（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式plc的设计与研究.pdf

o ：7 一二 西华大学学位论文独创性声明 j i i ii i ii iiii iii i ii ii i i ； y 17 5 0 2 3 6 7 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 、 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：孑鼢苏 日期： 劢，口、小印 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：删指导教师签名： 日期： 似。二口、占- 刍。 日期纱f 矿6 1 白俦 r v勿。 耄a 签， 刹纱 导期 指日 西华大学硕士学位论文 摘要 可编程控制器( p l c ) 因其编程简单、可靠性高、适应性强等特点，得到了极其广 泛的应用。但随着技术的发展，其局限性也凸现：如兼容性差、计算能力不强等。因此 使用p c 机作为硬件支撑平台、利用软件实现标准p l c 的基本功能的软p l c 技术应运 而生；软p l c 提供了p l c 的相同功能，并且具有开放的体系结构、丰富的指令集和控 制模块、更强的数据处理能力和强大的网络通讯能力。但是p c 机缺乏p l c 的实时性和 坚固性，可靠性不如p l c 。设计一种新型的p l c ，既具有常规p l c 的可靠性、实时性， 又具有软p l c 的开放性以及强大的功能，是当今面临的课题。 嵌入式p l c 使用嵌入式技术作为其平台，强化过程控制的运算能力，提供开放式 扩展结构，融合嵌入板的特点，发扬p l c 梯形图语言优势，同时也具有p c 机的开放性 等诸多的优点，为对象控制问题的解决提供了一个通用开发平台。 本文通过对国内外各种p l c 技术的分析，提出了一种基于嵌入式技术的p l c 设计 方案。该p l c 的硬件平台采用基于a r m 芯片的模块化设计，使系统具有良好的扩展能 力，用户可以根据现场控制需要来选择特定的功能模块自由组装；设计了丰富的通信接 口，可实现r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线以及以太网的通信，可完成各p l c 之间以及p l c 与底层设备之间的数据传输，方便用户组成p l c 控制网络；所设计的嵌入式p l c 采用 p c l m u x 嵌入式操作系统，并通过所设计的虚拟机( 即在嵌入式系统和用户程序之间加 入了一层抽象的虚拟的p l c ) 实现用户程序的编译执行，以增强系统的可移植性和通用 性；系统的监控平台采用国内的易控组态软件，通过h l t 锄e t 网络与p l c 进行通信。本 文还给出了基于以太网的驱动程序，实现所设计的嵌入式p l c 与易控组态软件的通信； 在嵌入式p l c 中建立了w e b 服务器，用户也可以通过浏览器来远程访问嵌入式p l c ， 以实现对现场设备的实时监控。 本文采用所设计的嵌入式p l c 设计了变频调速控制系统，完成了嵌入式p l c 对变 频器的控制，实现了该系统的上位监控和远程监控，整个系统运行良好，达到了预期设 计目标。实验证明本设计比较合理，有良好的实用价值。 关键词：嵌入武；p l c ；虚拟机；i l c l m u x ；组态软件，嵌入式w e b 嵌入式p l c 的设计与研究 a b s 仃a c t p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) h a sb e e nw i d d yu s e d , b e c a u s eo fi t ss i m p l y p r o g r a m m i n g ，h i g hr e l i a b i l i t ya d a p t a b i l i t y ，e t c ，b u t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，i t s l i m i t a t i o n sa r ea l s oh i g h l i g h t e d ：p o o rc o m p a t i b i l i t ya n dc o m p u t i n gc a p a b i l i t y s o ，a st h e ，h a r d w a r es u p p o r tp l a t f o r mo fp c - u s e d ，s o f tp l ch a sb e e ni n v e n t e d ，w h i c hu s i n