CN114721736B - 一种基于软plc的数据管理方法和系统 - Google Patents

一种基于软plc的数据管理方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于软PLC的数据管理方法和系统，包括：软PLC内嵌插件管理机制，加载多种总线类型的通讯模块和用户扩展功能模块；收集第一类现场总线设备的数据，分类存储至数据字典；从数据字典中提取待处理的数据，执行数据处理功能后，依据数据运算结果的属性，将运算结果更新至数据字典或自定义的全局数据存储区，然后转发至第二类总线数据收集装置或本地化存储；重复上述步骤，获取第一类总线数据、处理并转运处理结果至第二类总线数据收集装置或存储于本地文件。本发明考虑了多总线数据管理的可扩展性、易操作性，通过插件管理机制，结合数据字典和软PLC的可编程特性，使其更符合数据采集、处理、分发的全流程需求。

Description

一种基于软PLC的数据管理方法和系统
技术领域
本发明属于工业自动化领域，更具体地，涉及一种基于软PLC的数据管理方法和系统。
背景技术
随着自动化产业规模的发展壮大，总线型软PLC广泛应用于智能产线、装配、流程控制、运动控制等应用场景。总线型软PLC的普及极大地解放了生产力，提高了自动化水平，降低了人力成本。
然而，在总线型软PLC工作任务中，存在多种工业总线的数据采集需求，以及对数据的有效管理和处理需求，同时还包括如何便捷地集成用户扩展功能包的需求。
经检索，中国专利公开了一种智能网关数据采集测试方法及装置(CN201910490716.7)，使用西门子STEP7对PLC进行编程，支持多种数据采集通信协议，实现了对开关量、模拟量、脉冲量的测试，但该方法仅限于对西门子设备的配置。中国专利公开了一种数据处理方法以及边缘计算数据盒(CN201811325943.6)，该专利技术介绍了通过边缘计算数据盒编译的DLL文件从PLC中获取原始数据，调用DLL中自定义的逻辑控制程序得到目标数据，然后输出PLC目标数据控制外部设备。该方法将数据采集功能置于PLC中，数据分析功能置于边缘计算数据盒中，是对减轻PLC计算负荷的有益探索，但存在PLC编程、边缘计算编程的两种开发环境，以DLL作为载体实现两个环境的数据交互。欧系的Codesys、TwinCAT等自动化软PLC提供了良好的开发环境，针对不同总线的数据采集功能需求，提供了多种形式的通讯库文件，但库的源文件一旦发生改变，就需要重新编译、重新加载，有时还需要与软PLC环境的依赖库相匹配才能正确加载。
因此，现有技术需要一种能够采集工业总线数据的同时，提供良好的二次开发接口，允许用户集成自定义的扩展功能包，还应具有对数据进行有效管理功能的系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于软PLC的数据管理方法和系统，其目的在于使软PLC具有更大的开放性和灵活性，由此解决自定义扩展功能集成、多总线数据管理的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于软PLC的数据管理方法，包括以下步骤：
(1)在软PLC内嵌入插件管理机制，加载多种总线类型的通讯模块和用户扩展功能模块；
(2)收集第一类现场总线设备的数据；
(3)根据采集的数据类型，将数据分类存储至数据字典；
(4)从数据字典中提取待处理的数据，执行数据处理功能得到数据运算结果，依据数据运算结果的属性，将数据运算结果更新至数据字典或自定义的全局数据存储区，从数据字典或全局数据区提取待输出的数据，转发至第二类总线数据收集装置；
(5)重复执行步骤(2)～(4)，周期性获取第一类总线数据、处理并转运处理结果至第二类总线数据收集装置。
进一步地，步骤(1)中所述插件管理机制包括以下部分：
