外文翻译--基于物理实验Simatic® PLC运行的实时显示测量 中文版

附件 1：外文资料翻译译文 基于物理实验 Simatic PLC 运行的实时显示测量 摘要： 当今，在 Forschungszentrum Jlich，大部分适合于物理实验的低速控制系统是由 PLC技术和场线系统完成的。在多数情况下，需要通过 PLCs 得到确定性的答案。这就提出期望从PLC 得到精确的、关于实时性能的问题。 Simatic PLCs 是主导全球市场的西门子公司制造的。我们将介绍它的响应时间的测量，还将讨论程序结构和硬件配置对 PLC 运行情况和确定性行为的影响。 I. 实验控制系统中的 PLC 当今，工业自 动化技术在物理实验各分系统内得到了很好的应用，例如水或气的供给系统。这导致了 PLC 的大量应用，尤其是智能自动控制部位已成了工业系统的核心。这其中主要的原因有： 1、 大量市场导致的价格低廉； 2、 坚固耐用； 3、 来自制造商的长期有效的技术支持； 4、 专业化（编译器，顺应标准化）； 除了单纯的基础设施系统范围， PLC 渐渐成为实验控制系统的重要组成部分，代替以 VME 或 PC 为基础的实时系统。这取决于现代 PLC 系列产品的以下特性： 1、 高度可测量性：现代 PLC 系列产品有大量的 CPU 类型，不仅性能而且功能和结构都可升级。为满足户外使用或 容错要求，还可提供特殊版本。 2、 可扩展性： PLC 的标准化设计使其能通过一系列数字或模拟输入 /输出模块扩展。并且，集成工艺块可用在不同领域，如：步进电动机控制器，饲服电动机控制器和 PID 控制器。 3、 较强的通信能力：现代 PLC 至少有一个集成的通信端口，并且针对不同现场和进程总线系统，通过多种通信控制器实现扩展，以实现和其它工业设备的连接。一个重要的应用就是，通过专用场线（如 PROFIBUS DP）把中央 PLC 系统扩展到分散外设间，实现了与非智能的 I/O 模块间的透明连接。这样一个 PLC 不仅能进行现场控制，还可以 用于远程监控。 4、 有利的发展环境：现代 PLC 系列产品有一个和谐交互的发展环境，支持主要的IEC1311 编程语言。典型的，指令表、功能块图和梯形图的表示能动态的转换。发展工具允许半图解式的硬件结构，提供强劲的编译机制，而且，在运行期间允许区段的交换逐渐增加发展。 今天，在 FZ Juelich ，全新先进的实验控制系统在很大程度上依赖 PLC。如图 1 中，中子谱仪（分光计）控制系统体系机构所阐明。 由于国际市场权威西门子控制着欧洲市场， Simatic S7 PLCs 几乎独家占领了 FZ Juelich 市场，最流行 的是中范围系列 S7-300，高端系列 S7-400 的目标是应用在有极端表现需求和支持多处理器配置的场合。微型 PLC 系列 S7 200 很少用，他被称作 S7 系列纯粹是市场的原因，并且，他的执行环境与其他 S7 系列产品不兼容。 IM151/CPU 可代替 S7-200 作为微型 PLC 使用。 IM151/CPU 是一适用于分散外围设备 ET200S 系列的智能控制器。同样，分散外围设备系统 ET200L 和 ET200M 在 Jlich 的使用也很普遍。迄今为止，仅 SoftPLC WinAC 这一软件在实验室得到测 试。 以 PLC 为基础的控制系统的可靠设计需要他们实时特征方面的知识。 1、 取决于 PLC 的类型， PLC 响应时间的数量级是多少？ 2、 能保证截止期限吗？ 3、 必须遵守的设计规则是什么？ 通过对 Simatic S7 系列不同类型 PLC 作测试，本论文对这些问题发表观点。标准 IEC 1311 对 PLC 功能和程序设计语言定义了参考标准，专业的 PLC 制造商必须遵守。如此普遍的结果也能推广到他们的 PLC 系列产品中。 II. SIMATIC S7 设计模型 正如在 POSIX 中有详细说明的，传统的实时应用研究是通过实时核心（如 OS 9 或 Vx Works），伴随异步并行的程序设计方法完成的。