（检测技术与自动化装置专业论文）可编程控制器（plc）运行系统设计与实现.pdf

可编程控制器( p l c ) 运行系统的设计与实现 摘要 可编程控制器作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱 性产业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用。然而，在中国，国外产品一 直垄断着国内市场，这是我们所不能接受的，同时中国的p l c 研究不能只停留在消化 水平上，需要有自主产权的新型p l c 的出现。国际标准i e c 6 1 1 3 卜3 的颁布和实施为国 内研究者在软件方面提供了与国外厂商竞争的机会；而近年来先进高性能单片机技术的 发展，为我们硬件设计赶超国外现有产品提供了物质基础。因此我们提出研制基于 i e c 6 1 1 3 1 3 的新型p l c 的项目，课题来源于北京市教育委员会科技基金项目( 项目编 号：2 0 0 2 k j 0 2 6 ) 。 论文在对比国内外研制p l c 的两种方案基础上，提出了基于i e c 6 1 1 3 1 3 的新型p l c 系统设计方案，系统总体分为三部分：硬件设计部分上位机p l c 集成开发环境设 计与实现部分p l c 运行系统的设计及实现部分。作者主要负责实现第三部分：p l c 运 行系统的设计及实现。作者在对比多种p l c 工作机制的基础上，对p l c 运行系统的工 作原理进行了分析总结，从而研究出自己p l c 系统的c 5 1 实现方案，在自行设计的硬 件平台上架构了一个p l c 的最小系统，论文中对实现方法进行了详细阐述；在研究 i e e e l l 4 9 1 标准基础上，设计了j t a g 并口适配器，使用c 语言对并口进行编程产生 j t a g 时序从而构建了j t a g 的t a p 状态机，进而利用c 8 0 5 1 f 0 2 0 的相关j t a g 指令编 程实现了f l a s h r o m 内容的读写，并在使用v i s u a l c + + 平台生成d l l ，供上位机下载 程序使用。 为了对系统功能进行测试，作者设计了两个p l c 应用实例：流水灯控制程序以及 模拟交通信号灯控制程序，对系统功能进行测试实验，并给出了测试实验效果图。 系统仅实现了小型p l c 系统的一个雏形，在完善各项功能方面都还需要进一步的 分析、研究和调试工作。如果进一步结合工业控制的要求，形成一个较为成型的产品， 则需要作更多、更深入的研究。本文的工作为研发国产p l c 进行了有益的探索和尝试。 关键词 可编程控制器，i e c 6 1 1 3 1 3 ，p l c 运行系统，i e e e l l 4 9 1 d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ft h ep r o g r a r n m a b l ec o n t r o l l e r ( p l c ) r u n n i n gs y s t l r t l a b s t r a c t a sav e r yi m p o r t a n tb a s i ce q u i p m e n t ，p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) i sc a l l e d o n eo ft h et h r e em a j o rp i l l a r si na u t o m a t i o ni n d u s t r y p l cn a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r 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 f o r e i g np l c sh a sh o l dt h ec h i n e s em a r k e tf o ra l l t h e s ey e a r s ，w h i c hi su n a c c e p t a b l e c h i n e s es t u d yo np l c s h , b u i d n o to n l yk e e pi nt h es t a t eo f d i g e s t i o no ff o r e i g nt e c h n o l o g y i e c 6 1 1 3 1 - 3i si s s u e dj u s ti r lt i m e ，w h i c ho f f e r e das t a n d a r d f o rp l c p r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h a to f f e r sd o m e s t i cp l c7 e s e a r c h e r sac h a n c et oc o m p e t e w i t hf o r e i g np l c c o m p a n i e si ns o f t w a r ed e s i g n a n dt h ed e , v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c e s i n g l ec h i pm a k