插件管理文件，定义加载插件、收集数据、调度执行、分发结果、卸载插件五个动作；
接口文件，定义对插件内各个功能块接口，包括输入接口的名称、类型，输出接口的名称、类型，以及被调用时执行的函数或功能块名称；
插件源码，定义功能块的具体实现过程。
进一步地，所述加载插件的动作仅在软PLC工程编译前执行一次，用于申请内存空间；所述卸载插件的动作仅在软PLC工程运行结束后执行一次，用于释放内存空间；
所述收集数据的动作用于收集第一类总线的现场设备数据，采集得到的数据被分类存储至数据字典；所述分发结果的动作用于转运数据处理结果至第二类总线的现场设备收集装置。
进一步地，数据字典由模板自动生成，该模板内定义了遵循DS401、DS402国际标准的字典项，具有可编辑属性；能增加自定义的字典项，包括字典项的名称、类型、长度和访问权限。
进一步地，第一类、第二类总线为EtherCAT、Modbus、NCUC总线的任意两种，总线通讯功能均以插件的形式集成到软PLC环境。
进一步地，总线通讯模块、用户扩展功能模块被载入软PLC环境的具体过程为：
S1.启动软PLC工程时，一次遍历插件目录下所有的系统级插件、总线插件、用户自定义扩展插件，形成插件列表；
S2.从插件列表中依次选择要加载的插件类型；
S3.插件管理机制遍历已选择的每个插件，调用插件内的加载动作，为插件申请内存空间；
S4.插件中的功能块被载入到软PLC环境中，形成功能块列表，供用户调用。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于软PLC的数据管理系统，包括：
插件管理模块，用于在软PLC内嵌入插件管理机制，加载多种总线类型的通讯模块和用户扩展功能模块；
数据采集模块，用于执行总线数据读操作，采集现场总线设备的数据；
数据分配模块，用于将采集的总线数据按照分配规则，分类存储至数据字典；
软PLC运算模块，用于获取参与运算的各类数据字典中的数据，调用软PLC的用户代码，输出计算结果至数据字典或自定义的全局数据区。
进一步地，所述插件管理机制包括以下部分：
插件管理文件，定义加载插件、收集数据、调度执行、分发结果、卸载插件五个动作；
接口文件，定义对插件内各个功能块接口，包括输入接口的名称、类型，输出接口的名称、类型，以及被调用时执行的函数或功能块名称；
插件源码，定义功能块的具体实现过程。
进一步地，所述数据分配模块，用于对采集的现场总线设备数据分类整理，按照模拟量、数字量、复合量的信号类型分类存储至数据字典。
进一步地，所述软PLC运算模块包括：
数据字典访问子模块，用于从数据字典中提取总线数据、以及将软PLC运算后的结果更新至数据字典；
PLC代码解析子模块，用于解析PLC代码，得到PLC中间文件；
PLC代码编译子模块，用于将PLC中间文件、库文件、插件内的源文件联合编译，生成可执行文件；
PLC任务调度子模块，用于触发执行软PLC工程的可执行文件，可设置任务的优先级，优先级系数越小，代表优先级越高。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明采用插件管理机制，集成总线通讯功能模块。现有的软PLC技术虽然有EtherCAT总线通讯功能，但该总线功能是以动态库的形式集成到软PLC平台中，动态库一旦发生改变，需要重新编译；而插件管理机制则支持用户修改插件，仅在执行前随PLC工程下载至软PLC运行环境后编译一次，具体彻底的开放性，灵活性更强。同时，通过插件管理机制，还可以集成用户自定义的扩展功能模块。
(2)本发明采用数据字典管理多总线类型的数据，将数据分类存储至数据字典，克服了传统软PLC通过数据变量名映射到PLC地址的灵活性差的缺点，避免了总线设备变化后导致地址偏移值错位，需再次重新手动链接变量到各个硬件通道的繁琐操作。
