（控制理论与控制工程专业论文）通用控制系统平台研究与实现.pdf

摘要 摘要 p l c 通用控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动 化三大支柱”之首，在各工业生产领域发挥着愈来愈重要的作用【l 】。但目前国内 p l c 通用控制器市场主要为国外几家大公司占据【2 1 ，核心技术一直难以突破，国 内少数几家公司能生产中低端p l c 通用控制器【3 】，为实现我国的工业自动化目 标亟需改变这种落后状态。 i e c 6 1 1 3 1 3 规范的颁布和新型微处理器的出现，为研究设计新型p l c 通用 控制系统指明了发展方向，提供了硬件基础【4 】。 p l c 通用控制系统主要包括编程环境和底层运行系统两部分，本文集中研 究了底层运行系统，分析了i e c 6 1 1 3 1 3 规范和p l c 控制系统组成及工作原理， 讨论了底层运行系统软硬件设计关键问题，并提出通用控制系统设计思路。 本文提出一种p l c 控制系统中间代码定义；合理安排内存分配机制；比较 编译和解释方法实现p l c 指令系统的优劣，并提出一种高效简单的解释执行方 法；编写指令解释执行函数库；设计p l c 和p c 通讯协议；移植嵌入式操作系 统对控制系统进行多任务调度；最后在高速a r m 硬件平台上，开发实现p l c 通用控制系统底层运行系统。 本文最后设计一系列实验对p l c 通用控制系统底层平台进行验证，试验结 果表明了该设计方案可行性，且指令的执行效性较高。本文实现了一个p l c 通 用控制系统雏形，为研发国产p l c 提供了新的思路。 关键词：i e c 6 1 1 3 1 3 ，p l c ，底层运行系统 a b s t r a c t a bs t r a c t a sa ne l e m e n t a r yd e v i c ef o rc o n t r o lo fi n d u s t r i a lp r o c e s s e s ，ap r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ( f l c ) i sk n o w n 舔o n eo ft h et h r e em a j o rp i l l a r sf o ra u t o m a t i o na n d p l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h o w e v e r , t h e c o r ct e c h n o l o g yo fp l c sa n dm o s to ft h em a r k e t si nc h i n at o d a ya r eh e l db yf o r e i g n c o m p a n i e s f e wp l c sa r ep r o d u c e db yd o m e s t i ce n t e r p r i s e s d e v e l o p i n gt e c h n i q u e s f o rp l c p r o d u c t i o ni ss i g n i f i c a n tt ot h ec h i n e s ea u t o m a t i o ni n d u s t r y a st h ei n t r o d u c t i o no ft h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 61 131 3a n dt h er a p i d d e v e l o p m e n to fm i c r o p r o c e s s o r s ，t h es t a n d a r d i z e dp l cs o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n d p r o g r a m m i n gl a n g u a g e sa r ee n v i s a g e dt ob ei m p l e m e n t e d o n t ot h eh a r d w a r e p l a t f o r m su s i n gt h e n e wg e n e r a t i o no fm i c r o p r o c e s s o r sw i t ht h ee x p e c t e dn e w f e a t u r e s ，s u c h 勰m i n i a t u r i z a t i o nb u th i g hp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fp l ct e c h n i q u e sa l ef e a s i b l ea n dt i m e l y ap l cc o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fat w ot i e