e i tp o s s i b l ef o ru st oo v e r t a k ef o r e i g np l c r e i e a r c h e r si nh a r d w a r ed e s i g n u n d e rt h o s ec o n d i t i o n s ，i ti s v e r yi m p e r a t i v ef o ru st o d e v e l o pan e w t y p ep l c o fo u r o w n f o l l o w i n gi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ow ep u tf o r w a r dt h ep r o j e c t “r e s e a r c ho nn e w t y p e p l cb a s e do ni e c 6 1 1 3 1 3 ”，w h i c hi ss p o n s o r e d b y t h es c i e n c e & t e c h n o l o g yf u n do f b e i j i n g e d u c a t i o nc o m m i t t e er p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 2 k j 0 2 6 ) b a s e do nt h ec o m p a r i s o no ft w od e s i g n su s e db yd o m e ：s t i ca n di n t e r n a t i o n a le x p e r t so n p l c ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g np l a nf o rn e w t y p ep l cs y s ；t e mb a s e do ni e c 6 1 1 3 1 - 3 t h e w h o l es y s t e mc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ： h a r d w a r es y s t e md e s i g n ( 至) t h ed e s i g no fi n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h ed e s i g no fp l cr u n n i n gs y s t em b a s e do nc 5 1a n dt h ed e s i g n o fp r o g r a md o w n l o a d i n gi n t e r f a c e t h ea u t h o rh a sm a i n l y d e ，s i g n e dt h et h i r dp a r t ：t h ed e s i g n o ft h ep l c r u n n i n gs y s t e m c o m p a r i n g d i f f e r e n tp l c s ，t h eal t l t h o ra n a l y z e da n ds u m m a r i z e d t h ew o r k i n g p r i n c i p l eo f n o r m a lp c l sa n dd e s i g n e da r e n n i n gs y s t e mu s i n gc 5 1f o ro u ro w n p l c t h i sp l cr u n n i n gs y s t e mi sal e a s ts y s t e mo no u rs e l f - d e s i g n e dc i r c u i tb o a r d t h e m e t h o df o rr e a l i z a t i o no ft h es y s t e mi sp r e s e n t e di nd e t a i l e dint h i sp a p e r b a s e do nt h es t u d y o fi e e e l l 4 9 1 ，t h ea u t h o rd e s i g n e daj t a g p a r a l l e la d a p t e r p r o g r a m m e dw i t hc ，t h ep a r a l l e l p o r t i sc o n t r o l l e dt o g e n e r a t ej t a gs e q u e n c e t h e nt h et a p s t a t em a c h i n ef o rj t a gi s r e a l i z e dt h r o u g hp r o g r a mb a s e do nj t a gs e q u e n c et h e nw i t ht h eo p e r a t i o n so ft h e f l a s h r e g i s t e r sf o rc 8 0 5 1 f 0 2 0 ，a c c e s st of l a s h r o mi sr e a l i z