（机械制造及其自动化专业论文）开放式可编程控制系统的研究.pdf

五邑大学硕士学位论文 摘要 可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，在工业领域发挥着愈来愈 大的作用。然而，高端( 具有通讯、数控、数据采集等功能) p l c 的核心技术长期被 欧、美、h 等外资企业掌握着。它们垄断了国内庞大的p l c 市场。而且，国外p l c 价格高昂，开放性不高，普及十分困难。因此，十分需要开发具有自主产权的p l c 。 近年来，先进高性能单片机技术的发展，为p l c 的硬件研制提供了物质基础。开发 一种计算机与单片机主从结构的、开放的、模块化的、低成本p l c 是国内p l c 产 品开发的一个方向。 在这样的背景下，我们总结了可编程控制器的基本构成、工作原理及其特点， 建立了开放式可编程控制系统的结构模型，并选用5 1 内核单片机s t c 8 9 c 5 l 作为 p l c 的处理器，设计制作了一款小型p l c ，该p l c 能够实现逻辑输入、输出、通信 等功能；在这个基础上，对5 l 内核单片机和三菱f x 2 np l c 指令集展开研究，提出 了p l c 集成开发平台的c 5 l 实现方案，并使用开发工具b o r l a n dc + + b u i l d e r 设计开 发了p l c 上位机软件，该软件具备梯形图编辑、逻辑运算、数据处理等功能，且能 将梯形图程序编译为能够被5 1 单片机c p u 运行的可执行文件。 论文详细分析了课题p l c 系统的硬件设计，阐述了上位机前台梯形图输出的方 法，给出了编译器对p l c 指令解释的原理，研究了c 5 1 编译系统的数据格式，以及 如何通过调用c 5 1 编译器、连接定位器、转换器，实现了梯形图语言到机器语言的 转换。最后，论文分析了u s b 通信原理及其系统构成，并完成u s b 通信的固件编 程及数据通信测试，成功将u s b 通信应用到p l c 领域。 关键词：单片机，开放式，p l c ，c + + b u i l d e r ，u s b 五邑大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sak i n do fi m p o r t a n tb a s i ce q u i p m e n ti na u t o m a t i o ni n d u s t r y ，p l cp l a y sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fi n d u s t r ym a n u f a c t u r e ，h o w e v e r ，k e yt e c h n o l o g i e so f h i g h - e n dp l c ，w h i c hp r o c e s s e sc o m m u n i c a t i o n ，c n c ，d a t aa c q u i s i t i o nf u n c t i o n s ，h a v e b e e nh e l db yf o r e i g ns u c ha su s a s ，e u r o p e a nu n i o n sa n dj a p a n e s ee n t e r p r i s e sf o ra l o n gt i m e t h e s ee n t e r p r i s e sm o n o p o l i z ec h i n e s em a r k e tf o ra l lt h e s ey e a r s i na d d i t i o n ， t h e i rs a l ep r i c ei sv e r yh i g ha n dt h e ya r en o to p e nt oc o n s u m e r s s oi ti sv e r yh a r dt ob e w i d e l yu s e d i naw o r d ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt od e v e l , o pan e wp l c w h i c hp r o p e r t yr i g h t o w n e db yo u r s e l v e s r e c e n t l y ，t h ed e v e l o p m e n to fh i g h p e r f o r m a n c es i n g l ec h i ph a s m a d ei t p o s s i b l ef o ru st od e v e l o pp l c i nh a r d w a r e t od e v e l o pa ne x o t e r i c ，m o d u l ea n d l o wp r i c ep l ci so n ed i r e c t i o nt h a td o m e s t i ce n t e r p r i s es h o u l dw o r ko n u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，w es u m m a r i z e dt h eb a s i cs t r u c t u r e ，p r i n c i p l ea n df e a t u r e so f p l c ，c o n s t r u c t e ds t r u c t u r em o d e lo fe x o t e r i cp l ca n ds e l e c t e d51 k e r n e ls i n g l ec h i p s t c 8 9 c 51a st h ep r o c e s s o ro ft h ep l c a f t e rt h a t ，w ed e s i g n e da n dm a d eam i n ip l c t h i sp l ch a st h ef u n c t i o no fl o g i ci n p u t ，l o g i co u t p u ta n dc o m m u n i c a t i o n o nt h a tb a s i s w er e s e a r c h e do nt h ei n s t r u c t i o ns e to f51s i n g l ec h i pa n df x 2 np l c ，s e ts c h e m eo fp l c i n t e g r a t e dd e v e l o p e m e n ts y s t e mo nc 51 ，a n dd e s i g n e dt h ep cs o f t w a r ea tt h eu s eo f c + + b u i l d e r t h es o f t w a r eh a st h ef u n c t i o n so fe d i t i n gl a d d e rd i a g r a m ，d o i n gl o g i c a l o p e r a t i o n ，p r o c e s s i n gd a t aa n ds oo n i ta l s oc a nc o m p i l et h el a d d e rd i a g r a mt ot h e e x c u t e a b l ef i l ew h i c hc o u l db ee x c u t e db y51s i n g l e c h i p sc p u i nt h et h e s i s ，t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ep l cw a sa n a l y z e di nd e t a i l ，a sw e l la st h e a c h i e v e m e n to ft h el a d d e rd i a g r a m w ea l s od e s c r i b e dh o wt ot r a n s l a t et h ei n s t r u c t i o ns e t o fp l ct h r o u g ht h ec o m p l i e r f u r t h e r m o r e ，w er e s e a r c h e do nt h ed a t af o r m a ta b o u tc 5 1 c o m p i l es y s t e m ，d i s c u s s e dt h em e t h o dh o w t ou s et h ec 51c o m p l i e r ，l i n k e ra n dc o n v e r t e r a tl a s t ，i tm a k e si ts u c c e s s f u li nc o n v e r t i n gt h el a d d e rl a n g u a g et om a c h i n el a n g u a g e 。a t t h ee n do ft h et h e s i s ，w ea n a l y z e dt h ec o m m u n i c a t i o np r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h eu s b a f t e rt h a t ，w ep r o g r a m m e dt h ef i r e w a r ea n df i n i s h e dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o nt e s t a sa r e s u l t ，w es u c c e e di na p p l y i n gt h eu s bc o m m u n i c a t i o ni nt h ep l c f i e l d k e y w o r d ：s i n g l ec h i p ，e x o t e r i c ，p l c ，c + + b u i l d e r , u s b 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所用的 一切资料均已在参考文献中列出。 作者：邓锦炽 签字：歹匆搴义? ， 2 0 0 9 年4 月1 5 日 五邑大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论帚一早珀下匕 可编程控制器( 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 ，v l c ) ，又称为可编程逻辑控制 器，是一种新型的工业控制器，是以微处理器为核心的工业生产自动控制装置。