gs o f t w a r e t e c h n o l o g yt oa c h i e v et h eb a s i cf u n c t i o n so ft h es t a n d a r dp l c s o f tp l cn o to n l yp r o v i d e st h e s a m ef u n c t i o n a l i t ya sp l c ，b u ta l s oh a sa no p e na r c h i t e c t u r e , m o r er i c hi n s t r u c t i o na n dc o n t r o l m o d u l e ，m o r es t r o n gd a t ap r o c e s s i n ga b i l i t ya n das t r o n gn e t w o r ko fc o m m u n i c a t i o n s h o w e v e r , p ci sl a c ko f t h ea b i l i t yo f r e a l - t i m ea n dc o n s i s t e n c y , r e l i a b i l i t y d e s i g n i n gan e w t y p eo f p l c i s t h ei s s u eo ft h er e s e a r c hn o w ，w h i c hn o to n l yh a sc o n v e n t i o n a la n dr e a l - t i m e , b u ta l s oh a sa n 、 o p e ns o f tp l ca n dp o w e r f u lf u n c t i o n e m b e d d e dp l cu s ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya si t sp l a t f o r m ，a n ds t r e n g t h e nt h ec o m p u t i n g c a p a b i l i t yo fp r o c e s sc o n t r o l ，o f f e ra no p e ne x t e n d e ds t r u c t u r e i th a sb e e ni n t e g r a t e dt h e c h a r t a c t e r i s t i c so fe m b e d d e dp l a t f o r i l la n dc a n yf o r w a r dt h ea d v a n t a g e so fp l cl a d d e r l a n g u a g ea n dt h ea d v a n t a g e so fp c o p e n ，e m b e d d e dp l cp r o v i d e sac o m m o nd e v e l o p m e n t p l a t f o r mf o rt h es o l u t i o no fo b j e c tc o n t r 0 1 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep l ct e c h n o l o g yi nt h eh o m ea n da b r o a d ，as o l u t i o ns c l i e m e o fe m b e d d e dp l cb a s e so nc m b c d d e dt e c h n o l o g yw a sp r o p o s e d t h ee m d e d d e dp l c s h a r d w a r ep l a t f o r ma d o p t e sm o d u l a rd e s i g no fa r m c h i p ，t h e nt h es y s t e mw i l lh a v eg o o d s c a l a b i l i t y 1 1 1 eu s e rc a ns e l e c ts p e c i f i cm o d u l e sf r e e l y b yd e s i g n i n gar i c hc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e , i tc a nb ea b l et oi nc o m m u n i c a t e 砸也o t h