基于Python的龍骨成型機通信方案設計

周任杰 劉 宇 張子立 朱志松

(南通大學機械工程學院 江蘇 南通 226019)

0 引 言

輕鋼別墅作為一種鋼結構住宅，具有“無支撐、鋼柱變斷面、結構布局靈活、抗震性能好、屋面輕型化”五大優(yōu)點，在國內外應用日益廣泛，形成了較為成熟的生產鏈及產業(yè)體系[1-2]。輕鋼別墅骨架的加工設備是龍骨成型機，由工控機、下位機及機構組成。工控機實現龍骨加工數據解析、設備參數設置、加工過程的檢測和反饋等功能，通過建立通信實現數據傳輸；下位機采用松下PLC執(zhí)行機構動作；機械設備由模具、機身、輸料裝置、液壓系統(tǒng)等組成。三部分相互配合加工龍骨。

為實現機器穩(wěn)定加工，工控機與下位機間的通信必須穩(wěn)定可靠。同時為保證工控機的便攜性和布局的便利，廠家提出基于Wi-Fi通信的要求。Wi-Fi通信的優(yōu)點為無線電波覆蓋范圍廣，傳輸速率高，提高工控機的便攜性，無需布線，避免復雜線的連接，實現一定距離上工控數據的交換[3]。在帶來便利的同時，網絡安全成為隱患，當傳輸距離加大時，外加電磁等的干擾，通信質量大幅下降[4]。

1 龍骨成型機通信方案設計

龍骨成型機通信系統(tǒng)構架如圖1所示[5]。工控機、Wi-Fi通信模塊、下位機分別構成龍骨成型機通信系統(tǒng)的客戶應用層、數據通信層、與硬件層。在數據通信層，基于Python語言，選擇Socket作為通信的端點，從Socket發(fā)送和接收數據，比其他通信協議更安全可靠[6]。Socket分為基于TCP的流式套接字和基于DUP的數據報式套接字，經過三次握手建立連接。本通信方案采用基于TCP的流式套接字，實現工控機與下位機間的本地通信[7]，工控機作為客戶端(Master)，PLC作為服務端(Slave)。龍骨成型機的加工速度為40 m/min，連續(xù)高速運行過程中不能出現卡頓現象。由于上下位機數據傳輸密集，為避免通信成為整機運行的速度瓶頸，基于生產者消費者模式，分別設計三種方案：采用單進程、多線程以及多線程與多進程相結合的通信方案。

圖1 龍骨成型機通信系統(tǒng)構架

1.1 Mewtocol通信協議

松下PLC與工控機間進行數據交換采用Mewtocol通信協議。Mewtocol協議要求通信報文為對應格式的指令，指令格式如圖2所示。每一幀指令包含：起始位、站號高低位、指令代碼、文本代碼、校驗碼、結束位。起始位為字符“%”；站號高低位在工控機與多個PLC通信時設置，代表PLC序號；指令代碼為讀寫不同狀態(tài)、不同內容寄存器的指令；高低兩位校驗碼，用來校驗數據傳輸過程中是否出現亂碼或者數據丟失；使用回車符作為結束位[8]。

工控機與松下PLC的傳輸數據包括龍骨加工數據的下發(fā)與工控狀態(tài)寄存器的讀取，其中下發(fā)數據包括模具號、孔距、加工序號等，PLC上傳數據包括模具工況、傳感器狀態(tài)、加工結束標記等。按照圖2所示指令格式，以分別向下位機松下PLC中DT1至DT3的連續(xù)3個寄存器中分別寫入數據0500、0715、0009為例，編寫指令為：“%01# WDD000100030500071500095DCR”，指令字符串經過Socket封裝發(fā)送至下位機，PLC接收指令后數據寫入相應寄存器，控制油缸動作并發(fā)送應答信息。若工控機收到的應答指令為“%0 ＄WD13CR”，則寫入正確；若收到的應答指令為“%01!WD13CR”，則寫入不正確，數據丟失或其他異常[8]。

