外文翻譯--基于物理實(shí)驗(yàn)Simatic® PLC運(yùn)行的實(shí)時(shí)顯示測量 中文版

附件 1：外文資料翻譯譯文 基于物理實(shí)驗(yàn) Simatic PLC 運(yùn)行的實(shí)時(shí)顯示測量 摘要： 當(dāng)今，在 Forschungszentrum Jlich，大部分適合于物理實(shí)驗(yàn)的低速控制系統(tǒng)是由 PLC技術(shù)和場線系統(tǒng)完成的。在多數(shù)情況下，需要通過 PLCs 得到確定性的答案。這就提出期望從PLC 得到精確的、關(guān)于實(shí)時(shí)性能的問題。 Simatic PLCs 是主導(dǎo)全球市場的西門子公司制造的。我們將介紹它的響應(yīng)時(shí)間的測量，還將討論程序結(jié)構(gòu)和硬件配置對 PLC 運(yùn)行情況和確定性行為的影響。 I. 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中的 PLC 當(dāng)今，工業(yè)自 動化技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)各分系統(tǒng)內(nèi)得到了很好的應(yīng)用，例如水或氣的供給系統(tǒng)。這導(dǎo)致了 PLC 的大量應(yīng)用，尤其是智能自動控制部位已成了工業(yè)系統(tǒng)的核心。這其中主要的原因有： 1、 大量市場導(dǎo)致的價(jià)格低廉； 2、 堅(jiān)固耐用； 3、 來自制造商的長期有效的技術(shù)支持； 4、 專業(yè)化（編譯器，順應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化）； 除了單純的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)范圍， PLC 漸漸成為實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的重要組成部分，代替以 VME 或 PC 為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。這取決于現(xiàn)代 PLC 系列產(chǎn)品的以下特性： 1、 高度可測量性：現(xiàn)代 PLC 系列產(chǎn)品有大量的 CPU 類型，不僅性能而且功能和結(jié)構(gòu)都可升級。為滿足戶外使用或 容錯(cuò)要求，還可提供特殊版本。 2、 可擴(kuò)展性： PLC 的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使其能通過一系列數(shù)字或模擬輸入 /輸出模塊擴(kuò)展。并且，集成工藝塊可用在不同領(lǐng)域，如：步進(jìn)電動機(jī)控制器，飼服電動機(jī)控制器和 PID 控制器。 3、 較強(qiáng)的通信能力：現(xiàn)代 PLC 至少有一個(gè)集成的通信端口，并且針對不同現(xiàn)場和進(jìn)程總線系統(tǒng)，通過多種通信控制器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)和其它工業(yè)設(shè)備的連接。一個(gè)重要的應(yīng)用就是，通過專用場線（如 PROFIBUS DP）把中央 PLC 系統(tǒng)擴(kuò)展到分散外設(shè)間，實(shí)現(xiàn)了與非智能的 I/O 模塊間的透明連接。這樣一個(gè) PLC 不僅能進(jìn)行現(xiàn)場控制，還可以 用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。 4、 有利的發(fā)展環(huán)境：現(xiàn)代 PLC 系列產(chǎn)品有一個(gè)和諧交互的發(fā)展環(huán)境，支持主要的IEC1311 編程語言。典型的，指令表、功能塊圖和梯形圖的表示能動態(tài)的轉(zhuǎn)換。發(fā)展工具允許半圖解式的硬件結(jié)構(gòu)，提供強(qiáng)勁的編譯機(jī)制，而且，在運(yùn)行期間允許區(qū)段的交換逐漸增加發(fā)展。 今天，在 FZ Juelich ，全新先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)在很大程度上依賴 PLC。如圖 1 中，中子譜儀（分光計(jì)）控制系統(tǒng)體系機(jī)構(gòu)所闡明。 