（控制理论与控制工程专业论文）基于工业pc的软逻辑控制系统.pdf

摘要 基于工业p c 的软逻辑控制系统 摘要 基于p c 的自动控制系统具有成本低、开放性好、简单易用等 优点，成为自动化技术发展的一个新方向。i e c6 1 1 3 1 3 国际标准的 制订，不仅规范了工业控制领域的编程语言，而且为软p l c 技术的 发展提供了条件。将软p l c 技术和基于p c 的自动控制系统相结合， 研究基于p c 的软p l c ( 软逻辑) 控制系统，对降低系统成本和提高 系统开放性等有着现实意义。 本文介绍了基于p c 的控制系统的发展状况和软p l c ( 软逻辑) 的原理，论述了基于i e c6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 的软件模型和实现方 案；详细地叙述了软p l c 的运行系统的原理和实现方案，设计了基 于工业p c 的软p l c 运行系统，构建了基于工业p c 的软逻辑控制系 统。 最后分别对电梯模型、彩灯，三容液位水槽和电加热炉进行了 实时控制。试验结果表明系统运行可靠，控制效果较好。 关键词：基于p c e c6 1 1 3 1 - 3 软p l c 运行系统虚拟机 a b s t r a c t s o f tl o g i cc o n t r o ls y s t e mb a s e d o ni n d u s t r i a lp c a b s t r a c t a u t o m a t i cc o n t r o lb a s e d o np c ，w h i c hh a sl o w c o s t ，g o o do p e n i n g a n di se a s yt o u s e ，i sb e c o m i n gan e w d i r e c t i o no f a u t o m a t i ct e c h n o l o g y t h ei s s u eo f i e c6 1 1 3 1 - 3 s t a n d a r dn o to n l ys t a n d a r d i z e sp r o g r a ml a n g u a g ei nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o lb u t a l s oa f f o r d sa no p p o r t u n i t yf o rt h e d e v e l o p m e n to fs o f t p l ct e c h n o l o g y i ti s p r a c t i c a lm i ds i g n i f i c a n t f o rt h er e d u c t i o no fc o s ta n dt h ee n h a n c e m e n to fs y s t e m o p e n i n g st os t u d ys o f tp l c c o n t r o ls y s t e mb a s e d - o np c f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t s t a t u so fc o n t r o ls y s t e mb a s e d o n p ca n dt h ep r i n c i p l eo fs o f tp l c ，t h e ns t u d y st h es o f t w a r em o d e la n dr e a l i z a t i o n s c h e m eo fs o f tp l cb a s e d o ni e c6 1 1 3 1 - 3 s e c o n d l y , ad e t a i l e dr e a l i z a t i o ns c h e m e a n dt h ep r i n c i p l eo fs o f tp l ca r en a r r a t e d ，a n dt h e nt h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o n s c h e m eo fr u n n i n gs y s t e mb a s e d o ni n d u s t r i a lp ca t eg i v e ni nd e t a i l a c c o r d i n g l y , a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mb a s e d o ni n d u s t r i a lp ci sc o n s t r u c t e d f i n a l l y , c o n t r o ls y e t e mb a s e d - o ni n d u s t r i a lp c i su s e dt oc o n t r o le l e v a t o rm o d e l ， l a m p s ，t h r e e t a n k l e v e l e q u i p m e n ta n de l e c t r i c s t o v e t h er e s u l ts h o w st h a tt