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文档简介

摘要 摘要 基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的嵌入式软p l c 系统是嵌入式系统与p l c 在现代工业控制中结合 发展的必然产物。随着计算机技术、网络通讯技术、微处理器技术等技术的迅速发展,现在 的控制过程越来越复杂而要求也越来越高( 如:过程控制、运动控制、模糊控制等) ,控制更 趋分散化和个性化,由于传统p l c 自身的缺陷使得在这些方面都难以适应要求,而 i e c 6 1 1 3 1 - 3 编程标准的颁布促进了p l c 向开放性和通用性发展。根据这个标准,充分利用 现代计算机的软、硬件资源以及成熟的网络通讯和现场总线技术,开发以软件技术来实现传 统p l c 的控制功能的新一代开放体系结构,即软p l c 。基于嵌入式系统的软p l c ,有效的利 用了嵌入式系统这个平台,使控制过程更加可靠和稳定,在自动化领域采用基于嵌入式的软 p l c 来代替传统硬p l c 产品已经成为一个趋势。 基于嵌入式系统的软p l c 由于其卓越的性能,良好的性价比,可扩展性、可移植性、实 时性、开放性等特点,克服了传统p l c 的种种弊端,可以实现常规p l c 无法完成的控制- r 程, 使企业的控制水平和效率得到了很大的提高。整个系统整合了许多先进的技术,尤其是网络 通讯的技术,实现了设备控制、设备管理和企业管理的无缝集成。 嵌入式软p l c 系统系统分为开发系统和运行系统( 义称为虚拟机系统) 。开发系统运行于 w i n d o w s 平台,软p l c 开发系统主要由编辑器、编译器、仿真器和通信接口四部分组成, 由它完成传统硬p l c 的编程和调试功能,为用户提供一个界面友好的的p l c 应用程序编程 环境。虚拟机系统运行在安装了u c l i n u x 的a m r 7 平台上,包括运行内核模块、系统管理 模块和通信接口模块。 本文的主要工作是结合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准,构建软p l c 系统的软件平台。本文通过对软 p l c 的相关概念和技术的分析与研究,阐述了软p l c 的体系结构;通过对软p l c 系统的工作 原理及其实现策略的分析和研究,主要论述了软p l c 上位机系统的体系结构及其工作原理, 并提出了其具体实现的方案。 本文研究、分析了国际标准i e c 6 1 1 3 1 - 3 对于p l c 五种编程语言的规定,按照其各自特 点,选择梯形图( l d ) 和指令表( i l ) 作为本系统的两种编程语言。本课题主要开发基于 w i n d o w s 的p l c 语言编程系统,在系统的开发过程中,应用软件t 程的设计思想作为指导, 采用面向对象的设计方法对p l c 编程语言开发系统进行了系统分析和需求分析,得出系统 的具体功能要求,在此基础之上采用模块化方法设计,把p l c 软件集成环境分解成编辑模 块、编译模块等。提出了以二叉树为中心的p l c 梯形图程序与指令表程序的转换方法。 本文设计了友好的编辑环境、灵活的编辑方式,实现了可视化、规范化的梯形图设计, 方便用户使用,提高了p l c 编程效率。对提高当前软p l c 梯形图编程软件通用化和标准化 做了有益的尝试和探索。 关键词:嵌入式软p l c ,i e c 6 1 1 3 1 3 ,梯形图,面向对象的设计方法,编辑,编译 a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds o f i p l cs y s t e m w h i c hi sb a s e do ni e c 6 11 31 - 3s t a n d a r d ,i st h er e s u l to f t h e c o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n dp l ci nt h em o d e ni n d u s t r yc o n t r 0 1 w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , n o w a d a y s t h ep r o c e s sc o n t r o lb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e xa n dt h ed e m a n do fc o n t r o l b e c o m e sh i g h e rt h a nt h eb e f o r e ( f o re x a m p l et h ep r o c e s sc o n t r o la n df u z z yc o n t r 0 1 ) b e s i d e s ,t h e e o n t r o it e n d st od e c e n t r a l i z a t i o na n di n d i v i d u a t i o n b e c a u s eo