN105812100A - 用于可编程逻辑控制器和个人计算机进行实时通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于可编程逻辑控制器和个人计算机进行实时通信的方法，该方法包括：每次重建可编程逻辑控制器和个人计算机之间的连接时，可编程逻辑控制器和个人计算机中的主叫方发送序号重置报文，被叫方通过发送序号重置回复报文来确认；在所述连接期间，在主叫方和被叫方之间通过握手报文来确定通信是否正常；只有在通信正常时，主叫方才按照报文的优先级来发送报文，其中只有在接收到来自被叫方的上一主叫回复报文时，主叫方才发送新的主叫报文。

Description

用于可编程逻辑控制器和个人计算机进行实时通信的方法

技术领域

本发明涉及工业通信领域，更具体地涉及工业设备与信息技术设备进行通信的特殊应用。

背景技术

在目前的工业控制领域中，可编程逻辑控制器（PLC）和个人计算机（PC）之间的通信方式种类繁多，通信协议也能较完整地保证通信的实时和可靠。但前提是在PC中需要安装工业控制软件和工业板卡，在某些特殊的应用中这会带来一定的副作用。例如，如果PLC和运行图像处理的PC进行通信，在PC中再额外地运行工业控制软件或工业控制板卡，则一方面会造成PC的CPU资源的运行能力不够，另一方面也会在维护中带来诸多不变。

在现有技术中已有利用PLC厂商所提供的标准通信端口和由用户自定义的自由口通信方式以及大家所熟悉的编程语言来实现PC与PLC之间的实时通信的方法。利用这些方法无需安装工业控制软件和工业板卡。然而，在这些方法中普遍存在以下问题：

1.控制指令传输不可靠：控制指令传输需要建立在稳定可靠的通信协议之上，但是现有的标准通信端口、例如RS232串口（或RS422/RS485）通信为不可靠传输，因此需要在此基础上建立可靠的数据传输协议。

2.没有完善的安全联锁等异常通知协议的相关处理机制。

3.系统模块没有统一的通信层，导致不同产品通信模块代码无法重用，应用协议层与通信层耦合性过强。

鉴于这种情况，需要一种用于在无需安装工业控制软件和工业控制板卡的前提下实现PLC和PC之间的实时且可靠的通信方法，在该方法中能够通过完善的通信层的相关机制使协议层的报文有效且有序地得到发送。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于PLC和PC进行实时通信的方法，利用该方法能够在无需安装工业控制软件和工业控制板卡的前提下实现PLC和PC之间的可靠的实时通信。

本发明基于以下认识：为了保证PLC和PC之间的可靠的实时通信，首先需要自定义较完善的通信协议，其次需要利用本领域技术人员所熟悉的编程语言、例如在PLC中需要利用汇编语言来实现，最后需要通过较完善的测试来验证其可靠性。

根据本发明，对ISO（国际标准化组织）七层协议、尤其是应用层进行了改进，具体而言在应用层中制定了通信层和协议层的相关机制。通信层实现对报文传输的可靠性和实时性的保证，协议层负责报文的编码和解析。这两层协议通过堆栈来进行功能的衔接。这样的机制在实际应用中既具有一致性又具有灵活性。较复杂的通信层可以一直保持不变，以满足一致性。协议层可以根据实际的需要进行修改，灵活定义，以满足灵活性。

根据本发明，在通信层中实现以下几个机制：

1．通过序号保证机制来实现对报文可靠性和实时性的检测。

2．通过完善的回复、重发机制来实现报文的可靠传输。

3．通过高低优先级报文机制来实现特殊报文的实时传输。

4．通过异常处理机制来保证通信在异常情况下能够有效地得以恢复。

在PLC程序实现方面可以利用汇编语言采用堆栈的形式实现报文的发送、接收、存储、重发、校验等功能，其中协议层负责将报文压入堆栈，而通信层负责将报文弹出堆栈。在堆栈的压入和弹出上，PLC是通过指针对数据块进行操作来实现的。当需要向堆栈压入数据报文时，PLC首先根据堆栈中、即数据块中已存储的报文的数量计算出要存储的报文的首字节应存放的地址，并将指针指向该地址，将相应数据拷贝到该地址的存储区中，之后随着指针的累加和数据的拷贝实现数据报文的压栈。当需要数据报文出栈时，通过指针将除了要出栈的数据报文外的所有数据前移以覆盖前一个报文。

