碩士論文-基于數(shù)控的開放式軟PLC的研究與開發(fā).pdf

北京工業(yè)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于數(shù)控的開放式軟PLC的研究與開發(fā) 姓名：周峰 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師：王新華;伍良生 20050501 摘要 軟P L C 技術(shù)是目前國(guó)際工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域逐漸興起的一項(xiàng)基于P c 的新型控 制技術(shù)。與傳統(tǒng)硬P L C 相比，軟P L C 具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò) 通訊能力并具有開放的體系結(jié)構(gòu)。目前傳統(tǒng)硬P L C 控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械 制造、工程機(jī)械、農(nóng)林機(jī)械、礦山、冶金、石油化工、交通運(yùn)輸、海洋作業(yè)、 軍事器械以及航空航天和原子能等技術(shù)領(lǐng)域。但是，隨著近幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)、 通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微處理器技術(shù)、人機(jī)晃面技術(shù)等迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域 對(duì)開放式控制器和開放式控制系統(tǒng)的需求更加迫切，硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)封閉 的傳統(tǒng)硬P L C 遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。軟P L C 采用開放式體系結(jié)構(gòu)，具有良好的 網(wǎng)絡(luò)通訊能力，能夠完成比較復(fù)雜的控制任務(wù)，可以滿足和實(shí)現(xiàn)當(dāng)前和今后工 業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開放性和柔性的要求，為將來(lái)工業(yè)自動(dòng)化向更高層次的 集成提供了可靠的技術(shù)保障。目前美國(guó)、德國(guó)等一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視 軟P L C 技術(shù)的研究與應(yīng)用，并開始有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。 針對(duì)軟P L C 的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，本文建立了W i n d o w s 環(huán)境下丌放式軟 P L C 系統(tǒng)。該系統(tǒng)由軟P L C 開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分組成，實(shí)現(xiàn)了P L C 程 序的編輯、編譯、仿真、運(yùn)行和監(jiān)控。主要的研究工作和成果如下： ( 1 ) 廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，研究并設(shè)計(jì)了軟P L C 的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng) 平臺(tái)。根據(jù)軟P L C 的結(jié)構(gòu)，使用V C + + Y F 發(fā)了軟P L C 集成編輯開發(fā)系統(tǒng)，該系 統(tǒng)能夠完成P L C 的梯形圖和指令表兩種語(yǔ)言的編輯編譯功能，P L C 程序的仿真， 梯形圖和指令表兩種語(yǔ)言之間的轉(zhuǎn)換。此外，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，能 夠?qū)崿F(xiàn)事件同志管理，特定事件報(bào)警和用戶登錄管理。 ( 2 ) 為了配合運(yùn)行在P C 機(jī)上的編輯開發(fā)系統(tǒng)，研究并設(shè)計(jì)了軟P L C 運(yùn)行 系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和用途，選用特定的芯片并運(yùn)用P r o t e l 電路設(shè)計(jì)軟 件設(shè)計(jì)了運(yùn)行系統(tǒng)的電路原理圖和P C B 板圖，并對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行電磁兼容性處 理，以減小信號(hào)間和外部干擾源的干擾。設(shè)計(jì)并用C 語(yǔ)言編寫了軟件系統(tǒng)，以 配合P C 機(jī)完成相應(yīng)的控制功能。 ( 3 ) 研究了軟P L C 的實(shí)時(shí)通訊機(jī)制，并建立了相應(yīng)的通訊協(xié)議，包括網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和P C 機(jī)與運(yùn)行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊。軟P L C 運(yùn)行系統(tǒng)與P C 機(jī)采用 網(wǎng)絡(luò)通訊和串口通訊相結(jié)合的方式。為了提高通信程序的效率和強(qiáng)壯性，程序 采用了W i n d o w s 多線程技術(shù)進(jìn)行編寫。 關(guān)鍵詞軟P L C ；編輯；編譯；通訊；V C + + 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)j _ - 2 - 1 H 致谫 的地方外，論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京工業(yè)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu) 的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同學(xué)對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均 已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 簽名：! 虱鱟 日期 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 2 S S L f 本人完全了解北京工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán) 保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱：學(xué)?？梢怨烧撐牡娜炕虿?分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：! 塾壘導(dǎo)師簽名：蘭塾生同期：蘭! 些：訂 1 1課題背景 第1 章緒論 1 1 1 軟P L C 技術(shù)的發(fā)展歷史 長(zhǎng)期以來(lái)，計(jì)算機(jī)控制和傳統(tǒng)P L C 控制一直是工業(yè)控制領(lǐng)域的兩種主要控 制方法。P L C 自1 9 6 9 年問(wèn)世以來(lái)，以其功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便、體積 小等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到迅速推廣并逐步替代原有的繼電器控制系統(tǒng)， 成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中極具競(jìng)爭(zhēng)力的控制工具，被廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。 但傳統(tǒng)P L C 的體系結(jié)構(gòu)是封閉的，各個(gè)P L C 廠家的硬件體系互不兼容，編程 語(yǔ)言及指令系統(tǒng)各異用戶選擇了一種P L C 產(chǎn)品后，必須選擇與其相應(yīng)的控制 規(guī)程，學(xué)習(xí)特定的編程語(yǔ)言，不利于終端用戶功能的擴(kuò)展。 隨著P c 機(jī)在控制系統(tǒng)中的出現(xiàn)，其功能在不斷發(fā)生變化，由初期的人機(jī) 界面功能逐步增加報(bào)警、報(bào)表、連接數(shù)據(jù)庫(kù)、連接辦公網(wǎng)絡(luò)等，目前在許多應(yīng) 用場(chǎng)合，P C 機(jī)已可以實(shí)現(xiàn)P L C 的功能，即基于P C 的控制。