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 碩士學位論文 基于數(shù)控的開放式軟PLC的研究與開發(fā) 姓名：周峰 申請學位級別：碩士 專業(yè)：機械制造及其自動化 指導(dǎo)教師：王新華;伍良生 20050501 摘要 軟P L C 技術(shù)是目前國際工業(yè)自動化領(lǐng)域逐漸興起的一項基于P c 的新型控 制技術(shù)。與傳統(tǒng)硬P L C 相比，軟P L C 具有更強的數(shù)據(jù)處理能力和強大的網(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)用于機械 制造、工程機械、農(nóng)林機械、礦山、冶金、石油化工、交通運輸、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，隨著近幾年計算機技術(shù)、 通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微處理器技術(shù)、人機晃面技術(shù)等迅速發(fā)展，工業(yè)自動化領(lǐng)域 對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)，可以滿足和實現(xiàn)當前和今后工 業(yè)自動化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開放性和柔性的要求，為將來工業(yè)自動化向更高層次的 集成提供了可靠的技術(shù)保障。目前美國、德國等一些西方發(fā)達國家都非常重視 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)。 針對軟P L C 的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，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)和運行系統(tǒng)兩部分組成，實現(xiàn)了P L C 程 序的編輯、編譯、仿真、運行和監(jiān)控。主要的研究工作和成果如下： ( 1 ) 廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，研究并設(shè)計了軟P L C 的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng) 平臺。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言之間的轉(zhuǎn)換。此外，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫管理功能，能 夠?qū)崿F(xiàn)事件同志管理，特定事件報警和用戶登錄管理。 ( 2 ) 為了配合運行在P C 機上的編輯開發(fā)系統(tǒng)，研究并設(shè)計了軟P L C 運行 系統(tǒng)。根據(jù)運行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和用途，選用特定的芯片并運用P r o t e l 電路設(shè)計軟 件設(shè)計了運行系統(tǒng)的電路原理圖和P C B 板圖，并對整個電路進行電磁兼容性處 理，以減小信號間和外部干擾源的干擾。設(shè)計并用C 語言編寫了軟件系統(tǒng)，以 配合P C 機完成相應(yīng)的控制功能。 ( 3 ) 研究了軟P L C 的實時通訊機制，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 機與運行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊。軟P L C 運行系統(tǒng)與P C 機采用 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壯性，程序 采用了W i n d o w s 多線程技術(shù)進行編寫。 關(guān)鍵詞軟P L C ；編輯；編譯；通訊；V C + + 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進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)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京工業(yè)大學或其它教育機構(gòu) 的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同學對本研究所做的任何貢獻均 已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：! 虱鱟 日期 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 2 S S L f 本人完全了解北京工業(yè)大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán) 保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱：學?？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 長期以來，計算機控制和傳統(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 年問世以來，以其功能強、可靠性高、使用方便、體積 小等優(yōu)點在工業(yè)自動化領(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)自動化領(lǐng)域中極具競爭力的控制工具，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P L C 廠家的硬件體系互不兼容，編程 語言及指令系統(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，學習特定的編程語言，不利于終端用戶功能的擴展。 