嵌入式軟PLC控制系統(tǒng)中RPC 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

陳雄姿，龍 辛，黃 波，朱方鎮(zhèn)，戴建利

（1.湘潭大學(xué) 智能計(jì)算與信息處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411105；2.湘電風(fēng)能有限公司，湖南湘潭 411101；3.長沙優(yōu)利泰克信息技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

軟PLC基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有極強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力和通用性能，它可以支持多種遠(yuǎn)程終端，這就需要一種通用的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)分布式不同遠(yuǎn)程終端間的網(wǎng)絡(luò)通信。RPC（remote procedure call，遠(yuǎn)程過程調(diào)用）是一種不需要了解底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，只需通過網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)程序上請求服務(wù)的建立在TCP或者UDP之上的應(yīng)用層協(xié)議，用戶只需按照協(xié)議規(guī)定對數(shù)據(jù)包進(jìn)行打包、解包即可實(shí)現(xiàn)通信。本文針對軟PLC與不同平臺進(jìn)行通信的需求，采用SUN公司的ONC／RPC協(xié)議來實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)中RPC庫的開發(fā)，通過RPC庫提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問接口，集成身份驗(yàn)證，搭配遠(yuǎn)程管理終端實(shí)現(xiàn)跨平臺通信。

1 軟PLC控制系統(tǒng)概述

采用3S公司的CoDeSys軟件為開發(fā)環(huán)境，以結(jié)合了PowerPC處理器的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為運(yùn)行環(huán)境，構(gòu)成嵌入式軟PLC系統(tǒng)中RPC的應(yīng)用平臺?，F(xiàn)有的遠(yuǎn)程管理終端是HMI監(jiān)控系統(tǒng)和上位機(jī)軟件，使用ONC／RPC協(xié)議與VxWorks操作系統(tǒng)進(jìn)行通訊。整個(gè)嵌入式軟PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 RPC的實(shí)現(xiàn)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的ONC／RPC服務(wù)

RPC是一種典型的C／S模式，服務(wù)端分布在PLC各模塊上，客戶端分布在遠(yuǎn)程管理終端?？蛻舳苏埱蠓?wù)，服務(wù)端響應(yīng)請求。首先，由客戶端進(jìn)程對包含本地過程調(diào)用的相關(guān)信息進(jìn)行打包，通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用程序發(fā)送給服務(wù)端，請求一次過程調(diào)用服務(wù)，然后客戶端進(jìn)程阻塞，進(jìn)入響應(yīng)等待過程。而服務(wù)端進(jìn)程處于阻塞狀態(tài)，直到接收到一個(gè)遠(yuǎn)程過程調(diào)用請求。服務(wù)端對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，獲得服務(wù)請求參數(shù)的同時(shí)進(jìn)行相關(guān)處理，將得到的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行打包返回給客戶端，然后服務(wù)端程序進(jìn)入一個(gè)休眠狀態(tài)，等待下個(gè)服務(wù)請求的到來。客戶端進(jìn)程根據(jù)得到返回結(jié)果繼續(xù)執(zhí)行程序。圖2對一次遠(yuǎn)程過程調(diào)用進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

圖1 嵌入式軟PLC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.2 PLC控制器中RPC服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC控制器中的RPC服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3，分為底層PLC服務(wù)模塊和上位機(jī)客戶模塊。底層PLC服務(wù)模塊根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) ONC／RPC編寫，已實(shí)現(xiàn)Login、MIO、HMI子RPC模塊，根據(jù)以后的需求，可繼續(xù)添加其他功能的RPC模塊。RPC模塊通過VxWorks集成的ONC／RPC組件，可提供相應(yīng)的RPC調(diào)用功能，同時(shí)VxWorks還具有高效任務(wù)管理、快速中斷響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，保證了RPC調(diào)用過程中的實(shí)時(shí)性。上位機(jī)與PLC間通過TCP／IP或者UDP協(xié)議進(jìn)行通信。

圖2 ONC／RPC標(biāo)準(zhǔn)流程

圖3 RPC服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 安全登錄模塊

登錄模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足RPC的服務(wù)器端和客戶端安全共享資源的需求，為RPC的應(yīng)用提供安全保障。它包含初始化讀取用戶名密碼配置信息和身份驗(yàn)證主調(diào)函數(shù)等，為了降低登錄模塊數(shù)據(jù)存儲和驗(yàn)證的時(shí)間消耗，保證整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用了uthash這種最高效、最簡單的哈希實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，其處理流程如圖4所示。