fs o m ef l a w s ,t h et r a d i t i o n a lp l c c a n tw o r kw e l li nt h e s ea s p e c t s h o w e v e r ,t h ei e c 6 11 3 1 - 3s t a n d a r dh a sp r o m o t e dt h ep l ct o o p e n n e s st od e v e l o p i n g a c c o r d i n gt ot h i ss t a n d a r d ,t h ec o m p u t e rr e s o u r c e ,c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n df i e l db u st e c h n o l o g ya l ef u l lu t i l i z e d b a s e do ns o f t w a r et e c h n o l o g y ,an e w o p e n i n ga r c h i t e c t u r e n a m e l ys o f t p l c ,i su s e dt or e a l i z et h ec o n t r o if u n c t i o no ft r a d i t i o n a l p l c t h es o f i p l c ,w h i c hi sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ,t a k e st h ea d v a n t a g eo fe m b e d d e d p l a t f o r me f f e c t i v e l y i ti m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ec o n t r o lp r o c e s s n o w i t b e c o m e sat r e n do fa d o p t i n gs o f i p l ct h a ti sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mt os u b s t i t u t ef o r t r a d i t i o n a lp l ci na u t o m a t i o nf i e l d t h es o f u p l ct h a tb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mh a sal o to fc h a r a e t e r i s t i c s ,s u c hh a s p r e d o m i n a n tc a p a b i l i t y , e x c e l l e n tq u a l i t y ,e x p a n s i b i l i t y ,t r a n s p l a n tc a p a b i l i t yr e a lt i m ec a p a b i l i t y a n do p e nc a p a b i l i t ya n ds oo n i to v e r c o m e ss o m ef l a w so ft r a d i t i o n a lp l c ,b e c a u s ei tc a n c o m p l e t et h ec o n t r o lp r o c e s sw h i c ht h ei a t t e rc a n t i ti m p r o v e st h ec o n t r o l i e v e la n de f f i c i e n c yf o r e n t e r p r i s e t h ew h o l es y s t e mh a si n t e g r a t e d a1 0 to fa d v a n c e dt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y c o m m u n i e a t i o nt e c h n o l o g y t h ei n t e g r a t i o nf r o me q u i p m e n tc o n t r o la n dm a n a g e m e n tt oe f f e c t i v e e n t e r p r i s em a n a g e m e n th a sb e e nr e a l i z e d e s p l cs y s t e mc o n s i s t so fd e v e l o p m e n ts y s t e ma n dr u n n i n gs y s t e m ( r e f e r r e dt oa s v i r t u a l m a c h i n es y s t e m ) t h ed e v e l o p m e n