隨著P c 機在控制系統(tǒng)中的出現(xiàn)，其功能在不斷發(fā)生變化，由初期的人機 界面功能逐步增加報警、報表、連接數(shù)據(jù)庫、連接辦公網(wǎng)絡(luò)等，目前在許多應(yīng) 用場合，P C 機已可以實現(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)難以或無法實現(xiàn)的功能，采用基于P C 的控制將變得非常簡單，如開 環(huán)閉環(huán)控制、運動控制、連接辦公網(wǎng)絡(luò)、集成用戶算法等【2 】。 1 9 9 0 年美國國家制造科學中心( 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 ”的報告，提出 了1 7 5 條未來制造業(yè)對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 ) 計劃，對自動化生產(chǎn)領(lǐng)域的P L C 提出了系統(tǒng) 丌放、公共協(xié)議標準化等新要求。1 9 9 3 年，為了規(guī)范P L C 編程語言，I E C ( 國際 電工委員會) 發(fā)布了1 E C 6 1 1 3 1 3 標準。該標準是國際電工委員會推出的用于工 業(yè)控制領(lǐng)域的標準化編程語言標準，適用于P L C 編程。這個編程標準包括5 種 編程語言【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，標準還允許在同一個程序中使用多種編程語 言。進行混合編程，從而可使用戶能選擇不同的語言進行編程，提高了編程效率 與通用性。I E C 6 1 1 3 1 - 3 標準的推出和實施，有力地推動了各種P L C 之問的兼容 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，工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，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，企業(yè)整合和開放式體系的發(fā)震耍泵自動搓。 制系統(tǒng)應(yīng)具有強大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，使企業(yè)能及時地了解生產(chǎn)過程中的諸多信 息，靈活選擇解決方案，配置硬件和軟件，并能根據(jù)市場行情，及時調(diào)整生產(chǎn)。 此外，為了擴大控制系統(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)已成為當前工業(yè)自動化控制領(lǐng)域 迫切需要解決的技術(shù)難題。 當今制造業(yè)正在面臨一個快速變革的時期，用戶對于系統(tǒng)處理速度、開放 性等方面的要求也超過從前。而要實現(xiàn)這些目標，就需要采用新的技術(shù)，不斷 改進軟件和硬件系統(tǒng)，如采用基于P C 的控制，將P C 機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。 雖然計算機控制技術(shù)能夠提供標準的開發(fā)平臺、高端應(yīng)用軟件、標準的高 級編程語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展性受 到限制【l l 。因此，人們在綜合計算機和P L C 控制技術(shù)優(yōu)點的基礎(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)，對于它還沒有一個 準確而統(tǒng)一的定義。西門子公司將軟P L C 的定義為“集控制、人機界面、數(shù)據(jù) 處理、通訊等功能于臺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P L C 硬件支持下，在普通P C 上丌發(fā)和運行程序的軟件解 決方案”。因此，軟P L C 可以說是傳統(tǒng)P L C 的軟件解決方案，能夠在P C 機上 依靠一定的軟件平臺，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)點及存在的主要問題 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【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 互不兼容的問題，并具有第三方軟件 接口，可支持多種語言編程( 包括高級語言) ，可允許用戶根掘需求，靈活擴展 系統(tǒng)功能。 ( 2 ) 遵循國際工業(yè)標準和事實上的工業(yè)標準，如I E C 6 1 1 3 1 - 3 標準和 I E C 6 1 4 9 1 標準。 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 ) 具有更強酌數(shù)據(jù)處理能力。葙對于傳統(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，當進行數(shù)據(jù)處理，尤其魑模擬量運算戴用戶算法時，P C 的運算性能通常可以達到P L C 的l O 倍或更高。此外，軟P L C 能夠利用P C 機 翡較 孛平臺鏈瑾一些跑較復(fù)雜的數(shù)攆及數(shù)蠢類登，婦浮點數(shù)鞠字簿宰等。 ( 5 ) 具有友好的人機界面，便于操作。 ( 6 ) 具有較強的網(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 的通信功能來保持競爭力， 如以太網(wǎng)通信模板或端口。而P L C 連接以太網(wǎng)時通常會造成系統(tǒng)價格的升高， 在使用過程中也會受到技術(shù)因素限制，如實現(xiàn)設(shè)備層與管理層數(shù)據(jù)通信時會出 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。