基于IEC61133的控制软件平台的设计与实现

1、浙江大学硕士学位论文基于IEC61131-3的控制软件平台的设计与实现 姓名：魏江申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：吴铁军；黄文君20050301zc 52S-C- *t:v0eBH J nHow&EMF2S-s- 5SM f 处wvKftps Bwclrp IdsKlm Twf Kf *MrMB sKmqY1n?atf6Md ssrw m Dy sIWWQac ds4rQb ct cr2nom JM sscs esew6s2mlmu 5 c s 2 Mn Sr as vs .ss*Be n MV *!1W SIKHWct ?，.r2c*e?u-eesfcwaw4 5wg:l

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23、雨嘲嚼酮网图3 6控制器内核程序框架总貌1）控制程序处理任务，I/O处理任务必须和用户程序的调度同步。控制程 序调度之前系统应该从每个用户程序的冗余数据区、通讯接收数据区中拷贝必要的数据到用户的数据区中。控制程序调度之后系统要进行冗余数据、组播数据和点对点通讯数据的准备，向用户程序冗余区、组播数据区和通讯发送数据区中填充需要处理的数据等工作。2）组播任务。当该任务被调度时一方面依次检查每个程序数据区的组播缓数据并且将它们依次拷贝到系统的组播数据发送缓冲区中，另一方面系统将所有的I/O位号信息也填充到系统组播数据发送缓冲区中一起进行发送。3）点对点通讯任务。当该任务被调度时一方面系统将每个程序的

24、报警数据区 中的所有报警数据（包括报警标志位和于报警相关的其它参数）拷贝到系统较老的一个报警缓冲区中，然后对比两个报警缓冲区，将报警标志位发生变化 的报警条目填充到点对点发送缓冲区中，将其发送到系统的报警服务器；另 方面，系统会扫描程序的点对点通讯数据区并把通讯数据区中的所有数据拷 贝到点对点发送缓冲区中，将其发送到指定的控制网节点上。浙江火学硕士学位论文4 1下载任务。该任务运行下载状态机，下载的不同阶段进行状态的转换。根 据以太网上下发的命令，状态机根据没有卜-载任务时，下载状态机停留在finished状态。当通讯向下发送start命令时状态机进入pre paring状态，该状态下控制器根

25、据交叉索引停止部分程序，更新系统组态信息，并转换到ready状态。这时，组件读取状态机的状态并向下发送do命令开始下载程序，下载完毕后控制器激活新的程序并进入fi nished状态，此时fi nish cd状态会暂时停止所有控制程序。当然组件也可以在下载过程中发送abort命令使状态机 进入aborting状态进行数据的回滚，从而完成中断下载的操作。因为引入 了状态机，上下位机的交互也显著增加下载过程变得更加可控。图3-7下载任务状态机5）系统检测任务。该任务负责对系统的一些关键参数给出诊断信息，并填充系统的诊断数据区。它的工作主要包括：检测系统故障情况，在故障的情况下 启动冗余切换程序；检测

26、操作系统运行状态；检测资源使用情况，包括CPU 使用率；总体组态故障检测；程序等自检。6）冗余总线通讯中断服务程序，负责接收冗余数据，同步冗余过程和填充用程序的冗余数据区7）控制网中断服务程序，负责接收所有的点对点通讯数据并将其填充到控制 器软件的点对点接收数据区中；负责接收本控制器内核程序需要的所有组播通 讯位号将其填充到通讯位号数据区：另外，控制器会把接收到的点对点数据 填充到程序的通讯数据区中。8）现场总线中断服务程序，从通讯卡中读入现场数据并将其填充到通讯卡和I/O卡映像区。9）冗余切换中断服务程序，响应工作卡的准备放弃工作权事件。比较工作， 备用卡的故障等级，并根据比较结果，进行冗余

