（机械制造及其自动化专业论文）codesys平台下嵌入式系统软plc的研究.pdf

摘要 随着计算机技术的迅猛发展以及国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 的制定，一项具有开 放式体系结构的新兴技术一软p l c 技术迅速发展起来。近年来，嵌入式系统以 其特有的优势在工业控制领域中得到日益广泛的应用。嵌入式系统与软p l c 的 结合是两者在工业控制领域内发展的必然趋势。 本文在深入了解传统p l c 的结构、工作原理的基础之上，详细介绍了软p l c 系统的控制方案，并对嵌入式软p l c 技术进行了详细的分析。基于分析的结果， 提出了嵌入式开发平台上软p l c 的实现方案。总体方案是将3 s 公司的c o d e s y s 软p l c 嵌入到以8 0 1 8 6 处理器为核心的嵌入式系统中，从而构建出具有一定创 新性的嵌入式软p l c 系统模型。 文中详细论述了嵌入式软p l c 系统硬件平台的建立。开发平台基于8 0 1 8 6 处理器构建，完成了核心电路设计，包括系统电源电路设计、存储系统电路设计 等，并完成了系统的通信模块接口的设计，包括以太网接口、c a n 总线接口等， 为系统开发提供了物质基础。嵌入式软p l c 系统模型包括开发系统和运行系统 两部分本文的开发环境使用c o d e s y s 所提供的集成开发环境。开发环境运行 于w m d o w s 平台，符合m c a l l 3 1 3 国际标准，为用户提供了一个p l c 应用程序 编程环境。c o d e s y s 编辑器界面友好，可以让用户方便地使用几，s t ，l d ，s f c 和f b d 五种i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准语言和c o d e s y s 特有的由f b d 语言转化而来 的c f c 语言编写程序。 运行系统运行在以8 0 1 8 6 处理器为核心的嵌入式系统上，并通过以太网接口 与开发环境c o d e s y s 进行通信。经调试无误的p l c 程序被下载到嵌入式系统中。 运行系统的设计主要是针对本系统硬件平台的具体架构进行c o d e s y s 运行内核 的移植定制，使用c 语言编程实现并采用模块化的设计方法，具有一定的跨平 台性和可移植性。文中详细论述了巡回扫描程序的具体编程实现以及系统的实现 需要对c o d e s y s 软件所进行的应用操作。最后讨论了该系统的特点以及还需完 善的几个地方。 关键词嵌入式软p l c ；运行系统；开发系统；c o d e s y s a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe o m t , u t 盯t e e l m i q u ea n dt h ee s t a b l i s h m e n to f i e c 6 1 1 3 1 - 3c r i t e r i o n , $ o t t p l cd e v e l o p sr a p i d l y r e c e n ty e a r s ，e m b e d d e ds y s t e mh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r yc o n t r 0 1 s oi t sam i n dt oc o m b i n et h e e m b e d d e ds y 翻f e ma n d $ o t 【p l c t h i sa r t i e l es t a r t sw i t ht h et h o r o u g hu n d e r s t a n d i n gs l l u e t u r ea n dw o r kp r i n c i p l e o ft r a d i t i o np l c , 吐i e n d e t a i l e d l ya n a l y s e st h ee o n l r o ls c h e m eo f $ o t t p l cs y s t e ma n d e m b e d d e ds o t i p l c b a s e do nt h er e s u l to f a n a l y s i s ，t h ei m p l e m e n t a t i o np r o j e c to f t l a e s o f t p l cb a s e do ne m b e d d e dd e v e l o p i n gp l a t f o r mi sp r o v i d e d t h et o t a lp r o j e c ti st h a t $ o t t l l c - c o d e s y si se m b e d d e di n t oe m b e d d e ds y s t e mw h l e l at a k e si n t e l8 0 1 8 6 p r o c e s s o ra st h e r 也t h u sam o d e lo f e m b e d d e ds o i lp l cs y s t e mi sc o n s t r u c t e d t h i st h e s i s d e t a i l e d l yd i s c u s s e st h e f o u n d a t i o j ao fh a r d w a r ep l