（机械制造及其自动化专业论文）plc软件开发平台的设计与实现.pdf

摘要 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 ，可编辑控制器) 是专为在工业环境下应 用而设计的工业计算机，以其高可靠性、较强的工作环境适应性受到自动化领域 的欢迎并被广泛采用。 本文针对p l c 软件平台进行分析，开发了一个基于普通计算机的能为用户 提供直观、方便、高效编程环境的p l c 软件开发平台。主要研究内容和成果体 现在以下几个方面。 按照软件工程理论的规范对p l c 软件平台进行了系统分析和需求分析，得出 软件的具体功能需求，并在此基础之上对平台的系统框架和界面进行了设计。 其次，设计了一个方便不易出错的人性化梯形图编辑环境；创新性地提出“结 点法”，将复杂的串并联逻辑关系转换成清晰、简单的触点和结点串并联关系， 给程序编制带来方便；提出串并联归并算法，把梯形图转化为有向无环图，按层 次存储指令表，算法效率高。 再次，采用工业中广泛应用r s - 2 3 2 串口和p l c 硬件开发平台通信，自定义 通信协议，完成上位机实体算法移植并监视下位机触点状态变化。 最后，通过实验验证：p l c 软件平台能快捷高效的实现梯形图编辑，成功实 现对车床z 向快进、工进、快退控制。 关键词：p l c ，控制，软件工程，结点法，r s 2 3 2 ，a o v 图，通信协议 a b s t r a c t p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r 、i sa ni n d u s t r i a lc o m p u t e rs p e c i a l l y d e s i g n e df o ra p p l i c a t i o n si ni n d u s t r i a le n v i r o n m e n t s i ti sw i d e l yu s e d b yi t sr e d u n d a n t r e l i a b i l i t y , t h es t r o n gw o r k i n g c o n d i t i o n sc o m p a t i b i l i t y t h i sp a p e rd e v e l o p so n ef o ru s e r st ob ea b l et or a i s ei n t u i t i v e l y , c o n v e n i e n t ，t h e h i g h l ye f f e c t i v ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n tp l cs o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m b a s e do np e s o n a lo r d i n a r yc o m p u t e r t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n da c h i e v e m e n t m a n i f e s t si nt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s f i r s t l y , c a r r yo nt h es y s t e ma n a l y s i sa n dt h ed e m a n da n a l y s i sa c c o r d i n g t ot h e s o f w a r ee n g i n e e r i n gt h e o r y ss t a n d a r dt ot h ep l cs o f t w a r ep l a t f o r m ，t h e no b t a i n s s o f t w a r ep l a t f o 咖sc o n c r e t ef u n c t i o nd e m a n d ，a n dh a sc a r r i e do nt h ed e s i g no f t h e p l a t f o r m ss y s t e mf r a m ea b o v e t h i sf o u n d a t i o n s e c o n d l y , d e s i g n et h eu s e r f r i e n d l yl a d d e rd i a g r a me d i t i o n e n v i r o n m e n tw h i c ha c o n v e n i e n c ei sn o te a s yt om a k eam i s t a k ee d i t o ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h e s o f t w a r ep l a t f o r m a l s oi ti st h ef u n c t i o n su s e r sc o n t a c tm o s ta n d a ni m p o r t a n ta s p e c t w h i c ht h eu s e r 印p r a i s a lo r i g i n a t e s i n n o v a t i v e l yp r o p o s e d t h a t t h em