（机械制造及其自动化专业论文）基于数控的开放式软plc的研究与开发.pdf

摘要 软p l c 技术是目前国际工业自动化领域逐渐兴起的一项基于p c 的新型控 制技术。与传统硬p l c 相比，软p l c 具有更强的数据处理能力和强大的网络 通讯能力并具有开放的体系结构。目前传统硬p l c 控制系统已广泛应用于机械 制造、工程机械、农林机械、矿山、冶金、石油化工、交通运输、海洋作业、 军事器械以及航空航天和原子能等技术领域。但是，随着近几年计算机技术、 通讯和网络技术、微处理器技术、人机晃面技术等迅速发展，工业自动化领域 对开放式控制器和开放式控制系统的需求更加迫切，硬件和软件体系结构封闭 的传统硬p l c 遇到了严峻的挑战。软p l c 采用开放式体系结构，具有良好的 网络通讯能力，能够完成比较复杂的控制任务，可以满足和实现当前和今后工 业自动化领域控制系统开放性和柔性的要求，为将来工业自动化向更高层次的 集成提供了可靠的技术保障。目前美国、德国等一些西方发达国家都非常重视 软p l c 技术的研究与应用，并开始有成熟的产品出现。 针对软p l c 的研究现状和发展趋势，本文建立了w i n d o w s 环境下丌放式软 p l c 系统。该系统由软p l c 开发系统和运行系统两部分组成，实现了p l c 程 序的编辑、编译、仿真、运行和监控。主要的研究工作和成果如下： ( 1 ) 广泛查阅国内外相关资料，研究并设计了软p l c 的体系结构和系统 平台。根据软p l c 的结构，使用v c + + y f 发了软p l c 集成编辑开发系统，该系 统能够完成p l c 的梯形图和指令表两种语言的编辑编译功能，p l c 程序的仿真， 梯形图和指令表两种语言之间的转换。此外，该系统具有数据库管理功能，能 够实现事件同志管理，特定事件报警和用户登录管理。 ( 2 ) 为了配合运行在p c 机上的编辑开发系统，研究并设计了软p l c 运行 系统。根据运行系统的结构和用途，选用特定的芯片并运用p r o t e l 电路设计软 件设计了运行系统的电路原理图和p c b 板图，并对整个电路进行电磁兼容性处 理，以减小信号间和外部干扰源的干扰。设计并用c 语言编写了软件系统，以 配合p c 机完成相应的控制功能。 ( 3 ) 研究了软p l c 的实时通讯机制，并建立了相应的通讯协议，包括网 络数据传输和p c 机与运行系统间的数据通讯。软p l c 运行系统与p c 机采用 网络通讯和串口通讯相结合的方式。为了提高通信程序的效率和强壮性，程序 采用了w i n d o w s 多线程技术进行编写。 关键词软p l c ；编辑；编译；通讯；v c + + 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标j _ - 2 - 1 h 致谫 的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同学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。 签名：! 虱鲎 日期 关于论文使用授权的说明 2 s s l f 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公稚论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：! 塾垒导师签名：兰塾生同期：兰! 些：订 1 1课题背景 第1 章绪论 1 1 1 软p l c 技术的发展历史 长期以来，计算机控制和传统p l c 控制一直是工业控制领域的两种主要控 制方法。p l c 自1 9 6 9 年问世以来，以其功能强、可靠性高、使用方便、体积 小等优点在工业自动化领域得到迅速推广并逐步替代原有的继电器控制系统， 成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具，被广泛应用于各种控制系统中。 但传统p l c 的体系结构是封闭的，各个p l c 厂家的硬件体系互不兼容，编程 语言及指令系统各异用户选择了一种p l c 产品后，必须选择与其相应的控制 规程，学习特定的编程语言，不利于终端用户功能的扩展。 随着p c 机在控制系统中的出现，其功能在不断发生变化，由初期的人机 界面功能逐步增加报警、报表、连接数据库、连接办公网络等，目前在许多应 用场合，p c 机已可以实现p l c 的功能，即基于p c 的控制。由于p l c 的体系 结构是封闭的，所以p l c 在功能方面的改进难以与p c 的发展相比。传统p l c 控制系统难以或无法实现的功能，采用基于p c 的控制将变得非常简单，如开 环闭环控制、运动控制、连接办公网络、集成用户算法等【2 】。 1 9 9 0 年美国国家制造科学中心( n c m c ) 提交了一份名为“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 ”的报告，提出 了1 7 5 条未来制造业对p l c 技术的要求。