rh i e r a r c h yc o m p o s e do ft h eu p p e r t i e ro fp r o g r a m m i n gs o f h v a r ea n dt h eb o t t o mt i e ro far u n n i n gs y s t e m t h i st h e s i sh a s w o r k e do nt h eb o t t o mr u n n i n gs y s t e mo fp l c s t h r o u g hc a r e f u ls t u d yo ft h e i n t e m a t i o n a ls t a n d a r di e c 61131 3a n dt h et r a d i t i o n a lp l c sa r c h i t e c t u r e sa n d w o r k i n gp r o c e s s e s ，t h ek e yd e s i g np r o b l e m sa r ei d e n t i f i e da n daf e a s i b l es c h e m ei s d e v i s e d i nt h et h e s i s ，an e wf o r m a to fi n t e r m e d i a t ec o d ei sd e f i n e df o r i n s t r u c t i o n e x e c u t i o n m e m o r ym a n a g e m e n tm e c h a n i s mi sd e v e l o p e df o re f f i c i e n ts t o r a g e b y c o m p a r i s o no fc o m p i l a t i o na n di n t e r p r e t a t i o n ，an e wi n t e r p r e t e r i sd e v i s e df o r e f f i c i e n ti n s t r u c t i o ne x e c u t i o n t h ea s s o c i a t e df u n c t i o ns e tt os u p p o r tt h ee x e c u t i o ni s p r o g r a m m e d am u l t i t a s ks c h e d u l e ri sd e v e l o p e db yt a i l o r i n ga ne m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m t h ep r o t o c o lf o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l c sa n dap ci sa l s od e v e l o p e d f o rn e t w o r k i n g f i n a l l yt h ew h o l er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi si m p l e m e n t e da st h e b o t t o m r u n n i n gs y s t e m o fp l c so n ah a r d w a r e p l a t f o r m w i t ht h ea r m m i c r o p r o c e s s o r s 1 i s o m ee x p e r i m e n t sa l ec a r r i e do u tf o re v a l u a t i o no ft h ed e v e l o p e dr u n n i n g s y s t e m i ti ss h o w nt h a tt h ef u n c t i o n so fp l c sa r er e a l i z e do na l la n np l a t f o r mw i t h h i g l li n t e r p r e t a t i o na n de x e c u t i o ne f f i c i e n c y s o m es u g g e s t i o n sa n df u t u r ew o r ka l e d i s c u s s e da tt h ee n d k e yw o r d s ：i e c 6 1131 3 ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r , t h eb o t t o mr u n n i n g s y s t e m i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：j 0 西争 2 嘴年3 月，7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 列函伊 潮年弓月c | e l 第1 章引言 第1 章引言 1 1p l c 通用控制系统概述 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，是可编程逻辑控制器的缩写。