（机械电子工程专业论文）hpb50050型超高压生物处理设备控制系统的研发.pdf

摘要 摘要 超高压处理技术是一种较新的加工技术。经迅速的发展，已经逐步应用到食 品加工、医药制造等各个领域。而我国对超高压技术研究的深度和广度与世界先 进水平相比还有较大差距，超高压设备也仍然处在研究试验阶段。因此，针对超 高压处理技术及其应用的控制方法的研究是十分必要的。 h p b 一5 0 0 5 0 型超高压生物处理设备是一种面向生产的大容量超高压生物处 理设备上位机p c 利用v c + + 开发人机交互控制程序，下位机以西门子$ 7 - 2 0 0 系列 c p u2 2 6 型作为直接控制器。本文通过分析整个系统的结构，确定了以前馈一反 馈单闭环为主的控制策略。改进的通讯方案增强了上位机和下位机之间数据交换 的实时性。上位机利用面向对象的思想，下位机以结构化的思想分别设计实现了 各自的控制部分。最后，还对该控制系统的可改进部分做了展望 系统现在可稳定连续运转，基本实现了预期控制要求 关键词：超高压，控制策略，实时，上位机，下位机 a b s t r a c t h y p e rp r e s s u r ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi n v o l v e san o v e la n da d v a n c e dt e c h n o l o g y , w h i c hi sr a p i d l yd e v e l o p i n g t h ea p p l i c a t i o n sa l ew i d e l ye x p a n d i n gi n t om a n yf i e l d s ， s u c h 髂f o o dp r o c e s s i n g , m e d i c a lm a n u f a c t u r e e t c c o m p a r i n gw i t ho t h e ra d v a n c e d c o u n t r i e si nd e p t ha n dw i d t h , t h es t u d yo fh y p e rp r e s s u r et e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y h a sag a p ；a n dh y p e rp r e s s u r ep r o c e s s o rs t i l ll i e si nt h ee x p e r i m e n t a ls t a g e t h e r e f o r e , i ti sn f a ? a 恣s a f yt 0m a k er e s e a r c h e so nh y p e rp r e s s u r e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n d c o n t r o lm e t h o do fi t sa p p l i c a t i o n s h p b - 5 0 0 5 0h y p e rp r e s s u r eb i o l o g i cp r o c e s s o ri st h ee q u i p m e n tt h a ti sc a p a c i o u s a n dp r o d u c t i o no r i e n t e d h o s t c o m p u t e ru t i l i z e sp e r s o n a lc o m p u t e rw h i c ht h e m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o nc o n t r o lp r o g r a mw i t hv ( + - + i sd e v e l o p e db a s e do n , w h i l e s l a v ec o m p u t e ru s e ss i e m e n s $ 7 - 2 0 0s e r i e s2 2 6c p ua sc o n t r o l l e r t h i sp a p e ra d o p l s t h es t r a t e g yt h a tr e l i e sm a i n l yo nf e e d f o r w a l d - f e e d b a c kc l o s e dl o o pt h r o u g ha n a l y z i n g t h es t r u c t u r eo ft h ew h o l e s y s t e m t h ei m p r o v e dc o m m u n i c a t i v es c h e m ee n h a n c e st h e a b i l i t yo fr e a lt i m eo fd a t ae x c h a n g