由于國際市場權(quán)威西門子控制著歐洲市場， Simatic S7 PLCs 幾乎獨(dú)家占領(lǐng)了 FZ Juelich 市場，最流行 的是中范圍系列 S7-300，高端系列 S7-400 的目標(biāo)是應(yīng)用在有極端表現(xiàn)需求和支持多處理器配置的場合。微型 PLC 系列 S7 200 很少用，他被稱作 S7 系列純粹是市場的原因，并且，他的執(zhí)行環(huán)境與其他 S7 系列產(chǎn)品不兼容。 IM151/CPU 可代替 S7-200 作為微型 PLC 使用。 IM151/CPU 是一適用于分散外圍設(shè)備 ET200S 系列的智能控制器。同樣，分散外圍設(shè)備系統(tǒng) ET200L 和 ET200M 在 Jlich 的使用也很普遍。迄今為止，僅 SoftPLC WinAC 這一軟件在實(shí)驗(yàn)室得到測 試。 以 PLC 為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)需要他們實(shí)時(shí)特征方面的知識。 1、 取決于 PLC 的類型， PLC 響應(yīng)時(shí)間的數(shù)量級是多少？ 2、 能保證截止期限嗎？ 3、 必須遵守的設(shè)計(jì)規(guī)則是什么？ 通過對 Simatic S7 系列不同類型 PLC 作測試，本論文對這些問題發(fā)表觀點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn) IEC 1311 對 PLC 功能和程序設(shè)計(jì)語言定義了參考標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)的 PLC 制造商必須遵守。如此普遍的結(jié)果也能推廣到他們的 PLC 系列產(chǎn)品中。 II. SIMATIC S7 設(shè)計(jì)模型 正如在 POSIX 中有詳細(xì)說明的，傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用研究是通過實(shí)時(shí)核心（如 OS 9 或 Vx Works），伴隨異步并行的程序設(shè)計(jì)方法完成的。軟件開發(fā)者依據(jù)要解決問題的邏輯結(jié)構(gòu)來組織它的程序結(jié)構(gòu)。這些任務(wù)被操作系統(tǒng)準(zhǔn)并行執(zhí)行，并且，這些執(zhí)行基本上是 事件觸發(fā) 的。程序員對各任務(wù)分配優(yōu)先權(quán)的同時(shí)，把待執(zhí)行命令的指針?biāo)徒o操作系統(tǒng)。因此，程序員沒必要規(guī)劃程序執(zhí)行順序的細(xì)節(jié)。另一方面，很難理解執(zhí)行順序以及判斷一個(gè)特定的任務(wù)是否能趕上它的截止期限。 PLC 系統(tǒng)中的程序機(jī)制就完全不同了，他們采用同步的命令方式。在這里，任務(wù)的執(zhí)行完全是時(shí)間觸發(fā)的，當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，程序員必須依照時(shí)序把它組織到原任務(wù)中去。因此 ，他必須親自安排執(zhí)行順序，這不僅增大了復(fù)雜度而且有了更多的限制。 如 IEC1131 中定義的 S7 的發(fā)展環(huán)境，在 Step7 中 ，所有的代碼存在塊中。由組織塊送出各任務(wù)。 OBs 是預(yù)設(shè)的操作，在出現(xiàn)特定事件（如定時(shí)器溢出或出現(xiàn)錯(cuò)誤）時(shí)， PLC 操作系統(tǒng)訪問這些 OBs。這樣， OBs 就成為了操作系統(tǒng)對項(xiàng)目使用者的接口。如圖 2 指出， OBs 能調(diào)用函數(shù)（符合程序語言功能的函數(shù)塊）。 OBs 可以調(diào)用其它函數(shù)，或在 POSIX 環(huán)境中符合操作系統(tǒng)要求的系統(tǒng)函數(shù)。功能塊 /系統(tǒng)功能塊是為靜態(tài)函數(shù)分配了數(shù)據(jù)塊的函數(shù)類 /系統(tǒng)函數(shù)類。 如圖 3 所示 ，一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”的 PLC 程序儲于 OB1 中，被操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用。