国际电 工委员会( i e c ) 对p l c 控制系统的定义是：可编程控制系统是一种数字运算操作 的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用 来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户 的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过 程【5 1 。 p l c 通用控制系统是在传统的顺序控制器的基础上引入微电子技术、计算 机技术、自动控制技术和通信技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用 来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。 p l c 通用控制系统具有通用性强、使用方便、适用面广、可靠性高、抗干 扰能力强及编程简单等特点。经过几十年的工业应用，p l c 通用控制器广泛渗 透到工业控制的各个领域，包括从单机到工厂自动化，从机器人、柔性制造系 统到工业局部网络掣6 1 。 1 2p l c 通用控制系统发展历程及国内外研究现状 在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位，由此 构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制的 顺序逻辑关系就必须改变控制系统的硬件接线，因此其通用性和灵活性较差。 2 0 世纪6 0 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域中，由于价格高、输 入输出电路不匹配、编程难度大以及难于适应于恶劣工业环境等原因，未能在 工业控制领域获得推广。 1 9 6 8 年，美国最大的汽车制造商一通用汽车公司( g m ) 为了适应生产工艺不 断更新的需要，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的 新型工业控制器，立即引发丌发热潮。这些条件实际上提出将继电器控制的简 第1 章引言 单易懂、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的 优点结合起来，将继电器的硬接线逻辑变为计算机的软逻辑编程的思想。1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c 公司) 研制出了第一台可编程控制器p d p 1 4 ，在美 国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自 此诞生【7 1 。 可编程控制系统自问世以来，发展极为迅速。1 9 7 1 年，日本开始生产可编 程控制器。1 9 7 3 年，欧洲开始生产可编程控制器。我国从1 9 7 4 年开始研制，1 9 7 7 年开始工业应用。到现在为止，世界各国一些著名的电气工厂几乎都在生产可 编程控制器装置。可编程控制器已作为一个独立的工业设备被列入生产中，成 为当代电控装置的主导【引。 可编程控制器从诞生到现在，经历了三次换代，如表1 1 所示： 表1 1 可编程控制器的发展过程 代次器件功能特点应用范围 第一代1 位微处理器逻辑运算、定时、讣数替代传统的继电器控 1 9 6 9 1 9 7 2 制 第二代8 位微处理器及存储器数据的传送和比较、模拟能同时完成逻辑控制、 1 9 7 3 - 1 9 7 5 量的运算，产品系列化模拟帚控制 第二代高性能8 位微处理器处理速度提高，向多功能复杂控制系统及联网 1 9 7 6 1 9 8 3及联网通信发展 通信 第四代 1 6 位、3 2 位微处理器逻辑、运动、数据处理、分级网络控制 1 9 8 3 垒今联网功能的名副其实的多 功能 目前，全世界约有p l c 生产厂家2 0 0 家，生产3 0 0 多个品种。在全球p l c 制造商中，根据美国a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o r p ( a r c ) 调查，世界p l c 领导厂家 的五霸为s i e m e n s ( 西门子) 公司、a l l e n b r a d l e y ( a b ) 、s c h n e i d e r ( 施耐德) 公司、 m i t s u b i s h i ( - 三菱) 公司和o m r o n ( 欧姆龙) 公司，他们占的销售额约占全球总销量的 三分之二【9 1 。 近年来，随着技术的发展和市场需求的增加，p l c 的结构和功能正在不断 改进，国外各个生产厂家不断推出p l c 新产品，平均3 5 年更换次，有些新 型中小型p l c 的功能甚至达到或超过了过去大型p l c 的功能【l o 】。