CN108469809A - 基于嵌入式计算机的plc数据采集、处理和上传方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法。该方法为：将一台嵌入式计算机和一台工业交换机安装入一个机台的机柜中，嵌入式计算机中运行的程序每隔一段时间读取一次各个PLC的寄存器内容；根据采集得到的数据，嵌入式计算机中运行的程序保存各项数据值，并更新泵电流、转速的最大值和最小值，同时判断是否发出报警信号；如果发出了报警信号，则将报警信息上传至客户端，客户端收到报警信息后进行回复；如果没有发出报警信号，则等待上位机客户端发起上传数据的请求，收到请求后将处理过的数据上传至客户端，客户端收到数据后进行回复。本发明设备布设方便、系统稳定，能够可靠地完成工业用泵的数据采集、处理和上传的任务。

Description

基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法

技术领域

本发明属于工业设备数据监测领域，特别是一种基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法。

背景技术

在工业4.0的大背景下，智能制造技术不断提高，生产设备的数据一直是工厂最关心的信息，因此数据监测受到了广泛重视。数据监测系统融合了数据采集、数据传输、数据显示等多种功能。近年来，随着嵌入式技术和通信网络的快速发展，工业领域的数据监测系统也在更新换代。真空泵在半导体行业的尾气处理过程中起到了至关重要的作用，泵电流、转速等十几项数据显示了泵的运行状况。由于多数工厂采用24小时不间断生产方式，泵一旦出现故障且长时间无人知情的话就可能导致生产线的停产，造成巨大的经济损失，同时也会影响对尾气的处理，造成环境污染。因此，必须对泵的各项数据进行监测，实时掌握泵的运行状态，以便及时的发现泵的故障并进行报警，修复或更换故障泵，以避免生产线的停产事故。

工业PLC的数据监测系统一直是智能制造中的研究热点。对于国内工业PLC的数据监测技术，文献1(李晓磊.基于MSComm和Modbus协议的分布式数据监测系统.大连理工大学，2012)以开发的嵌入式数据采集系统作为网络的底层现场测控节点，构建了由上位机和测控节点组成的监测网络，能够实现对PLC数据的实时监测，但该系统在上位机与嵌入式数据采集设备之间采用蓝牙技术进行通信，对通信距离产生了较大的限制，同时数据传送的稳定性和可靠性也较低。文献2(汪贤浩.基于Cortex-M3平台的数据监测终端设计与实现.南京邮电大学，2015)提出了采用ARM控制器实现Modbus现场数据监测和远程数据通信的方案，该方案实现了现场数据监测和远程数据通信功能，但该系统仅仅实现了数据采集，并没有对数据进行处理，也没有做出报警信号的判断，功能较为单一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设备布设方便、系统稳定、兼容性高的基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法，实现高可靠性的半导体行业真空泵设备的数据监测。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法，包括以下步骤：

步骤1，设备布置：将一台嵌入式计算机和一台工业交换机安装入一个机台的机柜中；

步骤2，数据采集：嵌入式计算机间隔设定时间读取一次各个PLC的寄存器内容；

步骤3，数据处理：根据步骤2采集得到的数据，嵌入式计算机保存各项数据值，并更新泵电流、转速的最大值和最小值，同时判断是否发出报警信号；

步骤4：数据上传：如果步骤3中发出了报警信号，则嵌入式计算机将报警信息上传至客户端，客户端收到报警信息后进行回复；如果步骤3中没有发出报警信号，则嵌入式计算机等待上位机客户端发起上传数据的请求，收到请求后将步骤3处理过的数据上传至客户端，客户端收到数据后进行回复。

进一步地，步骤1所述的设备布置，具体如下：

(1.1)用网线将一个机台上所有泵的PLC通讯模块连接在一台交换机上；用一根网线将该交换机与一台嵌入式计算机的网卡1相连，并且设置好网卡1和所有PLC通讯模块的IP地址，从而将嵌入式计算机和该机台所有泵的PLC通讯模块组成了局域网络；

(1.2)利用一根网线将该嵌入式计算机的网卡2和上位机客户端相连。

进一步地，步骤2所述数据采集，具体如下：

(2.1)数据采集部分的程序是基于Modbus TCP协议、采用C语言编写实现的，程序将整个Modbus TCP通信过程封装成五个函数，分别为：init初始化函数、connect连接函数、read读取寄存器函数、disconnect断开连接函数和release释放函数；

(2.2)init初始化函数：该函数用于初始化Modbus TCP连接环境；函数没有参数，返回值若是0表示初始化环境成功，若是负数表示初始化环境失败；

(2.3)connect连接函数：该函数用于与PLC通讯模块进行Modbus TCP连接；函数有3个参数，分别为通讯模块的IP地址、端口号以及Modbus TCP连接句柄；函数返回值若是0表示连接成功，若是负数表示连接失败；