在調(diào)用 OB1 前，操作系統(tǒng)把數(shù)據(jù)從輸入模塊調(diào)入存儲區(qū)（過程映象區(qū)）。調(diào)用 OB1 后，數(shù)據(jù)從過程映象區(qū)復(fù)制到輸出模塊。這種經(jīng)過程映象區(qū)而間接存取的輸入 /輸出模塊減少了存取時(shí)間，增加了協(xié)調(diào)性。 監(jiān)控 OBs 的執(zhí)行時(shí)間，一旦超出了提前設(shè)定的最大時(shí)間，將調(diào)用時(shí)間錯(cuò)誤函數(shù)命令 OB80。 對于 S7-400 和 WinAC，也可以設(shè)定 OB1 的最小周期時(shí)間。如果 OB1 的執(zhí)行時(shí)間少于最小時(shí)間，將調(diào)用優(yōu)先級最低的后臺命令 OB90，其余所有 OBs 的優(yōu)先級依次加 1。只有對于 S7-400 和 WinAC，可改動這個(gè)默認(rèn)的優(yōu)先級。每個(gè) OB 都能被優(yōu)先級更高的 OB 中斷。表 I 列出了有可能的 OBs。 OBs 的有效性取決于 CPU 類型。如需要較多類型的 OBs，必須買個(gè)更好的 CPU。 中斷命令 OBs 在預(yù)定時(shí)間啟動，例如：一次移動結(jié)束，盡管時(shí)間延遲，中斷命令在點(diǎn)計(jì)時(shí)器結(jié)束時(shí)啟動。定時(shí)中斷按周期時(shí)間反復(fù)執(zhí)行。（循環(huán)中斷命令 OBs 以固定的頻率啟動）。間隔時(shí)間和偏移相位可以設(shè)成 1 ms。硬件中斷命令由一個(gè)輸入事件或功能模塊引起。例如：探測到一個(gè)數(shù)字信號的上升沿。這種功能僅對所謂的“高性能”輸入模塊有效。 異步錯(cuò)誤由 PLC 的錯(cuò)誤引起，反之同步錯(cuò)誤由用戶程序出錯(cuò)引起， 如電源失效，模塊失效，或時(shí)基出錯(cuò)。當(dāng) OB 無法滿足他的計(jì)劃啟動時(shí)間，就發(fā)生了時(shí)間錯(cuò)誤，并且是 PLCs 的一個(gè)特點(diǎn)。 III. 實(shí)時(shí)性能測定 A. 性能評估目的 實(shí)時(shí)性能的關(guān)鍵是它對外部事件的反應(yīng)時(shí)間。 PLC 系統(tǒng)基本上遵循同步編程模型，這是由周期時(shí)間 Tc 直接決定的，空運(yùn)行周期和循環(huán)中斷（如 OB35）必須分析Tc。為確定不同種類 PLC 的應(yīng)用范圍，必須測定不同類型 PLC 的 Tc 最小值。當(dāng)然，在特定應(yīng)用場合中 Tc 的實(shí)際值取決于循環(huán)塊中的代碼數(shù)量。 Tc 的波動是循環(huán) 中斷的主要影響因素，它決定了 PLC 的確定表現(xiàn)。 雖有高性能的輸入模塊，也可能發(fā)生硬件中斷。必須測量最小的響應(yīng)時(shí)間 Tr，即激活 OB40 的時(shí)間，以及它的波動。 為了得到一完整圖片，必須對微型、中型、高端 PLC 分別進(jìn)行測量。表 II 顯示的是本論文中為測量選用的 CPU。為了表現(xiàn)出它們的相關(guān)性，對變化顯著的浮點(diǎn)增量重復(fù)測量 106 次。 鑒于以 PLC 為核心的系統(tǒng)的分布式特性， PROFIBUS 通訊對響應(yīng)時(shí)間的影響非常重要。因此必須分析由于通信導(dǎo)致的額外延遲及波動。但是，與通信相關(guān)的測試內(nèi)容不在本論文討論范圍內(nèi)，將在以后文章 中予以討論。 在像 POSIX 一樣的傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，由硬盤啟動、通信及后臺運(yùn)算引起系統(tǒng)運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間，對分析非常關(guān)鍵。由于 PLC 系統(tǒng)是同步循環(huán)操作，所以無需對響應(yīng)時(shí)間做特殊分析。甚至，像 PROFIBUS DP V0 or AS interface 這樣場線的循環(huán)通信也只是引起恒負(fù)載。對于異步通信，如 TCP/IP，使用智能通信控制器，可以不使用 CPU。 CPU 集成內(nèi)置的場線 MPI（多點(diǎn)接口，專有場線）是一個(gè)例外。但在 Jlich MPI 僅用于編程。 B. 測試方案 根據(jù)圖 4，待測 PLCs 的輸入端連接到一個(gè)脈沖發(fā)生器。