e r sb yr s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c j 蝌b u sa n d e t h e r n e t i tc a nc o m p l e t et h eu n d e r l y i n gd a t at r a n s f e rb e t w e e np l ca n dp l co rd e v i c e st o m a k et h eu s e rb u i l du pt h en e t w o r kc o n v e n i e n t l y t h ed e s i g no fe m b e d d e dp l cu s 鹤p c l i n u x e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，a n dd e s i g n e db yt h ev i r t u a lm a c h i n e ( t h a ti s ，e m b e d d e ds y s t e m s a n du s e rp r o g r a m sb ya d d i n gal a y e ro fa b s t r a c t i o nb e t w e e nt h ev i r t u a lp l c ) t oa c h i e v et h e i m p l e m e n t a t i o no f t h eu s e rp r o g r a mc o m p i l e dt oe n h a n c et h es y s t e m sp o r t a b i l i t ya n dv e r s a t i l i t y i n s p e ci su s e df o rm o n i t o r i n gp l a t f o r mo fe m d e d d e dp l c ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n e m b e d d e dp l ca n di n s p e c 谢也i n t e r n e t 皿ed r i v e ri sd e s i g n e dt h a tb a s e so nt h ee t h e m e t , t oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne m b e d d e dp l ca n di n s p e c u s e r sc a na l s or e m o t e l y a c e se m b e d d e dp l c b ye m b e d d e dw e bs e l v e r ，w h i c hi se s t a b l i s h e di nt h ee m b e d d e dp l c ， i tc a na c h i e v er e a l - t i m em o n i t o r i n go ff i e l dd e v i c e i nt h i sp a p e r ，af r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h ee m b e d d e d p i c ，a n di m p l e m e n t e dt h ec o n t r o lo fe m b e d d e dp l co nt h ei n v e r t e r , a n dc a r r i e do u tt h eu p p e r m o n i t o t i n ga n dr e m o t em o n i t o r i n g t h es y s t e mi sr u n n i n gw e l l - a n da c h i e v e d 也ed e s i r e d i i 西华大学硕士学位论文 o b j e c t i v e s t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h ed e s i g ni sr e a s o n a b l e ，a n dh a sah i g hv a l u eo f a p p l i c a t i o n ： k e yw o r d s ：e m b e d d e d ；p l c ；v i r u t a lm a c h i n e ；p c l i n u x ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ； e m b e d d e dw e b 嵌入式p l c 的设计与研究 目录 摘 要i a b s t r a c t ：】【i 1 1 者论1 1 1 研究背景和意义1 1 1 1p l c 的发展背景及现状。