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)備運行，實現(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，還能進行過程控制和運動控制。 ( 8 ) 節(jié)約成本和培訓費用由于軟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)標準，能節(jié)約人員培訓費用。 ( 9 ) 節(jié)省安裝空間軟P L C 技術(shù)能夠節(jié)省現(xiàn)場的P L C 、電源、框架等設(shè)備， 對于控制距離較長( 如汽車生產(chǎn)線) 或單機設(shè)備( 如注塑機) 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、溫差大等惡劣環(huán)境下工作。 ( 2 ) 實時性：能夠?qū)ΜF(xiàn)場信號作出及時和確定性響應(yīng)，以防出現(xiàn)不測后果。 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)通過現(xiàn)場總線將P L C 連接起來，上位機對各個P L C 的 狀態(tài)進行監(jiān)控和分析，然后再將信息反饋到管理層，耗時較長，通信不便。軟 P L C 控制技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工廠設(shè)備層與管理層的直接通訊，方便迅捷，能夠 實現(xiàn)企業(yè)管理與控制信息的無縫集成。傳統(tǒng)P L C 與軟P L C 控制結(jié)構(gòu)【8 】血日圖1 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 指令并進行解析，并通過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)，可以滿足和實現(xiàn)當前和今后工業(yè)自動化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開放性和 柔性的要求，為將來工業(yè)自動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，應(yīng)用于工業(yè)控制后，將會大大提高企業(yè)的 自動化水平和生產(chǎn)效率。因此，隨著軟P L C 技術(shù)的進一步解決與完善，軟P L C 技術(shù)在冶金、電力、石油化工、機械、輕工、建材水泥、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械等般 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)生良好的社會和經(jīng)濟效益。 目前，全球基于P C 的自動化解決方案的數(shù)量，正以每年2 0 的速度增長。 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 這是因為越來越多的自動化任務(wù)，包括開環(huán)和閉環(huán)控制、運動控制等已經(jīng)加入 到典型的P C 任務(wù)( 數(shù)據(jù)處理和人機界面) 的范圍內(nèi)。通過將所有的功能集成于 P C 這個統(tǒng)一、開放的平臺上，可以減少安裝空間并節(jié)省電纜，還可以將復(fù)雜的 通信簡單化，從而降低系統(tǒng)硬件和備件投資。 當今自動化的發(fā)展趨勢可歸納為：開放的標準、分布化智能和信息技術(shù)用 于自動化。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)和標準的程序接口等成為自動化策略的要素。采用基 于P C 的自動化系統(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、項目開發(fā)、培訓和維護的費用。 從目前國內(nèi)外基于P C 的自動化的應(yīng)用，我們可以看出：其應(yīng)用場合在現(xiàn) 階段并非簡單的以軟件P L C 去取代傳統(tǒng)的硬件P L C ，而是首先針對用戶工藝上 的特殊性，從解決用戶控制上的難點問題出發(fā)，充分發(fā)揮P C 在處理速度、內(nèi) 存容量和易于擴展等方面的優(yōu)勢，解決一些傳統(tǒng)的控制無法或難以解決的問題， 提高生產(chǎn)率：其次是利用P C 無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 個方面一J 。 ( 1 ) 基于現(xiàn)場總線和分布式F O 的控制與人機界面相集成這主要運用在 水處理、食品飲料、港口機械等行業(yè)。它的優(yōu)點是適合于緊湊空間下的安裝， 等亨烹號號暑案翼! 阜號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；簡化了控制器與人機界瓤的通信接西。：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O P C 通信可以使控制系統(tǒng)方便地檠成 第三方的人機界面，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：能夠充分翻菊P C 鞠計算和數(shù)掇縫理能力，邋合于需要占瀚大量內(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 處理器的強大處理 功能，完成復(fù)雜或快速的控制算法，如在一個控制器上實現(xiàn)多個回路的P I D 調(diào) 節(jié)或一些磁戶童孑開發(fā)豹特豫接鍘冀法，適臺予數(shù)瓣鑫動記錄、撿濺分毒囂懿控 制系統(tǒng)，在食品飲料、水處理、煙孳、倉儲物流、稱量配料、試驗仿真等行j I t 和系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。 ( 3 ) 控鍘系統(tǒng)集成運動控鍘稅頻系統(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法實現(xiàn)的快速運動箍鍘，它能夠通過c 陀+ 接口 與第三方的運動控制，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、裝瓶機、探傷撿測設(shè)備、機 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)相集成在這個方面，軟P L C 系統(tǒng)具有傳統(tǒng)P L C 無可比擬的優(yōu)勢。軟P L C 系統(tǒng)通過標準化的接口( 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，為企監(jiān)資源計鞠( E R P ) 釃豢造撬行系統(tǒng)( M E S ) 提供實時 的工況數(shù)搬，同時軟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 和國際互聯(lián)網(wǎng) I n t e m e t ，為企業(yè)未來的電子商務(wù)提供準確和及時的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。 1 2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)震趨勢 1 ，2 辮外硬突現(xiàn)狀 設(shè)備W 靠性不高和實時性不強一贏是阻礙軟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、瓣瘸、電磁兼容 性設(shè)計，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，實時性問題也綦本上得到了 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 只邋用于軟實時羧制，并不適髑于硬實時 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)與實時內(nèi)核結(jié)合起來這種方法實質(zhì)上是將 W i n d o w s N T 操作系統(tǒng)變成實時內(nèi)核的服務(wù)者，實時內(nèi)核所有的控制和實時功能 都比W i n d o w sN T 應(yīng)用程序有更高的優(yōu)先級。 ( 2 ) P L C 系統(tǒng)運行于嵌入式操作系統(tǒng)】如S O F T P L C 公司的實時運行內(nèi) 核- - S o f t P L C 。 ( 3 ) P L C 系統(tǒng)運行于經(jīng)過擴展的W i n d o w sN T 操作系統(tǒng) 擴展后的 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)出的一套實時 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 硬實時操作系 統(tǒng)。 在上述方法中，工業(yè)控制領(lǐng)域運用最多的是第二種和第三種方案。現(xiàn)有的 可以運行S o f t P L C 的實時操作系統(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 公司的實時運行內(nèi)核S o f l P L C 。 目前，國外市場上出現(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 機的開放式控制 軟件，具有丌放的控制平臺，用戶能夠根據(jù)自己的需求來選擇硬件。它能夠作 為嵌入式3 2 位實時多任務(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 上運行，能夠控制多于1 6 K 個I O ，支持數(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 等高級語言來編寫自己的函數(shù)。此外，S o f t P L C 內(nèi)嵌 W e b 和F T P 服務(wù)器，用戶可進行遠程維護和監(jiān)控。S o f l P L C 是一個獨立于 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 平臺的控制軟件，具有可視化人機界面，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 能提供標準的A c t i v e X 控件用于標準化軟件包( 如 V i s u a lB a s i c 或O f f i c e ) 對過程數(shù)據(jù)實時存取。W i n A C 采用了V e n t u r C o m 公司 提供的實時操作系統(tǒng)作為W i n d o w s N T 的擴展，具有“硬實時”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，編程人員無須連接P L C 即可 在本機實現(xiàn)S t e p7 程序、人機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)下運行， 具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，包括數(shù)據(jù)傳輸、遠程監(jiān)控和維護、在線調(diào)試、應(yīng)用 程序下載以及支持運行于多個目標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 標準的5 種語言和流程圖語言，支持高級數(shù)學函數(shù)、 矩陣、串操作、O D B C 、D C S 函數(shù)，支持用戶用C 語言編程，支持布爾型、數(shù) 字型( 整型，實型) 、定時器型、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 ，它們在技術(shù)和應(yīng)用上都有各自的特點。 1 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前國內(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，不能獨立運行7 l 。