圖2 指令格式

1.2 通信系統(tǒng)硬件構成

龍骨成型機通信系統(tǒng)硬件由5G Wi-Fi路由器、工控機、松下PLC組成，工控機與松下PLC接入路由器完成硬件系統(tǒng)連接。松下PLC提供AFPX-COM5模塊與RS232模塊。RS232串口通信距離較短，通信質量不穩(wěn)定，易受外部環(huán)境干擾，為保證通信質量與效率，提高通信距離，采用RS232轉以太網模塊接入基于Wi-Fi的以太網總線。松下PLC通過AFPX-COM5模塊在以太網中與工控機完成加工指令的接收與執(zhí)行；通過RS232轉以太網模塊將傳感器數據與現場工況傳回工控機。相應硬件組成示意圖如圖3所示[8]。

圖3 通信系統(tǒng)硬件組成示意圖

2 通信方案的比較與分析

2.1 單進程的通信方案

以龍骨成型機加工過程為例，工控機解析工藝數據，生成加工指令后發(fā)送到下位機，下位機指令執(zhí)行結束后將執(zhí)行狀況反饋給工控機，確保上一條指令執(zhí)行完畢后，工控機繼續(xù)生成下一條加工指令并傳輸[9]。加工過程中單條指令創(chuàng)建與執(zhí)行過程如圖4所示。

(a) 工控機發(fā)送指令 (b) 下位機發(fā)送指令 (c) 工控機接收指令圖4 加工指令過程

若多次發(fā)送與接收指令，Socket只需創(chuàng)建一次，創(chuàng)建Socket過程如下：

tcpCliSocket=socket(AF_INET,SOCK_STREAM)

tcpCliSocket.settimeout(10)

tcpCliSocket.connect(ADDR)

BUFSIZ=512

try:

tcpCliSocket.send(data_send)

data_recv=tcpCliSocket.recv(BUFSIZ)

except:

tcpCliSocket.close()

break

創(chuàng)建名為tcpCliSocket的Socket套接字，AF_INET指定使用IPv4，SOCK_STREAM為流式套接字。使用Connect方法建立Socket，連接到本地地址，使用settimeout設置連接超時時間。Socket通過Send()方法發(fā)送數據data_send;通過Recv()方法從緩沖區(qū)接收數據data_recv；使用close()函數斷開Socket連接。其中，ADDR為地址，HOST為服務器的主機名，PORT是端口號，BUFSIZ為設置的緩沖區(qū)大小。

本方案為同步通信方式，主界面與通信主界面與通信進程在一個進程中，采用try/except語句處理程序正常執(zhí)行過程中出現的一些異常情況，減少Socket阻塞狀態(tài)的出現。龍骨成型機為順序加工，加工進程需要等待通信數據，加工中會出現卡頓現象，效率較低。

2.2 使用多線程的通信方案

由前述通信方式可知，工控機同時完成對加工指令的下發(fā)與下位機各參數的實時反饋，應采用異步方式提高效率。利用不同線程間的自動切換，在后臺交替運行處理數據，多線程的使用無疑能夠充分有效地提高程序執(zhí)行[10]，使龍骨成型機的通信、跟蹤、檢測等功能同時進行。本通信方案流程圖如圖5所示[11]。

圖5 使用多線程的通信方案

多線程通信方案設計思路：創(chuàng)建線程池，設置線程池允許運行的線程函數個數，建立Socket連接。將讀寫的功能函數分別包裝為線程函數，使用實例化隊列Queue作為線程函數的參數，將界面進程的數據通過隊列Queue的put()函數傳入線程函數，在線程函數中通過隊列Queue的get()函數取出數據，完成數據的傳入。

采用信號與槽，傳出線程函數中數據，將數據從通信線程中傳到工控機界面進程。首先聲明信號變量，設置其參數類型為str字符串類型，創(chuàng)建信號與槽函數的連接。傳出數據時，emit信號，觸發(fā)信號與槽機制，執(zhí)行槽函數，data作為參數輸出到界面進程中，工控機主界面根據data數據判斷工況并實現加工過程跟蹤。其中，self.slot為槽函數名稱，data為線程中需傳出的數據。實現方法如下：

signal=pyqtSignal(str)

signal.connect(self.slot)

signal.emit(data)