1 1 1 2 软p l c 的兴起及特点2 1 1 3 软p l c 的发展及存在的问题3 1 1 4p l c 的发展方向3 1 2 嵌入式p l c 技术4 1 2 1 嵌入式系统概述4 1 2 2 嵌入式p l c 的构成及特点5 1 2 3 嵌入式p l c 的网络通信能力7 1 2 4 嵌入式p l c 的现状与发展趋势。7 1 3 论文研究的主要内容9 1 3 1 嵌入式p l c 的基本定位。9 1 3 2 嵌入式p l c 的硬件构架及软件设计1 0 1 3 3 嵌入式p l c 的通讯接口功能实现1 2 1 3 4 嵌入式p l c 的远程监控功能1 3 1 4 本设计中的关键问题和解决方案j 1 4 1 5 本章小结1 5 2 嵌入式p l c 的硬件设计1 6 2 1 硬件设计的构架1 6 2 1 1 嵌入式p l c 的硬件设计要求1 6 2 1 2 嵌入式p l c 的硬件框架设计1 6 2 2 嵌入式p l c 的主机模块控制电路设计1 7 2 2 1嵌入式p l c 主机m c u 的选择1 7 2 2 2 电源电路设计1 8 2 2 3 系统时钟电路设计。j 1 9 2 2 4 系统复位电路设计1 9 2 2 5 存储器接口电路设计2 0 西华大学硕士学位论文 2 2 6i t a g 接口电路设计2 2 2 3本地i ，q 接口电路设计2 3 2 3 1开关量输入电路设计2 3 2 3 2 模拟量输入电路设计2 4 2 3 3 继电器输出电路设计2 4 2 3 4 晶闸管输出电路设计2 5 2 3 5 模拟量输出电路设计2 6 2 4 扩展的模块电路设计2 6 2 4 1 输入扩展模块设计2 6 2 4 2 输出扩展模块设计：j 2 7 2 5 嵌入式p l c 的i o 口的技术规范2 8 2 6 本章小结：2 9 3 嵌入式p l c 的软件系统设计3 0 3 1 嵌入式p l c 运行系统p l c 虚拟机的开发3 0 3 1 1p l c 虚拟机的开发平台的建立3 1 3 1 2p l c 虚拟机的设计3 6 3 2 嵌入式p l c 的编程平台的设计4 0 3 2 1嵌入式p l c 编程平台的设计。4 0 3 2 2 指令转换系统的设计与实现4 1 3 2 3嵌入式p l c 开发环境的应用4 3 3 3 本章小结4 4 4 嵌入式p l c 的网络通信接口设计4 5 4 1 r s 2 3 2 串行通信接口设计“4 5 4 2r 8 - 4 8 5 串行通信接口设计：4 5 4 3s p i 串行总线的设计：4 6 4 4 以太网控制器接口的设计_ 4 9 4 5 现场总线c a n 接口电路的设计5 2 4 5 1 c a n 总线的特点及应用5 2 4 5 2c a n 总线接口电路硬件设计5 4 4 5 3c a n 总线接口的软件设计：5 5 4 6 本章小结。：5 8 5 基于易控组态软件的嵌入式p l c 远程监控系统设计：5 9 v 嵌入式p l c 的设计与研究 5 1 易控组态软件的特点5 9 5 2 易控组态软件在嵌入式p l c 控制系统中的应用6 l 5 3 易控组态软件与嵌入式p l c 的数据交互6 1 5 3 1 基于易控和t c p 协议的嵌入式p l c 网络驱动程序设计6 2 5 3 2 嵌入式p l c 的网络通信程序设计6 8 5 4 基于易控组态软件的w e b 远程监控。7 l 5 5 本章小结：7 2 6 基于嵌入式w e b 技术的嵌入式p l c 远程监控实现7 3 6 1嵌入式w e b 服务器的实现7 3 6 1 1嵌入式w c b 系统原理。7 3 6 1 2 公用网关接口c g i 7 4 6 1 3 p c l i n u x 下b o a 服务器的移植7 5 6 2 基于嵌入式w c b 的嵌入式p l c 远程监控界面设计7 5 6 2 1w c b 服务器页面设计。7 5 6 2 2 数据交互路径二7 8 6 3 本章小结。7 8 7 嵌入式p l c 在电机调速系统中的应用一7 9 7 1 电机调速系统的整体方案，7 9 7 2 多段速调速及无级调速的实现k 8 0 7 3 基于易控组态软件的监控界面设计8 l 7 4p l c 应用程序编写一j 8 3 7 5 系统调试8 5 7 5 1基于嵌入式p l c 的下位机控制系统调试。8 5 7 5 2 嵌入式p l c 与易控组态软件的通信调试8 5 7 5 3 基于嵌入式p l c 的w e b 服务器调试。