随后，欧共体提出了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 ) 计划，对自动化生产领域的p l c 提出了系统 丌放、公共协议标准化等新要求。1 9 9 3 年，为了规范p l c 编程语言，i e c ( 国际 电工委员会) 发布了1 e c 6 1 1 3 1 3 标准。该标准是国际电工委员会推出的用于工 业控制领域的标准化编程语言标准，适用于p l c 编程。这个编程标准包括5 种 编程语言【3 卅：顺序功能图( s f c ) 、功能块图( f b d ) 、梯形图( l d ) 、指令表 ( i l ) 及结构化文本( s t ) 。同时，标准还允许在同一个程序中使用多种编程语 言。进行混合编程，从而可使用户能选择不同的语言进行编程，提高了编程效率 与通用性。i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的推出和实施，有力地推动了各种p l c 之问的兼容 和统一以及基于p c 的软p l c 技术的发展。 近年来，工业自动化控制系统的规模不断扩大，控制结构更趋分散化和复 杂化，需要更多的用户接口。同时，企业整合和开放式体系的发震耍泵自动搓。 制系统应具有强大的网络通讯能力，使企业能及时地了解生产过程中的诸多信 息，灵活选择解决方案，配置硬件和软件，并能根据市场行情，及时调整生产。 此外，为了扩大控制系统的功能，许多新型传感器被加装到控制单元上，但这 些传感器通常都很难与传统p l c 连接，且传统p l c 价格较贵。因此，改革现 有的p l c 控制技术，发展新型p l c 控制技术已成为当前工业自动化控制领域 迫切需要解决的技术难题。 当今制造业正在面临一个快速变革的时期，用户对于系统处理速度、开放 性等方面的要求也超过从前。而要实现这些目标，就需要采用新的技术，不断 改进软件和硬件系统，如采用基于p c 的控制，将p c 机c p u 高速处理性能和 良好的丌放性引入到控制领域等。 虽然计算机控制技术能够提供标准的开发平台、高端应用软件、标准的高 级编程语言及友好的图形界面，但其在恶劣控制环境下的可靠性和可扩展性受 到限制【l l 。因此，人们在综合计算机和p l c 控制技术优点的基础上，逐步提出 并开发了一种基于p c 的新型控制技术一软p l c 控制技术。 1 1 2 软p l c 技术的体系结构 软p l c 控制技术亦称s o f tl o g i c 和基于p c 的控制技术，对于它还没有一个 准确而统一的定义。西门子公司将软p l c 的定义为“集控制、人机界面、数据 处理、通讯等功能于台p c 的解决方案”；3 s 公司定义s o f l p l c 为“一种能将 工业p c 机转换为高端p l c 的软件”；h t t p ：i t d i v w e b c e r n c h 网站上称“s o f t p l c s 是一种能使用户在无p l c 硬件支持下，在普通p c 上丌发和运行程序的软件解 决方案”。因此，软p l c 可以说是传统p l c 的软件解决方案，能够在p c 机上 依靠一定的软件平台，完成p l c 的所有功能，并具有开放的体系结构。 1 1 2 1 软p l c 技术的优点及存在的主要问题 与传统p l c 相比，软p l c 技术具有符合现代工业控制技术的许多优点【5 。7 】： ( 1 ) 具有开放的体系结构软p l c 具有宽范围的i 0 端口和多种现场总线 的接口，支持多种硬件，能解决传统p l c 互不兼容的问题，并具有第三方软件 接口，可支持多种语言编程( 包括高级语言) ，可允许用户根掘需求，灵活扩展 系统功能。 ( 2 ) 遵循国际工业标准和事实上的工业标准，如i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准和 i e c 6 1 4 9 1 标准。 2 辩i 犟绪论 ( 3 ) 艇充分剥羯p c 枫懿资源，皴大蜜量静态存、裹速c p u 及其它硬馋。 ( 4 ) 具有更强酌数据处理能力。葙对于传统p l c ，软p l c 在c p u 、内存 等方面具有明显优势，当进行数据处理，尤其魑模拟量运算戴用户算法时，p c 的运算性能通常可以达到p l c 的l o 倍或更高。此外，软p l c 能够利用p c 机 翡较 孛平台链瑾一些跑较复杂的数撵及数蠢类登，妇浮点数鞠字簿宰等。 ( 5 ) 具有友好的人机界面，便于操作。 ( 6 ) 具有较强的网络通讯功能。现在的控制系统普遍需要网络通信功能或 连接以太网，这促使许多p l c 厂商要添加类似p c 的通信功能来保持竞争力， 如以太网通信模板或端口。而p l c 连接以太网时通常会造成系统价格的升高， 在使用过程中也会受到技术因素限制，如实现设备层与管理层数据通信时会出 现数据通讯瓶颈。相比之下，软p l c 在网络通信方面具有成本低、连接方便、 披术开放等特点。软p l c 既可以与企业管理信息系统相连，便于企业的整合， 也可以监控工厂的设备运行，实现数据传输以及在线监控、编辑、仿真、调试 等功能。 ( 7 ) 能够执行比较复杂的控制算法。软p l c 除了能够完成传统p l c 的p i d 调节和离散i o 控制外，还能进行过程控制和运动控制。 ( 8 ) 节约成本和培训费用由于软p l c 具有开放的体系结构，用户不必拘泥 于厂家限制，可以根据需求，合理选择硬件和软件，以节约成本；由于软p l c 遵循许多工业标准，能节约人员培训费用。 ( 9 ) 节省安装空间软p l c 技术能够节省现场的p l c 、电源、框架等设备， 对于控制距离较长( 如汽车生产线) 或单机设备( 如注塑机) 等，采用软p l c 技术，可以大大节省安装空间。 但目前软p l c 技术尚有两项关键技术需要解决和完善： ( 1 ) 设备的可靠性：能够在高温、振动、温差大等恶劣环境下工作。 ( 2 ) 实时性：能够对现场信号作出及时和确定性响应，以防出现不测后果。 1 12 2 软p l c 技术的体系结构 传统p l c 控制技术通过现场总线将p l c 连接起来，上位机对各个p l c 的 状态进行监控和分析，然后再将信息反馈到管理层，耗时较长，通信不便。软 p l c 控制技术通过网络实现工厂设备层与管理层的直接通讯，方便迅捷，能够 实现企业管理与控制信息的无缝集成。传统p l c 与软p l c 控制结构【8 】血日图1 一l 和图1 2 所示。 出图1 3 可以看出，s o f t p l c 主要由w e b 服务器、f t p 服务器、t c p i p 通 传统p l c 堂 通讯 i o 接口 模 c p u 块 图1 1 传统p l c 的控制结构 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 企业 网络通信 c p ui 0 信息 1 ：n t 、广t 模块 p l c 模 管理 丁c p i p 指令 块 系统 f t p 解析 w e b 图1 - 2 基于软p l c 的控制结构 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 信协议组件、通讯驱动接口、c c + + 程序组件、j a v a 程序组件等部分组成。w e b 服务器和f t p 服务器完成p l c 程序的更新、维护和工作状态的查询工作；t c p i p 通信协议组件管理s o f f p l c 与i n t e m e t 的连接；c c + + 程序组件与j a v a 程序组件 处理接收p l c 指令并进行解析，并通过i 0 接口及设备接口去控制i o 设备、 接口卡及其他设备。 1 1 3 软p l c 技术的应用前景 软p l c 采用开放式体系结构，具有良好的网络通讯能力，能够完成比较复 杂的控制任务，可以满足和实现当前和今后工业自动化领域控制系统开放性和 柔性的要求，为将来工业自动化向更高层次的集成提供了可靠的技术保障。软 p l c 克服了传统硬p l c 的诸多缺点，应用于工业控制后，将会大大提高企业的 自动化水平和生产效率。因此，随着软p l c 技术的进一步解决与完善，软p l c 技术在冶金、电力、石油化工、机械、轻工、建材水泥、现代农业机械等般 工业领域中以及在环保工业、智能监控等领域必将占有一席之地，具有十分，“ 阔的应用前景，并产生良好的社会和经济效益。 目前，全球基于p c 的自动化解决方案的数量，正以每年2 0 的速度增长。 4 圈1 - 3s o f l p l c 的软件结构原理图 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 这是因为越来越多的自动化任务，包括开环和闭环控制、运动控制等已经加入 到典型的p c 任务( 数据处理和人机界面) 的范围内。通过将所有的功能集成于 p c 这个统一、开放的平台上，可以减少安装空间并节省电缆，还可以将复杂的 通信简单化，从而降低系统硬件和备件投资。 当今自动化的发展趋势可归纳为：开放的标准、分布化智能和信息技术用 于自动化。这一切都与p c 技术的发展紧密相关。p c 的开放性保证了统一的丌 发环境、通用的网络结构和标准的程序接口等成为自动化策略的要素。采用基 于p c 的自动化系统可以轻松集成第三方的软、硬件产品，从而可增加系统的 灵活性，并降低系统集成、项目开发、培训和维护的费用。 从目前国内外基于p c 的自动化的应用，我们可以看出：其应用场合在现 阶段并非简单的以软件p l c 去取代传统的硬件p l c ，而是首先针对用户工艺上 的特殊性，从解决用户控制上的难点问题出发，充分发挥p c 在处理速度、内 存容量和易于扩展等方面的优势，解决一些传统的控制无法或难以解决的问题， 提高生产率：其次是利用p c 无可比拟的丌放性和集成能力，满足用户增加系 统柔性和降低成本的需求。 目6 口基于p c 的软p l c 系统的主要应用有以下4 个方面一j 。 ( 1 ) 基于现场总线和分布式f o 的控制与人机界面相集成这主要运用在 水处理、食品饮料、港口机械等行业。它的优点是适合于紧凑空间下的安装， 等亨烹号号暑案翼! 阜号亨寿宁宇是嬲燃尝害亨! 卑譬亨麓等譬苎亨爱寰皇燃燃掣凳苎曼麓! 寰嬲删糟! 罡! ! 舅鼍! 燃_ 黑一 节省电缆和硬件的投资；简化了控制器与人机界瓤的通信接西。：加硬了趸丽4 速度，辫稳工程赞蘑；溺户霹疆疆蠲v i s u a lb a s i c 西发蓠擎兹入援赛瑟并方穗缝 与控制器谶行通信，从_ 丽降低成本；通过o p c 通信可以使控制系统方便地檠成 第三方的人机界面，从而提高系统的藏活性。 ( 2 ) 擦铡与数据姥壤犍集成纂予p c 斡软p l c 系缓在这方嚣其奄以下优 势：能够充分翻菊p c 鞠计算和数掇缝理能力，邋合于需要占瀚大量内存的复 杂配方系统及物料跟踪和批量处理系统；能够充分利用p c 处理器的强大处理 功能，完成复杂或快速的控制算法，如在一个控制器上实现多个回路的p i d 调 节或一些磁户童孑开发豹特豫接铡冀法，适台予数瓣鑫动记录、捡溅分毒嚣懿控 制系统，在食品饮料、水处理、烟孳、仓储物流、称量配料、试验仿真等行j i t 和系统得到了广泛应用。 ( 3 ) 控铡系统集成运动控铡税频系统帮快遴处理基予p c 的软p l c 系统能够完成用一般控镧器无法实现的快速运动箍铡，它能够通过c 陀+ 接口 与第三方的运动控制，视频系统的软、硬件和快遮i 0 模板相熊成，完成特殊 的工艺要求。这在汽举行业、包装枫械、注塑机、装瓶机、探伤捡测设备、机 器天等露篷褥爨了广泛翁应蠲。 ( 4 ) 控制与企业办公系统相集成在这个方面，软p l c 系统具有传统p l c 无可比拟的优势。软p l c 系统通过标准化的接口( 如a c t i v e x 、o p c ) 直接与 企业的办公鸯动化软件e x c e l 、a c c e s s 相连接，同瓣连接工业网络藤办公掰络俸 为生产数据的集成平台，为企监资源计鞠( e r p ) 酾豢造撬行系统( m e s ) 提供实时 的工况数搬，同时软p l c 系统还能够连接企业内部网i n t r a n e t 和国际互联网 i n t e m e t ，为企业未来的电子商务提供准确和及时的生产数据。 1 2国内外研究现状和发震趋势 1 ，2 辫外硬突现状 设备w 靠性不高和实时性不强一赢是阻碍软p l c 技术在工业控制领域推广 应用的关键所在。目前，设备可靠性问题已经基本解决，工业p c 、接口板、控 裁卡鼙霞瓣霜，并采瓣了较高静稼轳警缓鞠貉净舞、藏豢动、瓣瘸、电磁兼容 性设计，设备可靠性已大大提高。 随着微软公司w i n d o w sn t 操作系统的发布，实时性问题也綦本上得到了 鳃决。爨隽w i m o w sn t 操作系统楚一令可靠瞧较褰的开发乎螽， 豢逶鲻予 工厂控制领域，但w i n d o w sn t 只邋用于软实时羧制，并不适髑于硬实时 稍。 第1 荦绪论 为使软p l c 技术完全能够应用于工业控制，现在工业界提出了三种普遍的解决 方案： ( 1 ) 将w i n d o w s n t 操作系统与实时内核结合起来这种方法实质上是将 w i n d o w s n t 操作系统变成实时内核的服务者，实时内核所有的控制和实时功能 都比w i n d o w sn t 应用程序有更高的优先级。 ( 2 ) p l c 系统运行于嵌入式操作系统】如s o f t p l c 公司的实时运行内 核- - s o f t p l c 。 ( 3 ) p l c 系统运行于经过扩展的w i n d o w sn t 操作系统 扩展后的 w i n d o w s n t 操作系统是在原有w i n d o w s n t 操作系统基础上丁f = 发出的一套实时 内核，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 硬实时操作系 统。 在上述方法中，工业控制领域运用最多的是第二种和第三种方案。现有的 可以运行s o f t p l c 的实时操作系统很多，主要有以下两类【l0 1 ： 一类是依靠w i n d o w sn t 操作系统，包括w i n d o w sn t 操作系统、 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 。 另一类是独立于n t 的操作系统，包括s u n 微系统公司的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 公司的实时运行内核s o f l p l c 。 目前，国外市场上出现了不少软p l c 产品，有些已经丌始投入使用，下面 是一些典型的应用产品。 ( 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 机的开放式控制 软件，具有丌放的控制平台，用户能够根据自己的需求来选择硬件。它能够作 为嵌入式3 2 位实时多任务内核在3 8 6 、4 8 6 、p e n t i u m 其它x 8 6 兼容c p u 平台 上运行，能够控制多于1 6 k 个i o ，支持数字、模拟及特殊的i o ，支持用户用 梯形图和c 、c + + 、j a v a 等高级语言来编写自己的函数。此外，s o f t p l c 内嵌 w e b 和f t p 服务器，用户可进行远程维护和监控。s o f l p l c 是一个独立于 w i n d o w s 的操作系统，从d o s 将s o f l p l c 装入内存后，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 平台的控制软件，具有可视化人机界面，它将控制、数据处理、通信 等技术集于一体。