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【摘要】 本系统设计了一种基于Linux系统的PLC至数据库直传模块，可实现同品牌多基站或不同品牌多基站之间的数据直传。本系统通过工业应用终端站向数据库的数据直传方式进行工业现场数据采集和传输，可降低PLC数据传输冗余，提高工业现场信号采样数据的实时性和可靠性，以低成本方案解决不同品牌、不同基站之间的数据实时采集问题。
【关键词】 Linux系统 PLC 数据库 低成本数据直传
引言
PLC作为一种通用可编程控制器在工业自动化现场已广泛应用于数据采集和监控系统。高效地获取生产结果数据和过程数据对目前工业4.0的推行尤为关键。
现有的工业现场应用数据采集方式中转端程序开发和维护费用高，采用主站轮询方式导致服务器的工作负荷较大，同时采集实时性较差。本设计产品采用热插拔模式，大大简化工业应用现场数据采集难度，提升数据采集的实时性和可靠性，大大降低數据采集成本和后续维护成本。
一、系统总体方案设计
1.1 系统总体方案设计
如图1所示为低成本的PLC至数据库直传模块系统框图。该系统主要包括PLC，Linux系统和PC主机三大组件。PLC将本地数据通过以太网口上传至Linux系统中间应用层，Linux系统对数据进行分析处理后基于TCP/IP协议以报文形式上传至PC主机。同时，PC主机可以向Linux系统发送数据采集命令，Linux系统接收到相应的通讯指令后对PLC下达数据采集操作指令，PLC负责执行数据上传操作。
Linux系统处理器处理器通过网口A和PLC通信，网口A为10/100M自适应全双工网口。通信规则基于每一个品牌的PLC开发协议进行设计。网口B和目标数据库通信。Linux系统板存储器中保存了用于不同厂家PLC通信协议的描述文件和配置。
1.2 系统硬件设计
1.2.1 电源设计
Linux系统控制板供电电源为5V，因此在本设计中我们考虑使用5V/3A规格电压进行供电。为防止电源电压短路和系统安全，5V电源外接保险丝F1，然后再使用100uF和0.1uF电容进行滤波，滤波后作为系统供电电源使用。
1.2.2 以太网接口设计
本模块选用的以太网芯片为DM9621。该芯片具备高效的TX/RX FIFO的自动管理，支持4个端点包括控制、中断、Bulk_IN、Bulk_OUT。背压模式为半双工模式的流量控制，低功耗单电源3.3V。同时兼容兼容2.5V，3.3V和5.0V的I/O电平。
1.2.3 烧录调试接口设计
通过OTG烧写方式可以烧写Linux系统文件。OTG接口烧写方式也叫Fastboot烧写方式，烧写速度比TF卡烧写速度更快。使用通用的OTG线作为烧录介质使用，需要烧录软件的支持。首先使用串口线连接开发板串口到PC机串口，然后使用OTG线，将开发板OTG接口和PC的USB接口相连。
1.3 系统软件设计
软件设计主要包括三部分：Linux系统软件、模块运行底层软件设计和Windows上位机系统配置软件设计。
1.3.1 Linux系统软件设计
Linux 2.2 提供核心系统服务，例如：安全、内存管理、进程管理、网络堆栈、驱动模型。Linux Kernel 也作为硬件和软件之间的抽象层，它隐藏具体硬件细节而为上层提供统一的服务。Linux系统分层的好处就是使用下层提供的服务而为上层提供统一的服务，屏蔽本层及以下层的差异，当本层及以下层发生了变化不会影响到上层。各层提供固定的SAP（Service Access Point），符合高内聚、低耦合的特点。
1.3.2 底层运行软件设计
底层软件由C编写，它是整个软件的核心，软件分为3个模块。
A：PLC通信模块
B： 数据库通信模块
C：主循环配置模块
其中：模块A调用配置文件中的PLC通信配置文件，实现不同品牌不同协议的PLC通信，实现数据采集。采集需要指定读取的目标PLC内存地址，采集分为周期性采集和条件触发式采集。这些都是在配置文件中读取出来的。
模块B调用配置文件中数据库的配置参数，实现模块与数据库的通信， 模块A采集的数据与模块B之间建立了一个数据缓冲区，以解决当触发模式下高速采集PLC数据与模块至数据库上传的速度不同步的问题。
配置C为实现整个程序运行的逻辑和时序的模块。以及与配置工具的交互。
1.3.3 系统通讯协议设计
计算机技术的飞速发展为PLC提供了新的技术手段，通过通讯手段使得计算机可以实时监测PLC的运行。但是各PLC通讯介质和通讯协议各不相同，主流的PLC通讯协议包括MPI、CAN总线、PROFIBUS、CP441、MODBUS等。本设计不需要针对专门的PLC编写特殊的通讯协议，而是通过在上位机配置端口调用各品牌的PLC通讯协议完成数据通讯。以欧姆龙为例，通过上位机调用PLC通讯协议配置文件。