国 际电工学会( i e c ) 对可编程控制器作了如下定义【l 】：“可编程控制器是种数字运算操 作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在 其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术运算等操作的指令，并通 过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器 及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的 原则设计。 它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，专门为 工业控制而设计，具有功能完善、通用灵活、可靠性高、环境适应性好、编程简单、 使用方便等优点，在工业上得到了越来越广泛的应用。 传统的顺序控制系统主要是继电器一接触器控制系统，这是一种有触点的控制 系统，采用的是布线连接方式，一旦生产过程有所变动，就必须重新设计线路，不 利于产品的更新换代、系统的变更、功能的扩展等，只能用于要求不高的控制场合。 当控制对象比较复杂时，其可靠性和难扩充性难以满足实际生产的要求。因此，需 要有一种先进的自动控制装置以满足迅速发展的工业生产要求。1 9 6 8 年美国通用汽 车公司( g m ) 首先公开招标，对控制系统提出的具体要求为：继电控制系统设计周期 短，更改容易，接线简单，成本低；能把计算机的功能和继电控制系统结合起来。 但编程又比计算机简单易学、操作方便；系统通用性强。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，并在g m 公司汽车生产线上应用成功， 实现了生产的自动化控制【2 】【3 】f 4 】f 卯。 经过近4 0 年的发展，p i 。c 的功能越来越强大。除了基本的逻辑控制、定时、计 数、算术运算等功能外，还开发了特殊功能模块。常见的特殊模块有高速计数模块、 定位模块、速度控制模块、闭环控制模块。配合这些特殊模块，p l c 的应用领域得 到不断扩大，广泛地应用于数据处理、位援控制、过程控制、运动控制等领域。目 前，p l c 、c a d c a m 和机器人技术己发展为现代工业自动化的三大支柱【6j 。 五邑大学硕士学位论文 1 2p l c 的发展历程 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 分为四个阶段1 5 l 【7 l 1 1 1 】： 1 初级阶段：从第一台p l c 问世到2 0 世纪7 0 年代中期 最初的p l c 一般称为可编程逻辑控制器，是为了取代继电器而产生的，其c p u 由中小规模数字集成电路组成，存储器采用磁芯存储器。其功能比较单一，主要功 能是逻辑运算、计时和计数功能。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，p l c 特有的编程语言( 梯形图语言) 一直沿用至今，称为可编程控制器 第一编程语言。这一时期的主要产品有：a b 公司的p d q i l ，d e c 公司的p d p 一1 4 ， 日本o m r o n 公司的s c y - 0 2 2 等。 2 扩展阶段：从2 0 世纪7 0 年代中期n 7 0 年代末期 这一阶段的p l c 产品开始使用微处理器作为c p u ，而存储器采用半导体存储器， 其控制功能得到很大扩展。扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟 量的运算等功能。并初步具备了自诊断功能，可靠性有了一定的提高。这一阶段的 产品有美国哥德公司m o d i c o n 的1 8 4 ，2 8 4 ，3 8 4 ，西门子公司的s i m a t i cs 3 、s 4 系列，富士电机公司的s c 系列产品。 3 通信阶段：2 0 世纪7 0 年代末期n 8 0 年代中期 这个时期的p l c 产品采用8 位或1 6 位微处理器作为c p u ，其功能显著增强，速度 大大提高，能够进行多种复杂的数学运算，初步形成了分布式可编程控制器的网络 系统，具有通讯功能和较强的远程i o 能, 力，编程语言较规范和标准化。但是，由于 各制造商各自为政，通信系统各有各的规范。此外，自诊断功能及容错技术发展迅 速，产品功能也得到很大的发展。同时，可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西 门子公司的s i m a t i cs 5 系列，o m r o n 公司的c 系列，r 本三菱公司的m e l p l a c5 0 、 5 5 0 系列等。 4 开放阶段：从2 0 世纪8 0 年代中期开始至今 国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型o s i ，p l c 在开放功能上有较大 发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造厂商的产品可以相互通信，通信协议 开始标准化。