现代可编程控 制器有几个方面的发展趋势】： 2 第1 章引言 ( 1 ) 发展微小型p l c ，使其体积更小，速度更快、功能更强、价格更低、配 置更加灵活。由于自动控制系统规模的不同，小型化、低成本的p l c 将 广泛应用于各行各业，其组成整体结构向小型模块化结构发展，增加了 配置的灵活性。 ( 2 ) 发展大型p l c ，使其具有大型网络化、高可靠性、多功能、良好的兼容 性等特点。网络化和强化通信能力是p l c 发展的一个重要方面，向上与 以太网、m a p 网等相连，向下通过现场总线( 如p r o f i b u s 等) 将多 个p l c 与远程i o 相连，构成整个工厂的自动化控制系统 1 2 】。近年来各 公司陆续推出各种智能模块，大大增强了p l c 的控制功能。智能模块是 以微处理器为基础的功能器件，其c p u 与p l c 的c p u 并行工作，能够 独立完成某些控制功能，如通信控制、高速计数、模拟量输入输出等， 使系统设计和调试的时间减少，控制精度提高。 ( 3 ) 向统一和开放性发展。p l c 控制系统存在严重的不足，主要是p l c 的软 硬件是封闭而不是开放的，绝大多数的p l c 是专用总线，专用通信网络 协议，各公司的编程软件也千差万别，国际电工胁会( i e c ) 在1 9 9 2 年颁 布的i e c 6 1 1 3 1 3 规范，为各p l c 厂家编程的标准化铺平了道路。 ( 4 ) 发展软p l c 。计算机软件、硬件技术的迅速发展，推动了自动控制技术 又取得了一系列新的进展。目前许多工业自动控制产品、机电一体化产 品开始转向以计算机为平台的控制方式。 1 3 基于i e c 6 1 1 3 1 3 规范的p l c 通用控制系统 1 3 1 控制系统组成 传统p l c 都采用封闭式的系统结构，由于各个厂家的p l c 系统及其编程工 具的独立性导致了p l c 平台的不兼容【l3 1 。这样就使得使用者和程序设计人员， 需要花费许多时问去学习各个厂商的编程软件及设备间的通讯方式。另一方面， 传输的p l c 编程语言本身存在着许多难以克服的缺点，而传统的编程方法，例 如指令表、梯形图等，都有各自的缺陷。用户希望统一的，制造商独立的编程 语言，类似于在p c 世界中存在很多年的高级语言编程工具【h 1 。 i e c 6 1 1 3 1 3 是第一个为工业控制系统提供标准化编程语言的国际标准【i5 1 。 3 第1 章引言 该标准针对工业控制系统所阐述的软件设计概念和软件模型等适应了当今世界 软件、工业控制系统的发展方向，是一种非常先进的设计技术【l 酬。符合 i e c 6 11 31 1 的软件系统是一个结构完美、可重复使用、可维护的工业控制系统 软件，不但能被应用在p l c 可编程控制器中，而且还能被应用在运动控制系统、 分散型控制系统和软逻辑p c s c a d a 等【1 7 1 。 i e c 6 1 1 3 1 3 规范总结了现代p l c 系统的要求，包括具体的p l c 硬件和编程 系统的要求【l8 1 。基于i e c 6 1 1 3 1 3 规范的p l c 通用控制系统是一个非常庞大的系 统，包括符合i e c 6 1 1 3 1 3 规范的编程软件、c p u 模块、数字量扩展模块、模拟 量扩展模块、编程接口等相关产品 1 9 】，其中c p u 模块和编程软件是整个系统的 核心，如下图1 1 所示：。c p u 模块本文又称之为底层运行平台。 图1 1p l c 通用控制系统组成 其中c p u 模块和编程软件是整个系统的核心，也是丌发难度最大的部分。 下面就对这两部分分别进行介绍。 1 3 2 编程软件及c p u 模块介绍 符合i e c 6 1 1 3 1 3 规范的编程软件基本功能是协助用户完成开发应用程序， 功能包括工程管理、程序编辑、程序编译、调试、通信和仿真六大部分【2 0 1 ，如 图1 2 所示。 r 1 。“。1 。、。- 。 | | 萝悟fi 幽 编程软件 i 一一一，一一一，一j 工程管理部分完成文件的管理和归档：程序编辑部分负责五种编程语言编 4 第1 章引言 写程序；编译部分进行编译，再由链接部分进行链接得到可以下载到p l c 硬件 系统上的运行代码；调试部分对用户程序中可能存在的错误进行定位和提示， 阻方便用户的修改。程序下载到硬件中运行时，允许进行联机调试、跟踪，显 示p l c 内部状态和相关信息：通信部分负责p c 机和p l c 硬件之间的通信口”。 根据i e c 6 1 1 3 l 一3 规范，编程语言包括：图形化语言和文本编程语言。图形 化编程语言包括梯形图( l d l a d d 盯) 、功能块图( f b d 。f u n c t i o nb l o c kd i a g r & m ) 、 顺序功能图( s f c s e q u 蚰d 柏f u l l c t l o nc h a r t ) 。文本化编程语言包括指令表 ( i l - l n s t r a 嘶o nl i s t ) 和结构化文本( $ t - $ t r a e t t t r et c x l ) 瞄】。