使用以上格式的识别码，可以进行PLC与上位机命令链接，构成数据存储区读写数据帧。
读IR/SR时，命令码为RR，读指定的若干IR和SR字的内容，以指定字的地址为起始。
1.3.4 Windows上位机系统配置设计
Windows桌面配置软件由C#编写。用于配置模块的工作参数，也可以通过监控模块的工作状态。软件组成框图如图2所示。
其中通信配置模块包含PLC通信配置和数据库通信配置PLC通信配置中可以配置与PLC的通信参数比如PLC的IP地址，PLC的通信站号，使用的通信协议等。
数据库通信配置中可以配置目标数据库的网络地址、用户名、密码。数据库的目标Sheet，绑定字段等操作。
采集配置模块包含采集目标内存地址设置，采集模式设置。两个部分。目标地址可以设置PLC的输入、输出映象区，数据寄存器区。可以设置Bit、Byte、Int、Dint、Flout、ASCII等多个类型的数据。对于不同的采集地址可设置2种采集模式，周期性采集和触发式采集。其中触发式采集模式可以通过读取不同内存地址的值，并通过一定的逻辑组合和条件判断产生读取目标地址的条件，当条件满足后读取数据至缓冲区。
二、结语
本设计针对现有的工业应用现场PLC数据采集方案缺陷，设计了一种基于Linux的PLC至数据库直传模块。采用主动式的上传方法，数据的处理和中转任务都放在每一个模块内部的处理器上，提高系统整体运行效率。设置较高的现场设备采样频率，同时模块至数据库之间增加缓存区域。有效避免关键过程数据采集失真，运行Liunx系统并安装多个数据的ODBC驱动，对几乎所有的数据库具有兼容性。低成本的数据采集传输方式在现有的工业数据采集方案传输中占据非常大的优势，具备可研究价值。
参 考 文 献
[1]任一.基于Linux系统分析计算机C语言编程技巧[J].电子技术与软件工程，2018（16）：126.
[2]王前进，马小平，张守田。PLC软冗余在通风机监控系统中的应用[J].工矿自动化，2014，40（01）：93-96.
[3]周石强，郭强，朱涛，等。电气控制与PLC应用技术的分析研究[J].中华民居（下旬刊），2014（01）：199+201.
[4]郭玮，田录林，张永良，等。基于嵌入式PLC软核的通用保护平台设计与实现[J].电力系统保护与控制，2014，42（16）：122-126.
[5]工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M]. 2010.
【关键词】 Linux系统 PLC 数据库 低成本数据直传
引言
PLC作为一种通用可编程控制器在工业自动化现场已广泛应用于数据采集和监控系统。高效地获取生产结果数据和过程数据对目前工业4.0的推行尤为关键。
现有的工业现场应用数据采集方式中转端程序开发和维护费用高，采用主站轮询方式导致服务器的工作负荷较大，同时采集实时性较差。本设计产品采用热插拔模式，大大简化工业应用现场数据采集难度，提升数据采集的实时性和可靠性，大大降低數据采集成本和后续维护成本。
一、系统总体方案设计
1.1 系统总体方案设计
如图1所示为低成本的PLC至数据库直传模块系统框图。该系统主要包括PLC，Linux系统和PC主机三大组件。PLC将本地数据通过以太网口上传至Linux系统中间应用层，Linux系统对数据进行分析处理后基于TCP/IP协议以报文形式上传至PC主机。同时，PC主机可以向Linux系统发送数据采集命令，Linux系统接收到相应的通讯指令后对PLC下达数据采集操作指令，PLC负责执行数据上传操作。
Linux系统处理器处理器通过网口A和PLC通信，网口A为10/100M自适应全双工网口。通信规则基于每一个品牌的PLC开发协议进行设计。网口B和目标数据库通信。Linux系统板存储器中保存了用于不同厂家PLC通信协议的描述文件和配置。
1.2 系统硬件设计
1.2.1 电源设计
Linux系统控制板供电电源为5V，因此在本设计中我们考虑使用5V/3A规格电压进行供电。为防止电源电压短路和系统安全，5V电源外接保险丝F1，然后再使用100uF和0.1uF电容进行滤波，滤波后作为系统供电电源使用。
1.2.2 以太网接口设计
本模块选用的以太网芯片为DM9621。该芯片具备高效的TX/RX FIFO的自动管理，支持4个端点包括控制、中断、Bulk_IN、Bulk_OUT。背压模式为半双工模式的流量控制，低功耗单电源3.3V。同时兼容兼容2.5V，3.3V和5.0V的I/O电平。
1.2.3 烧录调试接口设计