h i s s y s t e mi sr e l i a b l ea n d e f f e c ti sq u i t ew e l l k e y w o r d s ：b a s e d - o n p c ；i e c6 1 1 3 1 - 3 ；s o f tp l c ；r u n n i n gs y s t e m ；v i r t u a l m a c h i n e i i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包 括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资 料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内 容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 隘i 遗 丝：生 导师签名： 同期： 型丛 淤8 、 f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 p l o f l 勺产生与发展 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 研制出第一台p l c ，在美国通用汽车 自动装配线上使用，获得了成功【l 】。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操 作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快在美 国其他工业领域推广应用。到1 9 7 1 年，己成功地应用于食品，饮料，冶会，造 纸等行业。 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代初是可编程控制器产品成熟的重要时期。美国的 a b ( a l l e n b r a d l e y ) 、通用电气( g e ) 、西屋电气( w e s t i n g h o u s e ) 等，同本的 三菱( m i t s u b i s h i ) 、o m r o n ( 欧姆龙) 等，欧洲的德国西门子( s i e m e n s e ) 、法国 t e 等公司，纷纷推出自己的p l c 系列产品，使工业自动化领域出现了蓬勃发展 的局面。美国电气制造商协会n e m a ( n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t o r y a s s o c i a t i o n ) 于1 9 8 0 年对可编程控制器的名称和主要性能作出定义，国际电工委员会i e c 于 1 9 8 2 年开始颁布了可编程控制器标准草案。2 0 世纪9 0 年代以来，随着电子技 术、微型计算机技术、通信技术以及自动化技术的长足发展，价格相对低廉的 微小型p l c 和中、大型p l c 进一步向高档次、高速度和高性能和系统联网发展。 进入2 l 世纪以来，随着通用微机应用技术日臻完善，凭借p c 机丰富的软、硬 件资源，国际著名的自动化系统制造公司推出了基于p c 的自动化产品，将可编 程控制器技术和p c 机有机地结合起来【l l 。 1 2 p l c 现状与发展趋势 121p l c 的发展现状 目前，全世界约有p l c 生产厂家约2 0 0 家，生产3 0 0 多个品种。国内p l c 市场仍以国外产品为主，国内p l c 生产厂家约有3 0 家，但都没有形成颇具规模 的生产能力和名牌产品。p l c 应用的行业也很广。专家估计，2 0 0 0 年p l c 的 国内市场销量为1 5 2 0 万套( 其中进口占9 0 左右) ，约2 5 3 5 亿元人民币， 第一章绪论 年增长率约为1 2 。预计到2 0 0 5 年全国p l c 需求量将达到2 5 万套左右，约3 5 4 5 亿元人民币。p l c 市场也反映了全世界制造业的状况，2 0 0 0 年后大幅度下滑。 但是，按照a u t o m a t i o nr e s e a r c hc o r p ( a r c ) 的预测，尽管全球经济下滑，p l c 市场将会复苏，估计全球p l c 市场在2 0 0 0 年为7 6 亿美元，到2 0 0 5 年底将回到 7 6 亿美元，并继续略微增长【5 2 】【1 9 】。 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：西门子( s i e m e n s e ) 公司、a b ( a l l e n b r a d l e y ) 公司、施耐德( s c h n e i d e r ) 公司、三菱( m i t s u b i s h i ) 公司、欧姆龙( o m r o n ) 公司，他们的销售额约占全球销售额的三分之二【3 】o 12 2p l c 的发展趋势 自6 0 年代末引入p l c 技术以来，p l c 由最初的只能处理丌关量而发展到可 以处理模拟量和复杂算法，以后又与d c s 、i p c 和p i d 调节器等技术相结合， 利用其不同的性能和特点，相互渗透、集成和网络化，构成各种新型的自动控 制系统。