ts y s t e mr u m so nw i n d o w sp l a t f o r ma n d i su s e d p r o g r a m m i n ge n v i r o m n e nf o ra p p l i c a t i o np l cp r o g r a m t h er u n n i n gs y s t e mr u n so na l la m r 7 p l a t f o r me q u i p p e dw i t hu c l i n u x ,i tc o n s i s t so fr u n n i n gk e m e lm o d u l e ,s y s t e mm a n a g e m e n t m o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n a li n t e r f a c em o d u l e t h i sp a p e rp r e s e n t st h ea p p r o a c ht od e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es o f t p l c ,b ya n a l y z i n ga n d r e s e a r c h i n gt h er e l a t e dc o n c e p ta n dt e c h n o l o g yo ft h es o f l p l c a i s od i s c u s s e se d i t o rs y s t e mo f s o f t p l cs y s t e ms t r u c t u r ea n dw o r k i n gb ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gs o r p l cc o n t r o ls y s t e m w o r kt h e o r ya n dr e a l i z y i n gs t r a t e g y , b u ta l s og i v e sd e t a i l e dr e a l i z i n gp l a n s t h ea r t i c l ea n a l y s i sf i v ek i n d so fp r o g r a m m i n gl a n g u a g ep r e s c r i b e db yi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i e c 6 1 1 3 1a n dt h e i rp e c u l i a r i t i e s ,c h o s e sl a d d e rd i a g r a m ( l d ) a n di n s t r u c t i o nl i s t ( i l ) a st w o p r o g r a m m i n gl a n g u a g e so ft h i ss y s t e m t h em a i nt a s ko fm yr e s e a r c hi st od e v e l o pae d i t i n ga n d c o m p i l i n gs y s t e mo fp l cb a s e do nw i n d o w s a c c o r d i n gt ot h em e t h o d so ft h es y s t e mw a r e e n g i n e e r i n ga n do b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n ,t h es y s t e ma n a l y s i sa n dr e q u i r e m e n ta n a l y s i so nt h i s p l a t f o r ma r em a d e a n dt h ed e t a i l e df u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h es y s t e ma r ed r a w a n dt h e n , t h r o u g ht h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g n ,t h es y s t e mi sc o m p o s e do fe d i t i o nm o d u l e c o m p i l em o d u l e , t r a n s l a t i o nm o d u l ea n ds oo n t h ea r t i c a l ed e s i g n 锄i n t u i t i o n i s t i ce d i te n v i r o n m e n ta n df l e x i b l ee d i tm e t h o d s t h es y s t e m r e