eb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n d s l a v ec o m p u t e r , h o s t c o m p u t e ru s c so b j e c to r i e n t e dm e t h o dw h i l es l a v ec o m p u t e ru s e ss t r u c t u r e dm e t h o dt o i m p l e m e n tc o n t r o lp r o g r a m sr e s p e c t i v e l y f h m l l y , t h ei m p r o v a b l ep a r to ft h ec o n t r o l s y s t e mi sp r o s p e c t e d t h es y s t e mc a nr u nc o n t i n u o u s l ya n da c h i e v ea n t i c i p a t i v ed e m a n d k e y w o r d s ：h y p e rp r e s s u r e ，c o n t r o ls t r a t e g y , r e a lt i m e , h o s tc o m p u t e r , s l a v ec o m p u t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天 盗理工大堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位硷文作者签名：斜强 签字目期：2 扩 年月，p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天鲎理工大学有关保留、使用学位 论文的规定。特授权天童理工大鲎可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：手袭嬲 导师签名： 荡5 争 签字目期：乃j 7 年月肛日签字日期：五句痧午f 月f 扩日 第一章超高压生物技术概述 第一章超高压生物技术概述 1 1 超高压生物技术的历史和现状1 1 1 1 2 超高压( u h p ) 处理又称高静水压( 肿) ，处理对象为流体和固体食品或 其它生物活性材料；带包装或不带包装；施压在1 0 0 和8 0 0 m p a 之间；处理温度 从低于0 到高于1 0 0 ，超高压处理食品和生物活性材料时一般在室温或接近 室温下进行；批量生产时一般处理时间控制在2 0 分钟之内。超高压可以与加热、 超声波等方法配合使用，以提高微生物和酶的灭活率。 1 8 9 9 年美国化学家b e r th i t e 首次发现4 5 0 m p a 超高压能延长牛乳保质期， 1 9 1 4 年b r i d g m a n 发现蛋白质在7 0 0 m p a 下能凝固。但限于当时工艺技术和相关 设备条件，超高压生物处理技术没有得到实际应用。 1 9 8 9 年日本京都大学林力丸先生在科隆召开的第五次国际食品工学学术会 议上发表“高压在食品加工储存中的应用、设想及发展趋势”论文，引起各国学 者的强烈反响，从而揭开了超高压生物处理技术产业化的序幕。 起初，最大量应用的是食品的超高压低温灭菌。日本2 3 家研究机构、食品企 业和机械制造厂开足马力加速研究超高压低温灭菌技术和设备。1 9 9 0 年4 月日本 名古屋食品厂生产了3 种果酱( 草莓、苹果、多维果) 投入市场引起业界轰动， 1 9 9 4 年发展到1 8 个产品随着美、欧、韩国等相继推出超高压橙汁、牛排、熏肉、 火腿、鱼糕等。1 9 9 9 年超高压食品销售3 5 亿美元，2 0 0 0 年达1 0 亿美元。美、日、 荚正在用该技术研制军用食品。 超高压灭病毒的研究始于9 0 年代。1 9 9 2 年s n v a 用超高压对泡状口炎病( v s v ) 进行研究；n a k a g a m i 对单纯疱疹病毒( h s v 一1 ) 和人巨细胞病毒( h c m v ) 、1 9 9 5 年j u k i l w i c z 对猿免疫缺陷病毒、1 9 9 7 年p o n t e s 对猿轮状病毒、1 9 9 6 g 对人免疫缺 陷病毒( h i v - 1 ) 进行超高压灭活研究，均取得积极成果1 9 9 6 年n a k a g a m i 和 s h i g e h i s a 还直接处理血浆中的病毒，而且较好地保持了血浆中的各种活性成分 我国对超高压生物处理技术，特别是对食品的超高压低温灭菌技术报道较 早，1 9 9 1 年在国内期刊上开始介绍了国外超高压低温灭菌技术的应用情况，此后 有关该项技术的报道和综述在国内几十种期刊和学报上陆续发表。同时以大专院 校食品工程系为主的学者们开始对该项技术进行跟踪研究，并取得了可喜的成 果。如兵器部5 0 2 所、华南理工大学、黑龙江商学院、中国农业大学、东北农业 大学、合肥工业大学、内蒙古农牧学院等分别对超高压灭菌及反应动力学、超高 压对酶的影响以及超高压加工牛乳、豆浆、橙汁、西瓜汁、果酱、鱼、肉等技术 进行了研究。