总体来讲，p l c 的发展趋势有如下几个方面【5 2 1 1 4 8 1 ： 1 微型、小型p l c 功能明显增强 很多著名的p l c 厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型p l c ，使 p l c 的应用领域扩大到除工业控制以外的其他行业，如医院手术室、旋转门和 车辆等。 2 向开放型转变，编程语言多样化 传统p l c 的软、硬件体系结构是封闭的而不是开放的，绝大多数的p l c 是 专用总线，专用协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语义结构 不致，使各种p l c 互不兼容。i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的推出，使用户可以采用五种 编程语言进行编程，为各个p l c 生产厂家的产品相互兼容提供了条件。 3 向集成化、网络化发展 由于控制内容的复杂化和高难度化，使得p l c 向集成化方向发展，p l c 与 p c 集成、p l c 与d c s 集成、p l c 与智能仪表的集成等，并强化了通信能力和 网络化能力。网络化和强化通信能力是p l c 的重点发展方向。而且以p c 为基 础的控制产品增长较快，p l c 与p c 集成，将计算机、p l c 结合在一起，使p l c 能利用计算机丰富的软件资源。以p c 为基础的控制技术使得用户编程更加简便， 而且提供开放的体系结构，用户可以选择多家的p l c 和i o 设备进行互联，从 第一章绪论 而町以降低生产成本和提高生产效率。 4 p l c 的新进展一软p l c t 6 j 计算机软、硬件技术的迅速发展，推动了自动控制技术一系列新的发展。 目前许多工业用自动控制产品、机电一体化产品开始转向以计算机为平台的控 制方案，各个自动控制产品生产厂家大都推出了基于p c 的控制系统。德国 s i e m e n s e 公司推出的w i n a c 是这方面的优秀代表，它是在计算机的平台上，用 软件实现p l c 的功能，即软p l c 或者软逻辑。 软p l c 是一个高附加值和高技术含量的产品，有着硬p l c 无法比拟的优势： ( 1 ) 基于工业计算机的可编程逻辑控制技术，可充分利用计算机的高速、 大容量以及各种软件资源。 ( 2 ) 开放的结构容易连接i o 模块、p i d 模块、运动控制模块和网络等。 ( 3 ) 对超过几百点i o 的p l c 系统，用户可以节省投资。 软p l c 最大的优势是其鏖好的开放性，用户可以选择不同厂家生产的各种 硬件产品，有多种i o 板卡可以直接连接到软p l c 的计算机总线上。这样，在 软、硬件两方面可以达到工控机和p l c 性能的完美结合。 1 3 基于p c 的控制 1 3 1 基于p c 的控制的发展状况 近年来，个人计算机技术得到了迅猛发展。p c 的成本不断降低，而它的速 度、可靠性在不断增长，特别是p c 体系结构被越来越多的人所接受，应用的范 围也越来越广。在这种情况下，各控制系统生产厂家纷纷推出以p c 机作为控制 系统软、硬件平台的控制系统 4 】o 基于p c 的控制将p l c 的功能、编程设备、h m i 、数据采集集成到一个统一 的开放的系统平台。采用开放的p c 平台和硬件，开放的总线网络协议标准。用 户不再限制于某一个硬件生产厂商的产品和服务。基于p c 的自动化系统的典型 配置为在工业p c 中插入一个现场总线通信卡，通过现场总线与现场的各类i ( 3 模 块系列、控制模块系列相连就可存取现场的所有数据，或通过智能外围设备处理 过程数掘，以完成传统p l c 或d c s 装置所能完成的各种数据处理和控制任务。 第一章绪论 目前，国外主要的工业控制系统开发商正在发展基于p c 的软p l c 控制系统， 大都推出了比较成熟的产品。在国内市场上常见的控制产品有：法国c j i n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g r a f ，德国k w 公司的m u l t i p r o g ，b e c k h o f f 公司的 t w i n c a t 以及s o f t p l c 公司的s o f l p l c 等。作为典型的基于p c 的控制系统，西 门子公司的w i n a c 在国内得到了广泛的应用。 国内的公司也在开发基于p c 的控制系统，部分公司已经有产品推出，如 三维力控公司的控制策略组态系统，亚控自动化科技有限公司推的k i n g a c t 控 制组态系统等。由于这类控制系统大都采用工业p c 与i o 板卡的形式，其软、 硬件成本较低，因此在国内的应用较为普遍。 1 3 2 基于p c 控制的优越。i 生 基于p c 的控制系统具有良好的开放性。全面支持p c ，通过o p c f l & 够方便地 与第三方控制产品建立通信，便于与其它产品集成。 基于p c 的控制系统简单易用。p c + 现场总线+ 分布式i 0 与传统的p c + p l c 的体系相比，其优点表现为简化了系统的网络结构和设备设计、简化了复杂的 通信接口、提高了系统的通信效率、降低了硬件和备件投资，易于调试和维护。 熟悉的p c 和操作系统，简单的系统和网络结构，方便的编程和组态软件使用户 能在短时间内掌握技术要领。 基于p c 的控制系统具有很强的兼容性。采用了与p l c 兼容的编程工具，继 承了工程师的编程经验，具有很强的兼容性。系统具有独立于制造商的标准， 采用通用的标准，用户可以在各种系统之间游刃有余。 