符合1 e c 6 1 1 3 1 - 3 规范的 上层编程系统如德国k w 公司的m u l t r o g 软件】，如下图1 3 所示： o l i l t1 4 i ty 。m “l q m 帅”r u l _ 刖剖 j g q 巳自啦皂毋目- 憎黾日o日r4 田。日 0 曲毡些ql i ，。日一。 璧目目固 l ( * l a d d e rn e t w o r k l 。)鳓 弘- - - 4o i - 舢- - 竺毕芒l 肖芒2 一竺r 世l 二司 捌叫- 霎| il 害世等仁l 当。 ! ! ! 与# 生竺靼l 鲢黧= 。一毒! 爨燃m 一灞i 幽13 m u l t i p r o g 软件 c p u 模块即通常所说的p l c ，它能够与安装在p c 机上的编程软件进行通 讯，接收并存储由上层编程软件设计的程序，在其内部执行逻辑运算、顺序控 制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入， 输出，控制各种类型的机械或生产过程。它还能与编程软件进行通讯完成存储 程序上载、状态强制和监控等功能瞄町。 5 第1 章引言 c p u 模块从硬件结构上看包括微处理器、存储器、输入输出接口、通讯接 口、电源部分和外壳等。如下图1 4 所示【2 5 1 。 醯整： 图1 4 c p u 模块硬件结构 编程系统和c p u 模块关系如下图1 5 所示： 五种编程语言 彳产彳产彳产产 气r 工程管理编辑 编译 调试仿真编程 z ；拙 承习e 通信接口 一 ，、 。j 通信接口 彳 运行系统内核 c p u 模 块 一 ；! 多 输入输u j 端口 图1 5 编群系统与c p u 模块关系 1 4 本文的选题背景、研究意义、研究内容和创新点 p l c 通用控制系统是伴随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通 信技术而诞生的，国外对p l c 通用控制系统的研究已经有几十年的历史，由于 6 第1 章引言 技术基础好，并且和工业发展紧密相连，研制出大量相关的成熟产品，并已广 泛应用于工业控制各个领域中，占据了国内外绝大部分的市场。 国内对p l c 控制系统起步较晚，加之我国的电子技术水平落后，p l c 通用 控制系统技术一直无法突破，国内少数几家掌握p l c 设计技术的公司也仅仅停 留在初级阶段，其中一些还是国外引进的技术，仅能设计生产小型低端p l c 设 计。 自上世纪七十年代引进p l c 以来，p l c 在中国的应用已有3 0 年的历史。引 进初期，由于p l c 价格昂贵，引进的p l c 主要用于冶金、电力、自动化生产线 等大的系统。近1 0 年来，随着p l c 价格的不断降低和用户需求的不断扩大，越 来越多的中小设备开始采用p l c 进行控制，p l c 在我国的应用增长十分迅速。 随着中国经济的高速发展和基础自动化水平的不断提高，今后一段时期内p l c 在我国仍将保持高速增长势头。 我国大中型企业普遍采用了先进的自动化系统对生产进行控制，但绝大多数 小型企业尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。随着竞争的日益加 剧，越来越多的小型企业将采用经济、适用的自动化产品对生产过程进行控制， 提高企业的经济效益和竞争实力。 我国在“十五”规划中已明确提出了“用信息化带动工业化 的发展计划， 大量传统产业的自动化改造将为p l c 的应用提供巨大的发展空间【2 6 1 。我国将迎 来一个p l c 市场高速增长的时期。 基于上述原因和中国经济高速增长的现状，今后若干年内中国p l c 市场将 保持持续高速增长【2 7 1 。巨大的市场需求为发展p l c 业务提供了难得的历史机遇， 国内有实力的自动化公司应充分利用在市场、技术、行业影响和品牌等方面的 积累，大力拓展p l c 业务，使国产p l c 早日成为中国p l c 市场的主要参与者 之一一。 目前中国p l c 市场主要厂商为s i e m e n s 、m i t s u b i s h i 、o m r o n 、r o c k w e l l 、 s c h n e i d e r 、g e f a n u c 等国际大公司。其中欧美公司在大、中型p l c 领域占有绝 对优势，日本公司在小型p l c 领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公 司在小型p l c 领域也有一定市场份额，中国大陆p l c 厂商的市场份额占有率低 f 2 8 】 o 传统p l c 存在着不足，其软硬件是封闭而不是开放的，绝大多数p l c 使用 专用的总线和通信网络协议，编程语言千差万别。p l co p e n 协会制定的 7 第1 章引言 i e c 6 1 1 3 1 - 3 规范为各p l c 编程系统标准化铺平了道路，为国内研究者在p l c 通 用控制系统编程软件设计方面指明了方向。而高性能微处理器的出现又为控制 系统设计提供了硬件基础。 基于i e c 6 1 1 3 1 3 规范的p l c 通用控制系统平台课题研究得到了上海市大学 生创业基金项目支持，属于企业和学校联合项目。