27、切换。3.3. 1 同步方法在控制器程序中包括两类同步：任务间同步和控制器间的冗余同步。浙江大学硕上学位论文3。3.1 .1 .任务同步对于抢占式的实时多任务系统，一般采用信号量来同步不同的任务。在实际应用巾则表现为对于各种共享资源如缓冲区的同步。但是，系统对信号量的使 用存在两个问题：第一，采用信号量在任务间同步需要消耗大量的CPU事件；，如果对于每个共享资源都采用信号量的方式对其进行同步，系统将消耗大的内存空间。所以对于控制器软件，信号量应该慎用。因此，在控制器软件 中，任务同步的方式一般采用对调度周期和优先级的设计和优化来实现。1）任务周期和优先级控制器内核程序中所有任务的调度周期与优先

28、级如下表。表3 3 1任务调度周期与优先级任务名称调度周期优先级控制程序处理任务lOOmsl 0系统组播任务5 0 0 ms7下载任务10 0ms5点对点通讯任务2 5 0 ms7系统检测任务2 0 0 ms9注：优先级随数字的变大而升高对于控制器内核程序来说除了中断服务程序外，控制程序处理任务是系统中最重要的部分，它负责对生产现场实施控制策略，为了保证控制系统的实时性 它具有最高优先级；系统组播任务和点对点通讯任务负责从通讯缓冲区向各类缓区中填充数据，为了使控制程序处理任务和这些通讯任务能够同步，必须使通 讯类的任务的调度周期大于控制程序处理任务，这样就可以保证控制程序基本上 每次总能取到完

29、整的通讯数据；下载任务和系统冗余任务也是从它们的通讯缓冲 区中取出通讯数据，然后完成它们特定的工作。21信号量同步对于控制软件的缓冲区，通过在每个缓冲区上放置一个信号量来保持对这些区域访问的串行化。对于通讯任务，通讯缓冲区在中断服务程序和通讯任务之间的同步方法流程如下下图。为了保证通讯任务在操作通讯缓冲区时的一致性，通讯任务需要首 先关闭通讯中断。当通讯任务在处理缓冲区后应该将通讯缓冲区的同步变量复位 并将各类应用缓冲区的同步变量置位。这样，控制器应用程序在调度时可以通过 判断该同步变量确定是否要对缓冲区数据迸行处理。浙江大学硕士学位论文睁一荽P恫图3.8通讯任务和中断服务程序问同步在点对点通

30、讯任务、组播通讯任务和 冗余任务的执行的情况下，它们需要从程序的数据区拷贝响应的数据。此时它们都应该检测缓冲区信号量的情况，直 到操作空闲的时候才能够对其进行操作。.冗余同步冗余同步过程指的是主控制器定期将它的某个状态的运行数据完整的复制 到副控制器中的过程。但是，在一些对于运行时序和步序要求很高的控制下， 如联锁、批量控制等要求每个运行周期都要进行控制器之间数据的同步。所以 冗余过程必须和控制程序处理任务同步。具体的同步方法如下图。控制器冗余同 步过程分为3个阶段，每次同步开始，主控制器和副控制器之间都要经历一次握 手。二E控制器副柠制器糟人数据同步逞钉用户程序裎序数据同步图3

31、 9控制器冗余同步过程1）输入数据同步：对被调度用户程序的输入I/O数据进行同步。2）程序数据同步：对被调度用户程序执行后的数据进行同步，也就是对每个 程序的冗余数据区数据进行同步。3）输出数据同步：对被调度用户程序的输出I/O数据进行同步。冗余过程是一个在固定时序下的交互过程，主控制器和备用控制器对程序数据区中冗余数据的操作也都是单向的，每个用户程序只需要一个冗余数据区 （主控制器负责从用户数据区把数据拷贝到用户程序的冗余数据区，副控制器负责 从用户程序的冗余数据区把数据拷贝到用户程序数据区）。因此在控制器内核程 序中必须设定控制器运行状态标志位以确定该控制器目前的工作状态。4JLjuuim

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