華中科技大學對軟P L C 技術(shù)進行了大 量的研究，取得了一定的成果。機械系開發(fā)的數(shù)控內(nèi)嵌式P L C 具有軟P L C 的 特點，但功能單一，不能作為獨立系統(tǒng)運行，且無聯(lián)網(wǎng)通訊能力【l ”。國家數(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)的實現(xiàn)方法，給出了一個軟件 P L C 的結(jié)構(gòu)模型，并對P L C 的梯形圖程序編程環(huán)境、梯形圖程序與語言程序的 相互轉(zhuǎn)換、P L C 程序執(zhí)行等軟件部件的設(shè)計和開發(fā)進行了研究1 1 9 o 清華大學制 造工程研究所研制了一種基于R T L i n u x 實時操作系統(tǒng)的軟件P L C ，既可以作為 一個獨立模塊和不同的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)部運行在同一臺計算機上，其實時性和可靠性已經(jīng)在國產(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證【2 0 】。此外，西安交通大學、西北工業(yè)大學、 北京工業(yè)大學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 據(jù)眾多專業(yè)機構(gòu)及P L C 生產(chǎn)廠商預(yù)測，到2 0 1 0 年，基于P C 的自動化在控 制系統(tǒng)中將占有3 0 的份額，其發(fā)展趨勢如圖1 - 4 所示【2 1 。 幽1 4P C 機應(yīng)川丁控制系統(tǒng)的趨勢幽 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，軟P L C 已開始投入工業(yè)使用，而且市場份額每年都在增加。根據(jù) A R C 的調(diào)查和估計，1 9 9 7 年全球的軟P L C 市場有3 千6 百萬美元，到2 0 0 0 年 軟P L C 的市場達到了l 億4 千5 百萬美元，2 0 0 1 年差不多又增長了一倍。但是， 出于軟P L C 產(chǎn)品還存在一些問題，傳統(tǒng)P L C 已經(jīng)占據(jù)市場3 0 多年，產(chǎn)品非常 成熟，這使得不少用戶對于是否采用軟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)品需在以下幾個方面 得到完善 2 1 2 7 】： ( 1 ) 進一步提高系統(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：不嚴格遵守一些適 用的國際標準等。 ( 2 ) 進一步增強系統(tǒng)的可靠性與實時性增強系統(tǒng)可靠性與實時性的關(guān) 鍵在于提高操作系統(tǒng)的實時性?，F(xiàn)有的實時操作系統(tǒng)能夠基本滿足工業(yè)控制的 需要，隨著一些實時性更高的操作系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，必將會大大增強軟P L C 系 統(tǒng)的實時性與可靠性。 ( 3 ) 進一步提高網(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，遠程控制、遠程滲 斷、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理等功能都將得到加強?？刂栖浖柕膮f(xié)同工作能力是衡量丌 放式控制系統(tǒng)性能的重要指標。進一步加強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)人掌工學頓L 論史 ( 4 ) 避一步搬強和改善企業(yè)整合熊力 工廠控制與企業(yè)管理的整臺是工業(yè) 控翻領(lǐng)域的一靜趨勢。軟P L C 控馥系統(tǒng)可以通過以太霸或T C W t P 連接羈企1 2 信息系統(tǒng)，與其進行數(shù)據(jù)交換，將設(shè)備運行狀況，產(chǎn)品質(zhì)量等與控制過程棚關(guān) 的詳細信息反饋給企業(yè)信息系統(tǒng)。 1 3 課題的主要研究內(nèi)容 諜題的研究內(nèi)容主器露以下幾個方蘧： ( 1 ) 建立襲P L C 系統(tǒng)平臺磷究襲設(shè)詩較P L C 鼴藩系綣毒奄翻系統(tǒng)乎臺。 根據(jù)軟P L C 的結(jié)構(gòu)體系及系統(tǒng)特點，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、運行和對程序運行情況的監(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 的編譯和測試機制采用C 語言對P L C 指令的解釋和翻 譯方法，邋過深入理解分析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，著采窩鏈褒或瑯筏象鯰灌，實臻P L C 指令靜解釋。 ( 3 ) 軟P L C 的實時和通訊機制研究軟P L C 的實時通訊機制，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 機與下位機涮的數(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，戳攝舞逶猿酶實鼴瞧耪強巷性。 ( 4 ) 下位機的制作與調(diào)試及萁童三壽凡與下位枧的通訊及系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 下位機主 要出單片機束實現(xiàn)，主機與下位機j 靛行通訊，以實現(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控制的工業(yè)控制 機，其本質(zhì)是一臺工業(yè)控制專用計算機。