e d d l u d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) p r o g r a m f o ra c c e s st of l a s hr o mi sb u i l du s i n gt h ei d ev i i s u a lc + + u t w op l c a p p l i c a t i o ne x a m p l e sa r ed e s i g n e dt o t e s tt h ef u n c t i o no ft h ep l c s y s t e m ： c o n t r o lo ff l a s hl i g h ta n dc o n t r o lo ft r a f f i cl i g h t t h ep i c t u r e so ft h er e s u l t sf u rt h et e s t sa r e g i v e ni nt h ep a p e r t h ew h o l e s y s t e mi sj u s ta r u d i m e n to ft h em i n i t y p ep l c ，s ot h e r ea r em u c hw o r kt od o t o a p p l y t h i sp l ci n p r a c t i c e a n d t h i s p a p e rh a s o f f e r e db e n e f i c i a l a t t e m p t s f o rt h e d e v e l o p m e n t o fh o m e m a d ep l c s k e vw o r d s 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 , i e c 6 1 1 3 1 - 3 ，p l cr u n n i n gs y s t e m ，i e e e l l 4 9 1 i i 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及取得的研 究成果。据我所知，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j b 直王些盍堂或其他教育机构 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 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 熬镪 签字同期：辨f 剧g 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j b 直至、业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j e 左至些盍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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：写各智 签字日期：强q 年月厂( 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： p 、 害雪啾 签字日期：。侈年6 月f g f = f 电话： 邮编： 北方l ：业人学硕士学位论文 第一章绪论 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，又称为可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r , p l c ) 根据国际电工委员会( i e c ) 在1 9 8 7 年的可编程控制器国际标准 第三稿中，对其定义如下【l 】：“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。” 1 1 p l c 的产生与发展 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 配线上试用，获得了成功1 2 j 。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，很快地在美国其他工业领域推广 应用。到1 9 7 1 年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。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四代【3 】： 第一代在1 9 6 9 1 9 7 2 年。这个时期的产品，c p u 由中小规模集成电路组成，存储 器为磁芯存储器。其功能也比较单一，仅能实现逻辑运算、定时、计数等功能，其中 p l c 特有的编程语言梯形图一直沿用至今，成为可编程控制器的第一用户语言。典型产 品有：美国d e c 公司的p d p 1 4 ，日本富士公司的u s c 一4 0 0 0 ，日本o m r o n 公司的 s c y - 0 2 2 ”。 第二代在1 9 7 3 1 9 7 5 年。这个时期的产品已开始使用微处理器作为c p u ，p l c ( 可 变成逻辑控制器) 成为真正意义上的p c ( 可编程控制器) ( 尚未正式命名) ，而存储器 采用半导体存储器。