（机械设计及理论专业论文）数控系统软plc的研究与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论义 摘要 计算糗数控系统歪凌虫专用的瓣 l l 式傣系络褥淘舞放式模块铯嚣系络携发展， p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ，掰编程逻饕控铡器) 是实瑰数控机床开关纛控带9 功 能的关键模块，和传统的独立式p l c 相比，软p l c ( 或称内嵌p l c ) 更能够邋应开放 式数控系统的要求。i e c l l 3 1 - 3 为软p l c 的设计提供了编程语言的标准化和开放性国际 标准，援大魏健逶7 软p i , c 技零夔发袋。因魏，豢予舞藏式数羧系统戆i p c 擎台、参 照i e c l l 3 1 3 国际标准，研究具有自生知识产权的软p l c 技术很肖必要。 在分析软p l c 工作原理和基本结构的基础上，参照国际标凇c l1 3 1 - 3 ，基于开 放式的国产数字鳇仿形控制系统平台，设计了软p l c 总俸研究努寨，援划7 憨体技术 路线，建立了适用于开放茹：数控系统静p l c 指令集，将软p l c 翔分为编辑模块和编译 模块两个主骤部分开展研究工作，满足了软p l c 威具备梯形图和指令表两种编程方法 的功能要求。 辗莛数较系绫蠹嵌黻毅控裁娄求和爨疼秀关豹动箨特薤，磷究了较p 毛c 懿分夏 扫描技术和单元映像技术。研究了一种以数控机床开关量动作间隔时间为约泶的p l c 分页技术，满足了数控系统中断周期的实时性要求。研究了一种开关量的内存单元映像 技术，便予确定开关的边潞变纯状态。 稠嗣瑟淘对象豹设谤方法，采蔫卜 编程语言，完成了梯形圈编辑模块豹设计， 开发了软件界面，为用户掇供了直观、方便、高效的梯形图编辑环境。 提出了一种。以首行为中心”的编译模块转化方法。以梯级为基本单位，按p l c 逻霉蹶彦逐攀元遴霉编译，将搽形圈羧瓣残撵令表，劳可敬生袋瑷羧字标识豹辍撬 行代码，编译效率高，执行速度快。 以x k 5 0 3 2 数控机床操作面板和控制柜内继电器为基本输入输出单元，对所研究的 款p l c 系绕避行了初步实骏，验证了磺究工作的霹稽性和适应性。 荚键词：软p l c ；数控技术；梯形图 数控系统软p i e 的研究与开发 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f s o f l - p l ci nc n cs y s t e m a b s t r a c t c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o li sp r o g r e s s i n gf r o mc l o s e di n d i v i d u a lc o n s t r u c t i o nt oo p e n m o d u l a ra r c h i t e c h t u r e ，p l c ( p m g r a m m a b l el o 舀c a lc o n l t o l l e r ) i st h ek e ym o d u l a rt or e a l i z e t h ef oc o n u - o lf u n c t i o no fc n cm a c h i n et o o l s c o m p a r e c lt ou a d i t i o n a ls t a n d - a l 咄p l c 。 血- p l c ( e m b e d d e dp l c li s m o 他a b l et oa d a p tt oo p e nc h i cs y s t e mr e q u i r e m e n t s i e c l1 3 1 - 3p “d 船t h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g es t a n d a 柑a n di n t e r n a t i o n a lo p e nc r i t e r i o nf o r d e s i g no f f l - p l c t h e r e f o r e ，i ti sn e 淞s a r yt or e s e a r c ht h e f l - p l cw i t hi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s b a s e d0 1 1o p nc n cs y s t e ma n d c l1 3 1 3i n t e r n a t i o n a lc r i t e r i o n a c c o r d i n gt o t h ea n a l y z = i o n o ft h e p r i n c i p l e a n da r c h i t e c t u r ea b o u ts o f l - p l c ， r e