(2.4)read读取寄存器函数：该函数用于读取寄存器的内容；函数有6个参数，分别为Modbus TCP连接句柄、超时时间、寄存器类型功能码、寄存器起始地址以及读取的寄存器个数；函数返回值若是0表示读取成功，若是负数表示读取失败；

(2.5)disconnect断开连接函数：该函数用于断开本次Modbus TCP连接并销毁本次连接句柄；函数有1个参数，即本次Modbus TCP连接句柄；函数返回值若是0表示断开连接成功，若是负数表示断开连接失败；

(2.6)release释放函数：该函数用于释放Modbus TCP连接环境；函数没有参数，返回值若是0表示释放成功，若是负数表示释放失败。

进一步地，步骤3所述数据处理，具体如下：

(3.1)最大、最小值处理：根据步骤2中采集到的泵电流的实时数值，若实时数值大于之前的最大值，则将该数值作为新的最大值覆盖原先的最大值，否则保持原先的最大值不变；若实时数值小于之前的最小值，则将该数值作为新的最小值覆盖原先的最小值，否则保持原先的最小值不变；当程序第一次上电时，将第一次采集到的数值作为其最大值和最小值；

(3.2)报警信号判断：根据步骤2中采集到的泵电流的实时数值，若实时数值高于或低于设定的警戒数值，则产生电流值过高或过低的报警信号。

进一步地，步骤4所述数据上传，具体如下：

嵌入式计算机与上位机客户端之间的通讯程序基于SECS通信协议，采用C语言实现，通讯过程如下：

(4.1)建立TCP/IP连接：嵌入式计算机作为服务器对连接进行侦听，上位机作为客户端，按照TCP/IP协议与嵌入式计算机建立连接；

(4.2)握手过程：当TCP/IP协议建立好之后，SECS拥有一套握手协议，上位机客户端发起select.req请求，服务器做出select.rsp回应来完成select.req请求；

(4.3)数据上传：当select.req请求被确认后，进行SECS数据交换；数据交换所发生的开始消息为Primary Message，返回的消息为Secondary Message；如果客户端或服务器其中一方发出一个Primary消息，并且表明需要另一方做出应答回复，则另一方需要回复Secondary消息，否则不予回复；如果在步骤3中产生了报警信号，则嵌入式计算机将报警信息上传至客户端，客户端收到报警信息后进行回复；如果在步骤3中没有产生报警信号，则嵌入式计算机等待上位机客户端发起上传数据的请求，收到请求后将步骤3处理过的数据上传至上位机客户端，上位机客户端收到数据后进行回复。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法，设备布设方便、系统稳定、兼容性高；(2)稳定性、可靠性和安全性高，能够可靠地完成工业用泵的数据采集、处理和上传的任务，实现高可靠性的半导体行业真空泵设备的数据监测。

附图说明

图1为本发明基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法的流程示意图。

图2为本发明中设备布设结构示意图。

图3为根据SECS通信协议定义的泵数据消息体格式示意图。

图4为本发明中上位机接收到的泵数据结果示意图。

图5为本发明中上位机接收到的泵报警信息结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

结合图1，一种基于嵌入式计算机的工业PLC数据采集、处理和上传方法，包括以下步骤：

步骤1，设备布置：将一台嵌入式计算机和一台工业交换机安装入一个机台的机柜中。图2为本发明设备布设结构示意图。

进一步地，用网线将一个机台上所有泵的PLC通讯模块连接在一台交换机上；用一根网线将交换机与一台嵌入式计算机的网卡1相连，从而将嵌入式计算机和该机台所有泵的PLC通讯模块组成了局域网络；利用一根网线将该台嵌入式计算机的网卡2和上位机客户端相连。

步骤2，数据采集：嵌入式计算机中运行的程序每隔一段时间读取一次各个PLC的寄存器内容。

进一步地，数据采集部分的程序是基于Modbus TCP协议、采用C语言编写实现的，程序将整个Modbus TCP通讯过程封装成五个函数，分别为：init初始化函数、connect连接函数、read读取寄存器函数、disconnect断开连接函数和release释放函数：

init初始化函数：该函数用于初始化Modbus TCP连接环境。函数没有参数，返回值若是0表示初始化环境成功，若是负数表示初始化环境失败。

connect连接函数：该函数用于与PLC通讯模块进行Modbus TCP连接。函数有3个参数，分别为通讯模块的IP地址、端口号以及Modbus TCP连接句柄。函数返回值若是0表示连接成功，若是负数表示连接失败。

read读取寄存器函数：该函数用于读取寄存器的内容。函数有6个参数，分别为Modbus TCP连接句柄、超时时间、寄存器类型功能码、寄存器起始地址以及读取的寄存器个数。函数返回值若是0表示读取成功，若是负数表示读取失败。