基于p c 的控制系统能大幅度节省投资。与传统的p l c 解决方案相比，基于 p c 的自动化有明显的性能价格优势。p c 基于的自动化可以减少设备投资。它系 统集成简单、系统开放的特点使工程维护、培训和备件的费用大大降低。 p c 的处理能力日益增强。处理器的处理速度变化遵循“摩尔定律”，每隔 几个月就会翻一番。充分利用了p c 超强功能，使基于p c 的控制系统在有数据处 理、用户算法和多回路调节的控制任务中能够满足用户的需求。基于p c 的一体 第一章绪论 化设计提高了控制器、人机晃面和网络部件的数据交换速度。 1 9 9 0 年2 0 0 0 年2 0 1 0 年 图1 】基予p c 自动化系统的市场地位 f i g 1 1m a r k e ts t a t u so f a u t o m a t i cc o n t r o lb a s e d - o np c 可见，由于p c 的高效率和对硬件与软件几乎是无限制的开放，因而p c 在自 动化控制领域的应用将以每年大约2 0 的速度迅猛增长。正如国际电工委员会 i e c t c 6 5 主席o t t o u l r i c h s 所指出的那样( 见图1 1 ) ，1 0 年后p c 应用在市场的占 用率将达到3 0 或更多。由此可以看出，基于p c 的自动化将为工业自动化领域提 供一种崭新的发展机遇，并将成为工业自动化系统发展的最新趋势5 1 1 7 1 。 1 4 工业p c f l o 发展状况 14 1 工业p c 的发展历程 我国工业控制计算机从2 0 世纪6 0 年代初开始，经历了近4 0 年的历史，从 晶体管工业控制机到中小规模集成电路工业控制机，以及今天的大规模集成电 路的工业控制机，经历了三代的变化，功能越来越强，体积越来越小。 6 0 年代初期的工业控制机并没有统一的标准，软件编程也是很原始的机器 指令编程方式。8 0 年代，工业控制机突飞猛进，无论从硬件和软件方面都有了 较大的发展，出现了s t d 总线工业控制机，v m e 总线工业控制机等，出现了工 业控制组态软件包，用户可自己组态，组成自己的控制系统。 到了9 0 年代出现了p c 总线工业控制机。从硬件来说，主机从i n t e l8 0 4 8 6 到p e n t i u m5 8 6 工控机，又发展到p e n t i u m 4 工控机。总线从p c 总线( i s a 总线) 第一章绪论 发展到i s a + p c i 总线，现在又出现了p c i 总线控制机，称之为c o m p a c t p c i 。 从工业控制软件来说，大型监控软件包逐渐成熟，固际上流行的有g e n e s i s 监控软件包、f i x 大型监控软件包、p a r a g o n 监控软件包、i n t o u c h 监控软件 包和f a d o c t o r3 2 大型监控软件包等，其支持的操作系统平台也从d o s 发展 成w i n d o w s9 5 ，w i n d o w sn t 。 从工业控制通信网络来说，由原来的不标准的通信方式发展成按照国际标 准的工业控制实时通信网络，特别在现场控制层的通信方式发生了更大的变化， 由原来的r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 串行通信总线，发展成现场总线通信方式，近 来又有直接采用以太网e t h e r n e t 为现场总线的系统8 】【2 9 1 。 1 4 2 工业p c 的特点 扩充模板 j； 扩充模板 - _ - _ _ 一一_ - - 。_ j 。一一。一 图1 - 2i p c 主机构成 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo f l p c sm a i n f r a m e 工业p c 是在原个人计算机( p c ) 基础上演变过来的。它充分发挥p c 的技 术优势( 捌有丰富的硬、软件资源) ，巧妙地将p c 总线与工业生产自动化联系 6 第一章绪论 起来。它主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作。工业p c 的一般结构 如图1 2 ： 与通用的计算机相比有许多不同点，其主要的特点如下： ( 1 ) 可靠性高。平均无故障工作时间达到几万小时，同时尽量缩短故障修复 时间( m t t r ) 。 ( 2 ) 实时性好。工控机对生产过程进行实时控制和检测，因此要求它必须实 时地响应控制对象各种参数的变化。 ( 3 ) 环境适应性强。抗冲击振动能力、抗尘埃性能、抗电涌冲击能力、抗腐 蚀性气体能力以及适应宽的温度能力等方面。工业p c 均比普通p c 提高2 3 倍。 ( 4 ) 过程输入和输出配套较好。具有丰富的多种功能的过程输入和输出配套 模板，如模拟量、丌关量、脉冲量、频率量等输入输出模板。具有多种类型的 信号调理功能，如隔离型和非隔离型信号调理；电压和电流信号输入和输出信 号的调理等。 ( 5 ) 系统开放性。主机接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守丌放性 原则。 ( 6 ) 控制软件包功能强。工控软件包要具备人机交互方便、画面丰富、实时 性好等性能：具有系统组态和系统生成功能：具有实时及历史的趋势记录与显 示功能；具有实时报警及事故追忆等功能。