1 9 8 5 年1 月，國際電工委員會頒布了 可編程控制器的國際標準草案，對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)計的數(shù)字運算操作的電 子系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控 制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸 出，控制各種類型的機械設(shè)備和生產(chǎn)過程，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)成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?！?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)丈學工學碩士論文 中央處理單元是整個系統(tǒng)的核心，負責協(xié)調(diào)各個部分的工作，它通過輸入 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)果通過輸出裝置去 控制外設(shè)。它的主要功能包括以下幾項：可接收并存儲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，肩閉 有關(guān)控制門電路，并根據(jù)運算結(jié)果更新有關(guān)標志和輸出映象寄存器的內(nèi)容，以 實現(xiàn)輸出控制、制表、打印或數(shù)據(jù)通訊：可進行必要的監(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。機器出廠時，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。用戶不能訪問和修改系統(tǒng) 存儲器。 ( 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)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。此程序 由使用者通過編程器輸入到P C 機的C M O SR A M 存貯器中，以便于用戶隨時修 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)，定時器、計數(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 ，以滿足隨機存取的要求。 輸入輸出接口是C P U 與現(xiàn)場與現(xiàn)場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)過程連接的接 【 ?，F(xiàn)場的輸入信號，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，都要通過輸入模塊送到P L C 。 由于這些信號電平各式各樣，而可編程控制器C P U 所處理的信息只能是標準電 平，所以輸入模塊還需將這些信號轉(zhuǎn)換成C P U 能夠接收和處理的數(shù)字信號。輸 出模塊的作用是接收中央處理器處理過的數(shù)字信號，并把它轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行部 件所能接收的控制信號，以驅(qū)動如電磁閥、燈光顯示、電機等執(zhí)行機構(gòu)?？删?第2 章軟P L C 系統(tǒng)的工作原理與實現(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，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實現(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)行機構(gòu)有一些信號是連續(xù)變化的模擬量， 因此這些模擬量必須通過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 與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來或存放在磁帶上， 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 機處于停 機狀態(tài)時可以進行編程。它的功能主要是輸入新的程序，或者對已有的程序予 以編輯和修改。監(jiān)控工作方式可以對運行中的控制器工作狀態(tài)進行監(jiān)視和跟蹤， 一般可以對某一線圈或觸點的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，也可以對成組器件的工作狀 態(tài)進行監(jiān)視，還可以跟蹤某一器件在不同時間的工作狀態(tài)。除搜索、監(jiān)視、跟 蹤外，還可以對一些器件進行操作。因此編程器的監(jiān)控方式對控制器中新輸入 程序的調(diào)試與試運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 的硬件通過軟件實現(xiàn)對被控對象的控制。系統(tǒng)軟件一般包括：操作系統(tǒng)、 編程語占系統(tǒng)、各功能軟件等。用戶軟件大多由編程器進行編程，語言采用梯 形圖( L D ) 、指令表( I L ) 、順序功能圖( S F C ) 和高級語言。 2 1 2P L C 的工作原理 P L C 的工作過程是周期掃描的工作過程。用戶程序通過編程器或其它輸入 設(shè)備輸入存放在P L C 的用戶存儲器中。當P Cl 丌始運行時，C P U 根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)拎 程序的規(guī)定順序，通過掃描，完成各輸入點的狀態(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 的工作過程分為三個階段進行，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。接著進入程序執(zhí)行階段，在這個階段，輸入映像寄存器與 外界隔離，無論信號如何變化其內(nèi)容保持不變直到下一個掃描周期。 