并于2 0 0 0 年在包头召开国内第一届超高压技术研讨会。1 9 9 5 年国家 自然科学基金资助了超高压项目的研究。 国外超高压技术在医学方面的应用是近几年开始的，2 0 0 0 年以后我国专业期 刊开始发表在病毒灭活，制取疫苗和血浆处理方面进展情况的综合报告至今我 国生物医药领域科研所除个别学者对该技术进行研究外，仍没有进行该项技术的 第一章超高压生物技术概述 应用开发。 1 2 等静压工作原理 超高压生物处理的对象必须是富含水份的，并借助流体介质如水、油等进行 压力传递。据帕斯卡定律，静止的理想的液体，它的压力传递具有以下三个基本 性质： 。 1 ) 液压力总是垂直于任何受作用的表面。 动液体中各点的压力在所有的方向上都相等。 3 1 在密闭的容器中，加在静液体的一部分上的压力，以相等的强度传给流 体的所有其它部分。 将被处理物料放入封闭的容器中施加液体压力，则它在各个方向都承受相同 的工作压力，所以称为等静压。 根据帕斯卡定律，流体作用在平面上的力f 等于液体压强p 与承压有效工作 面积s 的乘积，即f p x s 当组成如图1 2 的系统时，则有 n 2 最一只二三 ( 1 1 ) a 即小腔的工作压力只将大腔e 的压力放大了d 2 ，d2 倍。当只为3 0 m p a ，d 为 3 0 0 c m ，d 为6 0 c m ，则只可以产生7 5 0 m p a 的超高压 1 3 超高压设备简介 日本是超高压技术发展最快的国家，1 9 8 9 年就制造了超高压实验机3 0 台， 日本三菱重工株式会社分别研制实验用和生产用设备供应市场。现已有 m f e - 7 0 0 0 、m c 县1 和m r c 1 5 0 等型号设备。1 9 9 2 年美国f m c 公司、英国凯 氏公司都开始生产商品化的超高压设备。美国e s p i 公司为研究机构和工业生产 企业提供1 5 种设备，压力可达9 0 0 m p a 瑞士现也生产容积较大的超高压设备， 但这些设备价格比较昂贵，影响了该项技术的推广使用下图为一套国外超高压 生物处理系统的设备： 图1 0 l 国外产品化的超高压加工设备 超高压处理设备的结构形式很多，大致可分为整体( 内部供压) 式和分体 2 第一章超高压生物技术概述 ( 外部供压) 式。按照开启与否，又可以分开启式和封闭式。 整体式设备的超高压增压器与加压容器组合成一个整体的机械，增压器的 活塞压头直接压入加压容器的内腔，并产生压力小容量的实验机采用整体式， 不仅结构紧凑、操作方便，而且能大大降低成本。 分体式设备的超高压增压器与加压容器是分离的。增压器产生超高压后， 通过管路输送到加压容器，对材料进行压力处理。根据需要，一个增压器可以 同时供给几个加压容器形成生产线，以便增加处理产量。开启式一般用于包装 食品的处理，封闭式用于可以用泵输送的流体食品 封闭式又分两大类：第一类是加压容器内带有柔性内囊的结构，超高压处 理时将被处理的流体物料泵入囊内，加压介质在囊外，两者互相隔绝。第二类 没有内囊，利用被处理流体物料当作介质直接加压。 加压容器是超高压容器，也是设备最关键的部件。它的缸筒有单层、双层、 钢丝缠绕、夹层等不同的结构，以适应不同工况的需要 超高压压力、容积、加压时间等参数的选择大幅度地影响设备的体积、重 量、成本和生产效率。在选用设备前，必须对所加工的产品，进行大量的、可 靠的工艺试验，确定最合理的工艺参数，尽量控制设备能力的冗余量，以避免 增加不必要的设备投资 目前我国各研究单位和院校所采用的超高压实验机的结构，多为分体式 的图1 2 是整体式实验机结构示意图，图1 3 是用于生产的分体式设备结构 示意图( 一台超高压动力源带动3 个超高压加压装置) l 图1 2 整体式实验机结构示意 3 第一章超高压生物技术概述 图1 3 分体式生产设备示意图 经过结构分析和成本核算采用整体式结构更为合理。本文的超高压设备即为 整体式结构。下表分别列出了整体式结构和分体式结构的不同特点： 表1 1 整体式结构和分体式结构的特点 项目整体式分体式 结构特点超高压动力源与超高压加压室结合成一超高压动力源、超高压加压室是分为 体，结构简单，整体性好两个分离的部件，结构复杂 超高压部件只有一个超高压部件2 - 3 个超高压部件 超高压附件 无须超高压阀和超高压管路连接需要超高压阀和超高压管路连接 超高压密封件只有一处3 - 4 处 封闭式，开盖麻烦，必须手工松开若 开启形式 自动开启，操作维修都方便 干连接螺栓，打开缸盖，开盖时容易 损坏固定密封，操作维修都复杂 安装立式，整体性好，容易安装多为卧式，较为分散，安装较麻烦 操作简单，做一次实验的辅助时间只要操作复杂，辅助时间几十分钟到几小 操作性能 几分钟时 更换密封简单，不用工具，操作人员可更换密封麻烦，有时需专业维修工配 维护性能 自行更换合 只有一处超高压部件，并有安全门防护除两个超高压部件外，还有中间连接 安全性的超高压管路和阀不好防护，有时 需隔离操作 自配p l c 和计算机。容易自动实现交变 自动控制载荷实验，能自动采集、分析、处理数 外配 据，减少实验员工作量 4 第一章超高压生物技术概述 动态特性动态性能较好 动态性能稍差 工作介质 水 油、流体聚合物 占地面积小 较大 审造成本较低 较高 运行费用较低 较高 与国外相比，我国对超高压技术研究的深度和广度都有很大差距，至今我国 的超高压技术仍然处在研究阶段，没有一种超高压加工的食品和生物制品推向市 场，也没有一种定型的超高压加工设备产品可资使用。