e t h o do fn o d e s ”， t h ec o m p l e xs e r i e s - p a r a l l e lc o n n e c t i o nl o g i c a lr e l a t i o ni st r a n s f o r m e dc l e a r l yb e t w e e n t h es i m p l ee l e c t r o n i cc o n t a c ta n dt h en o d e ss e r i e s p a r a l l e l c o n n e c t i o nr e l a t i o n s i t b r i n g sc o n v e n i e n c et op r o g r a m m i n g s e r i e s - p a r a l l e lm e r g i n ga l g o r i t h mw h i c ht h e l a d d e rd i a g r a mi st r a n s f o r m e di n t oad i r e c t e da c y c l i cg r a p ha n dt h ei n s t r u c t i o n s i s s t o r e di nt a b l e 1 e v e li sp r o p o s e d t h ea l g o r i t h mi sp r o v e dh i g h l ye f f i c i e n t t h i r d l yr s 2 3 2s e r i a lp o r tw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l i su s e di nt h i sp a p e rt o c o m m u n i c a t ew i t ht h ep l ch a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m i tc o m p l e t e st h es u p e n o r m a c h i n ee n t i t ya l g o r i t h mt ot r a n s p l a n ta n dt o m o n i t o rt h el o w e rp o s i t i o nm a c h i n e e l e c t r o n i cc o n t a c tc h a n g eo fs t a t eb yt h ed e f i n i t i o nc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l f i n a l v e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep l c s o f t w a r ep l a t f o r mc a nr e a l i z et h el a d d e r d i a g r a r ne d i t i o nh i g h l ye f f e c t i v ea n d q u i c k l y a l s o ，i tr e a l i z e st oc o n t r o lt h el a t h ez t o f a s t f o r w a r d t h ef o r w a r d ，f a s t r e w i n d k e yw o r d s ：p l c ，c o n t r o l ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h e m o t h o do f n o d e s 。r s 2 3 2 ，a o vc h a r t ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁洼盘堂或其他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。 学位论文作者繇嘭钥伟签字胁劢。7 “月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲f 奉阏甫 签字同期：9 9 年6 月中r 导师签名： 签字同期：qd 第章绪论 第一章绪论 可编程控制器( p r o g r a b i el o g i cc o n t r o l l e r ，以下简称p l c ) 是2 0 世纪6 0 年代 发展起来的一种新型自动化控制装置。它吸取了微电子技术和计算机技术的最新 成果，发展十分迅速。它以其高可靠性、较强的工作环境适应性受到自动化领域 的欢迎并被广泛采用，从单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产 自动化，p l c 均承担着重要的角色【l 】o 1 1p l c 发展历史和趋势 1 1 1p l c 的发展历史 虽然p l c 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模、超大规模集 成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，p l c 也迅速发展，其发展 过程大致可分三个阶段1 2 j ： 1 早期的p l c ( 2 0 世纪6 0 年代末一7 0 年代中期) 早期的p l c 一般称为可编程逻辑控制器。