其功能上有所增加，能够实现数字运算、传送、比较等功能，并初 步具备自诊断功能，可靠性有了一定提高。典型产品有【5 】= 美国哥德公司的m o d i c o n 1 8 4 、2 8 4 、3 8 4 系列，原西德西门子的s y m a t i cs 3 、s 4 系列，日本富士的s c 系列等， 我国在1 9 7 4 年也开始研制自己的p l c 。 第三代在1 9 7 6 1 9 8 3 年。这个时期，p l c 进入了大发展阶段，美国、同本、原西 德各有几十个厂家生产p l c 。这个时期的产品已采用8 位和1 6 位微处理器作为c p u ， 北方l ：业人学硕士学位论文 部分产品还采用了多微处理器结构。其功能显著增强，速度大大提高，并能进行多种复 杂的数学运算，具备完善的通讯功能和较强的远程i o 能力，具有较强的自诊断功能并 采用了容错技术。1 9 8 0 年，美国电气制造协会( n e m a ) 将p l c 正式命名为可变成控 制器( p c ) 。典型产品有：美国哥德公司的5 8 4 、6 8 4 、8 8 4 系列，原西德西门子的s y m a t - i c s 5 系列，日本三菱公司的m e l p l a c 5 0 、5 5 0 系列，同本o m r o n 公司的c 系列【6 】等。 第四代为1 9 8 3 年到现在。这个时期的产品除采用1 6 位以上的微处理器作为c p u 外，内存容量更大，有的已达数兆字节；可以将多台p l c 链接起来，实现资源共享； 可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统；编程语言除了可使用传统的梯形图、流程 图等，还可使用高级语言；外设多样化，可以配置c r t 和打印机等。典型产品有美国 德州仪器公司的t 1 5 6 0 、t 1 5 6 5 1 6 1 等。 第一代p l c 功能太弱，己基本淘汰；第四代p l c 面向复杂大型系统，应用还不广 泛。目前，在各行业应用最多的是第二、三代产品。另外，在p l c 的发展过程中，产 生了三类按f o 点分类的p l c 7 】：小型、中型、大型。一般小于2 5 6 点为小型( 小于6 4 为超小型或微型p l c ) 。控制点不大于2 0 4 8 点为中型p l c ，2 0 4 8 点以上为大型p l c ( 超 过8 1 9 2 点为超大型p l c ) 。 1 2 国内外p l c 现状及发展趋势 长期以来，p l c 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制 设备提供了非常可靠的控制应用。作者通过调查、阅读资料，对国内外p l c 市场及研 究现状进行了总结，并将关于p l c 未来发展趋势的权威观点概括阐述如下。 l 2 1 国外可编程控制器现状 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。全球p l c 发运件 数1 9 9 8 年为1 4 5 6 万件，1 9 9 9 年为1 6 2 0 万件，2 0 0 0 年达到1 7 7 8 万件。在1 9 9 5 年发运 的p l c 中，按最终用户分：汽车占2 3 ，粮食加工占1 6 4 ，化学药品占1 4 6 ，金属、 矿山占1 1 5 ，纸浆、造纸占1 1 3 ，其他占2 3 2 。而且随着p l c 与i p c 、d c s 集成， p l c 逐渐成为占自动化装置及过程控制系统最大市场份额的产品。2 0 0 0 年p l c 的销售 额在控制市场份额中超过5 0 吼在全球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 h c o r p ( a r c ) 调查，世界p l c 领导厂家的五霸分别为s i e m e n s ( 西门子) 公司、 a l l e n - b r a d l e y ( a b ) 公司、s c h n e i d e r ( 施耐德) 公司、m i t s u b i s h i ( 三菱) 公司、o m r o n ( 欧姆龙) 公司，他们的销售额约占全球总销售额的三分之二 。从西门子公司的 s i m a t i c s 7 - 4 0 0 的性能可对p l c 窥见一斑：s i m a t i cs 7 4 0 0 是陌式封装模块，可卡在 2 北方l ：业人学硕士学位论文 导轨上安装，由i 0 总线和通信总线建立电气连接，模块可在工作或加电时替换或插、 拔，可快速安装维护，修改方便，其主要性能【9 】有： c p u 存储器容量6 4 k 字节，可扩展到1 6 m 字节。 位和字处理速度8 0 n s 至2 0 0 n s 。 最高系统计算能力可以有4 个c p u 同时计算。 强大的扩展能力s 7 4 0 0 中央控制器最多能连接2 1 个扩展单元。 每个c p u 上多点接口( m p i ) 能力，可同时连接编程装置、操作员接口系统等 c p u 上的s i n e c l 2 一d p 附加有分散i o 的集成性能。 提供与计算机和其它s i e m e n s 产品或系统的连接接口。 高可靠性，完善的自诊断和清除故障功能。 1 2 2 国内可编程控制器现状 我国的p l c 生产目前也有一定的发展，小型p l c 已批量生产；中型p l c 已有产品： 大型p l c 已经开始研制。有的产品不仅供应国内市场，而且还有出口。