w i n a c 能提供标准的a c t i v e x 控件用于标准化软件包( 如 v i s u a lb a s i c 或o f f i c e ) 对过程数据实时存取。w i n a c 采用了v e n t u r c o m 公司 提供的实时操作系统作为w i n d o w s n t 的扩展，具有“硬实时”的特性。w i n a c 具有开放的丌发环境，支持用户在控制程序中嵌入c c + + 代码，能够访问外部 硬件和软件组件。此外，它还具有在线调试功能，编程人员无须连接p l c 即可 在本机实现s t e p7 程序、人机界面程序及通讯程序的在线调试。 ( 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 能够在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 等多种操作系统下运行， 具有良好的网络通讯能力，包括数据传输、远程监控和维护、在线调试、应用 程序下载以及支持运行于多个目标上的控制程序间的通讯，并具有图形化开发 界面，全面支持i e c 一6 1 1 3 1 标准的5 种语言和流程图语言，支持高级数学函数、 矩阵、串操作、o d b c 、d c s 函数，支持用户用c 语言编程，支持布尔型、数 字型( 整型，实型) 、定时器型、多维矩阵吼及数据结构和各种变量的结合使用。 除了上述典型产品外，还有许多自动化公司也推出了自己的产品，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 ，它们在技术和应用上都有各自的特点。 1 2 2 国内研究现状 目前国内在这方面也开展了部分基础技术研究工作，但起步较晚，至今尚 未有成熟的产品出现。 东南大学刀：发的面向d c s 控制组态软件中包含一些软p l c 功能，它只是 d c s 系统的一部分，不能独立运行7 l 。华中科技大学对软p l c 技术进行了大 量的研究，取得了一定的成果。机械系开发的数控内嵌式p l c 具有软p l c 的 特点，但功能单一，不能作为独立系统运行，且无联网通讯能力【l ”。国家数控 系统工程与研究中心开展了开放式数控系统中的软件p l c 技术研究，提出了一 种基于开放式数控系统的嵌入式软件p l c 子系统的实现方法，给出了一个软件 p l c 的结构模型，并对p l c 的梯形图程序编程环境、梯形图程序与语言程序的 相互转换、p l c 程序执行等软件部件的设计和开发进行了研究1 1 9 o 清华大学制 造工程研究所研制了一种基于r t l i n u x 实时操作系统的软件p l c ，既可以作为 一个独立模块和不同的c n c 系统协同工作，也可以嵌入到t h h p i i 型数控系 统内部运行在同一台计算机上，其实时性和可靠性已经在国产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验证【2 0 】。此外，西安交通大学、西北工业大学、 北京工业大学也在这方面作了一些基础研究工作。 1 2 3 软p l c 技术的发展趋势 据众多专业机构及p l c 生产厂商预测，到2 0 1 0 年，基于p c 的自动化在控 制系统中将占有3 0 的份额，其发展趋势如图1 - 4 所示【2 1 。 幽1 4p c 机应川丁控制系统的趋势幽 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 近年来，软p l c 已开始投入工业使用，而且市场份额每年都在增加。根据 a r c 的调查和估计，1 9 9 7 年全球的软p l c 市场有3 千6 百万美元，到2 0 0 0 年 软p l c 的市场达到了l 亿4 千5 百万美元，2 0 0 1 年差不多又增长了一倍。但是， 出于软p l c 产品还存在一些问题，传统p l c 已经占据市场3 0 多年，产品非常 成熟，这使得不少用户对于是否采用软p l c 产品还心存疑惑。 由于软p l c 产品还不成熟，在今后几年内，软p l c 产品需在以下几个方面 得到完善 2 1 2 7 】： ( 1 ) 进一步提高系统开放性现在的软p l c 产品大多是基于w i n d o w s 系 统，并不支持其他操作系统的应用程序；在没有丌放式硬件和软件的支持下， 并不能保证产品的丌放性；不允许用户更改底层控制算法：不严格遵守一些适 用的国际标准等。 ( 2 ) 进一步增强系统的可靠性与实时性增强系统可靠性与实时性的关 键在于提高操作系统的实时性。现有的实时操作系统能够基本满足工业控制的 需要，随着一些实时性更高的操作系统的不断出现，必将会大大增强软p l c 系 统的实时性与可靠性。 ( 3 ) 进一步提高网络通讯能力和与第三方软件的整合性随着网络科技的 发展，良好的通讯能力已成为现代工业控制所必备的功能，远程控制、远程渗 断、网络数据处理等功能都将得到加强。控制软件问的协同工作能力是衡量丌 放式控制系统性能的重要指标。进一步加强各种控制软件间的数据交换能力是 提高控制系统性能的重要手段。 