根据本发明，提供一种用于可编程逻辑控制器和个人计算机进行实时通信的方法，该方法包括：

每次重建可编程逻辑控制器和个人计算机之间的连接时，可编程逻辑控制器和个人计算机中的主叫方发送序号重置报文，被叫方通过发送序号重置回复报文来确认；

在所述连接期间，在主叫方和被叫方之间通过握手报文来确定通信是否正常；

只有在通信正常时，主叫方才按照报文的优先级来发送报文，其中只有在接收到来自被叫方的上一主叫回复报文时，主叫方才发送新的主叫报文。

在根据本发明的实施例中，主叫方是个人计算机，而被叫方是可编程逻辑控制器，或者主叫方是可编程逻辑控制器，而被叫方是个人计算机。

在根据本发明的实施例中，主叫方在进行发送之前判断两次发送之间的时间间隔是否大于等于发送最小时间时隔。

在根据本发明的实施例中，报文包括报文头、报文序号、通信报文数据和校验和。

在根据本发明的实施例中，通过报文序号来区分报文的优先级。

在根据本发明的实施例中，在发送高优先级的报文之前，在所述主叫方侧在该高优先级的报文中添加校验和。

在根据本发明的实施例中，在接收到来自被叫方的上一主叫回复报文时，在所述主叫方侧将报文序号加1并且在新的主叫报文中添加报文序号。

在根据本发明的实施例中，在所述主叫方侧还在新的主叫报文中添加报文校验和。

在根据本发明的实施例中，如果在超时等待时间之后还没接收到来自被叫方的上一主叫报文回复，则主叫方重发上一主叫报文。

在根据本发明的实施例中，所述被叫方在接收到新的主叫报文时根据报文的校验和进行数据校验。

在根据本发明的实施例中，所述被叫方在接收到序号重置报文时以握手报文的形式构建序号重置回复报文并且将报文序号重置。

在根据本发明的实施例中，所述被叫方在接收到主叫报文时，根据报文的优先级进行处理。

在根据本发明的实施例中，如果所述主叫报文的序号是期待的序号，则所述被叫方构建主叫回复报文并将该主叫回复报文放入回复报文发送缓存中。

在根据本发明的实施例中，所述主叫方在接收到主叫回复报文时根据报文的优先级进行处理。

在根据本发明的实施例中，如果主叫回复报文的序号与等待回复的主叫报文的序号匹配，则所述主叫方更新数据发送缓存。

根据本发明，利用通用的TCP/IP技术通过自定义的协议可以实现在无工业控制软件和工业控制板卡的前提下PLC和PC之间的实时且可靠的通信，同时可以节省使用工业控制软件和工业控制板卡所需花费的成本，并对PC运行资源有很大的节省。

根据本发明的方法利用对高低优先级报文的区分有效地实现紧急处理级别的报文的优先发送，同时预留重发报文时间接口使该方法的实时性得到有效的保证。通过完善的通信层的相关机制使协议层的报文有效且有序地得到发送。这种方法比现有的一些用户自定义的自由口通信方式更为可靠和有效。

附图说明

结合附图，参考下面的详细说明将会对本发明有更完整的理解，并且能够更加清楚地了解本发明的优点，其中：

图1为根据本发明的通信协议报文格式的示意图；

图2为根据本发明在PLC或PC处接收数据的实施例的流程图；以及

图3为根据本发明在PLC或PC处发送数据的实施例的流程图。

图4为示意性地示出根据本发明的在PLC和PC之间的实时通信的信号流图。

具体实施方式

现在，将参考附图详细地说明本发明的实施例。在此，应当理解的是：以下实施例的描述并不是对本发明的限制，而是对本发明的举例说明。

图1为根据本发明的通信协议报文格式的示意图。该通信协议报文包括报文头、报文序号、通信报文数据和校验和，其中通信报文数据包括报文类型、通信报文控制字和通信报文参数字，该通信报文控制字由数据内容和数据状态组成。

在根据本发明的实施例中，报文序号用来在协议传输中为数据报文进行编号，同时也可以用来区分相邻的不同数据报文的优先级。例如在一个优选实施例中，报文序号占用1个字节。由于第八位作为报头避让保留，第七位作为主叫/回复区别标识，因此使用6位来表示序号，即序号范围为0－63。在实际协议设计过程中，序号51－63可以作为预留的高优先级序号，当系统需要某些控制指令在通信过程中的任何时机均可以发送出去时，可以设置序号在该范围内的控制报文进行发送。通信层在接收到高优先级序号的报文时可以不进行序号连续性检查，同时立刻向应用程序汇报。例如在本发明的一个优选实施例中，序号63被保留用于通信建立控制字（序号重置报文），并且其优先级最高，而序号61被保留用于握手报文。

根据本发明的通信协议报文采用报文头、报文序号、校验和等来有效地保证报文的可靠性。报文的有效分类保证了报文解析的快捷性。

在PLC中采用汇编语句对接收和发送进行完整的逻辑实现，例如进行序号的判定，进行堆栈，进行是否为有效的回复或是否为高优先级报文的判定等。通过有效地逻辑判定，使得有效地进行数据的接收和发送。在PC中可以相应地采用本领域技术人员所熟悉的编程语言对接收和发送进行完整的逻辑实现。