(3)本发明结合插件管理机制和数据字典，提供了不同总线的数据访问功能块，采用可编程的方式指定数据类型和地址索引号，即可访问任意地址的数据，提高了灵活性。
附图说明
图1是一种基于软PLC的数据管理方法的流程图；
图2是插件管理机制的动作示意图；
图3是多总线的插件集成功能框图；
图4是数据字典的可视化窗口图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种基于软PLC的数据管理方法，包括如下步骤：
(1)软PLC内嵌插件管理机制，加载多种总线类型的通讯模块和用户扩展功能模块；
(2)收集第一类现场总线设备的数据；
(3)根据采集的数据类型，将数据分类存储至数据字典；
(4)从数据字典中获取待处理的数据，执行数据处理功能得到数据运算结果，依据数据运算结果的属性，将数据运算结果更新至数据字典或自定义的全局数据存储区，从数据字典或全局数据区提取待输出的数据，上传至第二类总线数据收集装置；
(5)重复执行(2)至(4)，周期性获取第一类总线数据、处理并转运处理结果至第二类总线数据收集装置。
如图2所示，插件管理机制包含加载插件、收集数据、调度执行、分发结果、卸载插件共五个动作。按照时间先后，加载插件的动作最先执行，且仅在软PLC工程编译前执行一次，用于注册插件，申请内存空间。插件的收集数据动作是为插件内的功能块提供数据源，在软PLC多任务管理机制的调度下，周期性触发执行被调用的插件内功能块，经分发结果的动作将输出数据送至输出端口。若软PLC停止运行，卸载插件的动作被触发一次，注销插件，释放内存空间。
插件管理机制收集的数据来自第一类总线的现场设备数据，采集得到的数据被分类存储至数据字典，分发的结果被转运至第二类总线的现场设备收集装置。第一类、第二类总线为EtherCAT、Modbus、NCUC总线的任意两种，这些总线通讯功能均以插件的形式集成到软PLC环境。
一个完整的插件至少包含四个文件：
文件名 功能
__init__.py 插件管理
pous.xml 功能块的输入输出接口定义
comment.txt 功能块的注释信息
插件源码或二进制文件 功能块的具体实现
其中，(1)__init__.py用于插件管理，定义了插件的五个动作；(2)接口文件pous.xml，是对插件内各个功能块接口的定义，包括输入接口的名称、类型，输出接口的名称、类型，以及被调用时执行的函数或功能块名称；(3)注释文件comment.txt，用于为插件各个功能块提供注释性说明，当点击插件功能块时，可显示对应的注释信息；(4)源代码文件，其形式可以是软PLC的IEC 61131编程语言构建的功能块，编程语言包括结构化文本(ST)、梯形图(LD)、功能块图(FBD)、指令表(IL)、顺序流程图(SFC)；也可以是动态库或标准C语言文件。软PLC运行环境支持EtherCAT、Modbus、NCUC共三种总线，这三种总线是并列关系，均采用插件管理机制集成到软PLC中，按照首字母为插件排序为0、1、2。
如图3所示，以EtherCAT总线插件0_EtherCAT为例，文件__init__.py中定义了插件管理动作，插件源码文件或二进制文件定义了插件内的数据访问功能块，包括读数据字典的功能块BUF_READ(Type,Idx)、写数据字典项功能块BUF_WRITE(Type,Idx,Value)等。若用户PLC工程中调用了这些数据字典功能块，在软PLC任务调度的作用下，根据输入端Type的值确定数据分类，例如是模拟量数据类型，从模拟量数据字典项中取出数据。
总线通讯功能均以插件的形式集成到软PLC环境。集成步骤如下：
(1)启动软PLC工程时，一次遍历插件目录下所有的系统级插件、总线插件、用户自定义扩展插件，形成插件列表；
(2)从插件列表中依次选择要加载的多个总线插件，自定义插件名称后保存，完成手动追加总线插件的操作；
(3)插件管理机制遍历已选择的每个插件，调用插件内的加载动作，为插件申请内存空间；