a t f o r mo n e m b e d d e d $ o f l ：p l cs y s t e m t h ep l a f f o r mb a s e do n8 0 18 6p r o c e s s o ri se s t a b l i s h 吐 w h i e l aa e e o m p l i s l l e st h ed e s i g no fk e r n e lc i r c u i ti n c l u d i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i tf o r s y s t e m , m e m o r yc i r c u i ta n dt h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ef o rs y s t e m , s u c h 鹊e t h e m e t ，c a nb u sa n ds oo n , a l lo fw h i c hp r o v i d es u b s t a n c eb a s ef o rs y s t e m d e v e l o p m e n t t h em o d e lo fe m b e d d e ds o f t p l cs y s t e mi n c l u d e sd e v e l o p m e n ts ) _ s t e m a n dr u n n i n gs y s t e m t h ed e v e l o p m e n t8 驰i t e m1 t l s cc o d e s y sw h i c ha c c o r d st ot h e i n t e a - n a t i o n a ls t a n d a r d e c 6 1 1 3 1 - 3 c o d e s y sn 瑚o nw i n d o w sp l a t f o r ma n di su s e d 够p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n tf o ra p p l i c a t i o np l cp r o g r a m t h ei n t e r f a c eo fe d i t o ri s f r i e n d l y , s op r o g r a m m e rc 姐d oh i sw o r ke a s i l y 、) l r i t hls t l d ，s f c ，f b d a n dc f c w l a i e l li st r a n s f o r m e df r o mf b d t h er u n n i n gs y s t e mn 脚o r st h ee m b e d d e ds y s t e mw h i c ht a k e s8 0 1 8 6p r o c e s s o r 鹤t h ec 0 1 1 ea n de o m m t m i e a t e sw i t hc o d e s y sv i at h el t l a e m e ti n t e r f a c e , a n dt h e nt h e p l cp r o c e d u r ew h i c hi sd e b u g g e dc o r r e c t l yb yc o d e s y si sd o w n l o a d e dt ot h e e m b e d d e ds y s t e m t h ed e s i g no fr u n n i n gs y s t e mm a i n l yi m p l e m e n t st h et r a n s p l a n to f t h ec o d e s y sr u n n i n gc o r ea c c o r d i n gt ot h es t a - u e t u r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m k a r d w a r e p l a t f o r m w e d i s c u s st h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no f c y c l es c a n p r o g r a m a n dt h ea p p l i c a t i o no p e r a l i o nt oc o d e s y ss o t t w a r e , w h i c hi sn e e d e db yt h e r e a l i z a t i o no f e m b e d d e d $ o p l p l cs y s t e m f i n a l l yw ed i s c u s st h ec h a r a c t e r i s t i co f t h l s e m b e d d e ds o t t p l cs y s t e ma n ds e v e r a lp l a c e sw h i c ha r ea l s on e e d e dt ob e c o n s u m m a t e d k e y w o r d se m b e d d e ds o f t p i , c ，r u n n i n gs y s t e m ，d