disconnect断开连接函数：该函数用于断开本次Modbus TCP连接并销毁本次连接句柄。函数有1个参数，即本次Modbus TCP连接句柄。函数返回值若是0表示断开连接成功，若是负数表示断开连接失败。

release释放函数：该函数用于释放Modbus TCP连接环境。函数没有参数，返回值若是0表示释放成功，若是负数表示释放失败。

步骤3，数据处理：根据步骤2采集得到的数据，嵌入式计算机中运行的程序保存各项数据值，并更新泵电流、转速的最大值和最小值，同时判断是否发出报警信号。

(3.1)最大、最小值处理：根据步骤2中采集到的泵电流的实时数值，若实时数值大于之前的最大值，则将该数值作为新的最大值覆盖原先的最大值，否则保持原先的最大值不变；若实时数值小于之前的最小值，则将该数值作为新的最小值覆盖原先的最小值，否则保持原先的最小值不变。当程序第一次上电时，将第一次采集到的数值作为其最大值和最小值。

(3.2)报警信号判断：根据步骤2中采集到的泵电流的实时数值，若实时数值高于或低于设定的警戒数值，则产生电流值过高或过低的报警信号。

步骤4：数据上传：如果步骤3中发出了报警信号，则嵌入式计算机中运行的程序将报警信息上传至客户端，客户端收到报警信息后进行回复；如果步骤3中没有发出报警信号，则嵌入式计算机等待上位机客户端发起上传数据的请求，收到请求后将步骤3处理过的数据上传至客户端，客户端收到数据后进行回复。

嵌入式计算机与上位机客户端之间的通讯程序是基于SECS通讯协议编写的，采用C语言实现，通讯过程如下：

(4.1)建立TCP/IP连接：嵌入式计算机作为服务器对连接进行侦听，上位机作为客户端，按照TCP/IP协议与嵌入式计算机建立连接。

(4.2)握手过程：当TCP/IP协议建立好之后，SECS拥有自己的一套握手协议，上位机客户端发起select.req请求，服务器会做出select.rsp回应来完成select.req请求。

(4.3)数据上传：当select.req请求被确认后，进行SECS数据交换；数据交换所发生的开始消息为Primary Message，返回的消息为Secondary Message；如果客户端或服务器其中一方发出一个Primary消息，并且表明需要另一方做出应答回复，则另一方需要回复Secondary消息，否则不予回复；如果在步骤3中产生了报警信号，嵌入式计算机将报警信息上传至上位机客户端，上位机客户端做出收到报警信息的回复；如果在步骤3中没有产生报警信号，嵌入式计算机等待上位机客户端发起上传数据的请求，收到请求后将经过步骤3处理的数据上传给客户端，而后客户端做出收到数据的回复。

在SECS通信协议中，消息体List结构来表示。List结构使得用户看来信息具有清晰的树状表示结构。图3是根据SECS通信协议定义的泵数据消息体格式示意图。进一步地，在第一层List结构中，SFCD表示消息体类型，DATAID表示消息体ID，EQUIPMENTID表示生产线名称，SUBCD表示该生产线中机台名称，RUNMODE表示机台运行状态，L14表示第二层List结构有14层；在第二层List结构中，UNITID表示该机台下泵的名称，EQPST、EQ_RNO、EQ_RID表示一些生产数据，L29表示第三层List结构有29层；在第三层List结构中，DCNAME表示数据名字，DCTYPE表示数据类型，DCVALUE表示数据数值。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

在国内某半导体生产工厂的一个机台机柜中，首先，利用数根网线将该机台上14台泵的PLC通讯模块连接在一台CISCO24口工业级交换机上；然后，利用一根网线将该交换机与一台MOXA IA240嵌入式计算机的网卡1相连，并设置好网卡1和所有PLC的IP地址，从而组成局域网络；最后，利用一根网线将该台嵌入式计算机的网卡2和客户端相连，并设置好网卡2和客户端的IP地址。

将程序在Linux系统环境下通过arm-linux-gcc编译器编译完成后下载到MOXA嵌入式计算机中，并将程序设置成开机自运行。程序运行过程中，程序每隔5秒采集一次该机台中14台泵的各项数据，并计算好电流、转速等数据的最大值和最小值，同时作出是否产生报警信号的判断。上位机客户端每隔一小时向MOXA嵌入式计算机发送一次上报数据的请求，收到请求后MOXA嵌入式计算机将泵数据以图3所示的格式发送给客户端。图4为上位机客户端接收到的泵数据结果示意图，由于数据量庞大，故只截取了一小部分。图5为上位机客户端接收到的泵报警信息示意图。

根据图4和图5，本发明通过一台嵌入式计算机和一台工业交换机，成功地将该机台中14台泵的数据进行了采集、处理和上报，同时也能及时上报泵的报警信息。可以看出，该方法数据采集精确，极值计算准确，报警判断无错误，远程通信稳定，满足实际工业生产现场对数据监测的要求，具有较高的运行稳定性和可靠性。