此外，p l c 增加了高级语言编程，完成了编程语言的标准化工作，并 五邑大学硕士学位论文 开始采用标准化软件系统。这一阶段的产品有西门子公司的s 7 系列，a b 公司的 p l c 5 、s l c 5 0 0 ，德维森的v 8 0 、p p c i l ，o n l i n ec o n t r o l 公司和合控电气公司 所开发的o p e n p l c 等。 1 3 国内外p l c 发展状况和趋势 自从1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研制出世界上第一台p l c ，并在g m 公司 的汽车自动装配线上成功使用以来，p l c 便显示了其强大的生命力和巨大的优越性。 它取代了传统的以继电器、开关为控制元件的控制系统，给自动化控制领域带来了 一场更新换代的革命。它的诞生大大提高了工业自动化程度，提高了劳动生产率， 减轻了劳动强度，节约了生产成本。因此，日本、德国、法国等国家相继研制了各 自的p l c 。随着p l c 的不断发展，它已广泛应用于钢铁冶金、机械加工、汽车制造、 石油化工等几乎所有的工业领域【4 】【5 1 。 1 3 1 国外p l c 的发展状况 根据美国a r c 调查，目前世界上有2 0 0 多个厂家生产3 0 0 多种p l c 产品。在 全球p l c 制造商中，领导世界p l c 行业的五霸是德国西门子( s i e m e n s ) 公司、美国a l i e n b r a d l e y ( a b ) 公司、法国施耐德( s c h n e i d e r ) 公司、日本三菱( m i t s u b i s h i ) 公司、欧 姆龙( o m r o m ) 公司。他们的销售额约占全球总销售额的三分之二。其中典型p l c 有 s c h n e i d e r 的q u a n t u m 、p r e m i u m 、m o m e n t u m 等，a l l e n b r a d l e y 的s l c 、m i c r o l o g i x 、c o n t r o ll o g i x 等，s i e m e n s 的s i m a t i cs 7 4 0 0 3 0 0 2 0 0 系列，主要应用在汽车( 2 3 ) 、粮食加工( 1 6 4 ) 、化学n 药( 1 4 6 ) 、金属矿山( 1l ，5 ) 、纸浆造纸( 1 3 ) 等 行业【1 2 】【1 3 1 。 据美国商业调查机关p r e d i c a s c 公司统计，美国p l c 市场销售额1 9 7 2 年为 2 千万美元，1 9 8 2 年增长到6 2 亿美元，1 0 年期间增长3 0 多倍。按r 本n e c a 调 查，1 9 8 5 年日本p l c 总销售量为1 9 8 1 年的2 2 倍，销售额达8 2 7 亿日元。另据美国 a r c 近期的一项报告，全球可编程控制器全球展望，2 0 0 3 年市场为6 0 亿美元，预 计2 0 0 8 年将达到7 5 亿美元。而到2 0 11 年将接近1 0 0 亿美元以上。目前在世界先进 工业国家p l c 已成为工业控制的标准设备，它的应用几乎覆盖了所有工业企业。显 然，应用p l c 技术已成为当今世界潮流，作为工业自动化的3 大支柱( p l c 技术、 机器人、，计算机辅助设计和制造) 之一的p l c 技术，将会跃居主导地位【7 1 【1 4 1 。 五邑大学硕士学位论文 1 3 。2 国内p l c 的发展状况1 5 1 【1 6 】 自上世纪七十年代引进p l c 以来，p l c 在我国的应用已有3 0 年的历史。我国 的p l c 的发展从引进应用开始，经历了成套设备引进应用、p l c 产品应用、合资生 产产品、消化移植产品、p l c 产品广泛推广应用几个阶段。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、自动化生产线等大型设备和系统。近l o 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。在引进国外p l c 产品的过 程中，我国也曾组织了相关单位消化、吸收p l c 的关键技术，试图对p l c 进行国 产化。但是，由于我国的工业化水平和工艺能力，特别是微电子技术，大规模、超 大规模集成电路的设计、生产能力，专用芯片的设计生产能力，与发达国家有明显 差距，国产p l c 一直没有形成规模化的生产和名牌产品，甚至还有一部分是以仿制、 来件组装或“贴牌 方式生产。目前，国内p l c 主要生产单位有：苏州电子计算机 厂、苏州机床电器厂、上海兰星电气有限公司、天津市自动化仪表厂、杭州通灵控 制电脑公司、北京机械工业自动化所和江苏嘉华实业有限公司等。 1 3 3p l 0 的发展趋势 随着科学技术的进一步发展，现代p l c 也在不断的向前发展，其功能越来越强大， 集成度越来越高，从而使得它的应用领域得到不断的扩展。总体来讲，p l c 的发展 趋势主要表现在以下几个方面【1 7 】- 【2 3 】： 1 向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的微型化发展。 微小型p l c 的i o 点数一般在8 1 2 8 点以下，除了开关量以外，还可以扩展模拟 量和其他特殊功能模块。发展微小型p l c 是适应小型自动化的需要，以适应复杂单 机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求。 