影响该技术发展的重要原 因之一是没有定型的、价格适中的超高压生物处理设备供应市场。设备问题已经 成为推广超高压生物处理技术的瓶颈。而对于超高压生物处理设备的控制系统研 究更是不可忽视。 5 第二章受控系统及控制策略介绍 第二章受控系统及控制策略介绍 2 1 系统硬件整体组成 图2 1m m 羽驯s o 型超高压生物处理设备整体连接图 液压泵站的作用是产生3 1 5 m p a 的压力，通过管道输送给高压缸。下位机 直接发送给液压站的控制信号( 包括泵的开关及各个液压阀门的继电器电平信 号) ，以决定液压泵站的工作状态，从而组合控制高压缸活塞杆的上下运动和速 度。具体的电气接线原理图如下： 第二章受控系统及控制策略介绍 图2 2 电气接线原理图 7 第二章受控系统及控制策略介绍 2 2 动作序列 因整个设备是由控制结构参数相同的两个超高压缸组成的，在以下描述时均 以a 缸为例。自动控制整体动作流程图如下： 剽 ，一 锣 雾 图2 3 自动控制整体动作流程图 8 第二章受控系统及控制策略介绍 当系统开始自动运行后，将会一直循环往复执行充液、增压、保压、泄压、 排液过程，直到人工使其停止。以上流程图是主要功能的动作，还有一些细节动 作( 如各换向阀的具体动作、补压等环节) 并没有全部呈现 2 3 计算机过程控制系统的组成 计算机在现代工业生产控制中的使用越来越广，已基本取代了以前由模拟调 节器构成的控制系统。在计算机过程控制系统中，计算机包括由单片机或d s p 构成的数字调节器、工业控制计算机( 口c ) 、可编程逻辑控制器( p l c ) 以及集 散控制系统( d c s ) 等。本系统的控制核心计算机就是p l c 。应用p l c 有如下 显著的特点： 1 ) 可靠性高 2 ) 编程简单、使用方便 灵活性好 直接驱动负载能力强 研便于实现机电一体化 d 利用其通信网路功能可以实现计算机网络控制 计算机过程控制系统的基本硬件组成如下： ! ! 过程接口 图2 4 计算机过程控制系统的组成硬件 1 1 主机 主机计算机是控制系统的核心。由它来执行程序，进行必要的控制运算、 数据处理、逻辑判断和故障诊断等工作。 2 1 过程接口 过程接口是计算机与被控过程的联系部分，包括被控过程参数输入的 a d 信道以及控制量输出的a 通道。 9 第二章受控系统及控制策略介绍 外围设备 外围设备与通用计算机的外围设备相似，包括人机接口输入输出设备 ( 如键盘、鼠标、监视器) 和内存等。 钔过程检测仪表 主要指过程检测仪表和执行仪表，如传感器、调节阀等。 构成一个计算机过程控制系统出了上述硬件部分外，还必须有软件部分，包 括系统软件、组态软件、数据库管理软件和用户自行开发的应用软件等。 2 4 数字p i d 控制闭 在程序控制中，按误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称p i d 调节器。p i d 调节器具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用面广等优点，是 一种技术成熟、应用最为广泛的模拟调节器。在实际应用中，根据实际工作经验 在线整定p i d 各参数，往往可以取得较为满意的控制效果。数字p i d 则以此为 基础，与计算机的计算与逻辑功能结合起来，不但继承了模拟p i d 调节器的这些 优点，而且由于软件系统的灵活性，p i d 算法可以得到修正而更加完善，使之变 得更加灵活多样，更能满足生产过程中提出的各种控制要求。 设系统的误差为e ( f ) ，则模拟p i d 控制规律为： “似- k x e o ) + 知p 似+ 乃警】 ( 2 1 ) 式中，u ( 0 控制量( 控制器输出) 即) 被控量与给定值的偏差 墨比例系数 l 积分时间常数 l 微分时间常数 将描述连续系统的微分方程代之以等效的描述离散系统的差分方程，就可以 得到相应的数字p i d 调节器。采用矩形法进行数值积分，可得到数字形式的p i d 控制规律 州- k 4 e ( k ) + 砉裹e j t + t d 华1 ( 2 2 ) 若r 足够小，则上式可相当准确地逼近模拟p i d 控制规律。 在实际应用中，可以根据被控对象的特性和控制要求，灵活地改变其结构， 取其中一部分环节构成调节器。如比例( p ) 调节器、比例积分( p i ) 调节器、 比例微分( p d ) 调节器等 数字p i d 控制器在实际中的控制效果有时不如模拟p i d 控制器究其原因， 主要是因为数字调节器的控制量在一个采样周期内保持不变，使得在这段时间内 系统相当于开环运行。并且由于计算机的数字运算以及数字量输入输出的时间， 第二章受控系统及控制策略介绍 使得控制作用在时间上有延迟，计算机的有限字长及a d 、d a 转换精度也给控 制量带来了误差。利用计算机运算速度快，逻辑判断能力强，编制程序灵活等优 势可对p i d 算法进行一系列的改进 2 5 b a n g b a n g 脚j t 6 1 b a n g - b a n g 控制，实际上是一种时间最优控制，由于它的控制作用为开关函 数，属于继电器型，所以也是一种位式开关控制。