此外尚须具有丰富的控制算法，除 了常规p i d ( 比例、积分、微分) 控制算法外，还应具有一些高级控制算法，如 模糊控制、神经元网络、优化、自适应、自整定等算法，并具有在线自诊断功 能。目赫控制软件包往往将连续控制功能与断续控制功能相结合。 ( 7 ) 系统通信功能强。具有串行通信、网络通信功能。由于实时性要求高， 冈此要求工控机通信网络速度高，并且符合国际标准通信协议。如i e e e 8 0 2 4 ，i e e e8 0 2 3 协议等。 同时还具有系统扩充性好，后备设施齐全等特点，得到广大工程技术人员 第一章绪论 的应用和支持。随着工控机技术及相关软件越来越成熟，其应用将越来越广泛。 1 5 课题来源和研究意义 1 5 1 课题的来源 本课题分别来源于国家科技部科技型中小企业技术创新基金项目 ( 0 4 c 2 6 2 1 4 5 0 1 3 5 2 ) ：“基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软逻辑控制平台软件”和广西大 学科学技术重点基金资助项目( 2 0 0 4 z d 0 3 ) ：“基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的先进控制 平台软件及应用”。 1 5 2 课题的研究意义 基于p c 的控制系统除了具有与传统p l c 截然不同的优势外，还具有丰富 的软、硬件资源、可以方便又可靠地连接不同供应商的各种i o 装置、现场总线、 网络、p c 机等。能够缩短系统投放到市场的周期，降低系统投资费用，提高从 工底层到企业办公自动化的数据信息流动效率等。目前基于p c 的控制成为工 业自动化技术发展的方向之一。 国家科技部科技型中小企业技术创新基金重点项目指南( 2 0 0 3 及2 0 0 4 年) 指出：“基于p c 的控制系统是自动化技术发展的一个新的方向，它具有成本低、 开放性好、与技术兼容性好等优点。本基金支持以工业p c 机及软逻辑 ( s o f t p l c ) 控制软件为控制器、以现场总线为网络、连接远程i o 及其它现 场设备组成的分布式控制系统。”1 9 1 1 0 1 。2 0 0 4 ，2 0 0 3 年机电一体化重点支持的项 目之一为：软逻辑( s o f t p l c ) 控制软件( 基于i e c6 1 1 3 l 标准) 的丌发。 现有大部分组态软件的控制功能相对较弱，而将软p l c 与组态软件集成运 行，除了可以加强组念软件的控制功能外，还可以大量地节省成本。尤其在控 制回路多的场合，运用这种基于p c 的软p l c ，既有丰富的人机界面，而且有强 大的数据处理能力和方便的网络功能。 基于以上三点，本课题设计了基于工业p c 的软逻辑控制系统。 第二章基于i e c6 11 3 1 - 3 标准的软p l c 的结构及工作原理 第二章基于l e c6 11 3 卜3 标准的软p l c 的结构及工作原理 2 1i e c6 1 1 3 卜3 标准与软p l c 2 1 1i e c6 1 1 3 卜3 标准的产生与主要内容 可编程序控制器p l c 是以计算机技术为基础的新型工业控制装置，自1 9 6 9 年问世以来，已取得迅猛的发展。它不仅仅是可以取代继电器工作的控制器， 而且具备数学运算、数值传送和处理、网络通讯等功能，成为工业生产自动化 过程应用最广泛的设备之一。 以往各个生产厂家的产品不仅硬件各异，其软件编程也是五花八门。比如 梯形图是p l c 使用最普遍的编程方法，但在图形符号、i o 点编号、内部继电器 等元件编号、图形构成等方面各不相同。用户每使用一种p l c 时，它不仅要重新 熟悉其硬件结构，也必须重新学习软件编程的方法和规定。因此，用户对软件 编程标准化的呼声很高，而对于制造商在软件编程上投入大量人力、物力也是 令人头痛的事。为此，国际电工委员会( t e e ) 于1 9 9 3 年发布了有关可编程序控制 器标准化编程的i e c “3 1 3 标准1 2 l i t 3 1 。 i e c11 3 1 3 标准是第个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编 程语言的国际标准。该标准得到了世界范围的的众多厂商的支持，但又独立于 任何一家公司。该国际标准的制定，是i e c i 作组在合理地吸收、借鉴世界范酮 的各可编程序控制器厂家的技术、编程语言、方言等的基础之上，形成的一套 新的国际编程语言标准。 1 9 9 9 年把修改后的i e c1 1 3 1 标准命名为i e c6 1 1 3 i 标准，分为四章、八个 附录。并且还成立了专门的推广组织p l c o p e n 。 i e c6 11 3 1 标准是有关可编程序控制器的硬件、安装、试验、编程、通讯等 方面的国际标准，共由八个部分组成，其中i e c6 1 1 3 1 3 是有关编程的标准。该 标准详细地说明了句法、语义和五种编程语言。这五种编程语言分别为：顺序 功能图( s e q u e n t i a lf u n c t i o nc h a r t ) 、梯形图( l a d d e rd i a g r a m ) 、功能块图 ( f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m ) 、指令表( i n s t r u c t i o nl i s t ) 、结构化文本( s t r u c t u r e d t e x t ) 。