由于P L C 的體系 結(jié)構(gòu)是封閉的，所以P L C 在功能方面的改進(jìn)難以與P C 的發(fā)展相比。傳統(tǒng)P L C 控制系統(tǒng)難以或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，采用基于P C 的控制將變得非常簡(jiǎn)單，如開 環(huán)閉環(huán)控制、運(yùn)動(dòng)控制、連接辦公網(wǎng)絡(luò)、集成用戶算法等【2 】。 1 9 9 0 年美國(guó)國(guó)家制造科學(xué)中心( N C M C ) 提交了一份名為“N e x t G e n e r a t i o n W o r k s t a t i o n M a c h i n ec o n t r o l l e rR e q u i r e m e n tD e f i n i t i o nD o c u m e n t ”的報(bào)告，提出 了1 7 5 條未來(lái)制造業(yè)對(duì)P L C 技術(shù)的要求。隨后，歐共體提出了O S A C A ( O p e n S y s t e mE n v i r o n m e n tf o rC o n t r o l l e r ) 計(jì)劃，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的P L C 提出了系統(tǒng) 丌放、公共協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化等新要求。1 9 9 3 年，為了規(guī)范P L C 編程語(yǔ)言，I E C ( 國(guó)際 電工委員會(huì)) 發(fā)布了1 E C 6 1 1 3 1 3 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電工委員會(huì)推出的用于工 業(yè)控制領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，適用于P L C 編程。這個(gè)編程標(biāo)準(zhǔn)包括5 種 編程語(yǔ)言【3 卅：順序功能圖( S F C ) 、功能塊圖( F B D ) 、梯形圖( L D ) 、指令表 ( I L ) 及結(jié)構(gòu)化文本( S T ) 。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)還允許在同一個(gè)程序中使用多種編程語(yǔ) 言。進(jìn)行混合編程，從而可使用戶能選擇不同的語(yǔ)言進(jìn)行編程，提高了編程效率 與通用性。I E C 6 1 1 3 1 - 3 標(biāo)準(zhǔn)的推出和實(shí)施，有力地推動(dòng)了各種P L C 之問(wèn)的兼容 和統(tǒng)一以及基于P C 的軟P L C 技術(shù)的發(fā)展。 近年來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，控制結(jié)構(gòu)更趨分散化和復(fù) 雜化，需要更多的用戶接口。同時(shí)，企業(yè)整合和開放式體系的發(fā)震耍泵自動(dòng)搓。 制系統(tǒng)應(yīng)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，使企業(yè)能及時(shí)地了解生產(chǎn)過(guò)程中的諸多信 息，靈活選擇解決方案，配置硬件和軟件，并能根據(jù)市場(chǎng)行情，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)。 此外，為了擴(kuò)大控制系統(tǒng)的功能，許多新型傳感器被加裝到控制單元上，但這 些傳感器通常都很難與傳統(tǒng)P L C 連接，且傳統(tǒng)P L C 價(jià)格較貴。因此，改革現(xiàn) 有的P L C 控制技術(shù)，發(fā)展新型P L C 控制技術(shù)已成為當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域 迫切需要解決的技術(shù)難題。 當(dāng)今制造業(yè)正在面臨一個(gè)快速變革的時(shí)期，用戶對(duì)于系統(tǒng)處理速度、開放 性等方面的要求也超過(guò)從前。而要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，就需要采用新的技術(shù)，不斷 改進(jìn)軟件和硬件系統(tǒng)，如采用基于P C 的控制，將P C 機(jī)C P U 高速處理性能和 良好的丌放性引入到控制領(lǐng)域等。 雖然計(jì)算機(jī)控制技術(shù)能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)平臺(tái)、高端應(yīng)用軟件、標(biāo)準(zhǔn)的高 級(jí)編程語(yǔ)言及友好的圖形界面，但其在惡劣控制環(huán)境下的可靠性和可擴(kuò)展性受 到限制【l l 。因此，人們?cè)诰C合計(jì)算機(jī)和P L C 控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，逐步提出 并開發(fā)了一種基于P C 的新型控制技術(shù)一軟P L C 控制技術(shù)。 1 1 2 軟P L C 技術(shù)的體系結(jié)構(gòu) 軟P L C 控制技術(shù)亦稱S o f tl o g i c 和基于P C 的控制技術(shù)，對(duì)于它還沒有一個(gè) 準(zhǔn)確而統(tǒng)一的定義。西門子公司將軟P L C 的定義為“集控制、人機(jī)界面、數(shù)據(jù) 處理、通訊等功能于臺(tái)P C 的解決方案”；3 S 公司定義S o f l P L C 為“一種能將 工業(yè)P C 機(jī)轉(zhuǎn)換為高端P L C 的軟件”；h t t p ：i t d i v w e b c e r n c h 網(wǎng)站上稱“S o f t P L C s 是一種能使用戶在無(wú)P L C 硬件支持下，在普通P C 上丌發(fā)和運(yùn)行程序的軟件解 決方案”。因此，軟P L C 可以說(shuō)是傳統(tǒng)P L C 的軟件解決方案，能夠在P C 機(jī)上 依靠一定的軟件平臺(tái)，完成P L C 的所有功能，并具有開放的體系結(jié)構(gòu)。 1 1 2 1 軟P L C 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及存在的主要問(wèn)題 與傳統(tǒng)P L C 相比，軟P L C 技術(shù)具有符合現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)【5 。7 】： ( 1 ) 具有開放的體系結(jié)構(gòu)軟P L C 具有寬范圍的I 0 端口和多種現(xiàn)場(chǎng)總線 的接口，支持多種硬件，能解決傳統(tǒng)P L C 互不兼容的問(wèn)題，并具有第三方軟件 接口，可支持多種語(yǔ)言編程( 包括高級(jí)語(yǔ)言) ，可允許用戶根掘需求，靈活擴(kuò)展 系統(tǒng)功能。 ( 2 ) 遵循國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如I E C 6 1 1 3 1 - 3 標(biāo)準(zhǔn)和 I E C 6 1 4 9 1 標(biāo)準(zhǔn)。 2 辯I 犟緒論 ( 3 ) 艇充分剝羯P C 楓懿資源，皴大蜜量靜態(tài)存、裹速C P U 及其它硬饞。 ( 4 ) 具有更強(qiáng)酌數(shù)據(jù)處理能力。葙對(duì)于傳統(tǒng)P L C ，軟P L C 在C P U 、內(nèi)存 等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，尤其魑模擬量運(yùn)算戴用戶算法時(shí)，P C 的運(yùn)算性能通?？梢赃_(dá)到P L C 的l O 倍或更高。此外，軟P L C 能夠利用P C 機(jī) 翡較 孛平臺(tái)鏈瑾一些跑較復(fù)雜的數(shù)攆及數(shù)蠢類登，婦浮點(diǎn)數(shù)鞠字簿宰等。 ( 5 ) 具有友好的人機(jī)界面，便于操作。 ( 6 ) 具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。現(xiàn)在的控制系統(tǒng)普遍需要網(wǎng)絡(luò)通信功能或 連接以太網(wǎng)，這促使許多P L C 廠商要添加類似P C 的通信功能來(lái)保持競(jìng)爭(zhēng)力， 如以太網(wǎng)通信模板或端口。