本方案中龍骨成型機在加工時無需等待通信數據，龍骨加工與工控狀態(tài)監(jiān)測并行處理，通信數據讀寫與界面更新同時進行，提高加工速度，缺點是線程函數較多時，影響CPU的處理效率，實際生產中數據傳輸頻率較高時，偶爾有卡頓現象，而且由于Python存在GIL,需要防止線程死鎖情況的發(fā)生[11]。

2.3 多線程與多進程相結合的通信方案

考慮到前述多線程方案的不足，單獨設置不影響主界面進程的通信進程能大大提高系統(tǒng)的擴展性和穩(wěn)定性[12-13]。本方案采用多線程與多進程相結合，借助Python的future模塊，繞開GIL，利用主進程之外的CPU核心。基于生產者消費者模型，多進程負責生產數據，由于進程間無法通過信號槽機制通信，借助線程安全的隊列Queue共享數據，引入多線程負責查詢和讀取Queue，并通過信號槽機制傳遞給主界面，實現生產者與消費者的解耦合，提高程序的整體處理數據的速度與效率[14-15]，數據傳輸路線圖如圖6所示。

圖6 數據傳輸路線圖

將讀寫的功能包裝為進程函數，隊列Queue作為參數，讀寫指令通過Queue的入隊出隊，完成與PLC間數據的交換。使用如下方法創(chuàng)建進程，其中w=work(),實例化通信進程類，w.communication調用實例化類中通信函數，并完成龍骨加工狀態(tài)信息的指令編碼解碼，q_Processwrite,q_Processread為實例化隊列Queue，分別作為參數傳入進程。q_Processwrite作為寫入隊列，存放龍骨成型機加工指令；q_Processread作為為獲取隊列，存放獲取加工狀態(tài)指令。

p=Process(target=w.communication,args=(q_Processwrite,q_Processread))

p.start()

進程間使用多線程中轉程序完成數據的傳輸與交換。多線程中轉程序創(chuàng)建線程池，借助信號和槽機制，在加工中每有一個數據出隊時，線程發(fā)送包含數據的信號給槽函數，將加工狀態(tài)和信息反饋到主界面進程，完成龍骨成型機UI界面對加工過程的實時跟蹤[16]。主界面將需加工數據入隊，通過線程函數生成加工指令，將加工指令存入進程函數參數，完成數據的傳入。線程池創(chuàng)建方法如下：

pool=ThreadPoolExecutor(2)

t_write=pool.submit(fun_write,q_write)

t_read=pool.submit(fun_read,q_read)

其中，t_write為獲取數據的線程函數，t_read為發(fā)送數據的線程函數，fun_read、fun_write分別為讀寫函數。fun_write根據q_write傳入的龍骨加工數據(孔距、加工序列等)放入q_Processwrite。fun_read利用信號與槽機制將q_read中的工況數據emit到主界面進程中，實現加工監(jiān)測。

本方案中主界面進程與通信進程相互獨立，充分利用CPU多核優(yōu)勢，避免通信延遲。結合多線程中轉，龍骨加工進程無需等待數據。數據獲取快速高效，主界面不卡頓。

根據上述三種方案在實際生產中的效果分析，龍骨加工時，使用多線程與多進程相結合的通信方式，加工過程無卡頓，工況最穩(wěn)定，符合預期要求。在通信環(huán)境較為惡劣的情況下，前兩種方案卡頓明顯，方案三無明顯卡頓，能夠滿足生產需要。因此最終采用多線程與多進程相結合的通信方案。

3 結 語

本文介紹了龍骨成型機的系統(tǒng)結構與加工過程，基于Wi-Fi通信，提出了三種通信方案，并使用Python語言實現。經過實驗測試與分析，最終采用了基于Mewtocol協議的多線程與多進程相結合的通信方案。實驗結果標明，該通信方案結合多線程與多進程優(yōu)點，規(guī)避缺點，能夠按照“生產者與消費者模式”實現既定的通信與加工同時進行，穩(wěn)定可靠，數據傳輸迅速，實際生產出的龍骨完全可裝配為輕鋼別墅，生產過程簡單可靠便捷。