Claims (5)

1.一种基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设备布置：将一台嵌入式计算机和一台工业交换机安装入一个机台的机柜中；

步骤2，数据采集：嵌入式计算机间隔设定时间读取一次各个PLC的寄存器内容；

步骤3，数据处理：根据步骤2采集得到的数据，嵌入式计算机保存各项数据值，并更新泵电流、转速的最大值和最小值，同时判断是否发出报警信号；

步骤4：数据上传：如果步骤3中发出了报警信号，则嵌入式计算机将报警信息上传至客户端，客户端收到报警信息后进行回复；如果步骤3中没有发出报警信号，则嵌入式计算机等待上位机客户端发起上传数据的请求，收到请求后将步骤3处理过的数据上传至客户端，客户端收到数据后进行回复。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法，其特征在于，步骤1所述的设备布置，具体如下：

(1.1)用网线将一个机台上所有泵的PLC通讯模块连接在一台交换机上；用一根网线将该交换机与一台嵌入式计算机的网卡1相连，并且设置好网卡1和所有PLC通讯模块的IP地址，从而将嵌入式计算机和该机台所有泵的PLC通讯模块组成了局域网络；

(1.2)利用一根网线将该嵌入式计算机的网卡2和上位机客户端相连。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法，其特征在于，步骤2所述数据采集，具体如下：

(2.1)数据采集部分的程序是基于Modbus TCP协议、采用C语言编写实现的，程序将整个Modbus TCP通信过程封装成五个函数，分别为：init初始化函数、connect连接函数、read读取寄存器函数、disconnect断开连接函数和release释放函数；

(2.2)init初始化函数：该函数用于初始化Modbus TCP连接环境；函数没有参数，返回值若是0表示初始化环境成功，若是负数表示初始化环境失败；

(2.3)connect连接函数：该函数用于与PLC通讯模块进行Modbus TCP连接；函数有3个参数，分别为通讯模块的IP地址、端口号以及Modbus TCP连接句柄；函数返回值若是0表示连接成功，若是负数表示连接失败；

(2.4)read读取寄存器函数：该函数用于读取寄存器的内容；函数有6个参数，分别为Modbus TCP连接句柄、超时时间、寄存器类型功能码、寄存器起始地址以及读取的寄存器个数；函数返回值若是0表示读取成功，若是负数表示读取失败；

(2.5)disconnect断开连接函数：该函数用于断开本次Modbus TCP连接并销毁本次连接句柄；函数有1个参数，即本次Modbus TCP连接句柄；函数返回值若是0表示断开连接成功，若是负数表示断开连接失败；

(2.6)release释放函数：该函数用于释放Modbus TCP连接环境；函数没有参数，返回值若是0表示释放成功，若是负数表示释放失败。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法，其特征在于，步骤3所述数据处理，具体如下：

(3.1)最大、最小值处理：根据步骤2中采集到的泵电流的实时数值，若实时数值大于之前的最大值，则将该数值作为新的最大值覆盖原先的最大值，否则保持原先的最大值不变；若实时数值小于之前的最小值，则将该数值作为新的最小值覆盖原先的最小值，否则保持原先的最小值不变；当程序第一次上电时，将第一次采集到的数值作为其最大值和最小值；

(3.2)报警信号判断：根据步骤2中采集到的泵电流的实时数值，若实时数值高于或低于设定的警戒数值，则产生电流值过高或过低的报警信号。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式计算机的PLC数据采集、处理和上传方法，其特征在于，步骤4所述数据上传，具体如下：

嵌入式计算机与上位机客户端之间的通讯程序基于SECS通信协议，采用C语言实现，通讯过程如下：

(4.1)建立TCP/IP连接：嵌入式计算机作为服务器对连接进行侦听，上位机作为客户端，按照TCP/IP协议与嵌入式计算机建立连接；

(4.2)握手过程：当TCP/IP协议建立好之后，SECS拥有一套握手协议，上位机客户端发起select.req请求，服务器做出select.rsp回应来完成select.req请求；

(4.3)数据上传：当select.req请求被确认后，进行SECS数据交换；数据交换所发生的开始消息为Primary Message，返回的消息为Secondary Message；如果客户端或服务器其中一方发出一个Primary消息，并且表明需要另一方做出应答回复，则另一方需要回复Secondary消息，否则不予回复；如果在步骤3中产生了报警信号，则嵌入式计算机将报警信息上传至客户端，客户端收到报警信息后进行回复；如果在步骤3中没有产生报警信号，则嵌入式计算机等待上位机客户端发起上传数据的请求，收到请求后将步骤3处理过的数据上传至上位机客户端，上位机客户端收到数据后进行回复。