e v e l o p m e n ts y s t e m , c o d e s y s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲弘扭 日期：之! ! ! ：兰：主墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：王函函导师签名：麈盔鳇日期：璺竺i ：兰：多 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 嵌入式系统概况 第1 章绪论 嵌入式系统就是嵌入到对象体中的专用计算机系统，i e e e 对嵌入式系统的 定义为：嵌入式系统是佣于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。这主 要是从应用对象上加以定义的，涵盖了软、硬件及辅助机械设备【1 】。国内普遍认 同的嵌入式系统定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 相比较而言，国内的定义更全面一些，体现了嵌入式系统“嵌入”、专用性等计 算机的基本要素和特征 2 1 。嵌入式系统主要由嵌入式处理器，相关的硬件支持设 备，嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成 3 j 。用于实现对其它设备的控 制、监视和管理功能，它通常嵌入在主要设备中运行。嵌入式系统是面对某一特 定应用，所以它的硬件系统相对于p c 来说要简单，是由一些专门集成的电路搭 建而成的。 嵌入式系统是针对具体应用设计的。专用系统”。它的硬件和软件都必须高 效率地设计、“量体裁衣”、去除冗余，力争用较少的资源实现更高的性能。嵌入 式系统与通用的计算机系统相比具有以下显著特点【4 】：( 1 ) 一般是专用系统，而 p c 是通用计算平台；( 2 ) 运行环境差异很大；( 3 ) 资源比p c 少得多；( 4 ) 软件故障 带来的后果比p c 机大得多；( 5 ) 一般采用实时操作系统；( 6 ) 大都有成本、功耗的 要求；( 7 ) 得到多种微处理体系的支持；( 8 ) 需专用的开发工具。 1 1 2 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史，大致经历了以下四个阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、 伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控 制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制， 运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一， 处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口等。由于这种嵌入式系统使用 简便、价格低廉，以前在国内工业领域化工业控制和新兴的信息家电等领域的需 求应用较为普遍，但是已经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代工 北京工业大学工学硕士学位论文 业的要求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效 率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友 好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特 点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系 统内核精小、高效率，并且具有高的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设 备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程 序接口( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富等。 第四阶段是以基于i n t c m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的 阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t 日- a e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以 及i n t a m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t c m c t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来p 1 1 1 3 嵌入式系统的发展现状与应用前景 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的 外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示 卡显示器、m o d e m 、网卡、声卡，打印机、扫描仪、数码相机、u s b 集成器等 均是由嵌入式处理器控制的。