在根据本发明的实施例中，制定通信层和协议层的相关机制，其中通信层协议的设计原则是：

a)通过数据传送的回复确认来保证数据报文的可靠通信，因为在主叫发送、被叫发送回复的过程中通信随时可能发生干扰和故障，因此需要严格的数据报文完整性逻辑来保证可靠通信。

b)在任何时间，对于同一优先级的主叫报文，主叫方只能等待单一序号的主叫回复报文。即主叫方在一个序号的数据报文没有得到正确回复之前，不能发送下一数据报文。应该在内部队列中存储待发送报文。

c)被叫方在任何时间也只能接收当前序号数据报文或相邻下一个数据报文（高优先级报文除外）。

d)被叫方每次收到主叫报文时，首先需要构造相应的回复报文，并且立刻回复，保证通信协议的正常运行。

e)被叫方在每次收到错误数据报文时，比如校验和错误、序号错误时，不发送回复报文。被叫方发送回复报文的条件：

　　i.接收到普通优先级的下一个序号主叫报文

　　ii.接收到普通优先级的当前序号报文，此时为主叫方超时重发的数据报文

　　iii.接收到高优先级的主叫报文

f)因为通信系统硬件媒介的局限性，相邻数据报文的发送时间间隔应该大于某个预定值。因此，在发送数据报文之前应该判断上一数据报文发送时间。

在根据本发明的实施例中，PC和PLC双方都可以采用通信超时、监测网络异常等方式来进行通信异常的判别，例如：

a)某一报文在重复发送n次以后。

b)某一报文在n秒内没有收到正常回复。

c)在PC端监测到网络通信异常。

d)主叫方发送的握手报文在n秒内没有得到回复。

e)被叫方在n秒内没有收到主叫方发送的握手报文。

在发现异常时，重置通信协议，重新建立或等待重新建立通信。

在图2中示出了根据本发明在PLC或PC处接收数据的实施例的流程图。在接收到新的数据报文时，在数据校验正确的情况下判断该新的数据报文是否是序号重置报文。如果是，则通信层构建序号重置回复报文，将序号重置以及通信层复位，将序号重置回复报文构建成协议层能识别的握手报文以及通知协议层通信层已复位。如果该新的数据报文不是序号重置报文，则通过握手报文来判断PLC和PC之间的通信是否正常。在通信正常的情况下，首先判断是否该新的数据报文是主叫回复报文。如果是，则根据报文的优先级来判断主叫回复报文的序号是否与等待回复的主叫报文的序号匹配，在匹配的情况下更新相应的数据发送缓存，即，将等待回复的主叫报文弹出堆栈。如果该新的数据报文不是主叫回复报文，则根据报文的优先级来判断主叫报文的序号是否与期待的序号匹配，在匹配的情况下构建主叫回复报文并放入回复报文发送缓存中，即，将回复报文压入堆栈。如果该主叫报文的序号与上一次收到的主叫报文的序号不同，则通知协议层收到新的数据报文。

图3为根据本发明在PLC或PC处发送数据的实施例的流程图。在要发送数据时，首先判断是否满足发送最小时间间隔。如果是，则判断是否有序号重置回复报文待发送。如果是，则将序号重置回复报文放入数据报文发送缓存中。如果否，则通过握手报文来判断PLC和PC之间的通信是否正常。在通信正常的情况下，首先判断是否有高优先级回复报文待发送。如果是，则将高优先级回复报文放入数据报文发送缓存中。如果否，则根据要发送的报文的报文序号来判断是否有高优先级报文待发送。如果是，则在收到上一高优先级主叫回复报文的情况下给该要发送的高优先级报文添加校验和并将该高优先级报文放入数据报文发送缓存中。在没有收到上一高优先级主叫回复报文的情况下，判断超时等待时间是否到时，如果否，则继续等待，如果是，则重发数据报文发送缓存中的上一高优先级主叫报文，并继续等待该高优先级主叫报文的回复报文。在没有高优先级报文待发送的情况下，如果有主叫回复报文待发送，则将该主叫回复报文放入数据报文发送缓存中，如果没有主叫回复报文待发送，则在有主叫报文要发送的情况下判断是否收到了上一主叫回复报文，如果否，则判断超时等待时间是否到时，如果否，则继续等待，如果是，则重发数据报文发送缓存中的上一普通优先级主叫报文，并继续等待该普通优先级主叫报文的回复报文。在收到上一主叫回复报文的情况下，将报文序号加1、添加报文序号并将主叫报文放入数据报文发送缓存中。在发送数据报文之前给数据报文发送缓存中的数据报文添加报文校验和。在该数据报文为主叫报文的情况下，更新待回复主叫报文信息。