这时的p l c 多少有点继电器控制 装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时 等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在i 0 接口电路上作了改进以适应工业 控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器 采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程 上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此， 早期的p l c 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装， 体积小，能耗低，有故障指导，能重复使用等。其中p l c 特有的编程语言一梯 形图一直沿用至今。 2 中期的p l c ( 2 0 世纪7 0 年代中期一8 0 年代中后期) 在2 0 世纪7 0 年代微处理器的出现使p l c 发生了巨大的变化。美国、日本、 德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为p l c 的中央处理单元( c p u ) 。这样 使p l c 的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计 数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在 硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程i 0 模 块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加， 第一章绪论 还提供了一定数量的数据寄存器，使p l c 得应用范围得以扩大。 3 近期的p l c ( 2 0 世纪8 0 年代中后期至今) 进入2 0 世纪8 0 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微 处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的p l c 所采用的微处理器的当次 普遍提高。而且为了进一步提高p l c 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发 了专用逻辑处理芯片。这样使得p l c 软、硬件功能发生了巨大变化。 1 1 2p l c 发展的趋势 p l c 在系统结构上，从传统的单机向多c p u 和分布式及远程控制系统发展； 在编程语言上，图形化和文本化语言的多样性，创造了更具表达控制要求、通信 能力和文字处理的编程环境；从应用角度看，除了继续发展机械加工自动生产线 的控制系统外，更发展了以p l c 为基础的d c s 系统、监控和数据采集系统 ( s c a d a ) 、柔性制造系统( f m s ) 、安全连锁保护系统( e s d ) 等，全方位地 提高了p l c 的应用范围和水平1 3 j 。 2 1 世纪p l c 技术发展的几个特点： 1 适应市场需要，加强p l c 通信联网的信息处理能力 在信息时代的今天，几乎所有p l c 制造商都注意到了加强p l c 通信联网的 信息处理能力这一点。小型p l c 都有通信接口，中、大型p l c 都有专门的通信 模块。随着计算机网络技术的飞速发展，p l c 的通信联网能使其与p c 和其它智 能控制设备很方便地交换信息，实现分散控制和集中管理。也就是说，用户需要 p l c 与p c 更好地融合，通过p l c 在软技术上协助改善被控过程的生产性能， 在p l c 这一级就可以加强信息处理能力。 2 p l c 向开放性发展1 4 】 早期的p l c 缺点之一是它的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，如专 用总线、通信网络及协议、i o 模块更互不通用，甚至连机架、电源模板亦各不 相同，编程语言之一的梯形图名称虽一致，但组态、寻址、语言结构均不一致， 因此，几乎各个公司的p l c 均互不兼容。 目前p l c 在开放性方面已有实质性突破。不少大型p l c 厂商在p l c 系统结 构上采用了各种工业标准，如i e c 6 1 1 3 1 3 、i e e e 8 0 2 3 以太网、t c p i p 、u d p i p 等。例如，a e gs c h n e i d e r 集团己开发以p l c 机为基础，在w i n d o w s 平台下， 符合i e c6 11 3 1 3 国际标准的全新一代开放体系结构的p l c 实现高度分散控制， 开放度高。 3 p l c 的体积小型化，运算速度高速化 p l c 小型化的好处是节省空间、降低成本、安装灵活。目前一些大型p l c ， 2 第一章绪论 其外形尺寸比他们前一代的同类产品的安装空间要小5 0 左右。 运算速度高速化是p l c 技术发展的重要特点，在硬件上，p l c 的c p u 模块 采用3 2 位的r i s c 芯片，使p l c 的运算速度大为提高，一条基本指令的运算速 度达到数十个纳秒( n s ) 。当前，不少p l c 厂商采用了多c p u 芯片并行处理方 式，用专门c p u 处理编程及监控服务，大大减轻对执行控制程序的c p u 芯片的 影响，只让执行控制程序的c p u 进行顺控和逻辑运算。