而P L C 連接以太網(wǎng)時(shí)通常會(huì)造成系統(tǒng)價(jià)格的升高， 在使用過(guò)程中也會(huì)受到技術(shù)因素限制，如實(shí)現(xiàn)設(shè)備層與管理層數(shù)據(jù)通信時(shí)會(huì)出 現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊瓶頸。相比之下，軟P L C 在網(wǎng)絡(luò)通信方面具有成本低、連接方便、 披術(shù)開放等特點(diǎn)。軟P L C 既可以與企業(yè)管理信息系統(tǒng)相連，便于企業(yè)的整合， 也可以監(jiān)控工廠的設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸以及在線監(jiān)控、編輯、仿真、調(diào)試 等功能。 ( 7 ) 能夠執(zhí)行比較復(fù)雜的控制算法。軟P L C 除了能夠完成傳統(tǒng)P L C 的P I D 調(diào)節(jié)和離散I O 控制外，還能進(jìn)行過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制。 ( 8 ) 節(jié)約成本和培訓(xùn)費(fèi)用由于軟P L C 具有開放的體系結(jié)構(gòu)，用戶不必拘泥 于廠家限制，可以根據(jù)需求，合理選擇硬件和軟件，以節(jié)約成本；由于軟P L C 遵循許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能節(jié)約人員培訓(xùn)費(fèi)用。 ( 9 ) 節(jié)省安裝空間軟P L C 技術(shù)能夠節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)的P L C 、電源、框架等設(shè)備， 對(duì)于控制距離較長(zhǎng)( 如汽車生產(chǎn)線) 或單機(jī)設(shè)備( 如注塑機(jī)) 等，采用軟P L C 技術(shù)，可以大大節(jié)省安裝空間。 但目前軟P L C 技術(shù)尚有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要解決和完善： ( 1 ) 設(shè)備的可靠性：能夠在高溫、振動(dòng)、溫差大等惡劣環(huán)境下工作。 ( 2 ) 實(shí)時(shí)性：能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)信號(hào)作出及時(shí)和確定性響應(yīng)，以防出現(xiàn)不測(cè)后果。 1 12 2 軟P L C 技術(shù)的體系結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)P L C 控制技術(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將P L C 連接起來(lái)，上位機(jī)對(duì)各個(gè)P L C 的 狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和分析，然后再將信息反饋到管理層，耗時(shí)較長(zhǎng)，通信不便。軟 P L C 控制技術(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備層與管理層的直接通訊，方便迅捷，能夠 實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理與控制信息的無(wú)縫集成。傳統(tǒng)P L C 與軟P L C 控制結(jié)構(gòu)【8 】血日?qǐng)D1 一l 和圖1 2 所示。 出圖1 3 可以看出，S o f t P L C 主要由W e b 服務(wù)器、F T P 服務(wù)器、T C P I P 通 傳統(tǒng)P L C 堂 通訊 I O 接口 模 C P U 塊 圖1 1 傳統(tǒng)P L C 的控制結(jié)構(gòu) F i g l - 1 C o n t r o lb l o c kd i a g r a mo f t r a n d i t i o n a lP L C S o n P L C 企業(yè) 網(wǎng)絡(luò)通信 C P UI 0 信息 1 ：n t 、廣t 模塊 P L C 模 管理 丁c P I P 指令 塊 系統(tǒng) F T P 解析 W e b 圖1 - 2 基于軟P L C 的控制結(jié)構(gòu) F i g l 2 C o n t r o lb l o c kd i a g r a mo fS o f t P L C 信協(xié)議組件、通訊驅(qū)動(dòng)接口、C C + + 程序組件、J a v a 程序組件等部分組成。W e b 服務(wù)器和F T P 服務(wù)器完成P L C 程序的更新、維護(hù)和工作狀態(tài)的查詢工作；T C P I P 通信協(xié)議組件管理S o f f P L C 與I n t e m e t 的連接；C C + + 程序組件與J a v a 程序組件 處理接收P L C 指令并進(jìn)行解析，并通過(guò)I 0 接口及設(shè)備接口去控制I O 設(shè)備、 接口卡及其他設(shè)備。 1 1 3 軟P L C 技術(shù)的應(yīng)用前景 軟P L C 采用開放式體系結(jié)構(gòu)，具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，能夠完成比較復(fù) 雜的控制任務(wù)，可以滿足和實(shí)現(xiàn)當(dāng)前和今后工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開放性和 柔性的要求，為將來(lái)工業(yè)自動(dòng)化向更高層次的集成提供了可靠的技術(shù)保障。軟 P L C 克服了傳統(tǒng)硬P L C 的諸多缺點(diǎn)，應(yīng)用于工業(yè)控制后，將會(huì)大大提高企業(yè)的 自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。因此，隨著軟P L C 技術(shù)的進(jìn)一步解決與完善，軟P L C 技術(shù)在冶金、電力、石油化工、機(jī)械、輕工、建材水泥、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械等般 工業(yè)領(lǐng)域中以及在環(huán)保工業(yè)、智能監(jiān)控等領(lǐng)域必將占有一席之地，具有十分，“ 闊的應(yīng)用前景，并產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 目前，全球基于P C 的自動(dòng)化解決方案的數(shù)量，正以每年2 0 的速度增長(zhǎng)。 4 圈1 - 3S o f l P L C 的軟件結(jié)構(gòu)原理圖 F i g l 一3 T h es o f t w a r eb l o c kd a i g r a mo fS o f t P L C 這是因?yàn)樵絹?lái)越多的自動(dòng)化任務(wù)，包括開環(huán)和閉環(huán)控制、運(yùn)動(dòng)控制等已經(jīng)加入 到典型的P C 任務(wù)( 數(shù)據(jù)處理和人機(jī)界面) 的范圍內(nèi)。通過(guò)將所有的功能集成于 P C 這個(gè)統(tǒng)一、開放的平臺(tái)上，可以減少安裝空間并節(jié)省電纜，還可以將復(fù)雜的 通信簡(jiǎn)單化，從而降低系統(tǒng)硬件和備件投資。 當(dāng)今自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)可歸納為：開放的標(biāo)準(zhǔn)、分布化智能和信息技術(shù)用 于自動(dòng)化。這一切都與P C 技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)。P C 的開放性保證了統(tǒng)一的丌 發(fā)環(huán)境、通用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的程序接口等成為自動(dòng)化策略的要素。采用基 于P C 的自動(dòng)化系統(tǒng)可以輕松集成第三方的軟、硬件產(chǎn)品，從而可增加系統(tǒng)的 靈活性，并降低系統(tǒng)集成、項(xiàng)目開發(fā)、培訓(xùn)和維護(hù)的費(fèi)用。 從目前國(guó)內(nèi)外基于P C 的自動(dòng)化的應(yīng)用，我們可以看出：其應(yīng)用場(chǎng)合在現(xiàn) 階段并非簡(jiǎn)單的以軟件P L C 去取代傳統(tǒng)的硬件P L C ，而是首先針對(duì)用戶工藝上 的特殊性，從解決用戶控制上的難點(diǎn)問(wèn)題出發(fā)，充分發(fā)揮P C 在處理速度、內(nèi) 存容量和易于擴(kuò)展等方面的優(yōu)勢(shì)，解決一些傳統(tǒng)的控制無(wú)法或難以解決的問(wèn)題， 提高生產(chǎn)率：其次是利用P C 無(wú)可比擬的丌放性和集成能力，滿足用戶增加系 統(tǒng)柔性和降低成本的需求。 