2 向大型化、高速度、复杂化、多功能方向发展。 大型p l c 向高速度和多功能方向发展，使之能取代工业微机的部分功能，对大 规模、复杂系统进行综合自动控制。目前，大型p l c 的存储容量是几百k b ，最高可 达几m b 。 3 向智能化功麓模块方向发展，增强过程控制能力。 智能i o 模块是以微处理器为基础的功能部件。它们的c p u 与主p l c 的c p u 并行 工作，占用主机c p u 的时间很少，有利于提高p l c 的扫描速度。智能模块主要有模 拟量i o 、p i d 回路控制、通信控制、机械运动控制等。智能i 0 的应用，使过程控制 4 五邑大学硕士学位论文 功能增强。某些p l c 的过程控制还具有自适应、参数自整定功能，使调试时间减少， 控制精度提高。 4 通讯联网功能不断增强。 通讯联网功能使计算机与p l c 、p l c 与p l c 之间能交换信息，形成一个统一的整 体。在结构上，从传统的单机向多c p u 和分布式及远程控制系统发展，主控制器和 本地控制器都有c p u ，执行各自的控制程序，可对复杂分布的自动化生产线进行集 中控制。 5 向规范化、标准化方向发展。 p l c 厂家在对硬件与编程工具不断升级的同时，日益向制造自动化协议靠拢， 并使p l c 的基本部件( 如输入输出模块、接线端子、通讯协议、编程语言和编程工具 等) 规范化、标准化，使不同产品互相兼容、容易组网，以真正方便用户，实现工厂 生产的自动化。 6 广泛应用可靠性技术。 广泛应用自诊断、冗余和容错等可靠性技术，使无故障运行达到数万小时。謇 7 编程语言和编程工具多样化。 p l c 系统结构在不断发展的同时，编程工具和编程语言也随着硬件和软件笈展： 而不断发展。目前有三种p l c 编程语言占主导地位：梯形图语言、顺序功能图语言 和功能块语言。另外新的语言不断出现，现有部分p l c 已经采用高级语言如b a s i c 、 c 等。为统一标准，国际电工委员会发布7 i e c l l 3 1 3 标准2 4 】f 2 5 】f 2 6 1 ，规定了5 种编程 语言。其中3 种为图形化语言：梯形图( l a d d e rd i g r a m l d ) 、顺序功能巨1 ( s e q u e n t i a l c h a r - s f c ) 、功能块图( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m f b d ) ；2 种文本化语言：指令表 ( i n s t r u c t i o nl i s t i l ) 和结构文本( s t r u c t u r e dt e x t s t ) 。 8 p l c 的新进展一软p l c l 2 7 】【3 0 】 近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及p l c 国际标准的制定，一项打破传统 p l c 局限性的新兴技术发展起来了，其特征是：在保留p l c 功能的前提下，采用面 向现场总线网络的体系结构；采用开放的通信接口，如以太网、高速串口等；采用 各种相关的国际工业标准和一系列事实上的标准；全部用软件来实现传统p l c 的功 能，这就是国际上出现的新兴技术一软p l c 技术。由于软p l c 具有通用性、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基于p c 架 构的可编程控制器作为一个重点对象进行研究开发。 五邑大学硕士学位论文 1 4 课题的提出 1 4 1 国内p l c 市场分析 我国的p l c 市场正处于发展阶段，需求量巨大，每年的增长率达到6 1 0 。根 据a r c 的一项最新研究，我国的某些自动化领域增长率超过了2 0 ，中国p l c 市 场有望能在未来的5 年内以1 4 1 的综合年增长率增长，2 0 0 3 年p l c 市场为3 7 亿 美元，预计2 0 0 8 年有望翻番，2 0 1 1 可达到1 3 亿美元。然而，p l c 市场的国内参与 者却尴尬地面对这样一个局面，即在高达5 2 亿的p l c 市场总需求中，国产p l c 占 不到整个市场份额的1 。因此，为了打破国内p l c 技术和市场被发达国家垄断的 局面，迫切需要丌发出具有自主知识产权的p l c 3 1 】【3 2 】。 1 4 2 课题来源 面对国外封闭的p l c 技术和国内大量的需求，结合福莱利汽车配件有限公司自 动半自动化设备的改造和维护项目，开发开放式可编程控制系统，可降低生产成本， 提高企业效益。 1 4 3 课题的现实意义 目前，p l c 在国内已广泛应用于钢铁、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，市场需求十分巨大。 我国从引进p l c 技术到国产化p l c 的过程中，已形成了3 0 余家p l c 生产企业， 但大多产量不高，国内产品的市场占有率不到1 0 ，其中拥有自主产权的p l c 就更 少了。目前，国内用户选用p l c 仍以国外产品为主，造成这种局面的其中一个重要 原因：欧、美、日等发达工业国家掌握了高端p l c 的核心技术，其硬件、软件技术 对应用者来说完全是封闭的，虽然编程方法大多为梯形图，但是其寻址、结构都大 不一样，各种p l c 之间互不兼容，使用者只能从应用的角度学习p l c ，而不能参与 p l c 的开发，从而导致我国p l c 行业缺乏p l c 的研发人才。