另外，为提高服务处理 速度，缩短操作时间，采用高速的串行通信( 最大波特率为1 1 5 k b p s ) ，并将u c b 口( 最大波特率为1 2 m b p s ) 引入p l c 的c p u 模块，从而实现与编程工具及监 控设备之问通信的高速化，并允许多人同时使用这两个通信端口同时进行编程和 调试程序。 4 软p l c 出现p j 所谓软p l c ，实际就是在p c 机的平台上，在w i n d o w s 操作环境下，用软件 来实现p l c 的功能，也就是说，软p l c 是一种基于p c 机开发结构的控制系统， 它具有硬p l c 的功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术 可以将标准的工业p c 转换全功能的p l c 过程控制器。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、网络通信等功能，通过 一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期，可靠的操作 和可连接各种i o 系统及网络的开放式结构。软p l c 具有硬p l c 的功能，同时 又提供了p c 机环境的各种优点。 6 p l c 编程语言趋于标准化1 6 j i e c 6 1 1 3 l 是可编程控制器的国际标准，共有8 个部分，从1 9 9 2 年开始陆续 颁布实行。i e c 6 1 1 3 1 3 是p l c 编程语言的标准，于1 9 9 3 年颁布实施。i e c 6 1 1 3 1 8 于2 0 0 1 年颁布实施，与i e c 6 1 1 3 1 3 被称为p l c 语言的实现导则。 i e c 6 1 1 3 1 3p l c 编程语言国际标准是将现代软件概念和现代软件工程的机 制与传统的p l c 编程语言成功的结合，使它在工业控制领域的影响远远超出p l c 的界限，已成为d c s 、p c 控制、运动控制以及s c a d a 的编程系统事实上的标 准。i e c 6 1 1 3 1 3 规定了二大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。 前者包括指令语句表语言( i l ) 和结构化文本化语言( s t ) ，后者包括梯形图语 言( l d ) 和功能块图语言( f b d ) 。而顺序功能图( s f c ) 可以在梯形图语言中 使用，也可以在指令语句表语言中使用。 i e c 6 11 3 1 3 允许在同个p l c 中使用多种编程语言，也允许程序开发人员 对一个特定的任务选择最合适的编程语言，还允许在同一个控制程序中其不同的 软件模块用不同的编程语言编制，这一规定既解决了p l c 发展历史形成编程语 言多样化的现状，又为p l c 的软件技术进一步发展提供了足够的空间。 第一章绪论 1 2 我国p l c 的发展情况 国内开始研制p l c 产品是上世纪7 0 年代中期，当时上海、北京、西安、广 州和长春等地的不少科研单位、大专院校和工厂，总计2 0 多家单位都在研制和 生产p l c ( 绝大多数都是小型p l c ) 。特别值得一提的是国家科委和原机械工业 部在仪器仪表重点课题攻关专项中组织了“六五”、“七五”、“八五”的可编程序控 制器子项攻关，由部属北京机械工业自动化研究所负责，先后研制开发了 m p c 1 0 、m p c 2 0 、m p c 8 5 型p l c 。这几种型号的p l ci o 点数为2 5 6 - - - - 5 1 2 ， 并可扩展到1 0 2 4 点，开创了国内研制大型p l c 的先河，先后在注塑机、恒温室、 锅炉控制、压力机生产线上获得了应用。这些项目有自动开发的操作系统、工业 控制编程语言并具有与上位机、h m i 连网和通信等功能。当时国内研制开发的 p l c 产品由于缺乏资金、后续研制力量不足及生产技术相对落后等原因，没有形 成批量工业化生产，因而被国外产品淘汰而纷纷消失【7 】。 可喜的是在9 0 年代，由于p l c 应用不断深入，国内又掀起研制p l c 的高潮， 虽然仍是小型p l c ，批量亦不大，但其功能、质量和可靠性比7 0 年代的产品有 明显的提高。 为了尽快提升我国p l c 的技术水平，引进p l c 的先进生产技术，中外合资 或外商独资企业在国内开始批量生产p l c 。西门子公司首先在大连开办p l c 生 产企业；欧姆龙公司在上海生产的p l c 远销海内外；中日合资后又成独资的江 苏无锡光洋电子有限公司的p l c 已有小、中、大系列产品。中外合资、引进技 术，使国产p l c 上了一个新的台阶1 8 j 。 在9 0 的国内p l c 市场由国外p l c 产品占领的今天，国产p l c 能脱颖而出， 并具有和国外同类产品进行竞争的能力，相信不久的将来，国产p l c 将占市场 更大份额一j 。 1 3p l c 的特点及其应用领域 1 3 1p l c 的特点 1 可靠性高，抗干扰能力强1 0 1 1 1 1 】 高可靠性是电气控制设备的关键性能。p l c 由于采用现代大规模集成电路技 术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的 可靠性。例如三菱公司生产的f 系列p l c 平均无故障时间高达3 0 万小时。一些 使用冗余c p u 的p l c 的平均无故障工作时间则更长。