目6 口基于P C 的軟P L C 系統(tǒng)的主要應(yīng)用有以下4 個(gè)方面一J 。 ( 1 ) 基于現(xiàn)場(chǎng)總線和分布式F O 的控制與人機(jī)界面相集成這主要運(yùn)用在 水處理、食品飲料、港口機(jī)械等行業(yè)。它的優(yōu)點(diǎn)是適合于緊湊空間下的安裝， 等亨烹號(hào)號(hào)暑案翼! 阜號(hào)亨壽寧宇是嬲燃嘗害亨! 卑譬亨麓等譬苧亨愛寰皇燃燃掣凳苧曼麓! 寰嬲刪糟! 罡! ! 舅鼉! 燃_ 黑一 節(jié)省電纜和硬件的投資；簡(jiǎn)化了控制器與人機(jī)界瓤的通信接西。：加硬了躉麗4 速度，辮穩(wěn)工程贊蘑；溺戶霹疆疆蠲V i s u a lB a s i c 西發(fā)蘺擎茲入援賽瑟并方穗縫 與控制器讖行通信，從_ 麗降低成本；通過(guò)O P C 通信可以使控制系統(tǒng)方便地檠成 第三方的人機(jī)界面，從而提高系統(tǒng)的藏活性。 ( 2 ) 擦鍘與數(shù)據(jù)姥壤犍集成纂予P C 斡軟P L C 系緩在這方囂其奄以下優(yōu) 勢(shì)：能夠充分翻菊P C 鞠計(jì)算和數(shù)掇縫理能力，邋合于需要占瀚大量?jī)?nèi)存的復(fù) 雜配方系統(tǒng)及物料跟蹤和批量處理系統(tǒng)；能夠充分利用P c 處理器的強(qiáng)大處理 功能，完成復(fù)雜或快速的控制算法，如在一個(gè)控制器上實(shí)現(xiàn)多個(gè)回路的P I D 調(diào) 節(jié)或一些磁戶童孑開發(fā)豹特豫接鍘冀法，適臺(tái)予數(shù)瓣鑫動(dòng)記錄、撿濺分毒囂懿控 制系統(tǒng)，在食品飲料、水處理、煙孳、倉(cāng)儲(chǔ)物流、稱量配料、試驗(yàn)仿真等行j I t 和系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。 ( 3 ) 控鍘系統(tǒng)集成運(yùn)動(dòng)控鍘稅頻系統(tǒng)幫快遴處理基予P C 的軟P L C 系統(tǒng)能夠完成用一般控鑭器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的快速運(yùn)動(dòng)箍鍘，它能夠通過(guò)c 陀+ 接口 與第三方的運(yùn)動(dòng)控制，視頻系統(tǒng)的軟、硬件和快遮I 0 模板相熊成，完成特殊 的工藝要求。這在汽舉行業(yè)、包裝楓械、注塑機(jī)、裝瓶機(jī)、探傷撿測(cè)設(shè)備、機(jī) 器天等露篷褥爨了廣泛翁應(yīng)蠲。 ( 4 ) 控制與企業(yè)辦公系統(tǒng)相集成在這個(gè)方面，軟P L C 系統(tǒng)具有傳統(tǒng)P L C 無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。軟P L C 系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口( 如A c t i v e X 、O P C ) 直接與 企業(yè)的辦公鴦動(dòng)化軟件E x c e l 、A c c e s s 相連接，同瓣連接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)藤辦公掰絡(luò)俸 為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成平臺(tái)，為企監(jiān)資源計(jì)鞠( E R P ) 釃豢造撬行系統(tǒng)( M E S ) 提供實(shí)時(shí) 的工況數(shù)搬，同時(shí)軟P L C 系統(tǒng)還能夠連接企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)I n t r a n e t 和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng) I n t e m e t ，為企業(yè)未來(lái)的電子商務(wù)提供準(zhǔn)確和及時(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。 1 2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)震趨勢(shì) 1 ，2 辮外硬突現(xiàn)狀 設(shè)備W 靠性不高和實(shí)時(shí)性不強(qiáng)一贏是阻礙軟P L C 技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域推廣 應(yīng)用的關(guān)鍵所在。目前，設(shè)備可靠性問(wèn)題已經(jīng)基本解決，工業(yè)P C 、接口板、控 裁卡鼙霞瓣霜，并采瓣了較高靜稼轤警緩鞠貉凈舞、藏豢動(dòng)、瓣瘸、電磁兼容 性設(shè)計(jì)，設(shè)備可靠性已大大提高。 隨著微軟公司W(wǎng) i n d o w sN T 操作系統(tǒng)的發(fā)布，實(shí)時(shí)性問(wèn)題也綦本上得到了 鰓決。爨雋W i M o w sN T 操作系統(tǒng)楚一令可靠瞧較褰的開發(fā)乎螽， 豢逶鯔予 工廠控制領(lǐng)域，但W i n d o w sN T 只邋用于軟實(shí)時(shí)羧制，并不適髑于硬實(shí)時(shí) 稍。 第1 犖緒論 為使軟P L C 技術(shù)完全能夠應(yīng)用于工業(yè)控制，現(xiàn)在工業(yè)界提出了三種普遍的解決 方案： ( 1 ) 將W i n d o w s N T 操作系統(tǒng)與實(shí)時(shí)內(nèi)核結(jié)合起來(lái)這種方法實(shí)質(zhì)上是將 W i n d o w s N T 操作系統(tǒng)變成實(shí)時(shí)內(nèi)核的服務(wù)者，實(shí)時(shí)內(nèi)核所有的控制和實(shí)時(shí)功能 都比W i n d o w sN T 應(yīng)用程序有更高的優(yōu)先級(jí)。 ( 2 ) P L C 系統(tǒng)運(yùn)行于嵌入式操作系統(tǒng)】如S O F T P L C 公司的實(shí)時(shí)運(yùn)行內(nèi) 核- - S o f t P L C 。 ( 3 ) P L C 系統(tǒng)運(yùn)行于經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的W i n d o w sN T 操作系統(tǒng) 擴(kuò)展后的 W i n d o w s N T 操作系統(tǒng)是在原有W i n d o w s N T 操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上丁f = 發(fā)出的一套實(shí)時(shí) 內(nèi)核，如S t e e p l e c h a s e 公司的V L C 采用了R a d i s y s 公司的I N t i m e 硬實(shí)時(shí)操作系 統(tǒng)。 在上述方法中，工業(yè)控制領(lǐng)域運(yùn)用最多的是第二種和第三種方案?，F(xiàn)有的 可以運(yùn)行S o f t P L C 的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)很多，主要有以下兩類【l0 1 ： 一類是依靠W i n d o w sN T 操作系統(tǒng)，包括W i n d o w sN T 操作系統(tǒng)、 N T + l m a g i n a t i o nS y s t e m s 公司的H y p e r k e m e l 、N T + R a d i s y s 公司的I N t i m e 、N T + V e n t u r C o m 公司的R T X 。 另一類是獨(dú)立于N T 的操作系統(tǒng)，包括S u n 微系統(tǒng)公司的J a v a 、Q N X 公司 的Q N XR T O S 、R o c k w e l l A l l e n B r a d l e y 公司的C o n t r o l w a r e 、W i n dR i v e rS y s t e m 公司的T o r n a d o 、S O F T P L C 公司的實(shí)時(shí)運(yùn)行內(nèi)核S o f l P L C 。 目前，國(guó)外市場(chǎng)上出現(xiàn)了不少軟P L C 產(chǎn)品，有些已經(jīng)丌始投入使用，下面 是一些典型的應(yīng)用產(chǎn)品。 ( 1 ) S O F T P L C 公司的S o f t P L C I l 列 S o f t P L C 它是基于P C 機(jī)的開放式控制 軟件，具有丌放的控制平臺(tái)，用戶能夠根據(jù)自己的需求來(lái)選擇硬件。