北京：e 业人掌工学顿l 论史 ( 4 ) 避一步搬强和改善企业整合熊力 工厂控制与企业管理的整台是工业 控翻领域的一静趋势。软p l c 控馥系统可以通过以太霸或t c w t p 连接羁企1 2 信息系统，与其进行数据交换，将设备运行状况，产品质量等与控制过程棚关 的详细信息反馈给企业信息系统。 1 3 课题的主要研究内容 谍题的研究内容主器露以下几个方蘧： ( 1 ) 建立袭p l c 系统平台磷究袭设诗较p l c 鼹藩系绻毒奄翻系统乎台。 根据软p l c 的结构体系及系统特点，开发软p l c 集成编辑开发系统。该系统 能够实现p l c 程序的编辑、编译、仿真、运行和对程序运行情况的监控。此外， 浚系统其骞数摄瘁管理功鼹，能够吃较方便缝实臻事l 宰曩志管理、特定事传缀 警及用户嚣录管理。 ( 2 ) 建立软p l c 的编译和测试机制采用c 语言对p l c 指令的解释和翻 译方法，邋过深入理解分析p l c 搬令，讵确解释指令中的串并联分支块，分瓠 其中靛麓律，著采窝链褒或琅筏象鲶灌，实臻p l c 指令静解释。 ( 3 ) 软p l c 的实时和通讯机制研究软p l c 的实时通讯机制，建立了相 应的通讯协泌，包括网络数据传输和p c 机与下位机涮的数据通讯。通讯程序采 用w i n d o w s 多线程技零缡写，戳摄舞逶猿酶实鼹瞧耪强巷性。 ( 4 ) 下位机的制作与调试及萁童三寿凡与下位枧的通讯及系统联调 下位机主 要出单片机束实现，主机与下位机j 靛行通讯，以实现控制外部设备和控制信息反 馈的功能。 o 第2 章软p l o 系统的工作原理与实现 2 1p l c 的结构与工作原理 可编程控制器是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制 机，其本质是一台工业控制专用计算机。1 9 8 5 年1 月，国际电工委员会颁布了 可编程控制器的国际标准草案，对p l c 做了如下定义： “可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电 子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输 出，控制各种类型的机械设备和生产过程，可编程控制器及其有关设备都应 按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 2 1 1p l o 的结构 p l c 是由中央处理器( c p u ) 、存储器、输入输出单元、编程器、电源和 外部设备组成，如图2 1 所示。p l c 的硬件设备采用模块化的方式，便于用户 按需要组合，其各部分都用总线式结构2 8 1 。 数一量 模拟盛 输 入 模 块 编程器 l 羔叫u 到 图2 1p l c 的基本组成框图 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 设 备 翥瑟 北京工业丈学工学硕士论文 中央处理单元是整个系统的核心，负责协调各个部分的工作，它通过输入 装置将外设的状态读入弗按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出装置去 控制外设。它的主要功能包括以下几项：可接收并存储从编程器送入的用户程 序和数据；可以扫描方式接收现场输入装置的状态或数据并存入缓冲区内：按 扫描方式工作，从存贮器中逐条读取指令，并存入指令寄存器中；将指令寄存 器的指令操作码进行译码，执行指令规定的任务，产生相应的控制信号，肩闭 有关控制门电路，并根据运算结果更新有关标志和输出映象寄存器的内容，以 实现输出控制、制表、打印或数据通讯：可进行必要的监控可故障自诊断【2 9 1 。 可编程控制器的存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。常用的 存贮器形式有c m o sr a m ，e p r o m ，e e p r o m 。p l c 中的存储器分为三种： ( 1 ) 系统存贮器系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。所谓系 统程序是指控制和完成p c 机各种功能的程序，如控制器的监控程序、基本指 令和功能指令翻译程序、系统诊断程序、通信管理程序等。机器出厂时，厂家 把这些程序存入e p r o m 存贮器或e e p r o m 存贮器。用户不能访问和修改系统 存储器。 ( 2 ) 用户存贮器用户存贮器主要用束存放用户的应用程序。所谓用户 程序是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序 由使用者通过编程器输入到p c 机的c m o sr a m 存贮器中，以便于用户随时修 改，也可将用户程序存放在e e p r o m 中。为确保p c 机控制系统的可靠性，c m o s r a m 存贮器有预防电源掉电故障的铿电池保护措施，以防电源掉电后破坏它的 存贮内容。 ( 3 ) 数据存贮器数据存贮器用来存放p l c 的数据，包括输入、输出、 辅助继电器状态的映象区，定时器、计数器、移位寄存器、状态寄存器、数据 寄存器和特殊功能寄存器等状态的映象寄存器。