在这血种编程语言中，指令表和结构化文本是文本语言，易于实现一些 第二章基于i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的软p l c 的结构及下1 作原理 复杂的算法；顺序功能图、梯形图和功能块图是图形语言，它们则擅长处理逻 辑控制。同时该标准还允许在同一项目中，使用多种语言进行混合编程，方便 了编程者选择合适的语言来进行工作，为不同知识背景的编程人员提供了方便。 与传统p l c 的编程语言相比，符合i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的编程语言具有突出的 优点： ( 1 ) 具有良好的开放性，由于采用独立于制造商的标准化编程语言，因而应 用程序能够运行不同制造商的p l c ：并且允许程序在与i e c6 1 1 3 l 一3 标准兼容的系 统上移植。 ( 2 ) 具有先进的语言结构，支持结构化的程序开发和软件重用，支持复杂的 控制过程和结构化数据。 ( 3 ) 具有很强的错误检测和纠错能力，提高了程序数据和变量的可靠性。 ( 4 ) 使p l c 的组态具有编程部分和运行部分特性。 正因为i e c6 1 1 3 1 3 标准的优点，它已成为工业自动化领域中基础的国际标 准，其应用范围已向d c s 、h m i 、工业网络和基于p c 的控制系统等领域扩展。 2 1 2i e c6 1 1 3 1 3 标准与软p l c i e c6 1 1 3 1 3 标准编程平台的出现，使得p l c 的编程不再依赖于特定的p l c 硬件，其硬件可以是传统p l c ，也可以是p c 或者嵌入式计算机。这样应用程序 的标准化、可靠性和可移植性都得到了很大地提高，正是在这样的背景下，提 出了软p l c 的概念。软p l c 指的是编程符合i e c6 1 1 3 1 3 标准的控制装置，其 典型的结构是工控机加i o 接口卡加软p l c 软件包【3 7 l 【3 8 l 。 软p l c 就是使用p c 机作为硬件支撑平台，利用软件实现标准硬件p l c 的基本 功能，或者说将p l c 的控制功能封装在软件内，运行于p c 的环境。软p l c 综合了 p c 丰i i p l c 的开关量控制、模拟量控制、数学运算、通信网络等功能，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。这样的控制系统提供了与p l c 相同的功能，却 具备了p c 机的各种优点。 软p l c 技术发展的一个重要条件是i e c6 1 1 3 1 3 标准的制订。该标准的制订， 即继承了传统p l c 的编程语言，又统一了不同厂家的编程标准；与此同时，该标 准使得p l c 的编程标准拓展到基于p c 的控制系统、d c s 控制系统和嵌入式系统。 l o 第二章基于i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的软p l c 的结构及工作原理 2 2 传统p l c i 均结构及工作原理 2 2 1 传统p l c 的结构 p l c 不管是整体式结构，还是模块式结构，其基本的组成部分包括：中央 处理器、存储器、输入输出部件、电源等4 部分，如要进行程序的操作以及进 行监视，还要配备必要的外部设备”l 。p l c 的组成示意图如图2 一l ： 从图2 l 可以看出，c p u 是p l c 的核心，i 0 基本部件是连接现场设备与 c p u 之间的接口电路，外部接口用于和上位机连接。其个部分的主要功能如下： 其 输 圈 输 入 出班 部 部摇 件什 专篓器r 外 i f i oi ，u 扩扩 展展 部 壁旦坚垦垒塑i 口口 接 口 酬2 - 1 传统p l c 的结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo f c o n v e n t i o n a lp l c t 中央处理器c p u c p u 是p l c 的核心部件，是系统的运算、控制中心。它按照系统程序所赋 予的功能，完成一以下任务： ( 1 ) 诊断电源，内部电路工作状态和用户程序中的语法错误： ( 2 ) 接收现场输入设备的状态和数掘； ( 3 ) 读取用户程序、执行各种运算、处理中断； ( 4 ) 输出运算结构，与外部设备或计算机通信。 2 存储器 p l c 的存储器也像微型计算机一样用来存放系统软件和应用软件，p l c 的 存储器可以分为系统程序存储区、系统r a m 存储区和用户程序存储区。 第二章基下i e c6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 的结构及工作原理 ( 1 1 系统程序存储区 此存储区存放的是相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监控程序、 管理程序、命令解释程序、功能子程序和系统诊断程序等，p l c 厂家将其固化 在e p r o m 等存储器中，这些程序在p l c 使用过程中是不变的。 ( 2 ) 系统r a m 存储区 在p l c 应用过程中，经常在变化、存储的这些数据存储在r a m 中，以适 应随机存取的需要。在这个存储区中分配有一定数量的寄存器单元，并按照不 同的区编号，通常划分有i o 映象区，各种内部元件如定时器、计数器、数据存 储器和其他寄存器等。 ( 3 1 用户应用程序存储区 这个存储区存放的是用户根据被控对象的具体要求而编写的应用程序。用 户程序一般存放于电可改写的e e p r o m 和紫外线可擦写的e p r o m 中。 3 输入输出部件 p l c 通过各种i o 接口模块接收所需被控对象的各种信息，又将处理结果输 送给外部被控对象，驱动各种执行机构实现对被控对象的控制。 4 p l c 的外部设备 p l c 的外部设备包括编程器、打印机、e p r o m 写入器和显示器等。 2 2 2 传统p l c 的工作原理 p l c 是一种特殊的工业控制计算机，但它的工作方式与微型计算机有很大 的不同【2 】a 微型计算机一般采用等待命令的工作方式，如键盘扫描方式和i o 扫描方式，当有键按下和有i o 动作时则转入相应子程序去处理。也有的是查询 某一变量，并据此决定下部的操作。而p l c 要查看的变量很多，采用这种等待 查询的方式已不能满足要求。因此p l c 采用了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。 根据p l c 的工作方式，循环扫描过程主要进行的就是i o 处理与执行用户 程序。工业现场的数据输入输出操作包括两部分内容：一是采样输入信号；二 是输出处理结果。所以把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、程序执行阶段和输出刷新阶段。下面对p l c 运行的三个阶段进行分析， 并形象地用图2 2 表示： 1 2 第一：章基于i e c6 1 1 3 卜3 标准的软p l c 的结构及工作原理 x o x 1 x 2 输入采样 一7 p - 丫- 卜 内输输输 部出出出 - - - - - - - i l 兀 映锁 + 模 一+ 芦2 _ ( 丽二 件象存块 存存器 一p - y ：卜 f 占储 器器 程序执行；输出刷新 图2 - 2 传统p l c 的程序执行 y o y 1 y 2 f i g 2 2p r o g r a m e x e c u t i o no f c o n v e n t i o n a lp l c ( 1 ) 输入采样阶段 在程序执行前，p l c 首先扫描各输入模块，将所有外部输入信号的状态读 入到输入映象寄存器中，随后转入程序执行阶段。在程序执行期自j ，即使外部 输入信号的状态发生了变化，输入映象寄存器的内容也不会随之变化，只有在 卜一个扫描周期的输入采样阶段才能被读入。 ( 2 ) 程序执行阶段 c p u 是采样分时操作的，每一时刻执行一个操作，所以程序的执行是按照 序号依次进行的。梯形图的扫描过程是按照从上到下、先左后右的次序扫描。 p l c 在程序执行阶段，根据用户程序的要求，从输入映象寄存器，内部元件存 储器和输出映象存储器中将有关元件的状态读出，按照用户程序进行逻辑判断 和算术运算，并将每一步的结果立即写入有关的存储器中。 ( 3 ) 输出刷新阶段 在执行完用户程序后，c p u 将输入映象存储器的内容通过输出锁存器输出 到输出端子上去驱动外部负载。 从以上可以看出，传统p l c 采用循环的方式执行程序，依次完成输入采样、 运算操作和输出刷新三个阶段。每一个p l c 只含有一个资源，运行一个任务， 控制一个程序，整个程序运行在一个封闭的环境中。图2 2 为传统p l c 的软件 模型： 第二章基于i e c6 11 31 - 3 标准的软p l c 的结构及工作原理 输 运 输 图2 - 2 传统p l c 的软件模型 f i g 2 - 2t h e o r y m o d e lo f c o n v e n t i o n a lp l c 2 3 基于i e c6 1 13 卜3 标准的软p l c 的结构及工作原理 2 3 1 基于le c6 1 1 3 卜3 标准的软p l o 的结构 基于i e c6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 是以其软件模型作为p l c 的软件模型。i e c 6 1 1 3 1 - 3 软件模型加上具体的硬件映射就可以清晰地描述软p l c 的体系结构 【1 2 】【1 6 】。图2 3 是软p l c 的软件模型： 从该软p l c 的软件模型可以看出，基于i e c6 1 1 3 i - 3 标准的软p l c 采用了 开放式的结构，将一个具体的应用称为配黄或者项目，它指的是一个具体的控 制系统，包括硬件装置、f o 通道和相应的系统软件，它等同于一个p l c 应用程 序。 在一个配置可以含有一个资源，也可以含有多个资源。资源不仅为运行程 序提供了一个支持系统，而且它反映了p l c 的物理结构。在一个资源内可以有 一个或多个任务，任务被配置后可以控制一组程序或功能块，它们可以是周期 性地执行，也可以由某个事件驱动而予以执行。 对程序而言，一个典型的i e c 程序由许多的互联的功能块或者函数组成， 各个功能块之间可以交换数据。 软p l c 是一种面向未来的丌放系统。它不但可以满足由多个资源构成的 p l c 系统的软件设计，而且适用于以工业通信网络为基础的分散控制系统，例 如基于现场总线的控制系统。对基于p c 的软p l c 控制系统，该软件模型尤其 适合。 