在图4中示意性地示出了PLC和PC之间的实时通信的信号流图。在本发明的实施例中，每次重建PLC和PC之间的连接时，PLC和PC中的主叫方发送序号重置报文，被叫方通过发送序号重置回复报文来确认；在所述连接期间，在主叫方和被叫方之间通过握手报文来确定通信是否正常；只有在通信正常时，主叫方才按照报文的优先级来发送报文，其中只有在接收到来自被叫方的上一主叫回复报文时，主叫方才发送新的主叫报文，其中主叫方可以是PC，而被叫方可以是PLC，或者主叫方可以是PLC，而被叫方可以是PC。主叫方在进行发送之前判断两次发送之间的时间间隔是否满足发送最小时间时隔,即Δt≥t_min。在发送高优先级的报文之前，在所述主叫方侧在该高优先级的报文中添加校验和。在接收到来自被叫方的上一主叫回复报文时，在所述主叫方侧将报文序号加1并且在新的主叫报文中添加报文序号。在所述主叫方侧还在新的主叫报文中添加报文校验和。如果在超时等待时间t_等待之后还没接收到来自被叫方的上一主叫回复报文，则主叫方重发上一主叫报文。所述被叫方在接收到新的主叫报文时根据报文的校验和进行数据校验。所述被叫方在接收到序号重置报文时以握手报文的形式构建序号重置回复报文并且将报文序号重置。所述被叫方在接收到主叫报文时，根据报文的优先级进行处理。如果所述主叫报文的序号是期待的序号，则所述被叫方构建主叫回复报文并将该主叫回复报文放入回复报文发送缓存中。所述主叫方在接收到主叫回复报文时根据报文的优先级进行处理。如果主叫回复报文的序号与等待回复的主叫报文的序号匹配，则所述主叫方更新数据发送缓存。

尽管前面参考本发明的实施例来描述了本发明，但本领域技术人员能够在不脱离本发明的范围的情况下对所述实施例做出各种修改和改进。

Claims (17)

1.用于可编程逻辑控制器和个人计算机进行实时通信的方法，包括：

每次重建可编程逻辑控制器和个人计算机之间的连接时，可编程逻辑控制器和个人计算机中的主叫方发送序号重置报文，被叫方通过发送序号重置回复报文来确认，

在所述连接期间，在主叫方和被叫方之间通过握手报文来确定通信是否正常，

只有在通信正常时，主叫方才按照报文的优先级来发送报文，其中只有在接收到来自被叫方的上一主叫回复报文时，主叫方才发送新的主叫报文。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述主叫方是个人计算机，而所述被叫方是可编程逻辑控制器，或者所述主叫方是可编程逻辑控制器，而所述被叫方是个人计算机。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述主叫方在进行发送之前判断两次发送之间的时间间隔是否大于等于发送最小时间时隔。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述报文包括报文头、报文序号、通信报文数据和校验和。

5.根据权利要求4所述的方法，其中通过所述报文序号来在协议传输中为数据报文进行编号并且区分报文的优先级。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在发送高优先级的报文之前，在所述主叫方侧在该高优先级的报文中添加校验和。

7.根据权利要求4所述的方法，其中在接收到来自被叫方的上一主叫回复报文时，在所述主叫方侧将报文序号加1并且在新的主叫报文中添加报文序号。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述主叫方侧还在所述新的主叫报文中添加校验和。

9.根据权利要求1所述的方法，其中如果在超时等待时间之后还没接收到来自被叫方的上一主叫报文回复，则主叫方重发上一主叫报文。

10.根据权利要求4所述的方法，其中所述被叫方在接收到新的主叫报文时根据报文的校验和进行数据校验。

11.根据权利要求4所述的方法，其中所述被叫方在接收到所述序号重置报文时以握手报文的形式构建序号重置回复报文并且将报文序号重置。

12.根据权利要求5所述的方法，其中所述被叫方在接收到主叫报文时根据报文的优先级进行处理。

13.根据权利要求12所述的方法，其中如果所述主叫报文的报文序号是期待的报文序号，则所述被叫方构建主叫回复报文并将该主叫回复报文放入回复报文发送缓存中。

14.根据权利要求5所述的方法，其中所述主叫方在接收到主叫回复报文时根据报文的优先级进行处理。

15.根据权利要求14所述的方法，其中如果主叫回复报文的报文序号与等待回复的主叫报文的报文序号匹配，则所述主叫方更新数据发送缓存。

16.根据权利要求1所述的方法，其中在可编程逻辑控制器中利用汇编语言采用堆栈的形式实现报文的发送、接收、存储、重发、校验。

17.根据权利要求16所述的方法，其中可编程逻辑控制器的协议层负责将报文压入堆栈，而通信层负责将报文弹出堆栈。