由于数据在应用中是经常变化、 经常存取的，因此数据存贮器一般选用c m o sr a m ，以满足随机存取的要求。 输入输出接口是c p u 与现场与现场i o 装置或其他外部设备之间的连接部 件，包括输入隔离和输入选择器、输出锁存器和驱动电路，以及输入输出显示 电路。输入输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接 【 。现场的输入信号，如按钮丌关、行程开关、限位开关以及传感输出的开关 量或模拟量( 压力、流量、温度、电压、电流) 等，都要通过输入模块送到p l c 。 由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器c p u 所处理的信息只能是标准电 平，所以输入模块还需将这些信号转换成c p u 能够接收和处理的数字信号。输 出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部 件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编 第2 章软p l c 系统的工作原理与实现 程控制器有多种输入输出模块，其类型有数字量输入输出模块和模拟量输入输 出模块。这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块 带有光电耦合电路，其目的是把p l c 与外部电路隔离开来，以提高p l c 的抗 干扰能力。数字量输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模 拟量输入输出模块主要用来实现模拟量一数字量之间的转换，即a d 或d a 转 换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量， 因此这些模拟量必须通过模拟量输入输出模块与p l c 的中央处理器连接。 编程器作为p l c 的重要外设，用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监 视。它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可 与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上， 磁带上的信息可以重新装入p l c 。 编程器工作方式主要有编程和监控两种。编程工作方式是在p c 机处于停 机状态时可以进行编程。它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予 以编辑和修改。监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪， 一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状 态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态。除搜索、监视、跟 踪外，还可以对一些器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中新输入 程序的调试与试运行是非常有用和方便的。编程器的结构一般包括显示部分与 键盘部分。 p l c 的基本软件包括系统软件和用户应用软件。系统软件决定p l c 的功能， p l c 的硬件通过软件实现对被控对象的控制。系统软件一般包括：操作系统、 编程语占系统、各功能软件等。用户软件大多由编程器进行编程，语言采用梯 形图( l d ) 、指令表( i l ) 、顺序功能图( s f c ) 和高级语言。 2 1 2p l c 的工作原理 p l c 的工作过程是周期扫描的工作过程。用户程序通过编程器或其它输入 设备输入存放在p l c 的用户存储器中。当p cl 丌始运行时，c p u 根据系统监拎 程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户 程序的执行、各输出点状态更新、编程器键入响应和显示更新及c p u 自检等功 能f 3 0 】。p l c 的循环扫描工作原理图如图2 2 所示。 p l c 的工作过程分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输 出控制阶段。 p l c 在输入采样阶段，首先扫描所有端子，并将各输入存入内存中各对应 地址 图2 - 2p l c 循环扫描原理幽 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 的输入映像寄存器。接着进入程序执行阶段，在这个阶段，输入映像寄存器与 外界隔离，无论信号如何变化其内容保持不变直到下一个扫描周期。 在程序执行阶段，p l c 会按照先左后右，先上后下的顺序对程序进行逐句 扫描。当指令中存在输入输出指令时，p l c 从输入映像寄存器中读入上一阶段 的状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后进行相 应的运算，运算结果存入元件映像寄存器中。 