制造工业、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、 船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 最具有产品效益和时代特征的嵌入式产品应属因特网上的信息家电，如w e b 可视电话、游戏w 曲机、w e b p d a 、w a p 电话手机以及多媒体产品，如s t b ( 电 视机顶盒) 、d v d 播放机、电子阅读机等。 中国嵌入式系统市场处于快速增长时期。在未来的几年内，嵌入式系统的发 展为几乎所有的电子设备注入了新的活力，由于i n t e r a c t 的迅速发展以及非常廉 价的微处理器的出现，嵌入式系统将在我们的日常生活里形成一个更大的应用领 域。消费电子、交通运输汽车、电信服务、网络工业都表现出对这个市场的关注， 嵌入式操作系统将继续保持迅速的增长。 信息产业部有关部门对我国嵌入技术的开发和应用给予了一贯的支持，无论 从芯片研发、嵌入式操作系统、嵌入式数据库到应用系统研发乃至推广应用，在 政策导向、标准制定、电子生产发展基金立项，倍增计划款项目和贴息等，对嵌 入技术及其应用，都给予了力所能及的支持。2 0 0 4 年3 月1 1 日，北京信息产业 部与微软公司在北京签署合作备忘录，双方同意合作共建国家软件与集成电路产 2 第1 章绪论 业公共服务平台的相关实验室，微软将与国内r r 合作伙伴一道，共同建设基于 w m d o w s n e t 的平台软件及嵌入式软件实验室f 6 。这些举措预示着未来几年中我 国将加快包括嵌入式软件在内的软件和集成电路产业的发展。 1 1 4 嵌入式系统的发展趋势 从技术层面看，未来嵌入式系统技术有以下几点新的发展趋势1 7 1 ： ( 1 ) 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持随着因 特网技术的成热、带宽的提高，口c 和a s p 在网上提供的信息内容日趋丰富、 应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式电子设备 的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设计师们一 方面采用更强大的嵌入式处理器，如3 2 位、“位r i s c 芯片或信号处理器d s p 增强处理能力；一方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能 复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 ( 2 ) 联网成为必然趋势为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向 2 l 世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网 要求，嵌入式设备必需配有通信接口，相应需要t c p i p 协议软件支持；由于家 用电器相互关联( 如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息) 及 实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、 c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和 物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程 模式，还需要相应的浏览器，如h t m l 、w m l 等。 ( 3 ) 小尺寸、微功耗和低成本为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应 降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软 件设计技术要求。如：选用最佳的编程模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模 式，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式 软件技术，如j a v a 、w 曲和w a p 等。 1 2 课题的提出 1 2 1p u g 简述 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n u o l l e r ) 即可编程逻辑控制器，是2 0 世纪6 0 年 代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。提出 p i , c 概念的是美国通用汽车公司，根据当时汽车制造生产线的需要，希望用电 子化的新型控制器代替继电器控制器，以减少汽车改型时重新设计制造继电器控 制盘的成本和时间p l c 的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优 点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器 的硬件是标准的、通用的根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器 的用户程序存储器内。 随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到7 0 年代中 后期，p l c 已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也 都采用了中、大甚至超大规模的集成电路，这时的p l c 已不仅仅具有逻辑判断 功能，还同时具有数据处理和数据通信功能。 