用戶身份信息HASH表結(jié)構(gòu)定義如下：

會話信息HASH表結(jié)構(gòu)定義如下：

安全登錄模塊服務(wù)器端主程序如下：

安全登錄模塊客戶端主程序如下：

圖4 登錄模塊初始化以及調(diào)用流程

2.4 MIO模塊

MIO模塊是供遠(yuǎn)程RPC調(diào)用的封裝層，它基于底層MIO＿LIB庫而設(shè)計(jì)，MIO＿LIB庫主要為PLC控制系統(tǒng)提供統(tǒng)一的硬件模塊操作接口，包括數(shù)據(jù)的傳輸、狀態(tài)檢測、配置信息的讀取更換等，用于支持上位機(jī)對硬件模塊的控制、管理、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)IO通道值讀寫、重啟PLC模塊、讀取和設(shè)置PLC時(shí)間、獲取通道狀態(tài)等功能。該模塊集成登錄模塊身份驗(yàn)證功能，實(shí)現(xiàn)了簡單的身份有效性校驗(yàn)。最上層是標(biāo)準(zhǔn)ONC／RPC調(diào)用接口，在身份驗(yàn)證獲許通過后，根據(jù)RPC客戶端傳入的參數(shù)去尋找并執(zhí)行mio函數(shù)，并將執(zhí)行結(jié)果通過RPC返回給客戶端。其調(diào)用實(shí)現(xiàn)流程見圖5。

圖5 MIO RPC庫調(diào)用實(shí)現(xiàn)流程

其中，mio封裝函數(shù)有：mio＿getvalue封裝函數(shù)、mio＿reboot封裝函數(shù)、mio＿reboot封裝函數(shù)、mio＿geterror封裝函數(shù)等。

MIO模塊服務(wù)器端程序完成的工作主要是在調(diào)用mio封裝庫之前先做一次有效性判斷，即是否登錄，再根據(jù)傳入的參數(shù)來調(diào)用不同的mio封裝函數(shù)。

MIO模塊客戶端程序完成的工作主要是在安全登錄之后構(gòu)建MIO庫請求包，并填充登錄句柄、底層MIO函數(shù)名、參數(shù)數(shù)據(jù)格式、卡號、通道號等。請求包如下：

然后將 mio＿input作為參數(shù)傳入 mio＿client.rpc＿mio＿funcall＿1（mio＿input）中，獲取 mio數(shù)據(jù)，并保存。

2.5 HMI模塊

HMI模塊是為HMI觸摸屏程序開發(fā)的底層數(shù)據(jù)采集模塊，且HMI觸摸屏是安裝在風(fēng)機(jī)里面，在安全系數(shù)上已經(jīng)得到足夠的保證，可以不集成身份驗(yàn)證功能。RPC取值調(diào)用入口函數(shù)和RPC寫值調(diào)用入口函數(shù)是RPC自動生成的接口函數(shù)，組成了RPC服務(wù)調(diào)用的最上層進(jìn)口。根據(jù)RPC客戶端傳入的參數(shù)去調(diào)用本地HMI讀寫函數(shù)，獲取底層IEC變量或者寫入IEC變量，并將執(zhí)行結(jié)果通過RPC返回給客戶端。該模塊程序調(diào)用流程如圖6所示。

圖6 HMI RPC模塊調(diào)用流程

HMI服務(wù)端主程序主要完成的工作是根據(jù)傳入的IEC變量名去調(diào)用該變量的讀取函數(shù)，如果調(diào)用成功則返回變量值。

HMI客戶端主程序如下：

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用Eclipse框架開發(fā)的上位機(jī)軟件通過調(diào)用RPC庫來獲取PLC控制系統(tǒng)上AIO模塊數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)過程如下：首先進(jìn)入上位機(jī)軟件的登錄界面，輸入客戶端的用戶名和密碼，如圖7所示；通過身份驗(yàn)證之后，進(jìn)入模塊選擇界面，選擇AIO模塊，如圖8所示；AIO的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地上傳到上位機(jī)并顯示，如圖9所示。嵌入式軟PLC控制系統(tǒng)實(shí)物見圖10。

圖7 登錄界面

圖8 模塊選擇界面

圖9 數(shù)據(jù)顯示界面

圖10 PLC控制系統(tǒng)實(shí)物照片

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的RPC服務(wù)系統(tǒng)能很好地滿足嵌入式軟PLC控制系統(tǒng)中跨平臺通信的需求，憑借其在通信方面的實(shí)時(shí)可靠，目前已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中發(fā)揮了很好的作用，并且具有良好的開放性與可擴(kuò)展性，可根據(jù)實(shí)際需求添加其他功能的RPC模塊，為嵌入式軟PLC工程實(shí)踐中的遠(yuǎn)程多平臺通信奠定了基礎(chǔ)。

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