国内p l c 形成 产品化的生产企业约3 0 多家，主要生产单位有：苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、 上海香岛机电制造有限公司、天津市自动化仪表厂、杭卅i 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。但是国内产品市场占有率不超过1 0 ，1 9 9 6 年中国p l c 销售约9 万套，进口8 万套，总计约合人民币1 5 亿元。另一方面，国产p l c 许多仍停留在全套引进或以仿制为主的阶段上，这种方式在研究开始是必要的，但是停 留在这个水平上是绝对不可取的。当然，国内产品在价格上占有明显的优势。对于国内 p l c 的认识，可以从江苏嘉华实业有限公司生产的j h1 2 0 系列产品窥见一斑，其主要 性能有1 l ： 输入输出从2 0 点到1 2 0 点任意配置 内置3 2 个定时器、3 1 个计数器、几百个中间继电器和数据寄存器，可方便地 完成逻辑控制、定时、计数控制、高速计数、数据处理、模拟量控制等功能 编程简便，1 0 8 条指令功能齐全 d i n 标准卡槽安装，可拆端子排接线 高可靠性，强抗干扰用于各种工业环境 总体来说，国产p l c 的发展有一定的基础。但从产品结构上看，我国自主研制及 引进技术生产的p l c 大都属于中低档产品，至今没有形成主流产品和完整的系列产品。 1 2 3 可编程控制器的发展趋势 自6 0 年代未引入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 北方i ：业人学硕士学位论文 模拟量和数据，以后又与d c s 、工业p c 机和p i d 调节器等技术相结合，利用其不同的 性能和特点，相互渗透和融合、集成以及网络化，构成各种新型的自动控制系统，以满 足各种自动控制的要求。总体来讲，p l c 的发展趋势主要表现在以下几个方面【1 l 】【1 2 】【1 3 】： 1 微型、小型p l c 功能明显增强 很多有名的p l c 厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的p l c 。三菱的 f x o s l 4 ( 8 个2 4 v d c 输入，6 个继电器输出) ，其尺寸仅为5 8 m m x 8 9 m m ，仅大于信用 卡几个毫米，而功能却有所增强，使p l c 的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业， 如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。 2 向开放性转变，编程语言多样化 传统p l c 存在严重的缺点，主要是p l c 的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的， 绝大多数的p l c 是专用总线、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、语文结构不一致，使各种p l c 互不兼容。国际电工协会( i e c ) 在1 9 9 3 年颁布了i e c 6 1 1 3 1 3 可编程序控制器的编程软件标准，为各p l c 厂家编程的标准化 铺平了道路。我国也在1 9 9 5 按照这个标准制定了可编程控制器的国家标准。 i e c 6 1 1 3 1 3 规定了5 种编程语言( 我国国家标准中也遵守此规定) z 4 1 ：梯形图( l d ， 美、日) ，顺序功能图( s f c ，欧洲) ，功能块图( f b d ，欧洲) ，结构文本( s t ) 和指 令表( i l 德、曰) 。为适合不同应用场合和不同国家应用习惯的要求，允许在同一个p l c 程序中使用多种编程语言。 3 向集成化、通讯化、网络化发展【”】【1 6 】 由于控制内容的复杂化和高难度化，使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p i d 集成等，并强化了通讯能力和网络化。网络化和强化通 信能力是p l c 的重要发展方向。尤其是以p c 为基础的控制产品增长率最快。p l c 与 p c 集成，即将计算机、p l c 及操作人员的人一机接口结合在一起，使p l c 能利用计算 机丰富的软件资源，而计算机能和p l c 的模块交互存取数据。以p c 机为基础的控制方 法使得用户编程更加方便，而且提供开放的体系结构，用户可以根据需要选择各类、各 厂家的p l c 或 o 设备进行互联，从而可以降低生成成本和提高生产率。 4 p l c 的新进展软p l c l l 8 j 1 1 9 j 计算机软、硬件技术的迅速发展，推动了自动控制技术又耿得了一系列新的进展。 目前有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 式。德国工业界最新推出了以计算机为平台的s o f t p l c ，可以说是这方面的优秀代表。 软p l c 又有人称作“p c p l c ”、“嵌入式p l c ”，顾名思义，软p l c 实际利用软件来实 现传统p l c 的功能。软p l c 的特点是： 4 北方i ：业人学硕士学位论文 基于工业计算机的柔性可编程逻辑控制技术，可以充分利用最新计算机的高速、大 容量、丰富功能及各种软件资源。 