初步完成m y p l c 编程软件设 计和c p u 模块设计目标。 本论文研究主要针对c p u 模块，即底层运行平台。国内有少数高校对底层 运行平台有研究，但大多停留在p l c 简单逻辑指令的解释执行上【2 9 1 。本文通过 研究i e c 6 1 1 3 1 3 规范和传统通用控制器工作原理，讨论了底层平台设计中的一 些关键问题，提出新的底层平台设计方案，并加以实现和实验验证。主要工作 具体如下： ( 1 ) 以国外主流p l c 为原型，结合i e c 6 1 1 3 1 3 标准，研究p l c 通用控制系 统的工作原理。总结前人的设计思路，利用高性能硬件，提出软硬件平 台设计方案。 ( 2 ) 研究机器码设计，针对本文设计相应中间代码。 ( 3 ) 结合传统p l c 内存分配方法，设计p l c 内存分配机制。 ( 4 ) 比较p l c 指令的编译或解释执行方法，设计一种简单易行的框架对p l c 指令进行高效解释执行。 ( 5 ) 针对所提出的解释执行方法，编写系统指令解释函数库。 ( 6 ) 研究多任务调度机制，对p l c 控制系统多任务进行合理调度。 ( 7 ) 研究p l c 与p c 机通讯，制定相应通讯协议，实现上层编程软件和p l c 联调。 ( 8 ) 以s t 公司的s t r 9 1 2 为核心硬件，移植u c o s 2 操作系统，合理安排任 务调度，实现程序逻辑的解释执行。 ( 9 ) 在a d s l 2 开发平台下完成整个嵌入式系统软件丌发。 ( 1 0 ) 设计实验，测试系统功能，并对指令执行效率进行分析。 本文的创新点集中在： ( 1 ) 通过比较编译和解释方法实现指令的执行比较，提出一种简单易行的解 释执行方法。 ( 2 ) 在嵌入式实时操作系统下实现通用控制系统多任务合理调度。 本文主要按照如下结构进行叙述： 8 第1 章引言 第一章，引言。简要概述了p l c 通用控制器的定义、发展历程及趋势。介绍了 基于i e c 6 1 1 3 1 3 规范的p l c 通用控制系统，阐述了该课题的来源及 重要性，并概括本文所完成工作。 第二章，p l c 通用控制系统设计思想。介绍了系统工作原理，结合前人经验， 提出硬件和软件设计思路。讨论了设计过程中的几个关键问题，并提 、出解决方案。 第三章，p l c 通用控制系统实现。概述了核心硬件，并以该硬件为核心设计硬 件平台。详细介绍了指令解释执行的原理和函数库编写，以及p l c 和 p c 通讯实现。完成u c o s 2 操作系统在s t r 9 1 2 f w 4 4 x 微处理器上的 移植，合理设计多任务调度机制。最后在a d s l 2 开发环境下完成整 个控制系统软件设计。 第四章，试验及分析。对控制系统进行功能验证和指令效率分析。 第五章，结论与展望。 9 第2 章p l c 通用控制系统设计思想 第2 章p l c 通用控制系统设计思想 2 1 系统工作原理 简单p l c 通用控制系统只是周而复始的执行用户程序中的控制逻辑和读写 数据，本文以最简单的西门子s 7 2 0 0 系列p l c 为倒叙述p l c 通用控制系统 工作原理。任务循环执行一次被称为一个扫描周期。一个扫描周期包括读输入、 执行程序、处理通讯请求、执行c p u 自诊断测试和写输 l 。如图21 所示 ” 。 产毪“ f 谣9 q o s 之炎立 i - l i c p ur 1 台伊 世二t i 通讯l j 球 _ 一j l f f j 耍；淡义x 刁q o l 读拓八 图2 1 简单p l c 通川平台l 怍过程 ( 1 ) 读输入 在可编程控制系统的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号 的状杏，它们称为输入映像寄存器和输出映像器。在读输入阶段可编程控制 器把所有的外部的数字量输入和模拟量输入读入到各映像区。 ( 2 ) 执行程序 在扫描周期的执行程序阶段，c p u 从头至尾执行程序。在程序或中断服务程 序中，直接i o 指令允许对i o 点直接存取。如果在程序中使用了中断，与中断 相关的中断服务程序作为程序的一部分被存储。中断程序并不作为正常扫描周 期的一部分来执行，而是当中断事件发生时才执行。 ( 3 ) 处理通讯 1 0 第2 章p l c 通用控制系统设计思想 请求在扫描周期的处理阶段，c p u 处理从通讯端口或者智能i o 模块接收到 的任何信息。 ( 4 ) 执行c p u 自诊断 在扫描周期的这个阶段，检测c p u 的操作、存储区以及扩展模块的状态是 否正常。 ( 5 ) 写输出 在每个扫描周期的结尾，c p u 把存储在输出映像寄存器中的数据写到输出 点。 在新的i e c 6 1 1 3 1 3 规范中对执行程序阶段进行了新的阐述。随着p l c 通用 控制系统功能愈来愈强，p l c 控制系统已经由传统的单个优先级用户程序系统 发展到多个优先级和时间片轮转用户程序【3 l 】。即上述的第2 阶段执行程序被分 解成很多子任务，可以按照不同优先级或时间片并行运行。整个系统需要一个 任务调度器负责调度以上几个循环任务。