这种控制方式有比常规p i d 控 制较为优越的性能，尤其是对于给定值的提降及大幅度的扰动作用，效果更显著。 在动态质量上不仅体现为过渡时间短这一特点，而且在超调量等其它指标上也具 有一定的改善。在计算机的管理和控制下，更能发挥其控制效果。 b a n g - b a n g 控制的关键是开关时间的计算。本系统利用查表的方法来确定最 优的开关时间。 2 6 模糊控制川 模糊控制是智能控制的一个重要部分一些由传统方法难以实现的复杂控 制，往往可以由一个熟练的操作人员凭着丰富的实践经验取得满意的控制结果。 究其原因，是由于操作人员在实施控制过程中，并非按照一个所谓的数学模型去 操作，而是根据他对被控对象正常工作状态和当前测量数据所反映出的系统状态 ( 偏低、正常或偏高等) 的理解，结合长期的操作经验来完成的。模糊控制过程 中存在着一个模糊推理决策过程。 利用模糊数学的方法描述人类对事物的分析过程，就是将人类的实践经验加 以整理，总结出一套拟人化的、定性的工程控制规则而形成的一种智能控制理论 和方法。与传统的控制技术相比，具有无需知道被控对象数学模型、构造容易、 鲁棒性好、易于理解等特点。 模糊控制系统是一种应用模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理知识、模 拟人的模糊思维方法，对复杂系统实行控制的一种智能控制系统对一类缺乏精 确数学模型的被控对象的控制问题也可依据系统的模糊关系，利用模糊条件语句 写出控制规律，设计出较理想的控制系统，这在实际工程控制中具有显著的使用 价值。下图给出了模糊控制系统的一般结构： 图2 5 模糊逻辑控制系统基本构成 第二章受控系统及控制策略介绍 2 7 受控系统分析及控制策略 超高压缸内的压力传递介质为液体以水为例，一般情况下，水被看作为不 可压缩的。但是，超高压条件下水的性质发生了变化，水分子距离缩小，密度增 大，体积被压缩，温度升高，粘度增加，p h 值降低。 p r e s s u r e 删 图2 6 水的体积与压强的关系 p r e s s u r t u p 砷 图2 7 压缩水需要作的功 i 土、 扰动l 懿山甜习一 l ：。p c 。i 第二章受控系统及控制策略介绍 上位机p c 充当b a n g - b a n g 控制器的角色，它既是反馈控制器也是前馈控制 器。p l c 得到上位机的控制信号，通过控制换向阀等执行器的开关和液压泵的起 停状况从而达到控制超高压缸内柱塞运动( 下行、上行、停止、泄压等动作) 的 目的压力变送器中的信号取自液压管跷，作为负反馈变量。 1 3 第三章上位机和下位机的实时通讯 第三章上位机和下位机问的实时通讯 本控制系统对控制实时性要求较高，实时通讯是其基础。本文利用v c + + 6 0 提供的m s c o m m 通讯控件构造与p l c 的通讯系统，系统中的p l c 为西门予公 司的s 7 2 0 0 系列c p u 2 2 6 型。 3 1 通讯特点 西门子s 7 2 2 6 型p l c 带有两个r s - 4 8 5 通讯口，而上位机的串行口是 r s 2 3 2 ，所以采用西门子公司专用的p c p p i 编程电缆作为上下位机的连接电缆， 它实现了r s 2 3 2 和r s 4 8 5 的转换，并且具有隔离抗干扰功能。 c p u 2 2 6 自带的通讯口r s - 4 8 5 采用半双工通讯，只需用两根数据线来发送 和接收数据，所以通讯中没有硬件握手信号，而只能采用软件握手的通讯方式保 持数据传输的同步为了保证通讯的安全性，必须对发送的数据帧中加入帧校验 码( f c s ) 。采取的方法是：把所发送的数据帧中的数据按照字节进行异或运算 后得到的f c s 连同数据一起发送。接收方收到后，进行同样的运算，并把结果 与f ( 焉比较，如果两者不相等，则认为传输数据出错。 图3 1r s - 2 3 2 c 的信号线连接 3 2 工作过程控制流程 为了避免通信中的双方争用通信线，本通讯系统采用主从方式，即计算机为 主机，可编程控制器为从机，只有主机才有权主动发送请求报文( 或称为请求帧) ， 从机收到后返回响应报文 每个通讯周期都由上位机定时触发开始，若上位机不触发则p l c 不返回数 据。p l c 接收到数据后计算并比较校验码，若校验码正确则处理接收到的数据并 发送给上位机，若校验码错误则直接丢弃，继续等待上位机下一次的触发；上位 机接收到数据做同样的处理，若是接收到2 次以上的错误数据则视为通讯连接断 开，并显示错误信息。 1 4 第三章上位机和下位机的实时通讯 囱 寓囱 图3 2 上位机通讯整体流程图图3 3p l c 通讯整体流程图 3 3 串口通信中用户层协议编制原则【1 2 j 在串口用户层通信协议中，一般是围绕发送方如何建立数据包和接收方如何 处理数据包并从数据包中提取出关心信息，通信协议也必须是有利于这一目的 的。编制用户层的通信协议有很大的随意性，但有几个原则是必须要遵守的。 1 1 数据包必须有包头。