f e r e n c i n gt o t h ei n t e r n a t i o n a lc r i t e r i o n , a n db a s e do nd o m e s t i cc o p y i n gd i g i t a lc o n l x o l s y s t e mp l a t f o r m , t h eg e n e r a lr e s e a r c hs t r a t e g yi sd e s i g n e d , t h eo v e r a l lt e c h n i c a lr o u t ei sl a i d o u t , a n dp l c 1 l s u l 戚o ns e ta p p l y i n gt oo p e nc n cs y s t e mi se s t a b l i s h e d 1 1 扯s o f l - p l ci s d i v i d e dt oe d i t t i n gm o d u l a ra n dc o m p i l i n gm o d u l a ri nt h er e s e a r c h , i no r d e rt om e e tt h e f u n c t i o nt h a ts o f l - p l c 删dh a v et w op r o g r a m m i n gm c t h o d $ o fl a d & rd h g r e ma n d i n s t r u c t i o nt a b l e a c c o r d i n gt oc o n t r o lr e q u i r e m e n t so fe m b e d d e dp l ci nn cs y s t e ma n ds w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n eo p e r a t i o n , p a g i n a t i o ns c a n n i n gt e c h n o l o g ya n du n i tm a p p i n g t e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e d ap l cp a g i n a t i o nt e c h n o l o g yb o u n d e db yt h en c m a c h i n et o o l s s w i t c h i n gi n t e r v a l s i sr e s e a r c h e dt os a t i s f yt h er e a l t i m er e q u i r e m e n to fn cs y s t e m i n t e r r u p t i o nc y c l e 1 1 地m e m o r yu n i tm a p p i n gt e c h n o l o g yo fi oi sr e s e a r c h e dt oi d e n t i f yt h e c h a n ge d g es t a t eo f s w i t c h b yu s i n go b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ec + + t h el de d i t i n gm o d u l a ri s d e i g n e d , a n dt h e i n t e r f a c ei s a l s oc o m p l e t e d t h ee d i t i n ge n v i r o n m e n ti si n t u i l i o n i s t i c c o n v e n i e n ta n de 伍c i e n t a na l g o r i t h mn a m e db a s e do nf i r s tr o wi sp u tf o r w a r d i tu s e st h el a d d e rr u n ga sb a s i c e l e m e n tu n i t , c o m p i l e st h ef o l l o w i n ge l e m e n ts t e pb ys t e p ，t r a n s f o r m st h el di n t ot h ei l ，a n d f o r m a t st h ep l ce x e c u t i o nc o d e si nd i 西t a li d e n t i f i c a t i o n t a k i n gx k 5 0 3 2n cm a c h i n et o o lc o n t r 0 1p a n e la n dt h er e l a yi nt h ec o n t r o lc a b i n e t 嬲 