如图2 2 所示： 图2 2 中高端p l c 通用平台工作过程 对于此类系统，读输入、写输出、自诊断还是循环执行，执行程序的多个 子任务按照各自的时问片和优先级轮转执行。通讯处理则由中断触发执行。 2 2 硬件设计思路 第2 章p l c 通用控制系统设计思想 p l c 控制系统主要运用在恶劣的工业环境中，设计时的目标是高可靠性、 稳定性和较高的指令执行速度【3 2 1 。本文只涉及底层运行平台。 p l c 控制系统硬件设计传统思路是以单片机+ 存储器扩展模块+ 接口【3 l 】。如 西门子s 7 系列选取的是1 6 4 单片机+ 存储器扩展+ 接口。随着新型设计精良、低 功耗、低成本和高速度的a r m 芯片的出现，选取a r m 芯片作为控制系统核心 器件在性能上有极大的优势。本文选取s t r 9 1 2a r m 芯片作为核心器件，由于 其内部集成了较大的r a m 、f l a s h 、a d d a 、u a r t 等资源，单片即可完成大 部分的功能，因此系统可以简化为a r m + 外围接口，硬件平台框图如图2 3 所示： 2 3 软件设计思路 图2 3p l c 通用平台硬件平台 传统p l c 通用控制系统是一个简单的前后台系统，系统只是一个周而复始 的循环，但基于i e c 6 1 1 3 1 3 规范的通用控制系统都是针对多任务，使用嵌入式 操作系统有利于系统快速和高效的进行开发。从丌发角度来看，任务可以分为 三大类： ( 1 ) 系统初始化任务 p l c 通用控制系统开始执行时必须进行一系列的硬件初始化、操作系统初 1 2 型 i 噬，= l 麟 犁 搬 第2 章p l c 通用控制系统设计思想 始化等。 ( 2 ) 用户执行程序任务 这部分任务即用户通过上位机编程软件编写的程序。 包括四种类型：用户默认任务、用户循环任务，用户中断任务和用户系统 任务【3 4 1 。 用户默认任务在以上四个任务中具有最低的优先级，当系统处于空闲状态 时执行，即此时系统没有其他的循环任务或高优先级任务。用户循环任务程序 在一定的时间间隔内执行。用户中断任务( 事件任务) 是当某个中断事件发生时执 行。用户系统任务是当系统发生错误或p l c 控制系统改变状态是自动执行。 ( 3 ) 系统执行任务包括编译任务、扫描i o 任务、通讯任务和自检任务。 用户程序下载到底层运行平台后，必须首先对其解释或编译才能执行，将其 转化为p l c 硬件平台能执行的a r m 机器代码，称之为编译任务或解释用户程 序任务。扫描i o 任务是指可编程控制器把所有的外部的数字量输入和模拟量输 入读入到各映像区、把存储在输出映像寄存器中的数据写到输出点。通讯任务 负责p c 和p l c 通讯。自检任务检测c p u 的操作、存储区以及扩展模块的状态 是否正常。自检任务所激发的系统任务如表2 1 所示： 表2 1 系统任务定义 系统任务号( s p g ) 系统任务含义 s p g o 在热启动完成后执行 s p g l 程序被巾断时执行 s p g 2程序没有在看门狗时间内完成执行 s p g 3 在程序执行过程中除0 时执行 s p g 4堆栈溢出时执行 s p g 5在热启动完成后执行 s p g 6 程序被巾断时执行 s p g 7 程序没有在看门狗时问内完成执行 s p g 8 在程序执行过程巾除0 时执行 s p g 9 堆栈溢山时执行 s p g l 0自由u 通讯出错 s p g l l在冷启动后执行 1 3 第2 章p l c 通用控制系统设计思想 系统软件流程可描述如下图2 4 所示： 2 4 设计关键问题 。 2 4 1 操作系统选取 图2 4 系统软件流程图 嵌入式操作系统是嵌入式系统工作的操作系统。嵌入式操作系统一般有实 时的特点。所谓实时系统，是指一个优先级高的任务能够立即执行、没有延迟 的服务，它不需要等候任何其他任务，而且在得到c p u 的使用权后，可以只工 作到工作结束或者更高的进程出现为止【3 5 】。 嵌入式操作系统的出现可以大大提高嵌入式系统软件的歹：发效率，减少系 统丌发的工作总量，而且提高了嵌入式应用软件的可移植性。为了满足嵌入式 1 4 第2 章p l c 通用控制系统设计思想 系统的需要，嵌入式操作系统必须包括一些最基本的功能，如中断功能与进程 调度，用户可以通过a p i 来使用操作系统。实时操作系统可以根据实际应用环 境的要求对内核进行剪裁和重新配置，组成可根据实际的不同应用领域而有所 不同，但以下基本部分基本不变：实时内核、网络组件、文件系统和图形接口 等。 嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可分为两种：商业型和免费型。目 前商业型的操作系统主要有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、p s o s 、p a l mo s 、l y n x o s 、 q n x 、l y n x 等，它们的优点是功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服 务，而且提供了如图形用户界面和网络支持等高端嵌入式系统要求的许多高级 的功能；缺点是价格昂贵而且源代码封闭，这就大大影响了开发者的积极性。 