它能夠作 為嵌入式3 2 位實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核在3 8 6 、4 8 6 、P e n t i u m 其它x 8 6 兼容C P U 平臺(tái) 上運(yùn)行，能夠控制多于1 6 K 個(gè)I O ，支持?jǐn)?shù)字、模擬及特殊的I O ，支持用戶用 梯形圖和C 、c + + 、J a v a 等高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫自己的函數(shù)。此外，S o f t P L C 內(nèi)嵌 W e b 和F T P 服務(wù)器，用戶可進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和監(jiān)控。S o f l P L C 是一個(gè)獨(dú)立于 W i n d o w s 的操作系統(tǒng)，從D O S 將S o f l P L C 裝入內(nèi)存后，S o f l P L C 即可控制C P U 。 ( 2 ) S j E M E N S 公司的S I M A T I Cw i n A C 州 S I M A T I CW i n A C 是基于 W i n d o w s 平臺(tái)的控制軟件，具有可視化人機(jī)界面，它將控制、數(shù)據(jù)處理、通信 等技術(shù)集于一體。w i n A c 能提供標(biāo)準(zhǔn)的A c t i v e X 控件用于標(biāo)準(zhǔn)化軟件包( 如 V i s u a lB a s i c 或O f f i c e ) 對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存取。W i n A C 采用了V e n t u r C o m 公司 提供的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為W i n d o w s N T 的擴(kuò)展，具有“硬實(shí)時(shí)”的特性。W i n A C 具有開放的丌發(fā)環(huán)境，支持用戶在控制程序中嵌入C C + + 代碼，能夠訪問(wèn)外部 硬件和軟件組件。此外，它還具有在線調(diào)試功能，編程人員無(wú)須連接P L C 即可 在本機(jī)實(shí)現(xiàn)S t e p7 程序、人機(jī)界面程序及通訊程序的在線調(diào)試。 ( 3 ) C JI n t e m a t i o n l 公司的I S a G R AF I l 4 1 I S a G R A F 能夠在W i n d o w s ，W i n C E ，M S D O S ，O S 一9 ，Q y XV 4 2 5 D ，R T X ，V x W o r k s 等多種操作系統(tǒng)下運(yùn)行， 具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，包括數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)、在線調(diào)試、應(yīng)用 程序下載以及支持運(yùn)行于多個(gè)目標(biāo)上的控制程序間的通訊，并具有圖形化開發(fā) 界面，全面支持I E C 一6 1 1 3 1 標(biāo)準(zhǔn)的5 種語(yǔ)言和流程圖語(yǔ)言，支持高級(jí)數(shù)學(xué)函數(shù)、 矩陣、串操作、O D B C 、D C S 函數(shù)，支持用戶用C 語(yǔ)言編程，支持布爾型、數(shù) 字型( 整型，實(shí)型) 、定時(shí)器型、多維矩陣吼及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和各種變量的結(jié)合使用。 除了上述典型產(chǎn)品外，還有許多自動(dòng)化公司也推出了自己的產(chǎn)品，如 W e l l s p r i n gS o l u t i o n s 公司的O A 2 C o n t r o l ，G EF A N U C 公司的C I M P L I C I T Y ”J ， I m e l l u t i o n 公司的P a r a d y m 3l ，S T E E P L E C H A S ES O F T W A R E 公司的V L C ， R o c k w e l lA u t o m a t i o n 公司的S o f t L o g i x T M5C o n t r o l l e r ，W o n d e r w a r e 公司的 I n C o n t r o l r M 7 1 1 1 6 l ，它們?cè)诩夹g(shù)和應(yīng)用上都有各自的特點(diǎn)。 1 2 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)在這方面也開展了部分基礎(chǔ)技術(shù)研究工作，但起步較晚，至今尚 未有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。 東南大學(xué)刀：發(fā)的面向D C S 控制組態(tài)軟件中包含一些軟P L C 功能，它只是 D C S 系統(tǒng)的一部分，不能獨(dú)立運(yùn)行7 l 。華中科技大學(xué)對(duì)軟P L C 技術(shù)進(jìn)行了大 量的研究，取得了一定的成果。機(jī)械系開發(fā)的數(shù)控內(nèi)嵌式P L C 具有軟P L C 的 特點(diǎn)，但功能單一，不能作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，且無(wú)聯(lián)網(wǎng)通訊能力【l ”。國(guó)家數(shù)控 系統(tǒng)工程與研究中心開展了開放式數(shù)控系統(tǒng)中的軟件P L C 技術(shù)研究，提出了一 種基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的嵌入式軟件P L C 子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，給出了一個(gè)軟件 P L C 的結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)P L C 的梯形圖程序編程環(huán)境、梯形圖程序與語(yǔ)言程序的 相互轉(zhuǎn)換、P L C 程序執(zhí)行等軟件部件的設(shè)計(jì)和開發(fā)進(jìn)行了研究1 1 9 o 清華大學(xué)制 造工程研究所研制了一種基于R T L i n u x 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件P L C ，既可以作為 一個(gè)獨(dú)立模塊和不同的C N C 系統(tǒng)協(xié)同工作，也可以嵌入到T H H P I I 型數(shù)控系 統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，其實(shí)時(shí)性和可靠性已經(jīng)在國(guó)產(chǎn)T H M 5 6 6 0 H 和 T H 5 4 5 6 立式加工中心上得到了驗(yàn)證【2 0 】。此外，西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、 北京工業(yè)大學(xué)也在這方面作了一些基礎(chǔ)研究工作。 1 2 3 軟P L C 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 據(jù)眾多專業(yè)機(jī)構(gòu)及P L C 生產(chǎn)廠商預(yù)測(cè)，到2 0 1 0 年，基于P C 的自動(dòng)化在控 制系統(tǒng)中將占有3 0 的份額，其發(fā)展趨勢(shì)如圖1 - 4 所示【2 1 。 幽1 4P C 機(jī)應(yīng)川丁控制系統(tǒng)的趨勢(shì)幽 F i g l - 4D e v e l o p m e n tt r e n dm a po f P C - b a s e dc o n t r o ls y s t e m 近年來(lái)，軟P L C 已開始投入工業(yè)使用，而且市場(chǎng)份額每年都在增加。根據(jù) A R C 的調(diào)查和估計(jì)，1 9 9 7 年全球的軟P L C 市場(chǎng)有3 千6 百萬(wàn)美元，到2 0 0 0 年 軟P L C 的市場(chǎng)達(dá)到了l 億4 千5 百萬(wàn)美元，2 0 0 1 年差不多又增長(zhǎng)了一倍。但是， 出于軟P L C 產(chǎn)品還存在一些問(wèn)題，傳統(tǒng)P L C 已經(jīng)占據(jù)市場(chǎng)3 0 多年，產(chǎn)品非常 成熟，這使得不少用戶對(duì)于是否采用軟P L C 產(chǎn)品還心存疑惑。 