b a s i cf ou n i t , t h es o f l - p l cs y s t e mi se x p e r i m e n t e d , a n dt h ef e a s i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo f t h e r e s e a r c hi st e s t i f i e d 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 ，- 作者签名：丛缝日期：盟1 2 ：壁 刖窿艨上( 学砸七研咒生张诧戈 太连理工太学学位论文版权使用授权书 本掌位论文作者及指导激烀竞全了怒“大连避工大学磋士、蹲圭学位 论文黼权往周舰定”葡惹夫莲理工太学保留著淘国家有羌部门或视椽送 交学位论文的艇印件和电子版，允许论文被查闭和惜间本人授权大连埋 王大攀可| ；圭专等率喾毽论文鞠全豢蠢菸分蠹客翁入煮关数整蓐避嚣蝰囊，瞧 可采用影审、编印或扫描等复制手段髂存和汇编紫位论文。 作者燃名 导邸簸名： 一垒丝 拟 且年皇胄一旌鑫 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1 开放式数控系统软p l o 的产生 从第一台数控机床产生到现在，数控技术已经越来越广泛地应用于制造业。然而随 着计算机控制技术和先进制造技术的发展，人们逐渐认识到传统的数控系统都是一种封 闭专用的体系结构，这种控制系统很难在原有基础上添加新的控制策略方案和扩展新功 能。专用数控系统存在的这种自成一体、互不兼容的弊病，使用户迫切需要具有配置灵 活、功能扩展简便、基于统一规范和易于实现统一管理的开放式数控系统。制造商在激 烈的市场竞争环境下快速地做出了反应，模块化、可重构的开放式数控系统适应了这种 制造环境。信息技术的飞速发展也促进了数控系统由专用封闭式控制模式向通用型开放 体系结构的发展【l 】。从2 0 世纪9 0 年代起，开放式数控系统成为了世界制造领域的研 究熟点。 开放式数控系统能很好地解决频繁变化的需求与封闭控制之间的矛盾，从而建立一 个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性，降低制造成本，使系统具有可互换 性、可伸缩性、可移植性、可扩展性、互操作性等。它满足了目前技术、市场、生产组 织结构等多方面快速变化对数控系统的柔性和通用性提出的要求。尤其随着p c 进入数 控领域，极大地丰富了数控系统的软硬件资源，有利于实现模块化，开放性；同时，保 证了数控系统和数控机床生产企业开发的一次性投资，并从根本意义上满足用户的专项 需求，极大地提高了作为我国国民经济基础产业制造业的世界市场竞争力【2 】。 数控系统中的可编程逻辑控制器p l c ( p r o g r a m m a b l e1 0 9 i c a lc o n a o n e r ) 主要完成数控 部分的m 、s 、t 功能，即除了主运动以外的辅助功能，在数控系统配置机床时起个 接口的作用1 3 1 。1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 成功研制世界第一台可编程逻辑控制 器，预示着传统的继电接触器电气控制系统演变为由数字技术主宰的逻辑控制系统。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、数值传送和处理等功能， 成为工业生产自动化过程中的标准设备。由于其可靠性好、抗干扰能力强、专业化和模 块化的结构以及能够适应较恶劣的环境等优点在工业控制领域及其他行业中都得到了 广泛的应用1 4 ) 。 然而随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，人们逐渐认识到传统p l c 的种种弊 端p j 。首先，由于生产厂家众多，各种机型互不兼容，没有统一的标准，在编程元件的 种类、数目、编程语言等方面各不相同；其次，产品功能的实现依赖于硬件，数据结构 数控系统软瓤的研究与开发 相对封闭，用户难以自由改变或增添p l c 的功能；第三，现行的p l c 产晶，其编程方 式要求使用者对p l c 的硬件结构、电气原理、编程指令均要有相当的了解，这就不利 于p 懿避一步接广秘使建；第嚣，当 裹瑗藏薄薅，爨爱专韭久员躅专盈工具糗 测硬件，褥维修，可维护性差；同时，昂贵的价格也严重制约其发展。 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 要更多的用户接叠。溺时，金业整会靼开放式体系豹发展要求鸯动控裁系统应具有强大 的网络遴谶能力，使众娩能及时蘸了解生产过纛中的诸多僖怎，灵活选择解决方案，配 置硬件和软件，并能根据市场行情，及时调整嫩产。此外，为了扩大控制系统的功能， 许多新烈传感器被加靛到控制单元上，但这些传感器通常都很雉与传统p l c 连接。因 蘧，改摹毽毒豹班控裁技零，发爰雾；鍪残c 控髫羡本蠢成秀当蓑王簸蠡动纯控铡 领域需婺迫切解决的技术难题。 