基于C#的自動上料機監(jiān)控軟件開發(fā)

　　摘要：利用C#語言基于MODBUS通信協(xié)議開發(fā)了自動上料機監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對設備的手動、自動控制和監(jiān)視，并能對相關的運行參數(shù)進行設置，介紹了系統(tǒng)開發(fā)中的主要方案及關鍵技術，經(jīng)實際驗證，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達到了預期的目標。

　　關鍵詞：上位機;MODBUS-ASCII;串口;監(jiān)控

　　《網(wǎng)絡科技時代》雜志創(chuàng)刊于2001年1月，是中華人民共和國教育部主管，中央電化教育館等單位主辦的電腦普及月刊，全國公開發(fā)行。

　　某自動上料機用于將工件傳輸給測試設備進行測試，該上料機有3個放料區(qū)，分別為待測區(qū)、PASS區(qū)、FAIL區(qū)，完成從待測區(qū)取料，送料給測試設備，測試完成后取回并根據(jù)測試結果(好或壞)將工件自動進行分撿放置到PASS區(qū)和FAIL區(qū);3個放料區(qū)都由馬達和相應的傳感器來控制，根據(jù)物料的高度自動升降料臺，以使料臺保持在合適的高度，方便上料機抓取和存放物料。該設備涉及啟動按鈕、安全光柵、限位開關等輸入端口40個，氣缸控制、直流電機控制等輸出端口16個，并由下位機直接控制，為了便于對設備進行操作、監(jiān)視、控制和設置參數(shù)，開發(fā)了自動上料機的監(jiān)控軟件，采用串口與下位機進行通信，為了確保通信的穩(wěn)定可靠，采用了MODBUS-ASCII通信協(xié)議。

　　1 上位機功能介紹

　　根據(jù)上料機的工藝要求，本監(jiān)控軟件由自動運行，工藝設置，輸出狀態(tài)，輸入狀態(tài)，手動控制，報警信息，電機參數(shù)等七個模塊構成，各自完成相應的功能，具體功能需求如圖1所示。

　　其中：自動運行主要用于監(jiān)視運行時物料及測試相關的2個主要參數(shù)，設置錯開放板數(shù)量和測試速度，顯示當前測試通過和測試失敗的數(shù)量信息，以及對設備的緊急控制和啟動等。

　　工藝設置主要是進行馬達控制、行程設定、氣缸控制以及馬達的參數(shù)設置。

　　輸出狀態(tài)：主要是各電機的正反轉控制，以及各端口的輸出狀態(tài)。

　　輸入狀態(tài)：主要顯示各輸入端口的狀態(tài)，用于顯示監(jiān)控。

　　手動控制：主要用于手動控制各執(zhí)行機構的動作。

　　電機參數(shù)：主要用于設置各驅動軸的各項電機控制、氣缸控制參數(shù)等。

　　2 上位機系統(tǒng)設計

　　本系統(tǒng)運行環(huán)境為WINDOS 7及以上系統(tǒng)，C#語言是微軟公司發(fā)布的一種面向對象的、運行于.NET Framework和.NET Core(完全開源，跨平臺)之上的高級程序設計語言。能使用SerialPort類庫直接進行串口通信程序的開發(fā)，并且提供了事件驅動模式，開發(fā)方便，WINFORM程序開發(fā)非常適合上位機軟件開發(fā)，所以本系統(tǒng)采用C#語言開發(fā)。

　　2.1 界面設計思路及關鍵方法

　　根據(jù)上位機的功能需求，使用WINFORM繪制所需要的界面及相關的控件，具體如圖2(以自動運行為例)。

　　由上圖可知，軟件分為左側的功能選擇區(qū)和右側的功能實現(xiàn)區(qū)，左側功能選擇區(qū)包含7個按鈕(鎖定除外)，對應右側會包含7個界面，但任一時刻只顯示和左側選擇的功能相對應的一個功能實現(xiàn)界面，為方便后期各功能界面之間的切換，每一個功能實現(xiàn)區(qū)所有控件組合成一個用戶自定義控件(UserControl)放到一個Panel控件中，故將整個界面分為兩部分：一是workbench，即整個軟件的主要界面，該workbench左側包含了各功能選擇按鈕區(qū)和右側的一個大的Panel控件，其中Panel控件用來作為各功能實現(xiàn)區(qū)用戶控件的容器;二是右側的功能實現(xiàn)區(qū)，功能實現(xiàn)區(qū)實際是前面所述用戶自定義控件(UserControl)，是放在Panel中的一個控件，每個控件對應左側的一個功能按鈕，所以一共需要定義7個用戶自定義控件。