由于軟P L C 產(chǎn)品還不成熟，在今后幾年內(nèi)，軟P L C 產(chǎn)品需在以下幾個(gè)方面 得到完善 2 1 2 7 】： ( 1 ) 進(jìn)一步提高系統(tǒng)開放性現(xiàn)在的軟P L C 產(chǎn)品大多是基于W i n d o w s 系 統(tǒng)，并不支持其他操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序；在沒有丌放式硬件和軟件的支持下， 并不能保證產(chǎn)品的丌放性；不允許用戶更改底層控制算法：不嚴(yán)格遵守一些適 用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)等。 ( 2 ) 進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性與實(shí)時(shí)性的關(guān) 鍵在于提高操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。現(xiàn)有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠基本滿足工業(yè)控制的 需要，隨著一些實(shí)時(shí)性更高的操作系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，必將會(huì)大大增強(qiáng)軟P L C 系 統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。 ( 3 ) 進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通訊能力和與第三方軟件的整合性隨著網(wǎng)絡(luò)科技的 發(fā)展，良好的通訊能力已成為現(xiàn)代工業(yè)控制所必備的功能，遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程滲 斷、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理等功能都將得到加強(qiáng)?？刂栖浖?wèn)的協(xié)同工作能力是衡量丌 放式控制系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。進(jìn)一步加強(qiáng)各種控制軟件間的數(shù)據(jù)交換能力是 提高控制系統(tǒng)性能的重要手段。 北京：E 業(yè)人掌工學(xué)頓L 論史 ( 4 ) 避一步搬強(qiáng)和改善企業(yè)整合熊力 工廠控制與企業(yè)管理的整臺(tái)是工業(yè) 控翻領(lǐng)域的一靜趨勢(shì)。軟P L C 控馥系統(tǒng)可以通過(guò)以太霸或T C W t P 連接羈企1 2 信息系統(tǒng)，與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將設(shè)備運(yùn)行狀況，產(chǎn)品質(zhì)量等與控制過(guò)程棚關(guān) 的詳細(xì)信息反饋給企業(yè)信息系統(tǒng)。 1 3 課題的主要研究?jī)?nèi)容 諜題的研究?jī)?nèi)容主器露以下幾個(gè)方蘧： ( 1 ) 建立襲P L C 系統(tǒng)平臺(tái)磷究襲設(shè)詩(shī)較P L C 鼴藩系綣毒奄翻系統(tǒng)乎臺(tái)。 根據(jù)軟P L C 的結(jié)構(gòu)體系及系統(tǒng)特點(diǎn)，開發(fā)軟P L C 集成編輯開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng) 能夠?qū)崿F(xiàn)P L C 程序的編輯、編譯、仿真、運(yùn)行和對(duì)程序運(yùn)行情況的監(jiān)控。此外， 浚系統(tǒng)其騫數(shù)攝瘁管理功鼴，能夠吃較方便縫實(shí)臻事l 宰曩志管理、特定事傳綴 警及用戶囂錄管理。 ( 2 ) 建立軟P L C 的編譯和測(cè)試機(jī)制采用C 語(yǔ)言對(duì)P L C 指令的解釋和翻 譯方法，邋過(guò)深入理解分析P L C 搬令，詎確解釋指令中的串并聯(lián)分支塊，分瓠 其中靛麓律，著采窩鏈褒或瑯?lè)は篥T灌，實(shí)臻P L C 指令靜解釋。 ( 3 ) 軟P L C 的實(shí)時(shí)和通訊機(jī)制研究軟P L C 的實(shí)時(shí)通訊機(jī)制，建立了相 應(yīng)的通訊協(xié)泌，包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和P C 機(jī)與下位機(jī)涮的數(shù)據(jù)通訊。通訊程序采 用W i n d o w s 多線程技零縭寫，戳攝舞逶猿酶實(shí)鼴瞧耪強(qiáng)巷性。 ( 4 ) 下位機(jī)的制作與調(diào)試及萁童三壽凡與下位枧的通訊及系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 下位機(jī)主 要出單片機(jī)束實(shí)現(xiàn)，主機(jī)與下位機(jī)j 靛行通訊，以實(shí)現(xiàn)控制外部設(shè)備和控制信息反 饋的功能。 O 第2 章軟P L O 系統(tǒng)的工作原理與實(shí)現(xiàn) 2 1P L C 的結(jié)構(gòu)與工作原理 可編程控制器是一種以微處理器為核心的用于工程自動(dòng)控制的工業(yè)控制 機(jī)，其本質(zhì)是一臺(tái)工業(yè)控制專用計(jì)算機(jī)。1 9 8 5 年1 月，國(guó)際電工委員會(huì)頒布了 可編程控制器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案，對(duì)P L C 做了如下定義： “可編程控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電 子系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控 制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸 出，控制各種類型的機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程，可編程控制器及其有關(guān)設(shè)備都應(yīng) 按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)?！?2 1 1P L O 的結(jié)構(gòu) P L C 是由中央處理器( C P U ) 、存儲(chǔ)器、輸入輸出單元、編程器、電源和 外部設(shè)備組成，如圖2 1 所示。P L C 的硬件設(shè)備采用模塊化的方式，便于用戶 按需要組合，其各部分都用總線式結(jié)構(gòu)2 8 1 。 數(shù)一量 模擬盛 輸 入 模 塊 編程器 L 羔叫U 到 圖2 1P L C 的基本組成框圖 F i 9 2 1 S t r u c t u r a lb l o c kd i a g r a mo fP L C 外 部 設(shè) 備 翥瑟 北京工業(yè)丈學(xué)工學(xué)碩士論文 中央處理單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)部分的工作，它通過(guò)輸入 裝置將外設(shè)的狀態(tài)讀入弗按照用戶程序去處理，根據(jù)處理結(jié)果通過(guò)輸出裝置去 控制外設(shè)。它的主要功能包括以下幾項(xiàng)：可接收并存儲(chǔ)從編程器送入的用戶程 序和數(shù)據(jù)；可以掃描方式接收現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)內(nèi)：按 掃描方式工作，從存貯器中逐條讀取指令，并存入指令寄存器中；將指令寄存 器的指令操作碼進(jìn)行譯碼，執(zhí)行指令規(guī)定的任務(wù)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，肩閉 有關(guān)控制門電路，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新有關(guān)標(biāo)志和輸出映象寄存器的內(nèi)容，以 實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表、打印或數(shù)據(jù)通訊：可進(jìn)行必要的監(jiān)控可故障自診斷【2 9 1 。 可編程控制器的存貯器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和數(shù)據(jù)。常用的 存貯器形式有C M O SR A M ，E P R O M ，E E P R O M 。P L C 中的存儲(chǔ)器分為三種： ( 1 ) 系統(tǒng)存貯器系統(tǒng)存貯器用以存貯制造廠家編寫的系統(tǒng)程序。