一個(gè) 輸入信號的上升沿來到時(shí)， OB40 起作用，輸出信號被鎖住。脈沖發(fā)生器和待測 PLCs 的輸出端接到NI6062E 的電壓輸入端。以 100KHz 的頻率對這些信號采樣。 Matlab 代碼已發(fā)展到能探測到采樣信號的上升沿，計(jì)算所需的時(shí)差，并據(jù)測量數(shù)據(jù)輸出柱狀圖。這樣就可以測量 PLC 響應(yīng)時(shí)間 Tr 的分布情況。周期時(shí)間 Tc 的分布可通過類似方法測量?？蛇x擇的，信號也可以從系統(tǒng)連接到 TDC 模塊 SIS3400。這樣，測量數(shù)據(jù)的正確性和精確度可以得到驗(yàn)證。 C. 主程序掃描周期塊的測量 圖 5 7 是對表 I 中前三個(gè) PLC 測量得到的 OB1 的 Tc 分 布情況。模塊 OB1 包含鎖住不使用過程映象區(qū)而直接數(shù)字輸出的代碼，并且除了 OB1沒有其它模塊起作用。 Tc的最小值和它的波動由操作系統(tǒng)的激活引起并隨待測 PLC運(yùn)行時(shí)間的增加而趨于穩(wěn)定。盡管 S7-300 的 Tc 值和變化好于 IM151/CPU 的，最壞的情況是可比擬的。 CPU412-2 幾乎是決定性的 （ determistic） ，基本上有兩個(gè)離散值。這不是 CPU行為引起的必要反應(yīng)，因?yàn)樵谶@樣的頻率，數(shù)字輸出行為的影響也變得重要。這導(dǎo)致了 CPU414-1 的典型后果。在測量到 0.2ms 的最小周期時(shí)，在兩種輸出狀態(tài)之間的時(shí) 間有幾毫秒的變化，并且伴隨著極高的波動。當(dāng)我們增加 CPU414-1 中 OB1 的最小期間值到 1ms 時(shí)，在輸出之間變化的時(shí)間將大幅降低，并 CPU 的周期與輸出速度一致。這個(gè)例子表明必須精心選擇 I/O 模塊。為了保護(hù)電路，增加電流以減少電磁噪音，過濾以穩(wěn)定開關(guān)讀取等，標(biāo)準(zhǔn)模塊有幾毫秒的次序的延遲。 如預(yù)計(jì)的，圖 8 是對 CPU412-2 測量時(shí)得到的 OB1 中 Tc 的波動情況，每毫秒調(diào)用一次 OB35 引起后臺負(fù)荷， Tc 隨后臺負(fù)荷的持續(xù)而增加。 Tc 的分布幾乎是離散的也表示一定存在約 0.2ms 的內(nèi)循環(huán)。由于 PLC 是同步操作的，只要知 道了每個(gè)模塊的持續(xù)時(shí)間就可估計(jì) Tc 的最大值。結(jié)果顯示 ,OB1 需要一固定的掃描速率，不足以滿足所有應(yīng)用，例如在操縱系統(tǒng)中 .III D 檢驗(yàn)循環(huán)中斷塊 OB 是否能滿足這些需求。 D. 循環(huán)中斷塊 OB35 的測量 圖 9、圖 10 表明：和 OB1 相比，循環(huán)中斷塊 OB35 的波動是非常小的。同樣，CPU412-2 表現(xiàn)出幾乎離散分布的 Tc。任務(wù)以 1KHz 的頻率被循環(huán)激活，它的精度要好于 0.1ms， PLCs 的這個(gè)特點(diǎn)甚至是基于 Pentium II 平臺的 Lynx 操作系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)的。 IMI151/CPU 的低性能決定它可能的最小的 OB35 周期 是 2ms。 E. 硬件響應(yīng)時(shí)間測量 圖 11、 12 是分別使用 CPU314C-2DP 和 IMI151/CPU 測量時(shí)得到的 Tr， Tr 是輸入上升沿引起的 OB40 的激活時(shí)間，其中包含所有相關(guān)硬件時(shí)間部分。因?yàn)闆]有符合 S7-400 的高性能輸入，所以無法對 S7-400 系列測量。即使對低檔 PLC，在IMI151/CPU 中測得的 Tr 平均值和方差值都不能令人滿意。雖然在 CPU314C-2DP 上測得的 Tr 值比基于 Pentium II 的 Lynx 操作系統(tǒng)的差五倍，但對于典型的 PLC 應(yīng)用場合已經(jīng)足夠了。 IV. 結(jié)論 如上所述，在 物理實(shí)驗(yàn)中， PLCs 的使用提供了眾多有利條件。它們以同步循環(huán)方式工作并具有高度可預(yù)測性。結(jié)合它們的實(shí)時(shí)特性，它們完全能夠應(yīng)用在需要達(dá)到毫秒級的確定響應(yīng)時(shí)間的場合。 1ms 甚至更短的響應(yīng)時(shí)間要求我們在選擇硬件時(shí)必須非常認(rèn)真。 PLCs 不適合用在需要