包头是供接收方判断一个数据包开始传输的重要标 志，接收方从接收到的数据中判断接收到了包头，就认为接收的数据已 经开始，真正的数据信息马上就会到达包头字符必须有别于数据信息， 这种特征是数据包中其它数据没有的，否则就会引起混乱。 第三章上位机和下位机的实时通讯 2 ) 非定长数据包必须有包尾。所谓非定长，是指没有指明数据包的长度。 对于非定长的数据包，接收方只能根据包尾标志判断数据包是否结束。 同包头一样，包尾字符也必须有别于数据信息，这种特征是数据包中其 它数据没有的，否则也会引起混乱。 3 ) 定长数据包应该指明长度。对于长度不变的数据包，数据长度可以事先 约定，也可以在数据包中的约定位置定义；对于长度可变的数据包，则 必须每次在数据包中的指定位置说明。接收方在知道了接收数据长度后， 就能够判断接收的数据包是否结束。 舢一般应该对数据进行校验。串1 3 通信底层协议( 由机器硬件实现) 已经 设置了奇偶校验，在用户层加入校验，可以对数据进行进一步的排错， 更好地保证数据的正确性，因为在重要的场合，数据出错可能会引发严 重的后果。 5 ) 便于观察的数据应该在结尾加入换行等符号。对于产品化的设备输出数 据，或者需要经常调试的数据，应该在结尾加上换行，以便于在调试工 具中查看数据，方便调试程序时观察数据。 6 ) 更新快的数据，应尽量简短。传输的数据越多，需要的时间越长，但传 输速率是有限的，针对具体的硬件系统有不同的限制，因此，如果要求 数据更新快，就要让每次传送的数据尽量短。 3 4 相关通讯指令( 函数) 3 4 1 多任务与多线程 多任务是一个操作系统可以同时运行多个程序的能力。多任务操作系统将处 理器时间分配给所需的进程或线程抢占式操作系统分配处理器的。时间片”给 每个运行的线程当时间片到时，当前正在运行的线程就会暂停转而让其它的线 程执行。如果时间片足够小，并且机器也没有由于太多的程序而超负荷，那么在 用户看来，所有的这些程序似乎在同时运行着。 为了充分利用c p u ，本文上位机v c + + 程序中的通讯和绘图工作均是在不同 的线程中运行的。 3 4 2p l c 中使用的通讯指令 s 7 - 2 0 0 系列p l c 支持对用户完全开放的自由端口通讯模式。通过使用接收 中断、发送中断、字符中断、发送指令( x m t ) 和接收指令( r c v ) ，自由端口 通信可以控制s 7 - 2 0 0 c p u 通信口的操作模式。利用自由端口模式，可以实现用 户定义的通信协议，连接多种智能设备。 第三章上位机和下位机的实时通讯 发送指令x m t 启动自由端口模式下数据缓冲区( 1 1 卫) 的数据发送，通过 制定的通信端口( p o r t ) ，发送存储在数据缓冲区中的信息。x m t 可以方便地 发送1 - 2 5 5 个字符。如果有中断程序连接到发送事件上，在发送完缓冲区中的最 后一个字符时，端口o 会产生中断事件9 ，断口1 会产生中断事件2 6 。 接收指令r c v 初始化或中止接收信息的服务。通过指定的通信端口，接收 的信息存储在数据缓冲区中。数据缓冲区中的第一个字节用来累计接收到的字节 数，它本身不是接收到的，起始字符和结束字符是可选项。 r c v 指令可以方便地接接收一个或多个字符，最多可接收2 5 5 个字符。如 果有中断程序连接到接收接收事件上，在接收完最后一个字节时，端口0 产生中 断事件2 3 ，断口1 产生中断事件2 4 。 表3 1 缓冲区格式 i 字符数l 起始字符i 数据区l 结束字符i 本文中的通讯系统，使用p c p p i 电缆与上位机连接这需要考虑电缆的切 换时间，s 7 - 2 0 0c p u 接收到r s 2 3 2 设备的请求报文后，到它发送响应报文的延 迟时间必须大于等于电缆的切换时间。波特率为9 6 0 0b i t s 和1 9 2 0 0b i t s 时，电 缆的切换时间分别为2 m s 和l m s 。 3 4 3 上位机v c h 中使用的与通讯相关的函数 在西门子c p u 2 6 6 型p i c 中，通讯中断的中断优先级是最高的。这样就保 证了下位机处理接收数据的实时性。由于上位机是通讯的发起者，故其实时性( 本 文中即定时触发的精确性) 就成了影响整个系统实时性的瓶颈因素。 本文上位机程序中的定时器不是由普通的w mt i m e r 消息触发的，因其定 时器消息在多任务操作系统中的优先级很低，不能得到及时响应，往往不能满足 实时控制环境下的应用。本文中使用的是多媒体定时器函数，该函数定时精度为 毫秒级，且拥有自己的独立线程，从而可以有效地保证触发的精度。调用函数之 前必须将w i n m m h b 和m m s y s t e m h 添加到工程中。函数原型如下： m m r e s u l t t i m e s e t e v e n t ( u i n tu d e l a y ， u i n tu r e s o l u t i o n ， l p t i m e c a l l b a c k l p t i m e p r o c ， w o r dd w u s e r ， u i n t f u e v e n t ) 该函数设置一个定时回调事件，此事件可以是一个一次性事件或是一个周期 性事件。事件一旦被激活，便调用指定的回调函数，成功后返回事件的标识符代 码，否则返回n u l l 。