近年，i e c 6 1 1 3 1 3 国 际标准的颁布和实施为各p l c 生产厂家提供了一致的软件开发准则，而开放的高性 能单片机技术的发展，为硬件开发提供了有效的物质基础。因此，在这样的背景下， 研制开放的p l c 系统无论对于科学研究还是促进p l c 行业的水平都有积极的现实 意义。 6 五邑大学硕士学位论文 1 5 研究的内容 1 分析确定开放式可编程控制系统实现方案，并以三菱f x 2 np l c 的部分指令 集为背景，对p l c 运行方式和f x 2 n 指令集进行了分析，详细研究了如何在 单片机系统中实现梯形图语言的解释和执行方法。 2 利用b o r l a d nc + + b u i l d e r 开发遵循国际标准i e c 6 11 3 1 3 的梯形图编辑平台， 实现p l c 用户程序编制、语法检查、系统配置和用户程序下载。 3 详细分析u s b 总线的特点，并实现u s b 扩展模块的设计。 4 设计研制p l c 硬件电路，并开发了p l c 样机。 1 6 本章小结 本章在查阅大量国内外文献资料的基础上，综述了可编程控制器的历史、现状 和发展趋势，阐明了研制开放的具有自主产权的可编程控制器的现实意义，并对本 论文的主要研究工作做了概括的介绍。 五邑大学硕士学位论文 第二章开放式可编程控制系统设计方案 2 ，1p l c 的结构组成及各部分的作用 2 1 1 p l c 的基本组成【3 3 1 p l c 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相 同。p l c 硬件主要由中央处理器、存储器、输入输出接口等组成。如图2 1 所示： 图2 1p l c 的硬件结构图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fp l ch a r d w a r e 2 1 2p l c 各组成部分的作用f 3 2 】1 3 3 】【3 4 】 1 中央处理单元( c p u ) 中央处理单元( c p u ) 是p l c 的控制中枢，是p l c 的核心部件。它按照p l c 系统 程序赋予的功能，接收并存储从编程设备输入的用户程序和数据；检查电源、存储 器、i 0 以及警戒定时器的状态，并诊断用户程序中的语法错误。当p l c 投入运行 时，首先，它扫描并接收现场各输入装置的状态和数据，分别存入i o 映象区，然 后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令要求执行逻辑 或算术运算，并将结果送入i 0 映象区或数据寄存器。当所有的用户程序执行完毕 之后，将i 0 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送给相应的输出装置， 如此循环，直到停止。它的工作是按照系统程序所赋予的任务进行的。可编程序控 制器常用的微处理器主要有通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。 8 五邑大学硕士学位论文 2 存储器 存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。p l c 的存 储系统包括系统程序存储器和用户程序存储器两部分。系统存储器用于存储p l c 的 系统软件，包括程序存储器r o m 或e p r o m 和数据存储器r a m 或e e p r o m ，其 中，r o m 或e p r o m 用于存储系统监控程序，而r a m 用作内部继电器( 软继电器) 、 移位寄存器、数据寄存器、定时计数器以及累加器等；用户程序存储器用来存放用 户编写的针对具体控制任务的梯形图程序。 3 输入输出单元 输入输出单元是可编程序控制器与工业过程控制现场之间的连接部件。通过输 入单元，可编程序控制器得到生成过程的各种参数；通过输出单元，可编程序控制 器把处理器运算的结果送至工业过程现场的被控对象，驱动各种执行机构，实现对 被控对象的控制。由于输入输出单元与工业过程现场的各种信号直接相连，这就要 求它有很好的信号适应能力和抗干扰能力。因此在输入和输出单元中，一般均配有 电平转换、光电隔离和阻容滤波电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部信号 的匹配和正确传递。 4 通信接口 p l c 配有多种标准通信接口或网络接口，以实现p l c 与p l c ，p l c 与计算机或 其它具有标准通信接口的设备的互连。通过这些通信接口，p l c 可以与编程器、人 机界面、打印机及计算机等连接。与其它p l c 连接时，可以组成多机系统或网络， 实现更大规模的控制。当与计算机相连时，可以组成多级分布式控制系统，实现控 制与管理相结合的综合系统。通信接口一般是r s 2 3 2 、r s 4 2 2 或r s 4 8 5 串行通信接 口以及可以选配的现场总线通信模块。 5 p l c 的外部设备 p l c 的外部设备包括编程器、打印机、烧录器等。其中编程器用来输入、编辑、 调试用户程序和监控p l c 的运行。现在p c 机已普遍用作p l c 的通用编程器使用， 通过r s 2 3 2 通信口与p l c 相连，在p c 机上进行梯形图编辑、调试和监控，可实现 人机对话、通信及打印，使编程和调试变得更加方便快捷。 