a l i z e st h ev i s u a ia n dc a n o n i c a ld e s i n go fl a d d e rd i a g r m i ta l s op r o v i d e su s e r sw i t hac o n v e n i e n t p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n ta n dr a i s e st h ee f f i c i e n c yo f p l cp r o g r a m b e n e f i c i a la t t e m p t sa n d d i s c o v e r y sh a db e e nd o n et oi m p r o v ec u r r e n ts o f t w a r e o fl a d d e rg r a p h i c sc u r r e n c y a n d n o r m a l i z a t i o n k e yw o r d s :e m b e d d e ds o f l p l c ,i e c 6 1 1 3 1 3 ,l a d d e rd i g r a m ,o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g nm e t h o d , e d i tf u n c t i o no fl a d d e rg r a p h i c s , c o m p i l e i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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,也不包含为获得东南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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查 阅和借阅,可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名:褪导师签名:兰豇日期:丛型 1 绪论 1 绪论 1 1 传统p l c 可编程序控制器简称p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o ll e r ) ,是以微处理器为基础, 综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它 具有体积小、功能强、灵活通用和维护方便等一系列优点,特别是它的高可靠性和较强的适 应恶劣环境的能力,在冶金、化工、电力等领域获得广泛的应用。 1 1 1 传统p l c 的发展历史和趋势 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下面几个阶段l l j 【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。在硬件上以准计算 机的形式出现,在i o 接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求: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一梯形图。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、有故障指示、能 重复使用等。p l c 特有的编程语言一梯形图也一直沿用至今。 ( 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 ) ,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、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 o 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,还提供了一定数量的数据寄存器,使p l c 的应用范围进一步扩大。 ( 3 ) 近期的p l c ( 2 0 世纪8 0 年代中、后期1 0 年代) 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档次普遍提高。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。 现代p l c 己经不仅仅具有逻辑判断功能,还同时具有数据处理、p i d 调节和数据通讯的 功能。随着p l c 应用领域的不断扩大和微处理器的技术的发展,可编程控制器也得到迅速的 发展,其发展趋势表现在下列几个方面“。“。: ( 1 ) 向小型化发展 在提高系统可靠性的基础上,p l c 产品的体积越来越小,速度加快、功能越来越强而价 格降低。从整体结构向小型模块化方向发展,增加了配置的灵活性,更加广泛的取代常规的 继电器控制。 ( 2 ) 向大型化方向发展 目前大中型p l c 的c p u 已经从早期的1 位、8 位、1 6 位朝3 2 位、6 4 位发展,时钟频率已经达 到几百兆赫兹,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 ) 。存储区容量也成倍增加,同时具有高可靠 性、网络化和智能化的特点。现代大型p l c 都具有强大的通讯功能,通过专用或者开放的通 讯协议,己经得到广泛应用。三菱公司的c c l i n k 、两门子公司的p r o f i b u s 和a b 公司d e v i c e n e t 总线等,可以将p l c 系统的控制功能和信息管理功能融为一体,使之能对大规模、复杂系统 进行综合性的自动控制。同时p l c 开始向过程控制和计算机数控( c n c ) 渗透和发展,使得p l c 东南大学硕士学位论文 和d c s ,c n c 己经没有明显的界限。 ( 3 ) 编程语言和编程工具的多样化、高级化和标准化擒儿1 0 p l c 系统结构不断向前发展的同时,编程工具和编程语言也随着硬件和软件的发展而不 断发展。目前三种p l c 编程语言占主导地位:标准的继电器梯形图语言、顺序功能图语言和 模仿过程流程的功能块语言。另外新的编程语言不断出现,现在有部分p l c 己经采用高级语 言如b a s i c ,c 等。为统一p l c 的编程,国际电工委员会( i e c ) 1 9 9 3 年发布了i e c 6 11 3 1 标准, 它是有关可编程控制器的硬件、安装、实验、编程、通讯等方面的国际标准。其中i e c 6 1 1 3 1 3 是可编程控制器标准编程语言,共规定了5 种编程语言。其中3 种是图形化语言,2 种是文本 化语言。图形化语言有梯形图( l a d d e rd i g r a m l d ) 、顺序功能图( s e q u e n t i a lc 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 ) :文本化语言有指令表( 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 ) ,i e c 并不要求每个产品都运行上述的全部5 种语言,可以只运 行其中一种或者几种,但是这几种必须符合标准。以往各个p l c 生产厂家的产品互相不开放, 而且各个厂家的硬件各异,其编程方法也是各不相同,用户每使用一种p l c 时,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。工业控制领域的的国际标准 i e c 6 1 1 3 1 的推出和实施,打破了以前的各个p l c 生产厂商的产品相互不兼容的局限性。近期 生产的p l c 大都兼容i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准,加速了p l c 的应用和开发。 ( 4 ) 发展智能模块 智能输入输出模块具有c p u ,r a m 等可以和p l c 的c p u 并行工作,提高了p l c 的速度和效率。 各种智能模块在不断的推出,如高速计数模块、p i d 回路控制、远程i 0 模块、通信和人机接 口模块、专用数控模块等,使p l c 的过程控制功能大大加强,在可靠性、适应性、扫描速度、 和控制精度等方面对p l c 做了补充。 ( 5 ) 向网络化方向发展 加强p l c 的联网能力成为p l c 的主要发展趋势。p l c 的联网包括p l c 之间和p l c 和计算机之 间的联网。p l c 的生产厂家都在使自己的产品与制造自动化通信协议标准( m a p ) 兼容,从而使 不同的p l c 之间可以相互通讯,p l c 与计算机之间的联网能进一步实现计算机辅助制造( c a m ) 和计算机辅助设计( c a d ) 。 ( 6 ) p l c 的新发展 近几年来,计算机软件和硬件技术的迅速发展,推动了自动控制技术的一系列的新的发 展。目前有许多工业控制产品、机电一体化产品,开始转向以p c 机为平台的控制方式,近 期推出的p l c 产品已采用w i n d o w sx p 作为编程和操作的平台,p l c 结构从整机和模块式发 展到直接使用高性能工业控制机实现软逻辑p l c ,或者在p l c 系统中使用实时嵌入式操作系 统( r e a l - t i m ee m b e do p e r a t i o ns y s t e m ) 如w i n d o wc e ,r t l i n u x 等。 1 1 2 传统p l c 的特点 p l c 是以原有的继电器、逻辑运算、顺序控制为基础逐步发展起来的。与继电器控制系 统相比较,它以软器件代替了硬器件,以软触点代替了硬触点,以软接线代替了硬接线,从 而使其器件、触点的寿命达数万甚至十万小时,而改变接线的速度则极为迅速。p l c 又是由 计算机简化而来的。为了适应顺序控制的要求,p l c 省去了一些数字计算功能,而强化了逻 辑运算控制功能。所以说,p l c 有其自身的诸多特点,如下所述卜 ( 1 ) 系列化 各大p l c 生产公司一般都有小型、中型、大型p l c 三种系列产品。 ( 2 ) 多处理器 一般小型机是单处理器系统:中型机是双处理器系统,包括位处理器和字处理器;大型 机则为多处理器系统,由字处理器、位处理器和浮点处理器等组成。 ( 3 ) 较大的存储能力 ( 4 ) 很强的i 0 接口 ( 5 ) 智能外围接口 ( 6 ) 网络化 p l c 可连成功能很强的网络系统,一般有低速网络和高速网络两种。这两类网络可级连, 2 l 绪论 网上可兼容不同类型的p l c 和计算机,从而组成控制范围很大的局域网络。 ( 7 ) 紧凑及可靠性高 ( 8 ) 通俗化的编程语言和丰富的指令 目前常用的p l c 有3 种编程语言:顺序控制用的梯形图用以进行逻辑运算,完成时间 上的顺序控制;适用于数值控制的系统流程图,具有算术运算、比较、滤波等功能;类 似汇编语言的指令表。 1 1 3 传统p l c 的缺点 ( 1 ) 兼容性差,由于生产厂家众多,各种机型互不兼容,没有统一的标准,难以构造 统一的硬件结构: ( 2 ) 封闭、扩展能力差:产品能力的功能实现依赖硬件; ( 3 ) 对使用者的要求高:现行的p l c 产品,其编程方式要求使用者对p l c 的硬件结构、 电器原理、编程指令都要有相当的了解: ( 4 ) 可维护性差:p l c 出现故障时需要专业人员用专业工具进行检测和维修; ( 5 ) 成本较高,传统p l c 被几家厂商所垄断,性价比增长缓慢。u 副 1 2 嵌入式软p l c 技术介绍 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的应用,它是嵌入式系统和软p l c 技术的有机结合。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 系统是一种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。 1 2 i 嵌入式软p l c 的产生 长期以来,计算机控制和传统p l c 控制一直是工业控制领域的两种主要控制方法。p l c 自1 9 6 9 年问世以来,以其功能强、可靠性高、使用方便、体积小等优点在工业自动化领域到 迅速推广,成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具。但传统p l c 的体系结构是封闭的, 各个p l c 厂家的硬件体系互不兼容,编程语言及指令系统各异,用户选择了一种p l c 产品,必 须选择与其相应的控制课程,学习特定的编程语言,不利于终端用户的扩展功能。1 9 9 3 年, 为规范p l c 编程语言,i e c ( 国际电工委员会) 发布了i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准。i e c 6 1 1 3 1 3 标准的推出 和实施,有力地推动了各种p l c 间的兼容和统一。 近年来,工业自动化控制系统的规模不断扩大,控制结构更趋分散化和复杂化,需要更 多的用户接口。同时,企业整合和开放式体系的发展要求自动控制系统应具有强大的网络通 讯能力,使企业能及时地了解生产过程中的诸多信息,灵活选择解决方案,配置硬件和软件, 并能根据市场行情,及时调整生产。此外,为了扩大控制系统的功能,许多新型传感器被加 装到控制单元上,但这些传感器通常都很难与传统p l c 连接,并且传统p l c 价格较贵。因此, 改革现有的p l c 控制技术,发展新型p l c 控制技术已成为当前工业自动化控制领域迫切需要解 决的技术难题。虽然计算机控制技术能够提供标准的开发平台、高端应用软件、标准的高级 编程语言及友好的图形界面,但其在恶劣控制环境下的可靠性和可扩展性受到限制。因此, 人们在综合计算机和p l c 控制技术优点的基础上,逐步提出开发一种新型控制技术:软p l c 控制技术13 1 。 i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的制定有力的推动了软p l c 技术的发展,软p l c 不仅解决了p l c 通用性、 兼容性差等问题,而且具体用户可以根据特殊要求来选择相应的软、硬件,具有可扩展性和 可移植性等特点。 3 东南大学硕士学位论文 嵌入式软p l c 控制系统集成了现代许多先进的技术,它把p l c 功能、p i d 调节功能、h m i 功能、点位运动控制功能、测量功能、现场总线通讯功能和编程技术有机地集成在了一起。 基于嵌入式系统并符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的软p l c 系统是嵌入式系统与p l c 在现代工业控制中 结合发展的必然产物,在自动化控制领域,采用嵌入式软p l c 系统代替传统硬p l c 产品已经成 为一个趋势。 1 2 2 嵌入式软p l c 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 技术的结合。它既有软p l c 技术的优点,又继承 了嵌入式系统的长处。与传统p l c 相比,嵌入式软p l c 技术具有符合现代工业控制技术的许多 优点川。 ( 1 ) 具有开放的体系结构 s o f t p l c 具有宽范围的i o 端口和多种现场总线的接口,支持多种硬件能解决传统p l c 互 不兼容的问题,并具有第三方软件接口,可支持多种语言编程( 包括高级语言) 。