从p l c 的机外电路来说， 4 第一章绪论 使用p l c 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关 接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，p l c 带有硬件故 障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可 以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除p l c 以外的电路及设备也获得 故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不哿隆了。 2 配套齐全，功能完善，适用性强 p l c 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于 各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代p l c 大多具有完善的 数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来p l c 的功能单元大量涌现， 使p l c 渗透到了位置控制、温度控制、c n c 等各种工业控制中。加上p l c 通信 能力的增强及人机界面技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。 3 易学易用，深受工程技术人员欢迎 p l c 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易， 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器 电路图相当接近，只用p l c 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电 器电路的功能【l2 1 。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算 机从事工业控制打开了方便之门。 4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 p l c 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系 统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设 备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合【l 引。 5 体积小，重量轻，能耗低 以超小型p l c 为例，新近出产的品种底部尺寸小于1 0 0 m m ，重量小于1 5 0 9 ， 功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设 备【1 4 1 。 1 3 2p l c 的应用领域 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i l 纠。 1 开关量的逻辑控制 这是p l c 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻 辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水 线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线 第章绪论 等。 2 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和 速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量( a n a l o g ) 和数字量( d i g i t a l ) 之间的a d 转换及d a 转换。p l c 厂家都生产配套的a d 和d a 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 3 运动控制 p l c 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接 用于开关量i o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制 模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 p l c 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电 梯等场合。 4 过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算 机，p l c 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。p i d 调节是一般闭环 控制系统中用得较多的调节方法。大中型p l c 都有p i d 模块，目前许多小型p l c 也具有此功能模块。p i d 处理一般是运行专用的p i d 子程序。