国际电工委员会( i e c ) 颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器做了 如下定义：可编程控制器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，它采用一类可编程序的存储器，用于在其内部存储程序，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，并通过数字式和模拟 式的输入输出，控制各种类型的机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围 设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计f 扪。 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳 为如下几类：开关量逻辑控制，模拟量控制，运动控制，过程控制，数据处理， 通信及联网唧。p l c 技术在各种工业过程控制、生产自动线控制中得到极为广泛 的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。 1 2 2p l c 的优点和应用领域 p i , c 的主要具有如下优点： ( 1 ) 运行稳定，可靠性高由于采取了一系列保证p l c 高可靠性的措施，p i c 的平均无故障时间一般可达到3 到5 万小时，而且能适应各种工业运行环境。 ( 2 ) 编程简单，使用方便p i , c 采用面向过程、面向问题的“自然语言”编程， 如梯形图语言编程方式，非常直观，易懂易编，容易推广使用。 ( 3 ) 功能强大现代p l c 不仅具有条件控制、计数、定时、步进、跳转、移 位等功能，还能完成a d ，d a 转换、数字运算和数据处理以及通信网络、生产 过程监控等功能。 ( 4 ) 硬件配置、安装、使用和维护都很简单方便p l c 的接线只需将输入设备 ( 如按钮、开关等) 与其输入端子相连，将输出设备( 如接触器、电磁阀等) 与其输 出端子相连，十分方便。p i , c 上有i o 指示灯( l e d ) ，哪个i o 元件有故障，一 目了然。 第1 章绪论 ( 5 ) 体积小、重量轻、易于实现机电一体化p l c 结构紧凑、坚固耐用、体积 小巧，并具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械设备内部，因而成 为机电一体化十分理想的控制设备。 p l c 由于具备以上特点，现在己经广泛应用于国内外的机械、冶金、化工、 汽车、轻工等行业中。按照p l c 的应用类型来划分，其应用领域大致可分为如 下几个领域【l0 】： ( 1 ) 开关量逻辑控制p l c 最基本的功能就是逻辑控制，如逻辑运算、记时( 定 时) 、计数等。在中、高档数控机床的数控系统中，大多采用p l c + n c 的控制方 式、前者实现对开关量( 如m 功能、t 功能) 的控制，后者完成插补运算等功能。 ( 2 ) 模拟量的闭环控制一般p l c 都有a d ，d a 转换及算术运算等功能， 因此可以实现模拟量控制或者p i d 控制。 ( 3 ) 数字量的智能控制利用p l c 能接受和输出高速脉冲的功能，在配备相 应的传感器或脉冲伺服装置( 如环行分配器、功放、步进电机) 就能实现数字量的 智能控制。 “) 数据采集与监控p l c 可以在控制现场实行控制，把现场的数据实时显示 或采集保存下来，供进一步研究。 ( 5 ) 分布式控制系统通过联网可以把p l c 与p l c ，或p l c 与上位机连接起 来，构成多级分布式控制系统。 1 2 3 软p i g 的产生及其作用 众所周知，硬p l c 具有可靠性高、使用方便和耐恶劣环境能力强等特点。 但是，随着计算机技术的发展，硬p l c 的通用性及兼容性差等弊端愈来愈明显。 而计算机的标准化的通信协议和成熟的局域网技术使组网十分简便，还可以通过 i n t e m e t 与外界相连。一个具有开放性的系统可以和任何遵守相同标准的其它设 备或系统相连。那么能不能将p c 开放性和p l c 的可靠性等优点结合在一起呢? 国际电工委员会( c ) 于1 9 9 3 年发布了i e c 6 1 1 3 1 3 有关可编程序控制器编程的 标准。根据该标准，充分利用工业控制计算机( 口c ) 或嵌入式计算机( e p c ) 的硬件 和软件资源，全部用软件来实现硬p l c 的功能。这就是国际上出现的高新技术 一软p l c 技术。 软件p l c 其独立的硬件部分主要就是i ，0 输入输出模块，它将现场信号转 换成p c 机可以接受的信号电平，同时可以把p c 机的信号电平转换成现场控制 设备所需要的电平【l l 】。利用通用的i o 输入输出模块可提高其可靠性和性价比。 由于控制对象不同，其接受的输入信号电压和输出信号电压也各异，所需的 点数和功能也不同。软件p l c 的定时、计数等功能，既可以由软件来实现，也 5 北京工业大学工学硕士学位论文 可以通过在硬件模块上添加相应的元件，实现所需的功能。 1 2 4 软p i c 的未来发展方向 软件p l c 采用开放式结构的软件控制技术，将一台标准的工业控制计算机 改变为一个具有p l c 全部功能的过程控制器。随着微处理技术的发展，可编程 控制器也得到了迅速发展，其技术和产品日趋完掣1 2 1 以往各个p l c 生产厂家的产品不仅硬件各异，其编程方法也是五花八门， 用户每使用一种p l c 时，他不但要重新了解其硬件结构，同时必须重新学习编 程方法及其规定。