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 言及友好豹图形界嚣，毽其在恶劣羧赣| 环境下豹疆靠性和可扩震性受到限制。因此，人 们在综会计算棍和p l c 控帝l 技术优点的基穑上，逐步撵墨弗歼发7 一耱新凝控索l 技术， 即软p l c 控制技术1 6 l 。 工业控制计算机( m c ) 的运算速度和数据处理能力越来越高，一台单c p u 的p c 蕤霉戳黢谨c n c 系统孛戆位耋控壤、嚣台营瑗、瘸终逶绩、裁等诸多功戆。在转绕 c n c 系统中，p l c 控制模块具有荦独的c p u 体系结构；在蕊予i p c 的开放式数控系统 中，可以将p l c 与其他功能共用个c p u ，只悬具有相对独立的软件模块，采用这种 体系结构昀p l c ，称为是置p l c t i 、内嵌p l c 戏筏称为软p l c ( s o f t - p i c ) 。软p l c 技术是嚣放式c 配系统中的关键技术之一。 1 1 2 并放式数控黎统软p i _ c 的优势 软鞭c 是 2 王标猴的、通用的羧制器硬件平螽和控捌卡俘为硬件基础，基手工业控 涮诗葵辊( 就) 或嵌入式p c ( e p c ) ，傻雳较俘实现p l c 功髓豹较逻辑控割系绕。 软p l c 与传统p l c 一样，生簧用于工业控制领域的开关量逻辑控制、顺序控制、 定时控制、计数控制、模拟量控制、闭环过程掇制( p d 控制) 铸，而且具铸了微型计算 撬豹衰遴数据处理、谤募彝弼终憝瀵戆力。 软p l c 解决了传统p l c 的兼容性差、通用饿麓等问题，暴宥多方面的优势l 啊： ( 1 ) 软p l c 的硬件体系结构不再封闭，用户可以自己选撵合适的硬件来组成满足要 求豹软p l c 。传统p l c 豹指令集是鼷定豹，两实鼯工业应用中弼能需要定义算法。软p c 指令集戮叛更加丰富，用户可激後糟符合标准鹣撵俸捂令。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 遵循国际工业标准如i e c l l 3 1 3 标准大大提高了p l c 程序的可读性、可维护 性和可移植性【1 0 1 。 ( 3 ) p c 机厂家的激烈竞争使得基于p c 机的软p l c 的性价比得以提高。 ( 4 ) 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。软p l c 的 可靠性是由p c 机和专用的控制卡以及软件质量决定的。当今的计算机硬件技术已经达 到很高的可靠性，而且硬件结构相对透明，易于维修；几乎无限的软元件资源，改变了 传统p l c 受存储器资源的限制。 ( 5 ) 具有更强的数据处理能力。相对于传统p l c ，软, p l c 的c p u 处理速度更快，能 够在短时间内处理大量数据，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。传- 0 l e l c 对浮点数、字符串的处理能力非常有限，且大多 数p l c 的专用功能模块比较昂贵，这种模块只有少数几家p l c 厂家能够提供，其他厂家 的许多p l c 对浮点数，字符串的运算是不支持的。开放式软p l c 由于是采用c 、j a v a 语 言进行编程，而c 、j a v a 语言能够简单、高效地处理浮点数、字符串，因此软眦在数 据处理方面有着传统p l c 无法比拟的优势。 ( 6 ) 具有友好的人机界面，便于操作。 ( 7 ) 传统p l c 限制在几家厂商生产，它具有很大的私有性，因此它们很难适应现有 标准计算机网络，常常是p l c 与计算机处在不同类型的网络中。软p l c 不仅能够加入到 己存在的私有p l c 网络中，而且可以加入到标准计算机网络中。这使得现有计算机网络 的很多研究成果可以很容易地应用到p l c 控制技术中s o f l - p l c 具有宽范围的f 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【l l j 。 ( 8 ) 遵循国际工业标准i e c 6 1 1 3 1 3 标准【1 2 1 。 ( 9 ) 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：此外，软p l c 遵循许多工业标准，能节约人员培训费用。 1 2 国内外研究概况 美国国家制造科学中心1 9 9 0 年提交了名为。n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n e c o n t r o l l e rr e q u i r e m e n td e f i n i t i o nd o c o u m e n t ”的报告，提出了1 7 5 条未来制造业对p l c 技术的要求。随后，欧共体提出了o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n l x o l l w i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 计划，对自动化生产领域的p l c 提出了系统开放、公共协 数控系统软p l c 的研究与开发 议标准化等新要求【1 4 阀。