可允许用户 根据需求,灵活扩展系统功能。 ( 2 ) 遵循国际工业标准和事实上的工业标准,如i e c 6 1 1 3 1 3 、i e c 6 1 4 9 1 。 ( 3 ) 能充分利用p c 机的资源,如大容量的内存、高速c p u 及其它硬件。 ( 4 ) 具有更强的数据处理能力 相对于传统p l c ,软p l c 的处理速度更快,能够在短时内处理大量数据,能够利用p c 机的 软件平台处理一些比较复杂的数据及数据类型,如浮点数和字符串等。 ( 5 ) 具有友好的人机界面,便于操作。 ( 6 ) 具有强大的网络通讯功能 软p l c 既可以与企业管理信息系统相连,便于企业的整合,也可以监控工厂的设备运行, 实现数据传输以及在线监控、编辑、仿真、调试等功能。 ( 7 ) 能够执行比较复杂的控制算法 软p l c 除了能够完成传统p l c 的p i d 调节和离散i 0 控制外,还能完成过程控制和运动控制 等功能。 ( 8 ) 节约成本和培训费用 由于软p l c 具有开放的体系结构,用户不必拘泥于厂家限制,可以根据需求,合理选择 硬件和软件,以节约成本。 1 2 3 嵌入式软p l c 的发展现状及前景展望 嵌入式软p l c 是一种新型的控制系统,具有强大的生命力,在中小型控制领域具有不可 替代的优越性。它提供标准的编程语言,强调硬件资源的高效利用性,提供开放式扩展结构, 强化过程控制的运算能力,增加网络互连功能,融合嵌入式系统技术,为特定对象控制问题 的解决提供了一个通用开发平台。 目前,在欧美等西方国家都把软p l c 作为一个重点对象进行研究开发,已投入市场的软 p l c 产品较多。据了解,在美国底特律汽车城,大多数汽车装配自动生产线、热处理工艺生 产线等都已由传统p l c 控制改为软p l c 控制。而国内能见到的软p l c 产品的演示版或正式发行 版有德国k w - s o f t w a r e 公司的f o l t i p - r o gw t 3 2 、法国c ji n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g r a f 、法 国s c h n e i d e ra u t o m a t i o n 公司的c o n c e p tv 2 1 以及w o n d e r w a r e 公司的i n c o n t r o l 7 0 等“。 现在,国内己有一些著名的自动化软件公司和一些高校也正在研究开发具有自主版权的中文 版的软p l c 产品。另外也有一些自动化工程公司开始代理销售和推广应用这些商用化的软p l e 产品。在今后几年,软p l c 的研发趋势主要有如下几个特点: ( 1 ) 可靠性、实时性 增强系统的可靠性和实时性的关键在于提高操作系统的实时性。目前的一些嵌入式操作 系统基本能满足控制要求,随着一些实时性更高的操作系统的出现,必定会大大增强软p l c 系统的实时性与可靠性。 4 l 绪论 ( 2 ) 网络化 联网通信功能是p l c 的重要发展方向,良好的通讯能力己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。 ( 3 ) 人机界面更加友好 随着软p l c 技术的不断发展,提高了系统的性能,同时,为用户的开发和维护降低成本, 更易形成人机友好的控制系统。 ( 4 ) 开放型 现在的p l c 产品大部分是基于w i n d o v c s 系统,在没有开放式硬件和软件的支持下,不能保 证其开放性,也没有严格遵守i e c 6 11 3 1 3 标准。 开发和推广应用软p l c 技术及其产品,将带来巨大的经济效益。相信不久的将来,在食 品加工、炼油化工、冶金、纺织、制浆和造纸、废水处理、制药、汽车制造、电子等行业, 软p l c 有着广阔的应用市场。 1 2 4 嵌入式软p l c 技术研究的问题 嵌入式软p l c 技术是由软p l c 技术和嵌入式系统结合而产生的高新技术,它继承了嵌入式 系统体积小、反应快的优点,同时又克服了传统p l c 的不通用性等弊端。它把自动化专业知 识,以高附加值的方式,在嵌入式行业规模经济的基础上加以发展提升。它比传统p l c 结构 更开放,更利于自动化系统的横向通信和纵向通信。嵌入式软p l c 技术现已成为研究热点, 其中主要研究点如下: ( 1 ) 嵌入式软p l c 系统中的嵌入式操作系统 嵌入式软p l c 系统分为两部分:开发系统和运行系统。开发系统一般运行在p c 平台上,而 运行系统则运行在嵌入式硬件平台上。一般而言,嵌入式硬件平台上面都要运行某种嵌入式 操作系统,比如u c o si i 、u c l i n u x 等。嵌入式系统的一个重要特点就是资源的有限性,所以 如何在一个资源受限的嵌入式硬件平台上面安装并运行一个嵌入式操作系统成为嵌入式软 p l c 系统必须考虑的问题。另外,虽然现在有很多种嵌入式操作系统,但多数都不是仅针对 于控制领域开发设计的,所以不可避免地存在冗余,因而,裁减和配置嵌入式操作系统也是 嵌入式软p l c 系统开发和设计中的一个难题。 ( 2 ) 嵌入式软p l c 系统中开发系统的设计和实现 开发系统的设计和实现是嵌入式软p l c 系统的开发过程中的一个重点。