为减轻用户学习负担，i e c 于1 9 9 3 年发布了i e c 6 1 1 3 1 3 有关 可编程序控制器编程的标准。以往各个p l c 生产厂家的产品互不开放，要将几 个p l c 厂家的产品连接在同一个网络里是很困难的，而以通用的p c 取代各制造 厂专用的p l c ，可使系统从封闭走向开放 1 3 】 1 9 9 2 年，由p l c 用户与制造商联合组成“p l c o p e n ”组织，总部设在荷兰， 在美国、日本都有分支机构，其宗旨是组织和推动i e c 6 1 1 3 1 3 标准的贯彻并向 用户提供咨询服务。也就是说，用户不仅可以选择他所熟悉的编程语言，还可选 择适合于他的f o 硬件组成控制系统。当i e c 6 1 1 3 1 3 编程标准问世及在其影响 下的开放式结构，使得通用p c 有可能代替传统p l c ，成为新型p l c 一软p l c 。 其典型的系统结构是工控机+ f o 接口+ 软p l c 软件包。软p l c 产品是基于p c 开放结构的控制装置，它具有硬p i c 在功能、可靠性、速度等方面的特点，利 用软件技术可将标准的工业p c 转换成全功能的p l c 过程控制。软p l c 综合了 计算机和p l c 的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网等功 能，通过一个多任务控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确地扫描周期和 可连接各种f o 系统及网络的开放式结构。可以这样说，软p l c 提供了与硬p l c 同样的功能，而同时具备了p c 环境的各种优点。这样用户可以自由选择p l c 的 硬件；用户可以获得p c 领域技术价格的优势，而不受某个硬p l c 制造商本身专 有技术限制；用户可以很方便地与强有力的p c 网络相连；用户可以用自己熟悉 的编程语言编制程序【1 】。 随着工业控制领域对控制系统要求的不断增加，软p l c 产品还需在以下几 个方面得到完掣”】： ( 1 ) 进一步提高系统的开放性现在的软p l c 产品大部分是基于w m d o w s 系统，不支持其他操作系统的应用程序；在没有开放式硬件和软件的支持下，并 不能保证产品的开放性；不允许用户更改底层控制算法：不严格遵守一些适用的 国际标准等。 ( 2 ) 进一步增强系统的可靠性与实时性增强系统可靠性与实时性的关键在 6 弟l 荦绪论 于提高操作系统的实时性。现有的实时操作系统能够基本满足工业控制的需要， 随着一些实时性更高的操作系统的不断出现，必将会大大增强软p i _ , c 系统的实 时性与可靠性。 ( 3 ) 进一步提高网络通讯能力和与第三方软件的整合性随着网络科技的发 展，良好的通讯能力已成为现代工业控制所必备的功能，远程控制、远程诊断、 网络数据处理等功能都将得到加强。控制软件间的协同工作能力是衡量开放式控 制系统性能的重要指标。进一步加强各种控制软件间的数据交换能力是提高控制 系统性能的重要手段。 “) 进一步加强和改善整合能力工厂控制与企业管理的整合是工业控制领 域的一种趋势。软p l c 控制系统可以通过以太网或t c p i p 连接到企业信息系 统，与其进行数据交换，将设备运行状况，产品质量等与控制过程相关的详细信 息反馈给企业信息系统。 1 3 课题研究的意义 由于软p l c 具有通用性好、兼容性高、价格低廉、编程方便、易于与网络 相连等优点，欧美等西方国家都把软件p l c 作为一个重点对象进行研究开发。 软p l c 以计算机技术为依托，充分利用通用p c 机的丰富的软硬件资源，这样就 成功避开了制约我国传统p l c 硬件可靠性差的9 瓴颈”，从而使我国在技术条件 上与国外基本处于同一起跑线上。如果充分利用我国软件技术方面的人力资源， 可以在较短的时间迎头赶上西方厂商并在国际软p l c 市场上占有一席之地。不 难看出，大力发展软p l c 将对我国的工业控制领域产生非常重要的影响。 嵌入式软p l c 是嵌入式系统与软p l c 结合的产物，是架构在嵌入式系统 上的软p l c 系统，具有非常广泛的应用前景，在自动化领域采用基于嵌入式系 统的软p l c 来代替传统硬p l c 产品已经成为一个趋势。然而目前国内外的嵌入 式软p i , c 正处于发展初期，目前成熟的产品不多，离用户的需求还有一定的差 距，因此研究嵌入式软p l c 具有重要的意义。 1 4 课题研究的主要内容 本文的目标就是设计出一个全新的基于嵌入式系统的软p l c 系统。其目的 是在嵌入式硬件平台上用软件实现p l c 的功能，髓完成一定的控制功能。 主要设计思路是依托本实验室使用的软p l c 产晟n - - c o d e s y s ，实现其针对以 8 0 1 8 6 处理器为核心的嵌入式系统的解决方案。为了实现这些目标，本文在借鉴 传统硬件p l c 体系结构、功能的基础上，分析了嵌入式软p l c 的关键技术，包 北京工业大学工学硕士学位论文 括其控制方案、软硬件体系结构以及系统的总体设计方案，并详细地论述了系统 运行环境和开发环境的具体实现。 主要工作如下： ( 1 ) 根据系统功能要求确定硬件平台的基本架构，构建嵌入式系统的软硬件 体系结构： ( 2 ) 实现系统的通讯接口，如提供i o 模块、c a n 总线接口，以太网接口等 ( 3 ) 完成嵌入式软p l c 的设计 系统的程序开发使用c o d e s y s 软件提供的集成开发环境，本文要完成的工 作是针对系统具体硬件配置正确设置c o d e s y s 编程环境，并提供它与系统的接 口，保证经c o d e s y s 编好的程序能正确下载到目标系统中。 