软件开发者依据要解决问题的逻辑结构来组织它的程序结构。这些任务被操作系统准并行执行，并且，这些执行基本上是 事件触发 的。程序员对各任务分配优先权的同时，把待执行命令的指针送给操作系统。因此，程序员没必要规划程序执行顺序的细节。另一方面，很难理解执行顺序以及判断一个特定的任务是否能赶上它的截止期限。 PLC 系统中的程序机制就完全不同了，他们采用同步的命令方式。在这里，任务的执行完全是时间触发的，当一个任务需要执行时，程序员必须依照时序把它组织到原任务中去。因此 ，他必须亲自安排执行顺序，这不仅增大了复杂度而且有了更多的限制。 如 IEC1131 中定义的 S7 的发展环境，在 Step7 中 ，所有的代码存在块中。由组织块送出各任务。 OBs 是预设的操作，在出现特定事件（如定时器溢出或出现错误）时， PLC 操作系统访问这些 OBs。这样， OBs 就成为了操作系统对项目使用者的接口。如图 2 指出， OBs 能调用函数（符合程序语言功能的函数块）。 OBs 可以调用其它函数，或在 POSIX 环境中符合操作系统要求的系统函数。功能块 /系统功能块是为静态函数分配了数据块的函数类 /系统函数类。 如图 3 所示 ，一个“标准”的 PLC 程序储于 OB1 中，被操作系统循环调用。在调用 OB1 前，操作系统把数据从输入模块调入存储区（过程映象区）。调用 OB1 后，数据从过程映象区复制到输出模块。这种经过程映象区而间接存取的输入 /输出模块减少了存取时间，增加了协调性。 监控 OBs 的执行时间，一旦超出了提前设定的最大时间，将调用时间错误函数命令 OB80。 对于 S7-400 和 WinAC，也可以设定 OB1 的最小周期时间。如果 OB1 的执行时间少于最小时间，将调用优先级最低的后台命令 OB90，其余所有 OBs 的优先级依次加 1。只有对于 S7-400 和 WinAC，可改动这个默认的优先级。每个 OB 都能被优先级更高的 OB 中断。表 I 列出了有可能的 OBs。 OBs 的有效性取决于 CPU 类型。如需要较多类型的 OBs，必须买个更好的 CPU。 中断命令 OBs 在预定时间启动，例如：一次移动结束，尽管时间延迟，中断命令在点计时器结束时启动。定时中断按周期时间反复执行。（循环中断命令 OBs 以固定的频率启动）。间隔时间和偏移相位可以设成 1 ms。硬件中断命令由一个输入事件或功能模块引起。例如：探测到一个数字信号的上升沿。这种功能仅对所谓的“高性能”输入模块有效。 异步错误由 PLC 的错误引起，反之同步错误由用户程序出错引起， 如电源失效，模块失效，或时基出错。当 OB 无法满足他的计划启动时间，就发生了时间错误，并且是 PLCs 的一个特点。 III. 实时性能测定 A. 性能评估目的 实时性能的关键是它对外部事件的反应时间。 PLC 系统基本上遵循同步编程模型，这是由周期时间 Tc 直接决定的，空运行周期和循环中断（如 OB35）必须分析Tc。为确定不同种类 PLC 的应用范围，必须测定不同类型 PLC 的 Tc 最小值。当然，在特定应用场合中 Tc 的实际值取决于循环块中的代码数量。 Tc 的波动是循环 中断的主要影响因素，它决定了 PLC 的确定表现。 虽有高性能的输入模块，也可能发生硬件中断。必须测量最小的响应时间 Tr，即激活 OB40 的时间，以及它的波动。 为了得到一完整图片，必须对微型、中型、高端 PLC 分别进行测量。表 II 显示的是本论文中为测量选用的 CPU。为了表现出它们的相关性，对变化显著的浮点增量重复测量 106 次。 鉴于以 PLC 为核心的系统的分布式特性， PROFIBUS 通讯对响应时间的影响非常重要。因此必须分析由于通信导致的额外延迟及波动。但是，与通信相关的测试内容不在本论文讨论范围内，将在以后文章 中予以讨论。 在像 POSIX 一样的传统的实时系统中，由硬盘启动、通信及后台运算引起系统运行响应时间，对分析非常关键。由于 PLC 系统是同步循环操作，所以无需对响应时间做特殊分析。