过程控制在冶金、 化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5 数据处理 现代p l c 具有数学运算( 含矩阵运算、函数运算、逻辑运算) 、数据传送、 数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这 些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用 通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制 系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食 品工业中的一些大型控制系统。 6 通信及联网 p l c 通信含p l c 间的通信及p l c 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制 的发展，工厂自动化网络发展得很快，各p l c 厂商都十分重视p l c 的通信功能， 纷纷推出各自的网络系统。新近生产的p l c 都具有通信接口，通信非常方便。 1 4p l c 的编程工具和编程语言 第一章绪论 1 4 1 编程工具 编程工具是开发应用和检查维护p l c 以及监控系统运行不可缺少的外部设 备。编程工具的主要作用是用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以 在线测试p l c 的内部状态的参数，与p l c 进行人机对话等。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。 1 专用编程器 专用编程器是厂家提供的与本公司p l c 配套的编程工具。专用编程器分为简 易编程器和图形编程器两种。 简易编程器不能直接输入梯形图程序，只能输入语句表程序。用简易编程器 编程时，编程器必须与p l c 相连接。简易编程器的优点是价格低、体积小、重 要轻、方便携带。有的简易编程器可以直接插在p l c 主机的编程器插座上，如 o m r o n 公司的p 型机等。有的简易编程器要用专用电缆与p l c 相连【16 | 。图形 编程器可直接输入梯形图程序。 图形编程器分手持式和台式。台式编程器具有用户程序存储器的功能，它可 以把用户输入的程序存放在自己的存储器中，也能将用户程序转存到磁带上或打 印出来，有的带有磁盘驱动器，可将程序转存到磁盘上。图形编程器的优点是屏 幕大，显示功能强，但是其价格昂贵。 2 用通用计算机作辅助编程 当前p l c 的更新换代速度很快，因此专用编程器的使用寿命有限，价格一般 也比较高。现在的发展趋势是使用个人计算机为基础的编程系统，p l c 厂家向用 户提供在p c 机上使用的编程软件【1 7 1 。 采用通用计算机作为编程器的主要优势是使用了价格便宜、功能很强、通用 的个人计算机。因此，用户可以使用已有的个人计算机，用最少的投资，得到高 性能的p l c 程序开发系统。对于不同型号、不同厂家的p l c ，只需要更换编程软 件就可以了。它的另一个优点是可以用一台个人计算机为所有的智能控制设备编 程 现在，世界上各主要p l c 厂家都提供了使用个人计算机的程序开发软件。这 一软件的功能是相当强的。它可以编制、修改p l c 的用户程序：监视系统运行： 打印文件；采集和分析数据：作为实时图形操作器和文字处理机：对工业现场和系 统仿真；将程序存储在磁盘上：实现计算机和p l c 之间的程序相互传送等。利用它 的网络软件，还可以作为网络管理器或通用的网络节点工作站【1 8 】。 程序开发系统的软件主要包括以下几个部分： ( 1 ) 编程软件。这是最基本的软件，允许用户生成、编辑、存储和打印用户 程序。 第一章绪论 ( 2 ) 文件编制软件。它可以对用户程序的触点和线圈加上英文注释，并能对 某一程序段加注说明，使程序容易阅读和理解。 ( 3 ) 数据采集和分析。在工业控制个人计算机中，这一部分软件的使用己相 当普遍。个人计算机可以从个多个p l c 采集数据，并用各种分析、处理这些数 据，然后将结果以条形统计图或扇形统计图的形式显示在显示器上。这种分析处 理过程进行得很快，几乎是实时的。 ( 4 ) 实时操作员接口软件。这一类软件使用个人计算机提供的实时操作的人 机接口装置。个人计算机被用来作为系统的监控装置，通过显示器告诉操作人员 系统的状况和可能发生的各种报警信息。操作员可以通过接口键盘输入各种控制 指令，处理系统中出现的各种问题。 ( 5 ) 仿真软件。它允许计算机对生产过程和系统进行仿真，使设计者在系统 实际建立之前，通过仿真处理，发现设计中存在的问题，避免不必要的浪费和因 设计不当造成的损失，缩短系统设计、安装和调试的总工期。 s i e m e n s 公司的s i m a t i c s t e p 7 就是一套全开放的专业版p l c 编程软件，并 己经成为该公司通用开发环境的软件工具，直接用于组态、管理和维护工厂范围 内的自动化控制系统。该软件使用户可以将一个自动化工程项目再细分成设计阶 段、执行与测试阶段、委托与启动阶段、运行阶段、以及维护等阶段，然后，将 所有工作集成在单个软件包内。单个自动化工程项目可以采用多种程序设计语言 的任何组合来进行编程工作，从而在其中选择出最适合于所给定的应用程序的那 一部分【坶j 。相同的程序代码能够在基于i p c 的s i m a t l c w i n a c 控制系统中得到 运行，以满足软件和硬件对实时性的要求。 s i e m e n s 公司推出的3 2 版本s t e p 7 一m i e r o w i n 3 2 程序设计软件提供t 一 种新的f b d 编辑器，以及与i e c 6 11 3 l 一标准兼容的梯形图程序设计语言和f b d 。 该软件能紧密地与w i n d o w s 操作系统集成在一起，提供诸如增；h d 移动程序和定 制安装方式等一系列功能特性。