所謂系 統(tǒng)程序是指控制和完成P C 機(jī)各種功能的程序，如控制器的監(jiān)控程序、基本指 令和功能指令翻譯程序、系統(tǒng)診斷程序、通信管理程序等。機(jī)器出廠時(shí)，廠家 把這些程序存入E P R O M 存貯器或E E P R O M 存貯器。用戶不能訪問(wèn)和修改系統(tǒng) 存儲(chǔ)器。 ( 2 ) 用戶存貯器用戶存貯器主要用束存放用戶的應(yīng)用程序。所謂用戶 程序是指使用者根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程和工藝要求編寫的控制程序。此程序 由使用者通過(guò)編程器輸入到P C 機(jī)的C M O SR A M 存貯器中，以便于用戶隨時(shí)修 改，也可將用戶程序存放在E E P R O M 中。為確保P C 機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，C M O S R A M 存貯器有預(yù)防電源掉電故障的鏗電池保護(hù)措施，以防電源掉電后破壞它的 存貯內(nèi)容。 ( 3 ) 數(shù)據(jù)存貯器數(shù)據(jù)存貯器用來(lái)存放P L C 的數(shù)據(jù)，包括輸入、輸出、 輔助繼電器狀態(tài)的映象區(qū)，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù) 寄存器和特殊功能寄存器等狀態(tài)的映象寄存器。由于數(shù)據(jù)在應(yīng)用中是經(jīng)常變化、 經(jīng)常存取的，因此數(shù)據(jù)存貯器一般選用C M O SR A M ，以滿足隨機(jī)存取的要求。 輸入輸出接口是C P U 與現(xiàn)場(chǎng)與現(xiàn)場(chǎng)I O 裝置或其他外部設(shè)備之間的連接部 件，包括輸入隔離和輸入選擇器、輸出鎖存器和驅(qū)動(dòng)電路，以及輸入輸出顯示 電路。輸入輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程連接的接 【 。現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)，如按鈕丌關(guān)、行程開關(guān)、限位開關(guān)以及傳感輸出的開關(guān) 量或模擬量( 壓力、流量、溫度、電壓、電流) 等，都要通過(guò)輸入模塊送到P L C 。 由于這些信號(hào)電平各式各樣，而可編程控制器C P U 所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電 平，所以輸入模塊還需將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成C P U 能夠接收和處理的數(shù)字信號(hào)。輸 出模塊的作用是接收中央處理器處理過(guò)的數(shù)字信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部 件所能接收的控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)如電磁閥、燈光顯示、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？删?第2 章軟P L C 系統(tǒng)的工作原理與實(shí)現(xiàn) 程控制器有多種輸入輸出模塊，其類型有數(shù)字量輸入輸出模塊和模擬量輸入輸 出模塊。這些模塊上都帶有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)鎖存電路。數(shù)字量輸入模塊 帶有光電耦合電路，其目的是把P L C 與外部電路隔離開來(lái)，以提高P L C 的抗 干擾能力。數(shù)字量輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模 擬量輸入輸出模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量一數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，即A D 或D A 轉(zhuǎn) 換。由于工業(yè)控制系統(tǒng)中有傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一些信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量， 因此這些模擬量必須通過(guò)模擬量輸入輸出模塊與P L C 的中央處理器連接。 編程器作為P L C 的重要外設(shè)，用于用戶程序的編制、編輯、調(diào)試檢查和監(jiān) 視。它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可 與打印機(jī)或磁帶機(jī)相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來(lái)或存放在磁帶上， 磁帶上的信息可以重新裝入P L C 。 編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種。編程工作方式是在P C 機(jī)處于停 機(jī)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行編程。它的功能主要是輸入新的程序，或者對(duì)已有的程序予 以編輯和修改。監(jiān)控工作方式可以對(duì)運(yùn)行中的控制器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤， 一般可以對(duì)某一線圈或觸點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，也可以對(duì)成組器件的工作狀 態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，還可以跟蹤某一器件在不同時(shí)間的工作狀態(tài)。除搜索、監(jiān)視、跟 蹤外，還可以對(duì)一些器件進(jìn)行操作。因此編程器的監(jiān)控方式對(duì)控制器中新輸入 程序的調(diào)試與試運(yùn)行是非常有用和方便的。編程器的結(jié)構(gòu)一般包括顯示部分與 鍵盤部分。 P L C 的基本軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件決定P L C 的功能， P L C 的硬件通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。系統(tǒng)軟件一般包括：操作系統(tǒng)、 編程語(yǔ)占系統(tǒng)、各功能軟件等。用戶軟件大多由編程器進(jìn)行編程，語(yǔ)言采用梯 形圖( L D ) 、指令表( I L ) 、順序功能圖( S F C ) 和高級(jí)語(yǔ)言。 2 1 2P L C 的工作原理 P L C 的工作過(guò)程是周期掃描的工作過(guò)程。用戶程序通過(guò)編程器或其它輸入 設(shè)備輸入存放在P L C 的用戶存儲(chǔ)器中。當(dāng)P Cl 丌始運(yùn)行時(shí)，C P U 根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)拎 程序的規(guī)定順序，通過(guò)掃描，完成各輸入點(diǎn)的狀態(tài)采集或輸入數(shù)據(jù)采集、用戶 程序的執(zhí)行、各輸出點(diǎn)狀態(tài)更新、編程器鍵入響應(yīng)和顯示更新及C P U 自檢等功 能f 3 0 】。P L C 的循環(huán)掃描工作原理圖如圖2 2 所示。 P L C 的工作過(guò)程分為三個(gè)階段進(jìn)行，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸 出控制階段。 P L C 在輸入采樣階段，首先掃描所有端子，并將各輸入存入內(nèi)存中各對(duì)應(yīng) 地址 圖2 - 2P L C 循環(huán)掃描原理幽 F i 9 2 2P r i n c i p a ld i a g r a mo fP L Cr o u n ds c a n n i n g 的輸入映像寄存器。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，在這個(gè)階段，輸入映像寄存器與 外界隔離，無(wú)論信號(hào)如何變化其內(nèi)容保持不變直到下一個(gè)掃描周期。 在程序執(zhí)行階段，P L C 會(huì)按照先左后右，先上后下的順序?qū)Τ绦蜻M(jìn)行逐句 掃描。