s o f fp l c 是开放可编程控制器，在实时控制、网络控制和分级控制领域可获得广 泛的应用。 s o f tp l c 是实时多任务操作系统，能提供强有力的指令，更加快速的扫描和安全 的操作。 开放的结构容易连接中加模块、p i d 模块、运动控制模块和装置、网络。 s o f tp l c 最大的优势是具备柔性扩展能力，用户可以选择不同厂家生产的各种硬 件产品，充分利用每一软件的最佳特性，组成最佳的控制系统【加】。同时与硬件的连接也 十分方便。有很多的i o 卡可以直接内连接到s o f t p l c 计算机总线上。从而在软、硬 件两方面可以达到工控机和p l c 性能的完美结合，方便了性能扩展和人机交流，是p l c 未来的一大发展趋势。 1 3c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机 s i l i c o nl a b 公司新近推出一款8 位高速单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，此芯片是完全集成的混 合信号系统级芯片，具有与8 0 5 1 兼容的微控制器内核，与m c s 一5 1 指令集完全兼容。 我们之所以选这一系列芯片作为系统c p u ，是因为它有以下几个重要特点【2 l 】【2 2 2 3 】： 速度快：高达2 5 m i p s 的速度，比标准8 0 5 1 快2 0 倍以上，丝毫不逊于p i c 、a v r 单片机。可实现高速度的运算控制，提高p l c 执行程序的速度。 强大的模拟信号处理功能：此芯片内部有1 2 位a d c 子系统a d c 0 以及一个8 位 a d c 子系统。另外还含双1 2 位可程控更新的d a c 。 强大的控制功能：有多达“位i o 口线，所有口线可以编程为弱上拉或推挽输出。 更为独特的是具有数字开关阵列，可以将内部系统资源定向到p 0 、p 1 和p 2 。丰富 的i o 口为p l c 输入输出点的扩展提供了基础。 多种串行接口：具有标准的全双工u a r t 、p h i l i p s 或i n t e l 标准的1 2 c s m b u s 串行总线及m o t o r o l a 的s p i 串行总线。 多达2 2 个中断源：为实时多任务的实现提供了基础。便于p l c 系统中断、外设连 接功能的扩展。同时为进一步扩展成“嵌入式”p l c 提供了良好的硬件基础。 可靠的安全机制：有7 种复位源，使系统的运行可靠性大大提高。对实际投入生产 的p l c 来说，这点尤其重要。 存储器：有多达6 4 k b 的f l a s h 存储器，其中的部分可以作为数据存储器用。同 北方l ：业人学硕士学位论文 时，片内有多达4 k b 的r a m 存储器。这个空间，对于小型p l c 来说足够用了。 片内j t a g 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入 式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试，该调试系统支持观察和修改存储器和寄 存器，支持断点、单步、运行和停机命令，在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数 字外设都可以全功能运行，并且s i l i c o nl a b 公司公开了相关j t a g 指令j ，可以充 分实现p l c 的现场可编程功能。 我们选择c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为可编程控制器系统的c p u ，其主要原因，就是基于以上这 些特点，总结起来就是，有足够容量的r a m 存储器和f l a s hr o m 存储器，集成足够 的接口或功能，后面将介绍硬件设计。 1 4s 7 2 0 0 系列可编程序控制器 西门子公司的s i m a t i c s 7 2 0 0 系列属于小型可编程序控制器，可用于代替继电器 使用的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能， 在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用【2 5 】。 s 7 2 0 0 的可靠性高，可用梯形图、语句表f 即指令表1 和功能块图3 种语言来编程。 它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置有高速计数器、高速输出、p i d 控制器、r s 一4 8 5 通信编程接口、p p i 通信协议、m p i 通信协议和自由方式通信功能，i o 端子排可以很容易地拆卸。最大可扩展到2 4 8 点数字量i ，o 和3 5 路模拟量i o ，最多有 2 6 k b 程序和数据存储空间i “。 s 7 2 0 0 在下列领域已经得到了广泛的应用：机床电气、纺织机械、印刷机械、塑料 机械、包装机械、烟草机械、冲压机械、铸造机械、运输带、食品工业、化学工业、陶 瓷工业、环保设备、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压 供水和过程系统中各种泵和电磁阀的控n t 27 】等。 本系统就是在研究s 7 2 0 0 可编程控制器的工作原理的基础上，利用c 8 0 5 1 f 0 2 0 单 片机，设计出了基于i e c 6 1 1 3 1 3 的新型可编程控制器。 