同样，在w i n d o w s 中采用单个工程项目文件的 方式使对工程项目进行的管理变得更加容易，如电子邮件和备份等。另外，它还 提供了新的保存方式选择，只要双击工程项目文件就能够自动启动工程项目【2 0 1 。 1 4 2 编程语言 对于p l c 的编程语言，最早采用的是广大电气工程技术人员所熟悉的继电器 控制线路的方式一一梯形图。梯形图方便直观，在计算机上和控制技术上被叫做 “面向生产过程的语言”。p l c 虽然历经了许多重大发展，但它却一直沿用至今， 而且仍然是编程人员的首选语言1 2 1 】。 梯形图纵然有许多优点，但对于逻辑控制以外的控制领域，编程难免笨拙。 第一章绪论 自8 0 年代以来，为用户提供良好的界面( 包括编程环境和使用环境) 和对多种编 程语言的支持就成了p l c 的重要发展方向之一，也是p l c 受到广泛欢迎的一个重 要原因。 传统p l c 的一大缺陷是，世界上各大p l c 厂家的产品的硬件、软件的体系结 构都是封闭的而不是开放的，彼此互不兼容，有的差异还非常大，绝大多数的 p l c 都有自己的专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司 的组态、寻址、语法结构又不一致。这给用户带来了诸多不便，也不利于p l c 程 序的移植。为了解决这一问题，国际电工协会( i e c ) 在1 9 9 2 年颁布了 i e c 6 1 1 3 1 ( 1 9 9 5 年之前称为“i e c l l 3 1 ”) 【2 2 1 。这为各p l c 厂家编程的标准化铺平 了道路。 其中，i e c 6 1 1 3 1 3 是i e c 6 1 1 3 1 的编程语言部分，它将软件工程、结构化、 模块化编程、面向对象的思想和网络通信等信息技术，引入工业控制领域，具有 更强的开放性，兼容性和可维护性，弥补了传统p l c 系统的弱点。与传统的p l c 编程语言相比较，前者具有如下的优点【2 3 1 ： 1 开放性，由于采用独立于制造商的一致性i e c 6 1 1 3 1 3 标准化编程语言， 因而应用系统能最大限度地运行于来自不同制造商的p l c 之上。 2 可移植性，允许程序在i e c 6 11 3 1 3 兼容系统上移植。 3 高水平软件的重复使用性和允许柔性地选择编程语言。一个程序的不同部 分可用任一种语言编程。 4 类似高级语言的先进语言结构，支持“自上而下”和“自下而上 的结构 化程序开发，支持复杂的控制过程，支持结构化数据。 5 有很强的错误检测和纠错能力，能明显地提高程序数据和变量的可靠性。 6 p l c 组态具有运行时行为特性。 正因为i e c 6 1 1 3 1 3 的优点突出，它己成为工业自动化中基础的国际标准。 标准化的开放系统是大势所趋，1 9 9 2 年总部设在荷兰的p l c o p e n 成立，目前， 多数的p l c 制造商，软件公司和研究院所已是这个国际组织的成员，如：s i e m e n s 、 a b 、a b b 、g e 、m i t s u b i s h i 、f u j i 、s e h o e i d e r 都推出t 符合i e c 6 1 1 3 1 3 标 准的p l c ，此外有不少的i p c 工控机、d c s 、m l i 等制造商配置i e c 6 11 3 1 3 编 程软件。目前，和利时公司的f o p l c 采用i e c 6 1 1 3 1 3 编程语言。i e c 6 1 3 1 3 不仅描述了p l c 编程语言本身，还提供了综合的概念和建立p l c 项目的导则， 当工程设计人员熟悉了i e c 6 1 1 3 1 一编程语言后，就能对上述多家生产的p l c 进 行编程设计。 i e c 正在着手制定i e c 6 1 4 4 9 9 国际标准，这是专门为分布式p l c 制定的国际 标准。国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 中定义了5 种标准p l c 编程语言，它们是： 9 第一章绪论 1 梯形图( l d ) ：适合于逻辑控制。 2 功能块图( f b d ) ：适合于典型固定复杂算法控制如p i d 调节等。 3 顺序功能图( s f c ) ：适合于多进程时序混合型复杂控制。 4 指令表( i l ) ：适合于简单文本自编专用程序。 5 结构化文本( s t ) ：适合于复杂自编专用程序，如特殊的模型算法。 为了跟国际接轨和规范我国p l c 产业的发展，1 9 9 5 年，我国也颁布了 g b t 1 5 9 6 9 i 1 5 9 6 9 4 ，其中的第三部分就是专门关于编程语言的，内容与 i e c i l 3 1 - 3 一致。 虽然我们不能指望在可预见的将来不同的p l c 系统之间能相互交换整个应 用程序，但是在符合i e c 标准的不同系统之间，其语言元素和程序结构是相似的， 这个特点便于将程序移植到其它系统。对制造商而言，若其采用i e c 标准，就可 以把人力、物力集中到p l c 的硬件、网络或其他方面。p l c 软件编程语言采用 i e c i l 3 1 3 标准应该是p l c 的发展方向之一。 1 5 本设计主要研究内容 本设计主要是配合实验室项目数控系统t d n c - s x ，开发出一个基于普通 计算机的能为用户提直观、方便、高效编程环境的p l c 软件开发平台。主要实现 梯形图的编辑及与数控系统的通信，并最终实现对数控系统的控制，如操作面板 和机床控制面板控制、坐标轴的控制、冷却控制、润滑控制、换刀控制以及各种 辅助动作的控制等等。