6 输入输出扩展接口 输入输出扩展接口是可编程序控制器输入输出单元的扩展部件。当用户所需的 输入输出点数超过p l c 设备提供的输入输出点数时，可以通过增加输入输出扩展 9 五邑大学硕士学位论文 模块来解决。输入输出扩展模块般包括简单型和智能型两种。其中，简单型扩展 模块不带c p u 单元，对外部现场信号的输入输出处理过程完全由主机的c p u 单元管 理，依赖主机的扫描过程；智能型扩展模块本身带有c p u 单元，它对生产过程现场 信号的输入输出处理由本身携带的c p u 单元管理，而不依赖于主机的扫描过程。除 此以外，根据p l c 应用的各种特殊功能的需要，p l c 还可以配备多种智能i o 接口， 例如高速计数模块、p i d 控制模块、温度传感器模块等。这些智f l 缸o 单元是一个独 立的自治系统，通过总线与主机相连，可在主机c p u 的协调管理下独立工作。 7 电源单元 电源单元是p l c 的电源供给部分，它将交流电源转换成系统内部各单元所需的 直流电源，使p l c 能正常工作。电源内部电路由多级滤波、稳压电路等构成，能克 服电网波动、温度漂移等因素的影响，并对电路具有一定的保护能力，防止电压突 变时损坏内部电路单元。 2 2p l o 的工作原理 2 2 1p l 0 的工作方式 可编程序控制器是一种工业控制计算机，它的工作原理与计算机的工作原理基 本上是一致的。它通过执行用户程序实现控制任务。但是，在时间上，可编程序控 制器执行的任务是串行的，这与继电器逻辑控制系统中控制任务的执行有所不同。 可编程序控制器的整个工作过程是以循环扫描的方式进行。c p u 从第一条指令 开始，在无中断或跳转控制的情况下，按顺序逐条扫描程序，程序在执行过程的周 期中，采样各个过程的输入信号，对采样的信号进行运算和处理，并把运算结果输 出到生产过程的执行机构去，直到程序结束，即完成一个扫描周期，然后返回第一 条指令开始新一轮的扫描。在这个执行周期中，一些输入变量可能有变化，而有些 输入变量可能没有变化，相应地有些输出变量有变化，有些输出变量没有变化。在 可编程控制器中，采用循环扫描的方式，不断地对输入输出变量进行采样和输出， 使得变量满足程序条件时，及时驱动相应的执行机构。这里，与计算机程序执行过 程的区别是：在计算机的工作过程中，如果变量的条件没有满足，程序将等待，直 到该条件满足；而在可编程控制器中，程序执行时，如果这一扫描周期变量的条件 未满足，程序将继续执行下去，到下面的某个扫描周期，变量的条件满足时，满足 1 0 五邑大学硕士学位论文 条件的运行结果就被执行，p l c 就是这样周而复始地重复上述循环扫描。采用循环 扫描的方式，由于c p u 处理速度很高，p l c 的扫描周期很短，使得从外观上看，用 户程序似乎同时进行。 2 2 2p l c 系统的循环工作过程【3 2 1 3 5 】 可编程控制器通电运行后，需要对硬件和使用资源进行初始化，为了使可编程 控制器的输出即时地响应各种输入信号，初始化后系统反复不停的分阶段处理各种 不同的任务，大致包含以下几个方面的内容：系统的自诊断、通讯服务、现场i o 数 据处理、执行用户程序以及输出刷新。p l c 的整个工作过程如下图所示1 3 2 】： 图2 2p l c 一- 1 2 作过程示意图 f i g 2 2s c h e m ao fp l cw o r k i n gp r o c e s s 1 系统初始化 p l c 上电后，要对c p u 及各种资源进行初始化处理，包括清i 0 映像区、变量存 储器区、复位所有定时器，以清除各元件状态的随机性。同时，对电源、p l c 内部 电路、用户程序的语法进行检查等。 2 系统自诊断 p l c 在每个扫描周期都要进入系统自诊断阶段，以确保系统的可靠性。自诊断 检查包括定期检查c p u 、程序存储器、i o 、通信等是否正常，复位监控定时器，以 及完成一些别的工作等。当发现系统出现故障时，p l c 停止工作并显示故障原因。 五邑大学硕士学位论文 3 。通信服务 在通信服务阶段，c p u 检查编程器、p l c 的其它外设、网络是否需要服务，如果 需要，则进行信息交换，并存放在缓冲区中，以供给下一个扫描周期使用。在通信 信息处理阶段，c p u 处理通信口接收到的信息，并在适当的时候将信息传送给通信 请求方。 4 输入采样 在可编程控制器的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的 状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器。 在输入采样阶段。可编程控制器扫描所有的输入端子，并把所有外部数字量输 入电路的o n o f f 状态存入对应的输入映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新。 外接的输入电路闭合时，对应的输入映像寄存器为l 状态，梯形图中对应输入点的常 开触点接通，常闭触点断开。外接的输入电路断开时，对应的输入映像寄存器为0 状态，梯形图中对应输入点的常开触点断开，常闭触点接通。p l c 在运行状态下， 每一个扫描周期都要进行输入采样处理。输入采样结束后，转入用户程序执行和输 出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，输入映像寄存器中 的内容都不会变化，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，输入映像寄存器中的内 容才会被刷新。