第二章基于i e c6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 的结构及工作原理 图2 - 3 基于i e c6 11 3 i 3 标准的软p l c 的软件模型 f i g 2 - 3t h e o r y m o d e lo f s o f ip l cb a s e d o ni e c6 1 1 3 i 3s t a n d a r d 至此，我们可以得出以下结论：该软p l c 的软件模型与不同的硬件搭配， 可以构建各类实际的控制系统。 对于只有一个处理器的小型系统，其模型只有一个配置、一个资源和一个 任务，即就是传统的p l c 。对于有多个处理器的中、大型系统，整个p l c 被视 作一个配置，每个处理器都可用一个资源来描述，而一个资源则包括一个或者 多个程序。对于分散型控制系统而言，将含有多个配置，而一个配置又包含多 个处理器，每个处理器用一个资源描述，每个资源包含一个或者多个程序。 可见，基于i e c6 11 3 1 3 标准的软p l c 的结构既适合于简单的p l c 系统， 也适合于复杂的p l c 系统，这就极大地扩展了p l c 的应用领域。 2 3 2 基于i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的软p l c 的工作原理 从上面的软p l c 的软件模型可以看出，基于i e c6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 允 许一个配置有多个资源，每个资源能够支持多个程序。这样，在一台p l c 巾可 以同时装载、启动和执行多个独立的程序，而传统的p l c 只能同时运行一个程 序 删。以下是基于i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的软p l c 程序的总体结构。 第二章基于i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的软p l c 的结构及工作原理 结配置 构 一 7 巴 素资源 ， 任务 运行系统 |程序功能块 l功能块功能块 i函数函数 幽2 - 4 基于i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的软p l c 程序的总体结构 f i g 2 4s t r u c t u r eo f s o f tp l cp r o g r a m b a s e d o ni e c6 11 3l - 3s t a n d a r d 从图2 - 4 的系统程序结构可阻看出，基于i e c6 1 1 3 l 一3 标准的软p l c 的工作 原理可以从以下两个方面阐述：结构元素和应用程序的设计。 在应用程序的设计方面，基于i e c6 1 1 3 1 - 3 标准的程序设计遵循了软件模块 化的原则，将一个复杂的项目分成若干独立的模块，而每个模块将常用的程序 功能划分为若干个单元，即就是程序、功能块和函数，并将这些单元加以封装， 构成了编程的基础。从上图可以看出，为了完成某一控制功能的任务由程序和 功能块构成，而程序则可以调用功能块和函数，功能块可以调用功能块和函数。 就结构元素而言，主要涉及了系统的硬件和支持该硬件的系统程序。结构 元素提供了应用程序赖以执行的环境，这个环境还必须实现对多个任务的管理 功能。为了完成某一个具体的控制，可能有多个程序或者功能块，即有多个任 务。当一个资源与多个任务相联系时，其实是要求对程序的不同部分的执行频 率可以进行灵活的、可组态的控制，以使不同的任务之间合理使用资源并协调 工作，这样既满足了被控对象的要求，又合理、高效地使用了资源。 第二章基于i e c6 11 3 1 3 标准的软p l c 的结构及t 作原理 为了支持实时多任务，在一个资源中要声明多个任务且为每个任务指定不 同的间歇时间和优先权。在某一时刻，哪个特定的任务在执行，或说哪一个任 务拥有对c p u 的控制权，取决于任务调度机制、各任务的优先权、执行间歇时 间和系统中当前时刻其它任务就绪和等待时间。一般来说，p l c 运行系统可以 提供两种调度方法，即抢占式调度机制和非抢占式调度机制。采样非抢占式任 务调度机制时，采用此种调度机制，一旦某一个任务被执行，就一直继续下去 直至该任务的所有程序或功能块全部执行一遍。接下来执行等待任务中优先权 最高者。有确定的时序关系，则要求采用抢占式调度机制。在抢占式调度机制 下，当一个更高优先权的任务提交时，当前j 下在执行的任务将被挂起而改去执 行这个优先权更高的任务。当抢占了控制权的高优先权任务执行完后，挂起的 低优先权任务继续执行。 综上所述，基于i e c6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 实现了对程序的完全控制，在不 同的事件驱动下，软p l c 允许程序的不同部分在不同的时间内并行执行。 2 4 基于ie c6 1 13 1 3 标准的软p l c 的系统组成和开发技术 在分析了基于i e c6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 的结构和工作原理后，我们可以得 出，整个软p l c 系统一般分为三大部分：系统硬件、符合i e c6 1 1 3 1 3 标准应用 程序集成开发环境和软p l c 运行系统1 1 9 l 【2 1 1 。 出于软p l c 系统良好的开放性能，其硬件平台较多，既有传统的p l c 硬件， 也有当前较流行的嵌入式