具体主要完成以下工作： p l c 软件开发平台的需求分析和总体设计 软件界面的设计和实现 梯形图编辑工作及编译器实现 指令表转化的设计和实现 软件平台与p l c 硬件平台间的通信，联机调试 用户文档管理的设计与实现 1 0 第= 奄p l c 软件开发平台的需求分析 第二章p l c 软件开发平台的需求分析 为了保证软件的开发质量，软件设计时应以软件工程中的规范为指导，对软 件从定义到开发的各个环节做出合理的规划，认真实施，很好地实现预定的功能， 才能做到运行可靠，便于维护，并让用户满意。 2 1 软件工程概述 软件工程( s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，简称为s e ) 是- - f - j 研究用工程化方法构建和 维护有效的、实用的和高质量的软件的学科。它涉及到程序设计语言，数据库， 软件开发工具，系统平台，标准，设计模式等方面【2 4 】。 2 1 1 软件工程( s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ) 框架 软件工程( s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ) 的框架可概括为：目标、过程和原则 2 5 1 。 1 软件工程目标：生产具有正确性、可用性以及开销合宜的产品。正确性指 软件产品达到预期功能的程度。可用性指软件基本结构、实现及文档为用户可用 的程度。开销合宜是指软件开发、运行的整个开销满足用户要求的程度。这些目 标的实现不论在理论上还是在实践中均存在很多待解决的问题，它们形成了对过 程、过程模型及工程方法选取的约束。 2 软件工程过程：生产个最终能满足需求且达到工程目标的软件产品所需 要的步骤。软件工程过程主要包括开发过程、运作过程、维护过程。它们覆盖了 需求、设计、实现、确认以及维护等活动。需求活动包括问题分析和需求分析。 问题分析获取需求定义，又称软件需求规约。需求分析生成功能规约。设计活动 一般包括概要设计和详细设计。概要设计建立整个软件系统结构，包括子系统、 模块以及相关层次的说明、每一模块的接口定义。详细设计产生程序员可用的模 块说明，包括每一模块中数据结构说明及加工描述。实现活动把设计结果转换为 可执行的程序代码。确认活动贯穿于整个开发过程，实现完成后的确认，保证最 终产品满足用户的要求。维护活动包括使用过程中的扩充、修改与完善。伴随以 上过程，还有管理过程、支持过程、培训过程等。 3 软件工程原则：是指围绕工程设计、工程支持以及工程管理在软件开发过 程中必须遵循的原则。 第二章p l c 软件开发平台的需求分析 2 1 2 软件生存周期 把软件生存周期划分成若干个阶段，每个阶段的任务相对独立，而且比较简 单，便于不同人员分工协作，从而降低了整个软件开发工程的困难程度；在软件 生存周期的每个阶段都采用科学的管理技术和良好的技术方法，而且在每个阶段 结束之前都从技术和管理两个角度进行严格的审查，合格之后才开始下一阶段的 工作，这就使软件开发工程的全过程以一种有条不紊的方式进行，保证了软件的 质量，特别是提高了软件的可维护性【2 6 】。 1 问题定义 问题定义阶段必须回答的关键问题：“要解决的问题是什么? ” 通过问题定义阶段的工作，系统分析员应该提出关于问题性质、工程目标和 规模的书面报告，然后通过对系统的实际用户和使用部门负责人的访问调查，扼 要地写出他对问题的理解。 2 可行性研究 这个阶段要回答的关键问题：“对于上一个阶段所确定的问题有行得通的解 决办法吗? ”为了回答这个问题，系统分析员需要进行一次大大压缩和简化了的 系统分析和设计的过程，也就是在较抽象的高层次上进行的分析和设计的过程。 在问题定义阶段提出的对工程目标和规模的报告通常比较含糊。可行性研究 阶段应该导出系统的高层逻辑模型( 通常用数据流图表示) ，并且在此基础上准 确、具体地确定工程规模和目标。然后分析员准确地估计系统的成本和效益，对 建议的系统进行仔细的成本效益分析是这个阶段的主要任务之一。 3 需求分析 这个阶段的任务仍然不是具体地解决问题，而是准确地确定“为了解决这个 问题，目标系统必须做什么”，主要是确定目标系统必须具备哪些功能。 用户了解他们所面对的问题，知道必须做什么，但是通常不能完整准确地表 达出他们的要求，更不知道怎样利用计算机解决他们的问题；软件开发人员知道 怎样使用软件实现人们的要求，但是对特定用户的具体要求并不完全清楚。因此 系统分析员在需求分析阶段必须和用户密切配合，充分交流信息，以得出经过用 户确认的系统逻辑模型。通常用数据流图、数据字典和简要的算法描述表示系统 的逻辑模型。 4 总体设计 这个阶段必须回答的关键问题是：“概括地说，应该如何解决这个问题? ” 首先，应该确定解决问题的策略以及目标系统需要哪些程序。系统分析员应 该使用系统流程图或其他工具描述几种可能的系统，估计每种方案的成本和效 益，还应该在充分权衡各种方案的利弊的基础上，推荐一个较好的系统( 最佳方 第二章p l c 软件开发平台的需求分析 案) ，并且制定实现所推荐的系统的详细计划。如果用户接受分析员推荐的系统， 则可以着手完成本阶段的另一项主要工作。 其次，应用结构设计。结构设计的条基本原理就是程序应该模块化，也就 是一个大程序应该由许多规模适中的模块按合理的层次结构组织而成。总体设计 阶段的第二项主要任务就是设计软件的结构，也就是确定程序由哪些模块组成以 及模块间的关系。通常用层次图或结构图描绘软件的结构。 5 详细设计 总体设计阶段以比较抽象概括的方式提出了解决问题的办法。详细设计阶段 的任务就是把解法具体化，也就是回答下面这个关键问题：“应该