8 8 7 6 本章小结。- ：8 9 8 总结与展望- 9 0 参考文献：“。9 2 附录a电机调速梯形图程序。9 5 攻读硕士学位期间发表学术论文情况9 7 致谢。小。9 8 v i 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 ip l c 的发展背景及现状 可编程控制器( p l c ) 诞生于上世纪6 0 年代。长期以来，p l c 始终处于工业自动化 控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要 原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前 工业企业对自动化的需要。随着p l c 的不断发展，p l c 的应用已经扩大到各行各业，从 低端到高端，可谓是无所不在，同时也确立了它在工业控制领域的地位。但它同时也承 受着来自工业计算机控制( m c ) 、集散控制系统( d c s ) 和现场总线控制系统( f c s ) 的不断挑战。p l c 要想继续保持自己在控制系统的地位，就不得不改进、完善自己，以 不断适应市场的需要【l 】。 进入9 0 年代后期，由于用户对开放性的强烈要求和压力以及信息技术的大力推动， 在保留p l c 功能的前提下，p l c 采用了面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通 信接口，如以太网、高速串口等。另外，p l c 功能更加齐全，中大型的p l c 功能更加 完善，微型、小型p l c 将由整体式向模块式发展，配置更加灵活，体积更小，价位更 低等。 目前p l c 在自动化控制领域还是处于领先地位，但p l c 受到了包括工业p c 在内 的许多挑战。随着p l c 的进一步广泛应用，p l c 的缺点也进一步凸显：工控系统的控 制任务包括生产过程，逻辑控制，p i d 控制，行为控制，视图系统，维护，可视化过程， 人机界面( h m i ) 的设计，以及多层次集成结构，也包括企业资源管理规划( e r p ) 系统。p l c 属于封闭式架构，是一种基于专有架的产品，仅仅具备了制造商认为必要的性能。另外 p l c 性能依赖于专用硬件，应用程序的执行依靠专用硬件芯片实现，因硬件的非通用性 会导致系统的功能前景和开放性受到限制，由于是专用系统，其实时性、可靠性和功能 都无法与通用实时操作系统相比，这样导致了p l c 整体性能的专用性和封闭性。而在 测量仪器、s c a d a 、控制等领域，都属于不同系统，p l c 在做相关应用时必须有专用 的服务器、p c ，另外p l c 在彼此之间的联机必须通过特殊的设备或方式才能沟通。p l c 基于专有技术建立，缺乏方便的开放性、灵活性、可扩展性。 在当前的自动化应用领域里，对自动化控制系统已经提出了更高的要求，许多应用 需要有更高的循环速率，高级控制算法，更多模拟功能以及能更好地和企业网络集成， 嵌入式p l c 的设计与研究 因而使得工业控制计算机 p c 被应用到工业控制领域，这就是下文要讨论的基于p c 的软 p l c 。 1 1 2 软p l c 的兴起及特点 由于以上问题制约着p l c 的发展，因此近年来，工控领域的不少研究人员一直在寻 求着解决这些问题的途径。随着计算机软硬件技术的发展及p l c 国际标准i e c 6 11 3 1 3 的 制定，在计算机上以软件的方式来实现p l c 的功能成为了发展的热点，这也就是软p l c ( s o f tp l c ) 。 软p l c ，也叫软逻辑，是一种基于p c 机的开放结构的控制系统。软p l c 综合了计 算机和p l c 的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能，提 供了硬p l c ( 传统的p l c ) 的各种功能，同时具备了p c 的各种优点【2 1 。 ? 在这种控制应用方案中，系统的软件平台可以采用w i n d o w sn t 等，通用i o 板卡 和i o 接线端子板( 或现场总线卡、现场总线以及远程i o 模块) 负责与工业控制现场通 讯，采集来的输入信号被软p l c 运行系统处理，软p l c 开发系统( 编程器) 符合 i e c 6 1 1 3 1 3 语言标准，编写的控制应用程序被软p l c 运行系统解释执行，最后将处理 后的信号输出到控制现场( 本地或远程i o ) 完成相应的控制功能。如图1 1 所示【3 】。 