1 5 研究可编程控制器的意义 我国自8 0 年代初出引进p l c ，通过技术引进、消化吸收、仿制和国产化，使我国 p c 产品近年来有较大的发展，小型p l 。c 的有些品种已批量生产，中型p l c 已有产品，大 型p l c 己开始研制。但是到目前为止，国内p l c 形成产品化生产的企业约3 0 多家，年 产量超过1 0 0 0 台的- - f 至01 0 家，而且目前国内用户选用p l c 产品仍以国外产品为主，圈 6 北方i ：业人学硕士学位论文 内产品的市场占有率不超过1 0 m ，有自主产权的p l c 就更少了，p l c 的核心技术一直把 握在欧、美、日本等工业发达国家手里。但中国市场对p l c 的需求却以年递增率1 2 的 速度增长，预计到2 0 0 5 年，全国对p l c 的需求量将达3 6 万台( 套) 市场规模达4 0 一5 0 亿元i s 。p l c 作为目前工业自动化的重要基础设备，被称为“工业自动化三大支柱性产 业之一”，在各工业生产领域发挥着愈来愈大的作用，在汽车制造、粮食加工、化学药 品、金属冶炼、矿山开发，造纸业等多行业广泛使用。在中国任由国外产品垄断市场的 现状是不正常的，中国的p l c 不能只停留在消化性研究的水平上，我们亟需有自主产权 的新型的p l c 的出现。 正如前面所提到的，传统p l c 存在严重的缺点，其软、硬件体系结构是封闭而不是 开放的，绝大多数的p l c 是专用总线、专用通信网络及协议，编程方法虽多为梯形图， 但各公司的组态、寻址、语文结构不一致，使各种p l c 互不兼容。i e c 6 11 3 1 3 可编程 序控制器的编程软件标准的颁布为各p l c 厂家编程的标准化铺平了道路【2 6 】【2 7 】。同时， i e c 6 1 1 3 1 3 的颁布和实施为国内研究者在软件方面提供了与国外厂商竞争的机会；而近 年来先进高性能单片机技术( 例如前面提到的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机) 的发展，为我们硬件 设计赶超国外现有产品提供了物质基础。 国外已经有以p c 为基础、在w i n d o w s 平台下，符合i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准的新一代 开放体系结构的p l c 产品出现，但是在中国，形成影响的产品还是比较少见，在这样的 国际、国内背景下研制基于i e 6 1 1 3 1 3 的p l c 产品无论对于国家自动化水平的发展还是 科学研究都具有极为重大的意义。 1 6 本文所作的工作 在对西门子s 7 2 0 0 系列p l c 及其他一些p l c 的工作原理进行深入研究，并且对 i e c 6 1 1 3 1 3 标准的学习研究后，确定了基于i e c 6 1 1 3 1 3 的新型p l c 设计方案，旨在研 究出一种有自主知识产权的开放型可编程控制器。它以高性能5 1 兼容芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 为核心，集多功能于一体；编程语言遵循i e c 6 1 1 3 1 3 ，以期获得较好的应用前景。 本论文主要解决的问题有两部分：p l c 运行系统的c 5 1 实现及程序下载接口实现。 1 p l c 运行系统的0 5 1 实现 p l c 运行系统的硬件平是自行设计的p l c 实验板，以c 8 0 5 1 f 0 2 0 为c p u 。作者负 责在c 5 1 语言级别上实现p l c 系统框架的架构，实现硬件的初始化、通讯信息的处理， 将p l c 编程语言的语句、功能以c 5 1 语句或者函数形式提供给上位机p l ci d e 部分编 译调用。并且尝试实现部分示例程序对p l c 运行系统的架构及功能进行测试，为新型 北方i ：业人学硕士学位论文 p l c 的底层实现打下基础。 2 程序下载接口部分 这部分包括两方面工作： 将生成的c 5 1 级别的代码进行编译、连接，符号转换，生成可供下载的目标代 码h e x 文件或b i n 文件。这部分主要使用k e i l 公司的c 5 1 系列工具c 5 1 、 b l 5 1 、o h 5 1 以及h e x 转b i n 工具h e x 2 b i n ，将这些工具集成到一起，实现 可下载代码的生成。 针对c 8 0 5 1 f 0 2 0 实现j t a g 下载接口。这部分包括j t a g 并口适配器的设计以 及j t a g 下载程序的实现。主要是在对i e e e l l 4 9 1 标准即j t a g 协议的深入研 究基础上，使用p c 机并口模拟j t a g 时序，编程实现i e e e l l 4 9 1 所规定的指 令寄存器扫描和数据寄存器扫描，从而完成t a p 状态机架构，实现c 8 0 5 1 f 0 2 0 的寄存器操作，从而最终实现f l a s hr o m 的读写和可执行程序的下载。 本章概述了可编程控制器的历史、现状和发展趋势，介绍了c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机和 s 7 2 0 0 系列p l c ，阐述了研制基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 新型可编程控制器的重要意义，并对本 论文的工作做了概括介绍。 