通过OTG烧写方式可以烧写Linux系统文件。OTG接口烧写方式也叫Fastboot烧写方式，烧写速度比TF卡烧写速度更快。使用通用的OTG线作为烧录介质使用，需要烧录软件的支持。首先使用串口线连接开发板串口到PC机串口，然后使用OTG线，将开发板OTG接口和PC的USB接口相连。
1.3 系统软件设计
软件设计主要包括三部分：Linux系统软件、模块运行底层软件设计和Windows上位机系统配置软件设计。
1.3.1 Linux系统软件设计
Linux 2.2 提供核心系统服务，例如：安全、内存管理、进程管理、网络堆栈、驱动模型。Linux Kernel 也作为硬件和软件之间的抽象层，它隐藏具体硬件细节而为上层提供统一的服务。Linux系统分层的好处就是使用下层提供的服务而为上层提供统一的服务，屏蔽本层及以下层的差异，当本层及以下层发生了变化不会影响到上层。各层提供固定的SAP（Service Access Point），符合高内聚、低耦合的特点。
1.3.2 底层运行软件设计
底层软件由C编写，它是整个软件的核心，软件分为3个模块。
A：PLC通信模块
B： 数据库通信模块
C：主循环配置模块
其中：模块A调用配置文件中的PLC通信配置文件，实现不同品牌不同协议的PLC通信，实现数据采集。采集需要指定读取的目标PLC内存地址，采集分为周期性采集和条件触发式采集。这些都是在配置文件中读取出来的。
模块B调用配置文件中数据库的配置参数，实现模块与数据库的通信， 模块A采集的数据与模块B之间建立了一个数据缓冲区，以解决当触发模式下高速采集PLC数据与模块至数据库上传的速度不同步的问题。
配置C为实现整个程序运行的逻辑和时序的模块。以及与配置工具的交互。
1.3.3 系统通讯协议设计
计算机技术的飞速发展为PLC提供了新的技术手段，通过通讯手段使得计算机可以实时监测PLC的运行。但是各PLC通讯介质和通讯协议各不相同，主流的PLC通讯协议包括MPI、CAN总线、PROFIBUS、CP441、MODBUS等。本设计不需要针对专门的PLC编写特殊的通讯协议，而是通过在上位机配置端口调用各品牌的PLC通讯协议完成数据通讯。以欧姆龙为例，通过上位机调用PLC通讯协议配置文件。
使用以上格式的识别码，可以进行PLC与上位机命令链接，构成数据存储区读写数据帧。
读IR/SR时，命令码为RR，读指定的若干IR和SR字的内容，以指定字的地址为起始。
1.3.4 Windows上位机系统配置设计
Windows桌面配置软件由C#编写。用于配置模块的工作参数，也可以通过监控模块的工作状态。软件组成框图如图2所示。
其中通信配置模块包含PLC通信配置和数据库通信配置PLC通信配置中可以配置与PLC的通信参数比如PLC的IP地址，PLC的通信站号，使用的通信协议等。
数据库通信配置中可以配置目标数据库的网络地址、用户名、密码。数据库的目标Sheet，绑定字段等操作。
采集配置模块包含采集目标内存地址设置，采集模式设置。两个部分。目标地址可以设置PLC的输入、输出映象区，数据寄存器区。可以设置Bit、Byte、Int、Dint、Flout、ASCII等多个类型的数据。对于不同的采集地址可设置2种采集模式，周期性采集和触发式采集。其中触发式采集模式可以通过读取不同内存地址的值，并通过一定的逻辑组合和条件判断产生读取目标地址的条件，当条件满足后读取数据至缓冲区。
二、结语
本设计针对现有的工业应用现场PLC数据采集方案缺陷，设计了一种基于Linux的PLC至数据库直传模块。采用主动式的上传方法，数据的处理和中转任务都放在每一个模块内部的处理器上，提高系统整体运行效率。设置较高的现场设备采样频率，同时模块至数据库之间增加缓存区域。有效避免关键过程数据采集失真，运行Liunx系统并安装多个数据的ODBC驱动，对几乎所有的数据库具有兼容性。低成本的数据采集传输方式在现有的工业数据采集方案传输中占据非常大的优势，具备可研究价值。
参 考 文 献
[1]任一.基于Linux系统分析计算机C语言编程技巧[J].电子技术与软件工程，2018（16）：126.
[2]王前进，马小平，张守田。PLC软冗余在通风机监控系统中的应用[J].工矿自动化，2014，40（01）：93-96.
[3]周石强，郭强，朱涛，等。电气控制与PLC应用技术的分析研究[J].中华民居（下旬刊），2014（01）：199+201.
[4]郭玮，田录林，张永良，等。基于嵌入式PLC软核的通用保护平台设计与实现[J].电力系统保护与控制，2014，42（16）：122-126.
[5]工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M]. 2010.