(4)总线插件中的功能块被载入到软PLC环境中，形成功能块列表，供用户调用。
对于用户自定义的扩展功能模块，按照上述同样的步骤，以插件的方式载入用户扩展功能模块到软PLC环境。只要用户开发的扩展功能块符合插件开发规范，均可以方便地集成到软PLC环境中。
软PLC执行数据处理功能得到的运算结果具有两种可选的属性，属性一是存储于数据字典，可用于转运至第二类总线收集装置；属性二是存储于自定义数据区，可用于本地化存储运算结果至数据文件，以方便本地化追溯。
数据字典是在新建软PLC工程时由数据字典模板自动生成的，该模板内定义了遵循DS401国际规范的字典项，包括用于数字量IO输入的字典项，其字典索引号为0x6100，类型为无符号16位数据值，下属的子索引数量具有可配置属性。用于数字量IO输出的字典项，其字典索引号为0x6300，类型为无符号16位数据值，下属的子索引数量也具有可配置属性。此外，模拟量输入、输出字典项，按照相同的方式内置于数据字典模板中，均遵循DS401国际标准。
DS402国际标准的字典项也被包含在数据字典项模板文件中，当新建工程时，生成的数据字典包含DS402国际标准的伺服轴控制数据字典项，例如位置指令、位置反馈、控制字、状态字、设定操作模式、实际操作模式等。
如图4所示，数据字典提供了可视化窗口，将窗口分为三块，分别是数据区分段标识、数据区分段展开后的数据字典项列表、数据字典项的可视化编辑区。允许修改数据字典项的长度，也允许追加自定义的字典项，包括字典项的名称、类型、长度、访问权限等。
传统的软PLC访问总线数据时是没有数据字典操作的。下列表格给出了传统软PLC对总线数据访问方式，以及本发明对总线数据访问方式的对比表格。假定访问模拟量通道1和通道2的数据，数据类型均为有符号16位数据(INT类型)，传统软PLC的做法采用软PLC标准的地址映射术语AT，分别将变量名Chan1Data、Chan2Data映射到PLC地址IW0、IW1上，同时，需将变量名链接到硬件通道之后，在软PLC工程中读取Chan1Data、Chan1Data间接得到通道1和通道2的值。本发明的软PLC做法是：总线数据按照分类规则先存储至数据字典，假定分类规则是数字量类型为2，模拟量类型为3，通过调用总线插件访问功能块BUF_READ(3,0)，从模拟量输入类型的数据字典项中提取索引号为0的数据，赋值给变量Chan1Data，同理，调用BUF_READ(3,1)，从模拟量输入类型的数据字典项中提取索引号为1的数据，赋值给变量Chan2Data。
当设备数量、设备类型均不变时，传统软PLC和本发明采取数据字典方法读取模拟量数据的效率是一致的。但是，当总线上的设备数量增加时，按照传统软PLC的做法，需要追加变量的声明和与之关联的PLC地址，还需要手动链接新增变量名到新增设备的物理通道上；当总线上的设备类型发生变化时，之前的地址映射会发生错位，需重新手动链接变量名到硬件通道。如果按照本发明的数据字典访问方法，采集的数据被分类存储至数据字典后，用户在软PLC代码中仅仅只是新增几个实例化的模拟量数据字典项访问功能块，设置功能块输入端口的数据类型和索引号即可。采用基于数据字典的访问方法有效地降低了用户操作的难度，提高了效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于软PLC的数据管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在软PLC内嵌入插件管理机制，加载多种总线类型的通讯模块和用户扩展功能模块；
步骤(1)中所述插件管理机制包括以下部分：
插件管理文件，定义加载插件、收集数据、调度执行、分发结果、卸载插件五个动作；
接口文件，定义对插件内各个功能块接口，包括输入接口的名称、类型，输出接口的名称、类型，以及被调用时执行的函数或功能块名称；