北方i ：业人学硕士学位论文 第二章基于i e c 6 11 3 卜3 的p l c 设计思想及工作原理 2 1 基于i e c 6 1 1 3 1 3 可编程控制器系统的设计思想 2 1 1 目前国内外研制p l c 的两种方案 目前国内外研制p l c ，有两种实现方案： 传统p i 。c 实现方案。编程语言使用指令表语占和梯形图编程，采用手持编程器( p c 机辅助) 录入程序。硬件部分由c p u + 外围模块( 如存储器、a d 、d a 转换器) + 接 口构成，如图2 - 1 所示【2 8 】，其结构、接! z l 比较复杂。另外由于各公司p l c 语言互不兼 容、外围模块使用多种多样，并且组念寻址方法都不同，导致传统的p l c 软、硬件 体系结构是封闭的而不是丌放的，与其他系统的连接就比较困难。 现代p l c 的研究趋势，编程语言使用国际标准i e c 6 1 1 3 卜3 ，并将基于p c 的编程软 件作为可编程控制器首选的编程工具。硬件结构大部分仍由c p u + # b 围模块+ 接口构 成。各个接口都按标准进行设计，使系统方便被大系统接纳，这样就更大的增加了 p l c 的开放性。然而，目前国内尚无符合i e c 6 1 1 3 卜3 语言标准的p l c 出现的报道。 2 1 2 基于i e c 6 1 1 3 1 3 的新型p l c 设计方案 综合考虑对比两种方案，我们设计如下方案：编程工具采用p c 机，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 ) ，由于现代p c 的普及以及i d e 环境的友 好性、兼容性，方便了用户的使用编程：p l c 编程语言遵循国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 ，使 得我们研制出的产品具有开放性和兼容性，并且易于与其他产品协调工作；同时由于编 程工具采用p c 机，就可以将多厂家的编程语言和p l c 硬件驱动做成动态链接库，有利 于功能的扩展，更可以给用户带来更多的方便；硬件部分c p u 采用国外最新推出的高性 能5 1 兼容单芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，其内部集成了足够的使用资源，将p l c 的结构简化为 c p u + 接口的构成，如图2 2 所示，降低了成本，同时提高了硬件工作的稳定性和可靠 一性。 2 2 基于i e c 6 1 13 1 3 的p l c 系统主要组成和开发技术 整个p l c 系统分为三大部分，硬件设计部分、上位机集成开发环境部分以及p l c 运 行系统的设计与实现部分： 9 北方l ：业人学硕士学位论文 r _ 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图2 1 传统p l c 硬什结构图 图2 - 2 基丁i e c 6 1 1 3 1 3 新型p l c 硬什系统设计幽 1 0 北方i ：业人学硕士学位论文 1 硬件设计 如前所述国内外研制p l c 控制器时，其硬件一般由c p u + 外围模块( 如存储器、a d 、 d a 转换器) + i 0 接口构成。我们开发的新型p l c 控制器采用s i l i c o nl a b 公司最近 推出的新一代功能强大的单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为c p u ，该单片机内部集成了足够的r a m 、 f l a s hr o m 、a d 、d a 转换以及u a r t 接口和i2 c 总线接口等。于是可以将这款新型p l c 硬件系统简化成：c p u + 接口构成，能够大大降低成本，提高硬件工作可靠性，同时由 于这款c p u 配置了标准的j t a 6 接口，支持系统对c p u 进行在系统编程和调试，这对将 来p l c 产品的在系统编程、调试功能提供了有利保障。本系统的组成如图2 1 所示，主 要包括高性能c p uc 8 0 5 1 f 0 2 0 、开关量输入输出、a d 输入、继电器控制输出、o a 输 出、r s 2 3 2 通讯接口、电源监视与切换、看门狗电路、键盘显示、外扩时钟及e 2 p r o m 等。 按照以上原则进行设计制版，已经完成了p l c 实验板的制作，实验板上除了以上的 控制设计外，我们还增加了网卡芯片，有利于今后对p l c 进行网络功能的扩展。电路板 实物图见图6 3 。电路设计布板均使用软件p r o t e l 9 9 ，焊接制作由作者手工完成。 2 p l c 系统集成开发环境( id e ) 设计【2 9 】【3 0 】 这部分我们将提供i e c 6 11 3 1 3 规定的梯形图语言、 指令表语言以及结构文本语言的编程环境，分为六个模块，如图2 3 所示。编辑模块 及连接模块是集成环境最基本的功能模块，主要为l d 、i l 和s t 等三种p l c 语言提供 一个程序编辑环境；编译模块用于把l d 、i l 和s t 等三 种语言进行分别编译生成目标代码，再经程序连接器后 生成可下载到p l c 硬件系统上运行的代码；调试模块对 用户程序中可能存在的错误进行定位、提示，以方便用 户的修改，程序下载到硬件中运行时，允许进行联机调 试、跟踪，显示p l c 内部状态和相关信息；通信模块该 功能模块负责上位计算机与p l c 硬件之间的通信；项