免费型的操作系统主要有l i n u x 和u c o s 2 ，它们在源代码开源和价格方面具有 很大的优势【3 6 1 。 结合本项目的具体情况，在通用控制系统中实时操作系统仅负责对中断管 理和多任务进行调度，不需要文件系统和网络支持等复杂功能，选取简单的微 内核即可。本文选取u c o s 2 操作系统。 u c o s 2 操作系统具有以下几个优点【3 7 】： ( 1 ) 内核完全免费，用户不需要支付任何费用，有利于降低系统开发成本。 ( 2 ) 源码公开，系统在不停的升级，增加新的功能。源代码的开放可以使用 户根据实际要求对源代码进行取舍，去掉不必要的变量和不使用的函 数，提高系统性能。另外，由于系统内核有源代码级的了解，用户可以 添加自己的模块，与原有系统内核兼容，使得系统具有可扩展性。 ( 3 ) 系统内核实用性强、可靠性高。从最老的版本u c o s ，到最新的版本 u c o s 2 ，该内核已经走过了近十年的历程。十年来，世界上已有数千人 在各个领域使用了该实用内核，如医疗机械、网络设备、自动提款机和 工业机器人等。这些应用的实践是该内核实用性、无误性的最好证据【3 引。 ( 4 ) u c o s 2 结构小巧，最小的内核可编译至2 k ，即使包含全部的功能如信 号量、消息邮箱、消息队列及相关函数等，编译后的u c o s 2 内核也仅 有6 1 0 k b ，操作系统内核对处理器以及r o m 、r a m 资源的要求不高， 适合于小型控制系统。 ( 5 ) u c o s 2 最大程度地使用a n s ic 语言开发，移植简单。只需要对改写少 数几个文件即可。 1 5 第2 章p l c 通用控制系统设计思想 2 4 2 中间代码设计 中间代码指的是编程软件编译链接后生成的代码。该代码类似于汇编机器 代码，包含对应的操作码和操作数。以西门子早期的编程软件s 5 为例，指令l d 1 0 0 经编译后的中间代码为两个字节的十六进制数( c 10 2 ) ，其中c 1 代表l d 操 作码，0 2 代表1 0 0 操作数。 底层平台接收后执行中间代码所包含逻辑。定义好中间代码有助于底层平 台高效执行用户逻辑。 中间代码除了要表达指令的动作之外，还要将操作数和指令编码合理地编 排在一起，并减少内存占用的空间。编码实质上是对要处理的数据按照一定的 规则进行变换，根据源程序指令的不同，用尽可能简洁的方式来表示复杂的信 息。指令编码可以采用两种编码形式：固定长度编码和可变长度编码。前者在 指令解释时可以减少分析时的判断次数，但是不够灵活且不易扩充指令集，后 者在解释时需要更多的判断但较灵活。 为了尽量减少判断次数和方便指令扩充，同时保证对多操作数也能采用统 一的格式，本文选择固定长度形式，统一采用八个字节的固定长度。 指令编码方式如下表2 2 所示：b 7 表示指令号，如0 1 表示指令为l d n 指 令；b 6 表示操作数种类，其中高四位表示第一个操作数种类，低四位表示第二 个操作数种类；b 5 表示位地址；b 4 和b 3 表示第一个操作数地址；b 2 和b 1 表 示第二个操作数地址。b 0 暂时预留。 表2 2 中间代码定义 概缓# ，搬手 ：数 缀f j b 7b 6b 3b lb 3b 2b lb o lr lrlrlrlrlrlr王rr 0 o0 ：o b0 0 ：0 。：0 n0 。： l d n x y oio ：魄现玖：0 矗l倪：馥：l 蹦，y oj 0 ：0 b0 ；0 。：也：晚：0 。： a、x o 2 4 3 内存管理和分配 p l c 系统实际是将继电器逻辑用软逻辑代替。实际中的线圈状态存储在各 种映像区中。目前常用p l c ，如欧姆龙和西门子，涉及的处理数据分类有1 1 类， 1 6 第2 章p l c 通用控制系统设计思想 相应p l c 存储区域分类具体有：输入过程映像寄存区、输出过程映像寄存区、 变量存储区、位存储区、定时器存储区、计数存储区、特殊存储区、局部变量 区、模拟量输入区、模拟量输出区、顺控继电器存储器【3 9 】。本论文设计的控制 系统，也进行了类似的分类，针对具体硬件，各存储区大小及排列见附录a 。 输入过程映像寄存区( i 区) ：在每个扫描周期的开始，c p u 读取所有物理 输入点进行采样，并将采样值写入输入过程映像寄存器中。 输出过程映像寄存区( q 区) ：在每次扫描周期的结尾，c p u 将输出过程映像 寄存器中的数值复s z j n 物理输出点上。 变量存储区( v 区) ：用v 存储程序执行过程中控制逻辑操作的中间结果，也 可以用来保存与工序或任务相关的其它数据。 位存储区( m 区) ：可作为控制继电器来存储中间操作状态和控制信息。 定时器存储区( t 区) ：用于时问积累，其分辨率时基增量分为i m s ，1 0 r n s ，l o o m s 三种。定时器有两种形式：当前值为1 6 位有符号整数，存储定时器所累计的时 间；定时器位则按照当前值和预置值的比较结果置位或者复位。预置值是定时 器指令的一部分。可以用定时器地址( t + 定时器号) 来存取这两种形式的定时 器数据。究竟使用哪种形式取决于所使用的指令。 计数存储区( c 区) ：计数器用于累计其输入脉冲电平由低到高