插件源码，定义功能块的具体实现过程；
(2)收集第一类现场总线设备的数据；
(3)根据采集的数据类型，将数据分类存储至数据字典；
(4)从数据字典中提取待处理的数据，执行数据处理功能得到数据运算结果，依据数据运算结果的属性，将数据运算结果更新至数据字典或自定义的全局数据存储区，从数据字典或全局数据区提取待输出的数据，转发至第二类总线数据收集装置；
(5)重复执行步骤(2)～(4)，周期性获取第一类总线数据、处理并转运处理结果至第二类总线数据收集装置。
2.如权利要求1所述的一种基于软PLC的数据管理方法，其特征在于，所述加载插件的动作仅在软PLC工程编译前执行一次，用于申请内存空间；所述卸载插件的动作仅在软PLC工程运行结束后执行一次，用于释放内存空间；
所述收集数据的动作用于收集第一类总线的现场设备数据，采集得到的数据被分类存储至数据字典；所述分发结果的动作用于转运数据处理结果至第二类总线的现场设备收集装置。
3.如权利要求2所述的一种基于软PLC的数据管理方法，其特征在于，数据字典由模板自动生成，该模板内定义了遵循DS401、DS402国际标准的字典项，具有可编辑属性；能增加自定义的字典项，包括字典项的名称、类型、长度和访问权限。
4.如权利要求2所述的一种基于软PLC的数据管理方法，其特征在于，第一类、第二类总线为EtherCAT、Modbus、NCUC总线的任意两种，总线通讯功能均以插件的形式集成到软PLC环境。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种基于软PLC的数据管理方法，其特征在于，总线通讯模块、用户扩展功能模块被载入软PLC环境的具体过程为：
S1.启动软PLC工程时，一次遍历插件目录下所有的系统级插件、总线插件、用户自定义扩展插件，形成插件列表；
S2.从插件列表中依次选择要加载的插件类型；
S3.插件管理机制遍历已选择的每个插件，调用插件内的加载动作，为插件申请内存空间；
S4.插件中的功能块被载入到软PLC环境中，形成功能块列表，供用户调用。
6.一种基于软PLC的数据管理系统，其特征在于，包括：
插件管理模块，用于在软PLC内嵌入插件管理机制，加载多种总线类型的通讯模块和用户扩展功能模块；
所述插件管理机制包括以下部分：插件管理文件，定义加载插件、收集数据、调度执行、分发结果、卸载插件五个动作；接口文件，定义对插件内各个功能块接口，包括输入接口的名称、类型，输出接口的名称、类型，以及被调用时执行的函数或功能块名称；插件源码，定义功能块的具体实现过程；
数据采集模块，用于执行总线数据读操作，采集第一类现场总线设备的数据；
数据分配模块，用于根据采集的数据类型，分类存储至数据字典；
软PLC运算模块，用于从数据字典中提取待处理的数据，执行数据处理功能得到数据运算结果，依据数据运算结果的属性，将数据运算结果更新至数据字典或自定义的全局数据存储区，从数据字典或全局数据区提取待输出的数据，转发至第二类总线数据收集装置。
7.如权利要求书6所述的一种基于软PLC的数据管理系统，其特征在于，所述数据分配模块，用于对采集的现场总线设备数据分类整理，按照模拟量、数字量、复合量的信号类型分类存储至数据字典。
8.如权利要求书6所述的一种基于软PLC的数据管理系统，其特征在于，所述软PLC运算模块包括：
数据字典访问子模块，用于从数据字典中提取总线数据、以及将软PLC运算后的结果更新至数据字典；
PLC代码解析子模块，用于解析PLC代码，得到PLC中间文件；
PLC代码编译子模块，用于将PLC中间文件、库文件、插件内的源文件联合编译，生成可执行文件；
PLC任务调度子模块，用于触发执行软PLC工程的可执行文件，可设置任务的优先级，优先级系数越小，代表优先级越高。
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