在输出刷新阶段，在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继 f 乜器的状态转存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。 图2 3 是p l c 的工作过程示意图。 1 。笃。，芦，i k 上二j 牝求二= 丑一i 输入采样阶段程序执行阶段输i i 刷新阶段 幽2 - 3p l cl ? 作过程示意幽 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 软p l c 系统的结构 从p l c 的定义可以看出可编程控制器是一种计算机，它是专为在工业环境 下应用而设计的工业计算机。可编程控制器的控制任务是在其硬件的支持下， 通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，这一点是和计算机的工作原理是 一致的。 软p l c 是传统p l c 的另一种实现方式，通过p c 机和软件来实现p l c 的 逻辑和控制功能，因此软p l c 也是一种计算机系统。软p l c 借助于p c 机丰富 的资源，通过软件来实现传统p l c 的硬件所完成的功能。从计算机系统结构的 角度来看，软件和硬件在逻辑功能上是等效的，软件实现的功能可以用硬件或 固件来完成：硬件实现的功能可以由软件来实现，只是其性能、价格、实现难 易程度、可扩展性等不同而已。 软p l c 与传统p l c 相比，7 f 放性的体系结构，能够完成复杂的控制任务， 高效的数据处理和通信能力尤其是网络通讯能力是其显著的特点。这些都是借 助于p c 机的软硬件来实现的。 软p l c 的体系结构与传统p l c 的结构类似，总体上分为两个部分：编辑丌 发系统和运行系统。 编辑开发系统主要完成p l c 程序的编辑、编译、仿真和监控。软p l c 编辑 _ 丌= 发系统相当于传统p l c 的编程器。它能够借助p c 机的软件资源实现可视化 编程界面，提供友好的操作环境；对于i e e 6 1 1 3 1 - 3 标准规定的五种p i 。c 标准 编程语言，在p c 机上都能比较容易的实现，消除了各p l c 厂家编程语言长期 以来的不统一，减轻了用户的负担；容易完成复杂的控制任务；易于进行网络 通讯和数据传输。 软p l c 的运行系统是套i o 接口板即下位机。下位机的主要功能是接收 丌发系统编译过的程序，并按照传统p l c 的工作过程运行。p c 机与下位机问 的通汛要完成两个任务：p c 机将程序下载到下位机和下位机将各i o 口数据传 输给p c 机。下位机的软件系统相当于传统p l c 的系统程序，负责整个系统的 运行和控制，主要包括指令的翻译、程序执行、输入输出映像区的刷新和通讯。 能够进行网络通讯是软p l c 相对于传统p l c 的一大特点。因此网络通讯是 软p l c 的基本功能。软p l c 的网络通讯功能包括两个方面：p c 间的网络通讯 和p c 机与下位机间的网络通讯。p c 问的网络通讯主要是与企业信息系统进行 数据通讯，以完成企业级与工厂级间信息的无缝整合。出于p c 机层面j 二的网 络通讯平台已经比较成熟，所以可以借助予现有的网络平台、通讯协议和开发 工具来完成p c 间的数据通讯。p c 机和下位机间的数据通讯主要是进行p l c 程 北京t 业大学= 学硕士论文 罢罗! 暑曼宇是岂亨景暑亨雩墨舅号曼罟景号亨等苎号旱号皇宝号墨黑曼曼曼皇! ! 寰! ! 曼墨! s ! ! ! 苎! 邕篡 序、控制指令和各i ，o 状态的传输。这方面的通讯茬卞研丽覆肴丽瓦可丽矿 平台和通讯协议，需要从底层丌发通讯协议。图2 4 是软p l c 的结构原理图。 眄网 蚓 运行系统 l 回 l ! ! q 塑刚 p c 机i 0 控制板 图2 - 4 软p l c 的结构原理闰 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 软p l c 系统的工作原理 外 部 设 备 软p l c 的工作过程与传统p l c 类似。用户首先在p c 机上使用软p l c 编 辑丌发系统编写p l c 程序，然后进行编译和仿真，在确定无误后下载到下位机 上。下位接收到程序后，进行解释，然后按照传统p l c 的工作原理和方式运行。 p c 机上的编辑开发系统可以监控下位机各i o 口的状态。 在软p l c 运行过程中，软p l c 的工作原理同传统p l c 的工作原理相同， 也采用循环扫描工作方式。在工作过程中，采用集中采样、集中输出的工作方 式，减少了外界干扰。在一个扫描周期内，软p l c 将输入端上的输入信号采集 到输入状态映像区，通过执行用户的程序，产生相应的输出信号，通过驱动电 路控制相应的外部设备。由于软p l c 系统程序的执行是一个循环往复的过程， 所以软p l c 采用常驻内存技术，利用时钟中断不断调用执行用户程序。软p 【，c 的运行过程与传统p l c 的工作过程相同，分为以下几个阶段： ( 1 ) 输出采样阶段从输入端口读耿端口