i o 信号 图1 1 基于工业p c 机的软p l c 的控制方案 f i g 1 1 c o n t r o ls c h e m ef o rs o i t - p l cb a s e do n p c 基于p c 平台的软p l c 由于无需专门的编程器，因而可以充分利用p c 机的软硬件 资源，直接采用梯形图或指令语言编程，并具有友好的人机界面。相对传统p l c ( 即硬 p l c ) ，软p l c 解决了兼容性差、通用性差等问题，其特征是：在保留p l c 功能的前 提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的通信接口，它具有以下多方面的 优势： ( 1 ) 硬件体系结构不再是封闭的，用户可以自己选择合适的硬件来组成满足要求 的p l c ，而不受硬件平台的限制； 2 刍；戮粼冀 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 软p l c 不仅可以连接到私有的p l c 网络中，而且可以通过p c 连接到计算机 网络上，通讯能力得到了加强； ( 3 ) 由于软p l c 是基于i e c 6 11 3 1 3 标准，因此在掌握标准语言后开发比较容易； ( 4 ) 增强p l c 的功能特性，包括视频和高速浮点数字协处理器等，能够加入更加 复杂的控制算法； ( 5 ) 用于更复杂的控制领域，如在配方管理( r e c i p em a n a g e m e n t ) 或视觉检；! 贝l j ( v i s i o n i n s p e c t i o n ) 系统中能处理复杂应用。 1 1 3 软p l c 的发展及存在的问题 由于软p l c 具有兼容性、通用性、性价比高、易于与网络连接、编程方便等优点， 目前世界各国都在进行软p l c 的研究。国际上，已经有了一些比较成熟和影响比较大 的产品：如德国k w s o f e w a r e 公司的m u l t i p r o gw t 3 2 、倍福t w i n c a t 控制软件 n 血l c a tp l c 、法国c ji n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g 黜虾软件包、p c s o f ti n t e m a t i o n a l 公 司的w i n p l c 、美国w i z d o mc o n t r o li n t e l l u t i o n 公司的p a r a d y m 3 1 等等。而国内有关 部门和工控方面的公司也正在着手研究开发具有自主版权的中文软p l c 产品【4 】。 软p l c 技术相对于传统p l c ，以其开放性、灵活性和较低的价格占有很大优势。 它简化了工厂自动化的体系结构，把控制、通信、人机界面及各种特定的应用全都合为 一体，运用于同一个硬件平台上。另外，还能够缩短系统投放到市场的周期，降低系统 投资费用，提高从工厂底层到企业办公自动化的数据信息流动效率等。虽然软p l c 技 相对于硬p l c 有那么多的优点，但它也存在着一些问题【5 】： ( 1 ) 软p l c 首选的操作系统是w i n d o w sb i t ，但是它并不是一个硬实时的操作系 统，所以软p l c 在系统的实时性方面不如p l c 。 ( 2 ) 对低端应用，p l c 仍具有极大的性能价格比优势。 ( 3 ) p l c 的可靠性无可比拟，故障停机最少、加固型结构，相比基于p c 机的软 p l c ，更适合工业环境应用。 。 p l c 和软p l c 相比，各有各自的控制优势。随着控制越来越复杂，p l c 和基于i p c 的软p l c 之间的界线越来越模糊不清。未来一代的p l c 也会具有现在i p c 的一些特点。 1 1 4p l c 的发展方向 随着工业控制的需要，p l c 的未来发展趋势表现在：开放性、集成化、软件化等 几个方面： ( 1 ) 集成化：为了应对来自工业p c 控制的冲击，p l c 生产商正在把p c 的处理速 度快等优点和目前p l c 可靠稳定性等优点集中到一种新的p l c 产品中去。 3 嵌入式p l c 的设计与研究 ( 2 ) 软件方面：为了适应各种控制的要求，目前出现了面向顺序控制的步进编程 语言、面向过程控制的流程图语言，特别是与计算及兼容的高级语言( 如c 语言) 等， 使得p l c 程序编程更加方便。 ( 3 ) 在硬件方面：工业用户一般只关心p l c 的性能和价格。p l c 在硬件上的设计 可靠性是大家公认的。另外就是p l c 硬件的生命周期的延长，即当要求改变p l c 的资 源时，可对原p l c 扩展，而不是更换。所以p l c 的扩展灵活性是一个重要特点。它可 以根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。 