　　為了保證軟件的可靠性和可維護性，軟件界面只能有一個實例，所以使用singleton模式來構建用戶界面(workbench)，對應的界面類名MainFrom，定義singleton類：WorkBenchSingleTon，并定義MainFrom類型的私有類成員workBench，同時定義公開的靜態(tài)屬性WorkBench，但只提供外部對workBench的獲取，方便在整個軟件中其它控件對workBench訪問的同時又保證了只有一個workbench，具體代碼如下：

　　public class WorkBenchSingleTon

　　{

　　private static MainForm workBench = new MainForm();

　　public static MainForm WorkBench {

　　get{

　　if (workBench == null) {

　　workBench = new MainForm();

　　}

　　return workBench;

　　}

　　}

　　}

　　2.2 通信功能實現(xiàn)

　　根據(jù)該系統(tǒng)的整體設計方案，上位機與下位機之間的通信采用串口通信，且為了保證通信的可靠性使用MODBUS-ASCII通信協(xié)議。為了開發(fā)的方便，使用開源的類庫NMODBUS，NMODBUS基于.NET封裝了MODBUS協(xié)議的各項功能，使用方便，在此將NMODBUS提供的Master類作為workBench的成員，同時提供公開訪問器，不提供賦值，也確保整個系統(tǒng)中只有一個Master被實例化。各項參數(shù)的初始化都在MainForm的構造函數(shù)中進行。

　　由前面的分析可知，右側的功能實現(xiàn)區(qū)，都需要和下位機通過MODBUS進行通信，而MODBUS的特點是通信由主機發(fā)起，從機不能主動發(fā)起通信，在此系統(tǒng)中，上位機為主機，下位機為從機，所以所有的通信都由上位機發(fā)起。上位機要實時獲取從機的數(shù)據(jù)，必須以一定的時間間隔不停地向從機發(fā)送查詢命令，而本系統(tǒng)中，每個功能選擇都對應一個功能實現(xiàn)區(qū)，但同一時刻只有一個功能實現(xiàn)區(qū)才被顯示，故只需要查詢被顯示的功能實現(xiàn)區(qū)中所需要的數(shù)據(jù)，其它的不用顯示，也就不需要向從機查詢。根據(jù)MODBUS通信的特性，需要定時向從機查詢數(shù)據(jù)，若每個功能實現(xiàn)區(qū)均使用定時器定時查詢，則需要判斷自己當前是否被顯示來確定是否訪問下位機，容易造成多個功能實現(xiàn)區(qū)同時訪問從機造成軟件通信不穩(wěn)定，軟件不易維護等問題，因此定義一個接口IBaseControl，作為各功能實現(xiàn)區(qū)的接口約束，其中ReadModbusInfo用于實現(xiàn)各功能實現(xiàn)區(qū)需要向從機讀取數(shù)據(jù)的函數(shù)，而Title用于標識各功能實現(xiàn)區(qū)的名稱，其接口如下：

　　interface IBaseControl ： IDisposable

　　{

　　string Title{get;set;}

　　bool ReadModbusInfo();

　　}

　　因此在各功能實現(xiàn)區(qū)只需要實現(xiàn)ReadModbusInfo成員函數(shù)，實現(xiàn)需要讀取下位機數(shù)據(jù)的邏輯，而自身并不需要調用該成員函數(shù)。而將所有調用該函數(shù)的職責放到workBench中，在workBench中定義一個定時器，在定時器的事件響應函數(shù)中調用當前顯示的功能實現(xiàn)區(qū)的ReadModbusInfo接口函數(shù)即可，這樣所有功能實現(xiàn)區(qū)讀取從機數(shù)據(jù)的函數(shù)調用都集中在了一處，會自動根據(jù)當前顯示的功能實現(xiàn)區(qū)而自動調用相應的ReadModbusInfo實現(xiàn)函數(shù)，方便軟件維護的同時提高了穩(wěn)定性。需要注意的是，由于使用了串口通信，其數(shù)據(jù)接收在另一個線程中實現(xiàn)，所以在更新界面數(shù)據(jù)時，需要使用到委托才能更新數(shù)據(jù)。

　　對從機的控制命令，同樣集中在workBench中，功能實現(xiàn)區(qū)的用戶控件需要向從機寫數(shù)據(jù)時只需通過WorkBenchSingleTon.WorkBench.Master.WriteSingleCoil()語句調用workbench中定義的寫寄存器函數(shù)向從機寫入相應的數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)向下位機發(fā)送命令。

　　3 結語

　　通過對自動上料機功能的分析，合理劃分軟件功能和實現(xiàn)方式，提高了軟件的可維護性和穩(wěn)定性，經(jīng)現(xiàn)場測試，本上位機軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定，與下位機的通信可靠達到了預期的目標。

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