函数的参数说明如下： u d e l a y ：以毫秒指定事件的周期。 1 7 第三章上位机和下位机的实时通讯 u r e s o l u t i o n ：以毫秒指定延时的精度，数值越小定时器事件分辨率越高。缺省为 l m s 。 l p t h n e p r o c ：指向一个回调函数 d w u s e r ：存放用户提供的回调数据。 f u e v e n t ：指定定时器事件类型： t i m eo n e s h o t ：u d e l a y 毫秒后只产生一次事件 t i m ep e r i o d i c ：每隔u d e l a y 毫秒周期性地产生事件。 m s c o m m 是微软公司提供的简化w i n d o w s 下串行通信编程的a c t i v e x 控件， 它提供了通过串行接口收发数据的简便方法。具体地来说，它提供了两种处理通 信问题的方法：一是种事件驱动( e v e n t - - d r i v e n ) 方法，一种是查询法。在使用 事件驱动法设计程序时，每当有新字符到达、端口状态改变或发生错误时， m s c o m m 控件将触发o n c o m m 事件，而应用程序在捕获该事件后，通过检查 m s c o m m 控件的c o m m e v e n t 属性可以获知所发生的事件或错误，从而采取相应 的操作这种方法的优点是程序响应及时、可靠性高。本文上位机程序就是基于 m s c o m m 控件事件驱动方式进行通讯的。 3 5 通讯数据帧的确定 根据通讯中发送数据的不同功能，将发送数据分为两类帧格式：等待帧和控 制命令帧由于上位机处于通讯的主导地位，为了维持通讯的正常，必须保证在 连接正常后的所有通讯周期都向下位机发送信号，以便得到下位机的反馈数据。 这样分类发送数据帧，可使上位机在任意发送周期都会发送以上两类发送数据帧 中的一种。 当通讯连接正常后，若是没有任何操作，上位机就自动发送等待帧来维持通 讯；若是上位机手动控制或是上位机自动控制，则发送控制命令帧 应该注意到，因为数据帧是以字节为单位传送的，也就决定了数据帧的起始 字符和结束字符都只有8 位对于大量连续地发送数据，发送数据区中的数据与 起始字符或结束字符相同的概率就很大，它们可能会与起始字符和结束字符混 淆。为了避免出现上述情况，本文中的发送数据帧中每个字节均只利用低4 位而 高4 位作为不同数据帧的判别标志位 第四章上位机控制程序的设计与实现 第四章上位机控制程序的设计与实现 4 1 应用面向对象思想设计上位机控制程序 4 1 1 面向对象的概念【1 7 1 面向对象不仅是一些具体的软件开发技术策略，而且是一整套关于如何看待 软件系统与现实世界的关系，以什么观点来研究问题并进行求解，以及如何进行 系统构造的软件方法学。其出发点和基本思想是，从现实世界中客观存在的事物 出发来构造软件系统，并在系统构造中尽可能运用人类的自然思维方式，强调直 接以现实世界( 问题域) 中的事物为中心来思考问题、认识问题，并根据这些事 物的本质特征抽象地表示为系统中的对象 与传统的软件工程方法相比，面向对象方法更加强调运用人类在日常的逻辑 思维中经常采用的思想方法与原则。具体地说有以下主要特征： 从问题域中客观存在的事物出发来构造软件系统，用对象作为对这些事物的 抽象表示，并以此作为系统的的基本构成单位。 1 ) 事物的静态特征用对象的属性表示，动态特征用对象的服务表示。 2 ) 对象的属性和服务结合为一体，成为一个独立的实体，对外屏蔽其内部 细节 3 ) 对事物进行分类，把具有相同属性和服务的对象归为一类，类是这些对 象的抽象描述，每个对象是它的类的一个实例。 4 ) 通过在不同程度上运用抽象的原则，可以得到较一般的类和较特殊的类。 特殊类继承一般类的属性和服务。 5 ) 复杂的对象可以用简单的对象作为其构成部分 6 ) 对象之间通过消息进行通信，以实现对象之间的动态联系 7 ) 通过关联表达对象之间的静态关系 以下对面向对象技术的主要概念做一简要介绍： 1 对象 对象是系统中用来描述客观事物的一个实体，它是构成系统的一个基本单 位。一个对象由一组属性和对这组属性进行操作的一组服务构成。对象只描述客 观事物本质的、与系统目标有关的特征。属性和服务是对象的两个主要因素，二 者是不可分的。 对象是问题域或实现域中某些事物的一个抽象。它反映该事物在系统中需要 保存的信息和发挥的作用。它是一组属性和有权对这些属性进行操作的一组服务 的封装体。 2 类 第四章上位机控制程序的设计与实现 类是具有相同属性和服务的一组对象的集合。它为属于该类的全部对象提供 了统一的抽象描述，其内部包括属性和服务两个主要部分。 类和对象是一对相互关系的概念类给出了属于该类的全部对象的抽象定 义，对象则是符合这种抽象的一个实例。 3 封装 封装就是把对象的属性和服务结合成一个独立的系统单位，并尽可能屏蔽对 象的内部细节。 封装是面向对象方法的一个重要原则。对象的属性和服务紧密结合反映了事 物的静态特征和动态特征是不可分割的。把对象看成它的属性和服务的结合体， 使对象能够集中而完整地描述并对应一个具体的事物。封装是面向对象技术必须 提供的机制。