它不仅可以通过增加输入输出卡件来增加点数，通过扩展单元模块来扩大容量和功能， 也可以通过多台p l c 的通信来扩大容量和功能。 ( 4 ) 网络通信方面：在现场总线底层通信网络的基础上，以太网大量地应用在p l c 系统。有些p l c 公司还打算把w e b 服务器嵌入到p l c 的设备中，利用p l c 与w e b 的 连接特性，用户不但可以从任何地方都可以监控控制系统的运行情况，而且还可以像利 用系统手册一样获取所需要的任何数据信息。 p l c 不但融合了现场总线技术，值得注意的是p l c 和d c s 这些原来处于不同硬件 平台的系统，正随着计算技术、通信技术和编程技术的发展，趋向于建立同一硬件平台， 运用同一个操作系统、同一个编程系统，执行不同的d c s 和p l c 功能。其中的关键技 术应该是嵌入式p c 系统及支持现场总线的i o ( 硬件) ，以及以i e c 6 1 1 3 1 3 为基础的 编程系统及强实时( h a r dr e a l t i m e ) 操作系统，也就是说将嵌入式技术应用到p l c 的设计 中，来弥补传统p l c 的不足 6 1 。 在工控领域内需要有一个良好的解决方案，以适应当今的需求。即在开放式的p l c 封装构架下，将p l c 的可靠性及稳定性和p c 的灵活性及其软件功能相结合起来，就产 生了基于嵌入式系统的p l c 。作为融汇了i p c 和p l c 的优点的嵌入式p l c 有明显的优 势，因此可以说将成为未来的工业控制方向。 1 2 嵌入式p l c 技术 1 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是一种嵌入到对象体系中的专用计算机系统，主要用于各种信号处理与 控制，目前已经在国防、国民经济及社会生活各领域广泛应用，工业控制、机器人等领 域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化进程、提高生产率等方面起到 了极其重要的推动作用。 嵌入式系统通常由嵌入式c p u 、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分 组成。嵌入式c p u 与通用c p u 的最大不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户 4 西华大学硕士学位论文 群设计的系统中。嵌入式c p u 通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，将通用 c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型 化。 嵌入式操作系统是嵌入式系统的一个重要组成部分，是嵌入式应用软件运行的软件 平台，能完成用户预期任务的计算机软件，是实现嵌入式系统功能的关键。 1 2 2 嵌入式p l c 的构成及特点 传统的p l c 可靠性高、体积小，但是资源较少，扩展能力不强，而基于p c 机的软 p l c 很好的弥补了传统p l c 的缺点，但是又缺少了其可靠性高、体积大不灵活的特点， 新一代的p l c 将集p l c 的可靠性和p c 开放的构架、多资源等特点于一体，涵盖p l c 用户的多种需要，包括p l c 的主要功能和强大的控制能力，以及p c b a s e d 控制中基于 对象的、开放数据格式和网络能力等功能。 嵌入式p l c 是指在特定的控制装置中实现p l c 梯形图编程语言的解释、执行，使 特定装置在自身专用功能基础上具有p l c 的基本功能。当我们在i p c 中嵌入p l c 的功 能时，我们称之为基于p c - b a s e d 的嵌入式p l c ，当我们在a r m 等芯片中嵌入p l c 功 能时，我们称它为嵌入式p l c ( 片级嵌入p l c ) 。基于嵌入式技术开发的p l c ( 简称嵌 入式p l c ) 继承了嵌入式系统体积小、反应快的优点，同时又克服了传统p l c 的一些 弊端，以p l c 梯形图语言为内核，强化过程控制的运算能力，提供开放式扩展结构， 增加网络互连功能：同时也结合了p c 优点：软件功能和灵活性、运算速度快、能处理 更复杂的控制算法等，为特定对象控制问题的解决提供了一个通用开发平台。 嵌入式p l c 建立在一定的操作系统平台上，通过软件方法实现传统p l c 的计算、 控制、存储以及编程等功能，通过i o 接口以及现场总线等物理设备完成现场数据的采 集以及信号的输出；并充分的发挥了操作系统的网络通信能力，实现p l c 与i n t e r n c t 网 络的连接，增强了p l c 的组网能力和通信能力。