根据硬件平台的体系结构用c 语言编程实现对c o d e s y s 的实时运行内核进 行移植定制，使之能运行于本嵌入式硬件平台，并能正确执行c o d e s y s 开发系 统开发的应用程序。运行系统是模拟硬p l c 巡回扫描原理编制的，程序在运行 的每个周期内完成读、执行程序、写哟三个阶段的任务。 s 第2 章嵌入式软p l 0 系统分析与设计 2 1 硬p l 0 结构与原理 由于软p l c 是基于硬件p l c 设计的，所以首先了解一下硬件p l c 的基本结 构和工作原理。 硬件p l c 的基本结构和一般计算机几乎相同，实际上硬件p l c 就是一种工 业控制计算机【1 6 1 。硬件p l c 主要由中央处理单元( c p u ) 、存储器( r a m ，r o m ) 、 输入输出单元a 帕) 、电源和编程器等几部分组成，其结构如图2 - 1 所示【1 7 - 堋。 图2 - i 硬件p l c 结构框图 f i g 2 - is h u c n l r eo f p l c 中央处理单元( c p u ) 是p l c 的控制中枢，是p l c 的运算、控制中心。c p u 一般由控制电路、运算器和寄存器组成，类型有通用微处理器、单片机、位片式 微处理器。 存储器用来存储系统管理程序和用户程序。用户程序存储在随机存储器，系 统管理程序被固化在只读存储器。 输入输出( i o ) 是p l c 与被控制对象之间传递输入、输出信息的接口部件。 输入单元的功能是采集现场各种开关接点状态信号，并将其转换成标准的逻辑电 平；输出单元负责将运算结果输出到各种负载。 编程器是p l c 的重要附件，它主要由键盘、显示器、工作方式选择开关和 外存储器接插口等部件组成。它的作用主要是用来编写程序、调试程序【1 9 】。编程 工具可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机。 传统p l c 采用不断循环的工作方式，在每一次循环中采样所有的输入信号。 p l c 循环扫描的主要工作过程分为三个阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输 9 北京工业大学工学硕士学位论文 出刷新阶段刚。在硬件p l c 中，用户程序按先后顺序存放，c p u 从第一条指令 开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。这种 工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算 处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号。其工作过程框图如图2 2 所示。 图2 - 2 p l c 的工作过程 f i g 2 - 2w o r k p r o p , 4 $ o f p l c 输入处理阶段：以扫描方式顺序读入所有输入端的o n o f f 状态，并将此状 态存入输入映像寄存器。接着转入程序的执行阶段。在程序执行期间，即使输入 状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输 入处理阶段才能被读入。 程序执行阶段：按先左后右、先上后下的步顺序，逐条执行程序指令，从输 入映像寄存器和其它元件映像寄存器中读出有关元件的o n o f f 状态。根据用户 程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的元件映像寄存器中，即对每个元件而 言，元件映像寄存器中所寄存的内容会随程序的进程而变化。 输出处理阶段：在所有指令执行完毕后，将输出映像寄存器的o n o f f 状态， 在输出处理阶段转存到输出锁存器，再通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出 端子向外输出控制信号，这才是p l c 的实际输出。p l c 的扫描过程既可按固定 的顺序进行，也可按用户所指定的可变顺序进行。这不仅因为有的程序不需每扫 描一次就执行一次，而且也因为在一个大控制系统中需要处理的i o 点数较多， 通过安排小同的组织模块，采用分时分批扫描的执行方法，可缩短循环扫描的周 期和提高控制的实时响应性。 p l c 周期性地循环执行上述步骤，称为扫描周期。它不仅包括运行用户程序 所需的时间，而且还包括运行系统程序，如i o 处理、自检测所需的时间。所以， 它不仅与用户程序有关，还与系统结构、i o 模块的个数、外围设备情况有关。 它反映p l c 对输入信号的灵敏度或滞后程度。 综上所述，p l c 是以扫描方式工作的，它是循环地、连续地、顺序地逐条执 行程序，在任何时刻，它只能执行一条指令，也就是说p l c 是以。串行”方式 工作的。 2 2 软p l c 控制方案 要实现软p l c 控制功能必须具有相应的i o 模块和现场总线，将软p l c 开 第2 苹嵌入式软p l c 系统分析与设计 发系统中设计的应用程序下载到软p l c 运行系统中并执行，这样才能完成相应 的控制。v o 模块和现场总线负责采集现场的输入信号以及将信号输出，而软p l c 则负责处理输入信号、执行控制程序、信号的输出处理。 