甚至，像 PROFIBUS DP V0 or AS interface 这样场线的循环通信也只是引起恒负载。对于异步通信，如 TCP/IP，使用智能通信控制器，可以不使用 CPU。 CPU 集成内置的场线 MPI（多点接口，专有场线）是一个例外。但在 Jlich MPI 仅用于编程。 B. 测试方案 根据图 4，待测 PLCs 的输入端连接到一个脉冲发生器。一个 输入信号的上升沿来到时， OB40 起作用，输出信号被锁住。脉冲发生器和待测 PLCs 的输出端接到NI6062E 的电压输入端。以 100KHz 的频率对这些信号采样。 Matlab 代码已发展到能探测到采样信号的上升沿，计算所需的时差，并据测量数据输出柱状图。这样就可以测量 PLC 响应时间 Tr 的分布情况。周期时间 Tc 的分布可通过类似方法测量。可选择的，信号也可以从系统连接到 TDC 模块 SIS3400。这样，测量数据的正确性和精确度可以得到验证。 C. 主程序扫描周期块的测量 图 5 7 是对表 I 中前三个 PLC 测量得到的 OB1 的 Tc 分 布情况。模块 OB1 包含锁住不使用过程映象区而直接数字输出的代码，并且除了 OB1没有其它模块起作用。 Tc的最小值和它的波动由操作系统的激活引起并随待测 PLC运行时间的增加而趋于稳定。尽管 S7-300 的 Tc 值和变化好于 IM151/CPU 的，最坏的情况是可比拟的。 CPU412-2 几乎是决定性的 （ determistic） ，基本上有两个离散值。这不是 CPU行为引起的必要反应，因为在这样的频率，数字输出行为的影响也变得重要。这导致了 CPU414-1 的典型后果。在测量到 0.2ms 的最小周期时，在两种输出状态之间的时 间有几毫秒的变化，并且伴随着极高的波动。当我们增加 CPU414-1 中 OB1 的最小期间值到 1ms 时，在输出之间变化的时间将大幅降低，并 CPU 的周期与输出速度一致。这个例子表明必须精心选择 I/O 模块。为了保护电路，增加电流以减少电磁噪音，过滤以稳定开关读取等，标准模块有几毫秒的次序的延迟。 如预计的，图 8 是对 CPU412-2 测量时得到的 OB1 中 Tc 的波动情况，每毫秒调用一次 OB35 引起后台负荷， Tc 随后台负荷的持续而增加。 Tc 的分布几乎是离散的也表示一定存在约 0.2ms 的内循环。由于 PLC 是同步操作的，只要知 道了每个模块的持续时间就可估计 Tc 的最大值。结果显示 ,OB1 需要一固定的扫描速率，不足以满足所有应用，例如在操纵系统中 .III D 检验循环中断块 OB 是否能满足这些需求。 D. 循环中断块 OB35 的测量 图 9、图 10 表明：和 OB1 相比，循环中断块 OB35 的波动是非常小的。同样，CPU412-2 表现出几乎离散分布的 Tc。任务以 1KHz 的频率被循环激活，它的精度要好于 0.1ms， PLCs 的这个特点甚至是基于 Pentium II 平台的 Lynx 操作系统不可能实现的。 IMI151/CPU 的低性能决定它可能的最小的 OB35 周期 是 2ms。 E. 硬件响应时间测量 图 11、 12 是分别使用 CPU314C-2DP 和 IMI151/CPU 测量时得到的 Tr， Tr 是输入上升沿引起的 OB40 的激活时间，其中包含所有相关硬件时间部分。因为没有符合 S7-400 的高性能输入，所以无法对 S7-400 系列测量。即使对低档 PLC，在IMI151/CPU 中测得的 Tr 平均值和方差值都不能令人满意。虽然在 CPU314C-2DP 上测得的 Tr 值比基于 Pentium II 的 Lynx 操作系统的差五倍，但对于典型的 PLC 应用场合已经足够了。 IV. 结论 如上所述，在 物理实验中， PLCs 的使用提供了众多有利条件。它们以同步循环方式工作并具有高度可预测性。结合它们的实时特性，它们完全能够应用在需要达到毫秒级的确定响应时间的场合。 1ms 甚至更短的响应时间要求我们在选择硬件时必须非常认真。 PLCs 不适合用在需要