现代开发系统一 般都是集成开发环境,界面友好,易于使用。嵌入式软p l c 系统基于i e c 6 1 1 3 1 国际标准,所 以必然要支持其中的儿种语言,如何在一个集成开发环境中支持多种语言并且使得多种语言 之间可以相互调用是个难题。同时,如果开发系统支持多种语言的话,如何定义一种合理的 中间语言以减少开发系统的编译器工作量也是开发系统设计中必须考虑的事情。再者,良好 的调试功能是现在开发系统中的一个重要组成部分,调试功能的好坏是评价开发系统的一个 重要指标,如何设计调试功能也是开发系统设计过程中的一个不容忽视的问题。 ( 3 ) 嵌入式软p l c 系统中运行系统的设计和实现 运行系统是嵌入式软p l c 系统的一个重要组成部分。它运行在嵌入式硬件平台上面,负 责解释执行由开发系统编译连接后产生的目标文件。运行系统一般由运行内核、通信接口和 系统管理三大模块组成。它的设计和实现比较精密,它的执行效率将直接影响到系统在现场 控制中的反应速度。同时,运行系统运行在特定的嵌入式硬件平台上面,因而不易于移植, 这与当前的芯片发展趋势不相符,所以如何提高运行系统的可移植性也是一个难点。 1 3 本课题的提出 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 移植。p l c 编程语言的标准化己经是当今p l c 发展的一 5 东南大学硕士学位论文 大趋势,遵循i e c 6 11 3 1 - 3 显然是p l c 开发的首要选择。 软p l c 采用开放式体系结构,具有良好的网络通讯能力,能够完成比较复杂的控制任务, 可以满足和实现今后工业自动化领域控制系统开放性和柔性的要求。软p l c 系统包括开发系 统和运行系统两部分。开发系统为一个软件系统,它的主要作用是提供友好的编辑界面和多 种编程语言环境,便于使用者在p c 机上进行p l c 程序的编辑。同时它还能够对运行系统的一 些状态量进行监控并给运行系统发送指令。 本课题正是在当前嵌入式系统高速发展以及软p l c 技术日臻成熟的背景下,考虑到软p l c 发展的必然趋势而提出的。p l c 编程语言平台的设计是基于嵌入式硬件平台的软p l c 设计课题 的重要部分。本文的工作对当前软p l c 梯形图软件通用化和标准化做了有益尝试和探索。 1 4 本课题所做的主要工作 本课题的主要任务是开发出一个符合国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 可编程序控制器的编程软 件标准的嵌入式软p l c 用户编程语言开发平台。主要工作包括以下部分: ( 1 ) 基于i e c 6 11 3 1 - 3 标准的嵌入式软p l c 系统的体系结构分析,给出了整个系统具体 的实现方案。 ( 2 ) 开发系统的需求分析和总体设计。 ( 3 ) 用户界面的设计与实现。 ( 4 ) 编辑模块( 包括梯形图编辑器、指令表编辑器) 的设计与实现。 ( 5 ) 梯形图程序错误检查部分( 检查用户p l c 图形程序有无指令标记重复、指令地址越 界等语法错误、指令位置不正确、梯级中缺少输出指令等) 。 ( 6 ) 梯形图和指令表互译模块的设计与实现。 ( 7 ) 嵌入式软p l c 系统的通信研究。 ( 8 ) 仿真模块的研究与实现。 ( 9 ) 运行系统的初步研究。 6 2 符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 系统分析与设计 2 符合ie c 6l i3 1 - 3 标准的软p l c 系统分析与设计 2 1i e c 6 1 1 3 1 - 3 国际标准 2 1 - ii e c 6 1 1 3 1 3 国际标准简介 p l c 编程语言的标准化已经是当今p l c 发展的一大趋势。下面简要介绍一下这个标准。 虽然随着工业技术的发展,p l c 技术得到了长足的发展和广泛的应用,有许多成功的p l c 产品,但是它们不仅硬件各异,软件编程也差别很大,这给使用中选择不同的p l c 产品带来 许多麻烦。为此,国际电工委员会( i e c ) 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 6 1 1 3 1 标准。这个标准的颁布为各p l c 厂家编程的标准化铺平了道路。n 6 1 7 1i e c 6 1 1 3 1 国 际标准包括8 部分:p a r t i :综述:p a r t 2 :硬件:p a r t 3 :可编程语言:p a r t 4 :用户导则:p a r t 5 : 通信:p a r t 6 :现场总线通信:p a r t 7 :模糊控制编程:p a r t 8 :编程语言的实施方针。i e c 6 1 1 3 1 - 3 是i e i c 6 1 1 3 1 中最重要、最具代表性的部分。u 8 1 9 。 i e c 6 11 3 1 3 的五种编程语言是:心1 2 2 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 nb l o

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