这样做的好处是：对输入输入的存取通常是通过映像寄存器，而不 是实际的i o 点，程序执行阶段的输入值是固定的，程序执行完成后，再用输出映像 寄存器的值更新输出点，使系统的运行稳定；用户程序读写映像寄存器比读写i o 的 速度快得多，这样可以提高程序的执行速度。 5 执行用户程序 p l c 在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。p l c 的用户程序由若干 条指令组成，指令在存储器中按顺序排列。在用户程序执行阶段，如果没有跳转指 令或中断，c p u 从第一条指令开始，按从左到右、从上到下的次序，逐条地执行程 序指令，直到遇到结束指令。 在执行指令时，c p u 从输入映像寄存器和其它元件的映像寄存器中读出相关状 态。然后，进行相应的运算，并把运算结果存储在映像寄存器的相应位。因此，各 映像寄存器( 输入映像寄存器除外) 中的内容，随着程序的执行在不断变化。 6 输出刷新 在所有指令执行完毕后，c p u 将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态传到 1 2 五邑大学硕士学位论文 输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。从而完成本周期运行结果的实 际输出。梯形图中某一输出线圈“通电 时，对应的输出映像寄存器为1 状态。信号 经输出模块隔离和功率放大后，继电器型输出模块中对应继电器的线圈通电，其常 开触点闭合，外部负载通电工作。若梯形图中输出点的线圈“断电”，对应的输出映 像寄存器中存放的二进制数为0 ，它被送到物理输出模块，对应的继电器的线圈断电， 其常开触点保持断开状态，外部负载断电停止工作。 7 中断程序处理 如果p l c 提供中断服务，而用户在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执 行中断程序，中断程序可能在扫描时期的任意时刻上被执行。 在p l c 的整个工作过程中，当p l c 处于s t o p 状态时，只完成系统自诊断和通信 服务；当p l c 处于r u n 状态时，除了完成自诊断和通信服务工作外，还要完成输入 采样、用户程序执行、输出刷新工作。 2 3p l c 运行系统的实现方案 p l c 的系统软件分为两大部分，一是p l c 的系统编程软件，一是操作系统软件。 可编程控制器通常使用继电器语言编程，即梯形图语言。这种语言使用方便、直观、 修改容易，因此被一直沿用至今，而且仍然是编程人员的首选语言。使用梯形图语 言编写的应用程序要被编译成机器语言j j 能被p l c 执行。 2 3 1研制p l c 的两种实现方案 目前，国内外研发p l c ，主要有两种实现方案： 1 传统的p l c 实现方案。编程语言使用指令表和梯形图语言编程，采用手持编程 器录入程序。硬件部分由c p u 、外围模块、接口构成。由于各公司的p l c 软、 硬件体系结构是封闭的而不是开放的，其他系统的连接就比较困难。 2 现代p l c 的研究趋势，编程语言遵循国际标准i e c 6 11 3 1 3 ，并将基于p c 的编 程软件作为p l c 首选编程工具。硬件结构沿用c e u + 夕t - 围模块+ 接口构成。各个 接口都按标准设计，使系统方便被大系统接纳，大大增加p l c 的开放性。 2 3 2p l c 系统软件开发的两个方向 目前，国内p l c 生产企业，在p l c 系统软件研发上，主要朝着两个方向发展： 1 使用市场上广泛应用的p l c 编程软件作为系统软件，在研究分析p l c 指令集的 五邑大学硕士学位论文 基础上，使用高性能芯片，对p l c 指令集进行破解。这种做法可以大大缩短产 品的研发周期，能够充分利用原有的资源并将产品快速的切入市场。 2 以p c 机作为编程工具，分析梯形图运行原理，遵循i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准规定 的编程语言，使用集成丌发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i d e ) ，研 发开放性和兼容性的p l c 系统软件集成开发平台，能够使用梯形图语言编写程 序，并编译生成p l c 硬件系统能够运行的可执行文件。 2 。3 。3 开放式可编程控制系统设计方案 开放式可编程控制器系统结构如图2 3 所示： 图2 3 开放式p l c 系统结构图 f i g 2 ，3s t u r c t u r es c h e m ao fe x o t e r i cp l cs y s t e m 由图2 3 可以看出，系统采用开放式、模块化结构设计，其构成为工控机+ i o 接e l + p l c 软件包。硬件系统可以由多种不同内核的处理器，丌发的p l c 和其它类型 p l c 构成。相应内核的p l c 被划分为主处理模块+ 各种功能模块。这些控制设备与 1 4 五邑大学硕士学位论文 p c 机的连接采用星形连接，从逻辑上看，它们好像直接被连到p c 机一样。采用这 种结构的好处是：系统对用户是极大丌放的，系统兼容各种不同内核的控制器，这 些控制器可以被加入到系统中；用户也可以开发自己的p l c ，并加入到系统中，只 要上位机软件开发平台兼容这种内核的处理器。