在程序執(zhí)行階段，P L C 會按照先左后右，先上后下的順序?qū)Τ绦蜻M行逐句 掃描。當指令中存在輸入輸出指令時，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應(yīng)輸出映像寄存器的當前狀態(tài)。然后進行相 應(yīng)的運算，運算結(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，通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負載。 圖2 3 是P L C 的工作過程示意圖。 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算機，它是專為在工業(yè)環(huán)境 下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)計算機。可編程控制器的控制任務(wù)是在其硬件的支持下， 通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實現(xiàn)的，這一點是和計算機的工作原理是 一致的。 軟P L C 是傳統(tǒng)P L C 的另一種實現(xiàn)方式，通過P C 機和軟件來實現(xiàn)P L C 的 邏輯和控制功能，因此軟P L C 也是一種計算機系統(tǒng)。軟P L C 借助于P c 機豐富 的資源，通過軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)P L C 的硬件所完成的功能。從計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 角度來看，軟件和硬件在邏輯功能上是等效的，軟件實現(xiàn)的功能可以用硬件或 固件來完成：硬件實現(xiàn)的功能可以由軟件來實現(xiàn)，只是其性能、價格、實現(xiàn)難 易程度、可擴展性等不同而已。 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。這些都是借 助于P C 機的軟硬件來實現(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，總體上分為兩個部分：編輯丌 發(fā)系統(tǒng)和運行系統(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)相當于傳統(tǒng)P L C 的編程器。它能夠借助P C 機的軟件資源實現(xiàn)可視化 編程界面，提供友好的操作環(huán)境；對于I E E 6 1 1 3 1 - 3 標準規(guī)定的五種P I 。c 標準 編程語言，在P C 機上都能比較容易的實現(xiàn)，消除了各P L C 廠家編程語言長期 以來的不統(tǒng)一，減輕了用戶的負擔；容易完成復(fù)雜的控制任務(wù)；易于進行網(wǎng)絡(luò) 通訊和數(shù)據(jù)傳輸。 軟P L C 的運行系統(tǒng)是套I O 接口板即下位機。下位機的主要功能是接收 丌發(fā)系統(tǒng)編譯過的程序，并按照傳統(tǒng)P L C 的工作過程運行。P C 機與下位機問 的通汛要完成兩個任務(wù)：P C 機將程序下載到下位機和下位機將各I O 口數(shù)據(jù)傳 輸給P C 機。下位機的軟件系統(tǒng)相當于傳統(tǒng)P L C 的系統(tǒng)程序，負責整個系統(tǒng)的 運行和控制，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。 能夠進行網(wǎng)絡(luò)通訊是軟P L C 相對于傳統(tǒng)P L C 的一大特點。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)通訊功能包括兩個方面：P C 間的網(wǎng)絡(luò)通訊 和P C 機與下位機間的網(wǎng)絡(luò)通訊。p C 問的網(wǎng)絡(luò)通訊主要是與企業(yè)信息系統(tǒng)進行 數(shù)據(jù)通訊，以完成企業(yè)級與工廠級間信息的無縫整合。出于P C 機層面J 二的網(wǎng) 絡(luò)通訊平臺已經(jīng)比較成熟，所以可以借助予現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)平臺、通訊協(xié)議和開發(fā) 工具來完成P C 間的數(shù)據(jù)通訊。P C 機和下位機間的數(shù)據(jù)通訊主要是進行P L C 程 北京T 業(yè)大學= 學碩士論文 罷羅! 暑曼宇是豈亨景暑亨雩墨舅號曼罟景號亨等苧號旱號皇寶號墨黑曼曼曼皇! ! 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 運行系統(tǒng) l 回 l ! ! Q 塑剛 P C 機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 的工作過程與傳統(tǒng)P L C 類似。用戶首先在P C 機上使用軟P L C 編 輯丌發(fā)系統(tǒng)編寫P L C 程序，然后進行編譯和仿真，在確定無誤后下載到下位機 上。下位接收到程序后，進行解釋，然后按照傳統(tǒng)P L C 的工作原理和方式運行。 P C 機上的編輯開發(fā)系統(tǒng)可以監(jiān)控下位機各I O 口的狀態(tài)。 在軟P L C 運行過程中，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。在一個掃描周期內(nèi)，軟P L C 將輸入端上的輸入信號采集 到輸入狀態(tài)映像區(qū)，通過執(zhí)行用戶的程序，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號，通過驅(qū)動電 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)行是一個循環(huán)往復(fù)的過程， 所以軟P L C 采用