根据其运行的硬件平台的不同，软p l c 实现控制功能的方案大致可以分为 以下三种【2 1 2 2 1 ： ( 1 ) 基于嵌入式控制器的控制方案嵌入式控制器是一个超小型计算机系统， 一般没有显示器，其软件平台是嵌入式操作系统( 如w m d o w sc e 等) 。在这种控 制方案中，软p l c 运行系统被安装到嵌入式控制器中，开发系统编写的应用程 序通过r s 2 3 2 或t c p 仰协议下载到控制器中。其控制方案如图2 - 3 所示。 图2 - 3 基于嵌入式控制器的控制方案 f i g 2 3c o n t r o ls c h e m eb a s e do i le m b e d d e dc o n t r o l l e r ( 2 ) 基于i p c 或e p c 的控制方案该方案的软件平台可以采用w m d o w s n t 等， 通用f o 板卡和i o 接线端子板( 或现场总线卡、现场总线以及远程i o 模块) 负 责与工业控制现场通信，采集上来的输入信号被软p l c 运行系统处理，软p l c 开发系统( 编程器) 编写的控制应用程序也被软p l c 运行系统解释执行，最后将处 理后的信号输出到本地( 或远程) 控制现场完成相应的本地控制( 或远程控制) 功 能，其控制方案如图2 4 所示。 图2 - 4 基于d 陀或e p c 的控制方案 f i g 2 - 4c o n t r o ls c h e m eb a s e do ni p co re p c 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 基于传统硬p l c 的控制方案在这种方案中，p l c 开发系统一般在普通 p c 上运行，而传统p l c 只作为一个硬件系统平台，将软p l c 运行系统安装到 此传统p l c 硬件中，然后将开发系统编写的p l c 应用程序下载到此硬件系统中， 即可实现p l c 的控制功能。其控制方案如图2 - 5 所示 图2 - 5 基于传统硬p l c 的控制方案 f i g 2 - 5c o n t r o ls c h eb a s e do i lp l c 2 3 嵌入式软p l c 技术分析研究 嵌入式软p l c 技术是软p l c 技术在嵌入式硬件平台上面的应用，它是嵌入 式系统和软p l c 技术的完美结合。它将嵌入式芯片的数据处理、数据计算和连 网能力与p i d 控制、离散控制和模拟控制等有机结合起来。嵌入式软p l c 系统 是一静开放结构的控制软件，能将嵌入式芯片转化为像p l c 一样的处理控制器。 它通过多任务控制内核提供了强大的指令集、快速确定的扫描周期、可靠的操作 和开放的结构以连接各种i o 系统和网络田】。 2 3 1 嵌入式软p l c 技术的产生 工业生产过程自动化系统在充分利用计算机技术的基础上取得了长足的进 步，在生产过程中发挥着重要作用，成为生产过程安全、稳定、自动化运行不可 缺少的工具。同时，系统本身也发生了巨大变化，以微处理器为核心的自动化系 统从7 0 年代的简单p l c 发展到了今天的p l c 系统。但是芯片技术的发展更为 迅速，自动化系统设备制造商和集成商难以跟上硬件技术的发展，使得自动化系 统设备的更新和发展滞后于计算机硬件技术的发展。 另一方面，各种p l c 开发工具软件都是和制造商的硬件系统设备捆绑在一 起的，即某一制造商的p l c 开发工具软件，只能在该制造商提供的硬件上使用。 这样的话，使用多种p l c 的用户就要熟悉和掌握多种p l c 硬件和软件，对开发 第2 章嵌入式软p l c 系统分析与设计 人员进行多次培训，造成人力资源极大的浪费。同时也使p l c 开发工具软件的 销售受到硬件设备销售的制约。 随着开放式工业计算机系统日臻成熟，一些p l c 制造商为了充分发挥其在 p l c 开发工具软件上的优势，提高市场竞争力，提出了。软p l c ”的构想。其 目的是使p l c 软件开发工具与系统硬件设备分离，使其可以装载在各种开放式 工业计算机系统的软硬件平台上，不仅方便了用户，而且也解除了硬件设备对制 造商软件销售和发展的制约 2 4 - 2 5 1 。 软p l c 的技术标准对外开放，其硬件平台一般是工业控制计算机( 口c ) ，通用 计算机( p c ) 或嵌入式控制器，软件平台是商业操作系统。 然而，基于传统p l c 硬件的软p l c 系统成本高，而基于i p c 或者p c 的软 p l c 系统虽然看起来很合理，而且开发相应的应用程序也比较方便。但是它的缺 点也不容忽视：w m d o w sn t 不是一个硬实时操作系统，它不能保证控制的确定 性，因而难以确保控制应用的有效执行。另外，基于p c 的控制系统的体积较大， 在很多工控领域根本无法使用。 基于嵌入式控制器的技术方案被称之为嵌入式软p l c 技术【硐。它的开发系 统运行于p c 平台，运行系统则位于安装了嵌入式实时操作系统的嵌入式硬件平 台上。因而可以有效地克服基于p c 的软p l c 系统的弊端。同时嵌入式控制器的 成本低，但是处理数据的能力却不逊色于硬件p l c 平台，所以特别适合于分散 式控制场合。因而嵌入式软p l c 技术受到了广泛的关注。 2 3 2 嵌入式软p l o 技术的优势 嵌入式软p l c 技术是嵌入式系统和软p l c 技术的完美结合。它既具有软p l c 技术的一些特点，又继承了嵌入式系统的长处。嵌入式软p l c 技术具有如下的 优势1 2 7 - 2 9 l ： ( 1 ) 嵌入式软p l c 系统具有开放的硬件体系结构，用户可以自由地选择合适 的硬件来组成满足要求的控制系统。 ( 2 ) 嵌入式软p l c 系统的指令集比传统p l c 的指令集更加丰富，大