當(dāng)指令中存在輸入輸出指令時(shí)，P L C 從輸入映像寄存器中讀入上一階段 的狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對(duì)應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后進(jìn)行相 應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果存入元件映像寄存器中。 在輸出刷新階段，在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有輸出繼 f 乜器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存寄存器中，通過(guò)一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 圖2 3 是P L C 的工作過(guò)程示意圖。 1 。篤。，蘆，I k 上二j 牝求二= 丑一I 輸入采樣階段程序執(zhí)行階段輸i I 刷新階段 幽2 - 3P L Cl ? 作過(guò)程示意幽 F i 9 2 3D i a g r a mo fP L Co p e r a t i o np r o c e s s 1 4 2 2 軟P L C 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 從P L C 的定義可以看出可編程控制器是一種計(jì)算機(jī)，它是專為在工業(yè)環(huán)境 下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)算機(jī)。可編程控制器的控制任務(wù)是在其硬件的支持下， 通過(guò)執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這一點(diǎn)是和計(jì)算機(jī)的工作原理是 一致的。 軟P L C 是傳統(tǒng)P L C 的另一種實(shí)現(xiàn)方式，通過(guò)P C 機(jī)和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)P L C 的 邏輯和控制功能，因此軟P L C 也是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。軟P L C 借助于P c 機(jī)豐富 的資源，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)P L C 的硬件所完成的功能。從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 角度來(lái)看，軟件和硬件在邏輯功能上是等效的，軟件實(shí)現(xiàn)的功能可以用硬件或 固件來(lái)完成：硬件實(shí)現(xiàn)的功能可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，只是其性能、價(jià)格、實(shí)現(xiàn)難 易程度、可擴(kuò)展性等不同而已。 軟P L C 與傳統(tǒng)P L C 相比，7 f 放性的體系結(jié)構(gòu)，能夠完成復(fù)雜的控制任務(wù)， 高效的數(shù)據(jù)處理和通信能力尤其是網(wǎng)絡(luò)通訊能力是其顯著的特點(diǎn)。這些都是借 助于P C 機(jī)的軟硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 軟P L C 的體系結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)P L C 的結(jié)構(gòu)類似，總體上分為兩個(gè)部分：編輯丌 發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)。 編輯開發(fā)系統(tǒng)主要完成P L C 程序的編輯、編譯、仿真和監(jiān)控。軟P L C 編輯 _ 丌= 發(fā)系統(tǒng)相當(dāng)于傳統(tǒng)P L C 的編程器。它能夠借助P C 機(jī)的軟件資源實(shí)現(xiàn)可視化 編程界面，提供友好的操作環(huán)境；對(duì)于I E E 6 1 1 3 1 - 3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的五種P I 。c 標(biāo)準(zhǔn) 編程語(yǔ)言，在P C 機(jī)上都能比較容易的實(shí)現(xiàn)，消除了各P L C 廠家編程語(yǔ)言長(zhǎng)期 以來(lái)的不統(tǒng)一，減輕了用戶的負(fù)擔(dān)；容易完成復(fù)雜的控制任務(wù)；易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò) 通訊和數(shù)據(jù)傳輸。 軟P L C 的運(yùn)行系統(tǒng)是套I O 接口板即下位機(jī)。下位機(jī)的主要功能是接收 丌發(fā)系統(tǒng)編譯過(guò)的程序，并按照傳統(tǒng)P L C 的工作過(guò)程運(yùn)行。P C 機(jī)與下位機(jī)問(wèn) 的通汛要完成兩個(gè)任務(wù)：P C 機(jī)將程序下載到下位機(jī)和下位機(jī)將各I O 口數(shù)據(jù)傳 輸給P C 機(jī)。下位機(jī)的軟件系統(tǒng)相當(dāng)于傳統(tǒng)P L C 的系統(tǒng)程序，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的 運(yùn)行和控制，主要包括指令的翻譯、程序執(zhí)行、輸入輸出映像區(qū)的刷新和通訊。 能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊是軟P L C 相對(duì)于傳統(tǒng)P L C 的一大特點(diǎn)。因此網(wǎng)絡(luò)通訊是 軟P L C 的基本功能。軟P L C 的網(wǎng)絡(luò)通訊功能包括兩個(gè)方面：P C 間的網(wǎng)絡(luò)通訊 和P C 機(jī)與下位機(jī)間的網(wǎng)絡(luò)通訊。p C 問(wèn)的網(wǎng)絡(luò)通訊主要是與企業(yè)信息系統(tǒng)進(jìn)行 數(shù)據(jù)通訊，以完成企業(yè)級(jí)與工廠級(jí)間信息的無(wú)縫整合。出于P C 機(jī)層面J 二的網(wǎng) 絡(luò)通訊平臺(tái)已經(jīng)比較成熟，所以可以借助予現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、通訊協(xié)議和開發(fā) 工具來(lái)完成P C 間的數(shù)據(jù)通訊。P C 機(jī)和下位機(jī)間的數(shù)據(jù)通訊主要是進(jìn)行P L C 程 北京T 業(yè)大學(xué)= 學(xué)碩士論文 罷羅! 暑曼宇是豈亨景暑亨雩墨舅號(hào)曼罟景號(hào)亨等苧號(hào)旱號(hào)皇寶號(hào)墨黑曼曼曼皇! ! 寰! ! 曼墨! s ! ! ! 苧! 邕篡 序、控制指令和各I ，o 狀態(tài)的傳輸。這方面的通訊茬卞研麗覆肴麗瓦可麗礦 平臺(tái)和通訊協(xié)議，需要從底層丌發(fā)通訊協(xié)議。圖2 4 是軟P L C 的結(jié)構(gòu)原理圖。 眄網(wǎng) 蚓 運(yùn)行系統(tǒng) l 回 l ! ! Q 塑剛 P C 機(jī)I 0 控制板 圖2 - 4 軟P L C 的結(jié)構(gòu)原理閏 F i 9 2 4 S t r u c t u r a ld i a g r a mo fS o f f P L C 2 3 軟P L C 系統(tǒng)的工作原理 外 部 設(shè) 備 軟P L C 的工作過(guò)程與傳統(tǒng)P L C 類似。用戶首先在P C 機(jī)上使用軟P L C 編 輯丌發(fā)系統(tǒng)編寫P L C 程序，然后進(jìn)行編譯和仿真，在確定無(wú)誤后下載到下位機(jī) 上。下位接收到程序后，進(jìn)行解釋，然后按照傳統(tǒng)P L C 的工作原理和方式運(yùn)行。 P C 機(jī)上的編輯開發(fā)系統(tǒng)可以監(jiān)控下位機(jī)各I O 口的狀態(tài)。 在軟P L C 運(yùn)行過(guò)程中，軟P L C 的工作原理同傳統(tǒng)P L C 的工作原理相同， 也采用循環(huán)掃描工作方式。在工作過(guò)程中，采用集中采樣、集中輸出的工作方 式，減少了外界干擾。在一個(gè)掃描周期內(nèi)，軟P L C 將輸入端上的輸入信號(hào)采集 到輸入狀態(tài)映像區(qū)，通過(guò)執(zhí)行用戶的程序，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電 路控制相應(yīng)的外部設(shè)備。由于軟P L C 系統(tǒng)程序的執(zhí)行是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程， 所以軟P L C 采用