与传统p l c 的组成结构类似，嵌入式 p l c 系统一般由开发系统和实时运行系统两部分组成，是相互独立而又密不可分的两个 系统，可以分别单独运行【_ 7 1 。 开发系统基于p c 机，建立在w i n d o w s 操作系统平台之上，提供了p l c 应用程序 的编写及其编译调试环境。开发系统的作用是使用户可以利用标准的p l c 编程语言编 写特定的控制应用程序，同时提供测试仿真工具，用以调试控制程序的正确性。开发系 统包括编辑器、编译器、调试环境和通信接口等部分。用户在编辑器中进行p l c 语言 的编程，在编译器中进行编译，找出其中的语法错误，最终生成中间代码。应用程序编 写完并编译调试无误后下载到嵌入式p l c 中。 5 嵌入式p l c 的设计与研究 运行系统的作用是完成系统配置、输入信号处理、循环调用p l c 程序及控制信号 输出等操作，并且可以通过现场总线或t c p i p 通信协议与硬件层( i o ) 实现通信。为 了更好地支持实时运行系统，嵌入式系统一般要引入操作系统，嵌入式操作系统为实时 运行系统提供了启动代码、串行通讯接口、t c p i p 通信协议、调试接口等服务。 由嵌入式p l c 组成的系统，最明显的优势就是功耗低、专用性强、开放性好。它 具有传统p l c 和工业p c 机所没有的一些特性： ( 1 ) 高级控制。高级控制如模糊逻辑和神经网络等控制技术不仅需要强大的浮点 处理器，而且还需要占用大量的内存，嵌入式p l c 就可以满足这些条件。 ( 2 ) 实时分析。嵌入式p l c 可以实时地采集来自现场的模拟或数字信号，并且对 这些数据进行实时的分析，从而能有效地检测故障状态，如进行阶次跟踪和振动分析来 检测机器的运行状况。 ( 3 ) 安全性。p l c 在通过以太网发送的数据包是非加密的，所以它并不适合用于 防止黑客入侵。而嵌入式p l c 发送的数据包是可以加密的。虽然这并不是目前最需要 考虑的因素，但是未来安全性必然会成为一个重要的方面。 ( 4 ) 开放的通信接口。嵌入式系统与外界的接口设备是针对具体应用的设备，往 往具有特殊性，不同的应用领域之间差别很大。嵌入式p l c 为适应嵌入式分布处理结 构和网络需求，配备了标准的一种或多种网络通信接口，同时也需要提供相应的通信组 网协议软件和物理层驱动软件h j 。 ( 5 ) 提高生产率。一个通用的轻便控制引擎和综合工程开发的平台允许快速开发、 实施和迁移项目；并且，由于它的开放性和灵活性，确保了控制现场以及企业业务系统 之间的无缝连接，优化了工厂的流程，提高了生产效率。 ( 6 ) 降低了操作成本。由于使用了通用标准架构和网络，使用户能够从成本的角 度出发来选择不同的系统部件，而不是专有的产品和技术：只要求用户在统一的平台和 开发环境下培训，而不需要学习多种专用环境；为用户提供了一个无缝的迁移路径，减 少了用户在应用开发方面的投资。 嵌入式p l c 提出了一种以过程控制语言( 梯形图语言) 核心的新型嵌入系统设计 理念。既可以作为p l c 产品的开发平台，也可以作为常规单片机系统的设计。以嵌入 式p l c 方式进行控制器设计提高了开发速度，更适应贴近客户需求的个性化、差异化 设计要求。面对工控市场日益细分的完备体系，嵌入式p l c 在d c s 、i p c 、p l c 、单片 机的交叉市场中具有广阔的应用前景。嵌入式p l c 的横空出世，必将给工控产品的设 计带来一场革命性的变革。 6 西华大学硕士学位论文 1 2 3 嵌入式p l c 的网络通信能力 嵌入式p l c 的网络通信能力主要体现在各种开放的总线接口和协议、以太网接口 和t c p i p 通信协议上。嵌入式系统是一个开放的开发平台，因此很容易集成r s 2 3 2 、 r s 一4 8 5 、c a n 总线等现场总线通信接口。嵌入式p l c 通过各种总线与其他设备进行数 据交互，也使其他设备很方便的接入嵌入式p l c 的控制网络，组成一个完整的底层控 制系统。嵌入式p l c 特别具有优势的是很容易集成以太网通信接口，将p l c 控制网络 接入i n t e r n e t 。 嵌入式p l c 的远程控制既可以通过组态软件的网络发布功能( 需要设计相应的驱 动程序) ，通过以太网等多种接口实现组态软件与嵌入式p l c 的数据交互，从而达到 远程监控的目的。也可以通过在嵌入式p l c 中设计w e b 服务器，用标准浏览器在i n t e r n e t 网络的远端对这些设备进行访问与控制，通过存储在嵌入式p l c 中的网页，动态地反 映现场设备的运行状态以及执行操作后的反馈信息。这种嵌入式w e b 服务器与现场控 制系统、仪器仪表相结合，就可通过i n t e m e t 实现远程监控和系统维护。这势必给采集、 检测、分析、控制、系统维护等带