它使对象以外的部分不能随意存取对象的内部数据，从而有效避免 了外部错误对它的影响，大大减少了查错和排错的难度，并且当对象的内部需要 改变时，可以大大减少内部的修改对外部的影响。 4 继承 特殊类的对象拥有一般类的全部属性与服务，称为特殊类对一般类的继承。 继承简化了人们对事物的认识和描述，并且对软件的重用是很有意义的。一个类 可以通过继承自动拥有另一个类的全部属性和服务，也可以从多个一般类中继承 属性和服务 5 消息 对象通过它对外提供的服务在系统中发挥自己的作用，也可以请求系统中其 它对象的服务在面向对象方法中把对象发出的请求称作消息。它与封装原则有 密切的关系封装使对象成为一些相互独立的单位，而消息为它们提供了唯一合 法的联系途径。 消息具有一些基本性质：同一对象可以接受不同形式、不同内容的多个消息， 产生不同的响应；相同形式的消息可以送到不同的对象；消息的发送可以不考虑 具体的接收者；对象在接收到消息后如何处理，由对象自身确定，甚至可以不反 应 6 多态性 对象的多态性是指在一般类中定义的属性或服务被特殊类继承之后，可以具 有不同的数据类型或表现出不同的行为。 多态分为编译期的多态性和运行期的多态性。前者通过重载来实现，编译时 决定执行哪个版本；后者通过虚函数实现，运行时的真正对象决定执行哪个版本。 7 永久对象 永久对象是生存期可以超越程序的执行时间而长期存在的对象。永久对象是 当前面向对象领域的一个技术热点，它可以大大简化面向对象设计阶段的数据管 理部分，并可以实现对象在不同程序之间的动态共享f l 前大多数商品化的面向 对象编程语言还不支持永久对象。 在软件生命周期的各个阶段全面地运用面向对象方法进行系统开发，是人们 2 0 第四章上位机控制程序的设计与实现 长期以来努力追求的目标，特别是从分析与设计阶段就开始运用面向对象方法， 更能从根本上发挥面向对象方法的技术优势。 4 1 2 面向对象设计的准则【1 7 】 1 模块化 面向对象软件开发模式，很自然地支持了把系统分解成模块的设计原理；对 象就是模块。它是把数据结构和操作这些数据的方法紧密地结合在一起所构成的 模块。 2 抽象 面向对象方法不仅支持过程抽象，而且支持数据抽象。类实际上是一种抽象 数据类型，它对外开放的公共接口构成了类的规格说明( 协议) ，这种接口规定 了外界可以使用的合法操作符，利用这些操作符可以对类实例中包含的数据进行 操作。使用者无需知道这些操作符的实现算法和类中数据元素的具体表示方法， 就可以通过这些操作符使用类中定义的数据。通常把这类抽象称为规格说明抽 象。 3 信息隐藏 在面向对象方法中，信息隐藏通过对象的封装性实现：类结构分离了接口与 实现，从而支持了信息隐藏对于类的用户来说，属性的表示方法和操作的实现 算法都应该是隐藏的 。 4 弱耦合 耦合指一个软件结构内不同模块之间互联的紧密程度。在面向对象方法中， 对象是最基本的模块，因此，耦合主要指不同对象之间相互关联的紧密程度。弱 耦合是优秀设计的一个重要指标，因为有助于使得系统中某一部分的变化对其他 部分的影响降到最低程度在理想情况下，对某一部分的理解、测试或修改，无 需涉及系统的其他部分 如果一个类对象过多地依赖其他类对象来完成自己的工作，则不仅给理解、 测试或修改这个类带来很大困难，而且还将大大降低该类的可重用性和可移植 性。显然。类之间的这种相互依赖关系是紧耦合的。 当然，对象是不可能完全孤立的，当两个对象必须相互联系相互依赖时，应 该通过类的协议( 即公共接口) 实现耦合，而不应该依赖于类的具体实现细节。 5 强内聚 内聚衡量一个模块内各个元素彼此结合的紧密程度。也可以把内聚定义为： 设计中使用的一个构件内的各个元素，对完成一个定义明确的目的所做出的贡献 程度在设计时应该力求做到高内聚。在面向对象设计中存在下述三种内聚： 1 1 服务内聚 一个服务应该完成一个且仅完成一个功能 类内聚 第四章上位机控制程序的设计与实现 设计类的原则是，一个类应该只有一个用途，它的属性和服务应该是高 内聚的。类的属性和服务应该全都是完成该类对象的任务所必需的其中不包 含无用的属性或服务。如果某个类有多个用途，通常应该把它分解成多个专 用的类 3 ) 一般特殊内聚类 设计出的一般特殊结构，应该符合多数人的概念，更准确地说，这种 结构应该是对相应的领域知识的正确抽取。 一般来说，紧密地继承耦合与高度的一般特殊内聚是一致的。 6 可重用 软件重用是提高软件开发生产率和目标系统质量的重要途径。重用基本上从 设计阶段开始。重用有两方面的含义：一是尽量使用已有的类( 包括开发环境提 供的类库，以及以往开发类似系统时创建的类) ，二是如果确实需要创建新类， 则在设计这些类的协议的时，应该考虑将来的可重复使用性 4 1 3 利用可重用m f c 框架设计功能模块 m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ，微软基础类库) 是一个面向对象的可重 用性很高的应用程序通用框架。m f c 主要可分为下列几大类： 1 ) g e n e r a lp u r p o s ec l a s s e s ：提供字符串类、数据处理类( 如数组与链表) 、 异常情况处理类、文件类等。 。 2 ) w m d o w s a p ic l a s s