1 9 9 3 年，为了规范p l c 编程语言，国际电工委员会( c ) 发布 了正c 11 3 1 - 3 标准。i e c i1 3 1 3 标准的推出和实施，促进了各种p l c 间的兼容和统一， 有力地推动了软p i e 技术的发展【1 3 1 。 1 2 1 国外研究概况 在欧美等国家，软p l c 己开始投入工业使用，而且市场份额每年都在增加，根据 a r c 的调查和估计，1 9 9 7 年全球的软p l c 市场有3 干6 百万美元，到2 0 0 0 年软p l c 的 市场达到了1 亿4 千5 百万美元，2 0 0 1 年差不多又增长了一倍。 目前，欧美等西方国家都把软p l c 作为一个重点投资对象进行研究开发。工业领 域已经开始使用软p l c 产品，而且软p l c 的市场需求量也在不断的增长。市面上典型 的软p l c 应用产品有：s o f t p l c 公司的s o f t p l c ，s i e m e n s 公司的s i m a t i cw i n a c 以及法国c ai n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g r a f 等等。 ( 1 ) s o f t p l c 公司的s o f i p l c 。s o p t p l c 是基于p c 的开放式控制软件，具有开放 的控制平台，用户能够根据自己的需求来选择硬件。支持用户用梯形图和c 、c + + 、j a v a 等高级语言来编写自己的程序。此外，s o f t p l c 内嵌w e b 和f t p 服务器，用户可进行 远程维护和监控。s o f l p l c 独立于w i n d o w s 操作系统，从d o s 将s o f l p l c 装入内存后， 即可控制c p u 。 ( 2 ) s i e m e n s 公司的s i m a t i c 眦c 。s i m a t i cw i n a c 是基于w i n d o w s 平台 的控制软件，具有可视化人机界面，它将控制、数据处理、通信等技术集于一体。s i m a t i c w i a a c 采用了v e n u - u c o m 公司提供的实时操作系统作为w i n d o w s n t 的扩展，具有“硬 实时”的特性。s i m a t i cw i n a c 具有开放的开发环境，支持用户在控制程序中嵌入c ， c + + 代码，能够访问外部硬件和软件组件。此外，它还具有在线调试功能，编程人员无 须连接p l c 即可在本机实现s t e p7 程序、人机界面程序及通讯程序的在线调试。 ( 3 ) c jh t e m a f i o n 公司的i s a g r a f 。i s a g r a f 能够在多种操作系统下运行，具有 良好的网络通讯能力，包括数据传输、远程监控和维护、在线调试、应用程序下载以及 支持运行于多个目标机上的控制程序间的通讯。具有图形化开发界面，全面支持i e c l l 3 1 3 标准的5 种语言和流程图语言，支持高级数学函数、矩阵、串操作，支持用户用c 语言编程，支持布尔型、数字型( 整型，实型) 、定时器型、多维矩阵以及数据结构和各 种变量的结合使用。 除了上述典型产品外，还有许多自动化公司也推出了自己的产品，如w e l l s p r i n g s o l u t i o n s 公司的o a 2 c o n l r o l ：德国l 涮公司的m i 1 1 p r o g ；g e - f a 孙7 c 公司的 一4 一 大连理工犬学硕士学位论文 c i m p l i c i t y ：h t d l u t i o n 公司p a r a d y m 一3 1 ；r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司的s o f d o g i x t m 5 c o n t r o l l e r ：b e c k h o f f 公司的t w i n c a t 等等，它们在技术和应用上都有各自的特点。 2 。2 蓍戎谤究撩嚣 软p l c 大约在1 9 9 6 年以后才被介绍到国内来。由于这种技术尚不成熟，所以只有 学术界少数人对此关注。隧前国内的一魑工控方面的公司及研究机构在这方面也开展了 帮分基珐鼓零磅究工终，穰起步较晚，瑷在还没骞一袈公司或极槐霹；鬟攫出院较完整豹 产品。 国内有一些著名的自动化软件公司( 如北京亚控自动化软件科技有限公司) 正在研 究开发具有鲑圭版权的中义软p l c 产懿，另乡 也鸯一些自动化王程公司开始代溪销售 这些蠢焉纯豹较p l c 产品。我国囱行开发豹d c s 系统，如上海鑫仪公司懿 s u p m a x - 8 0 0 ，选用法国c ji n t e r n a t i o n a l 公司的符合i e c6 1 1 3 1 - 3 的1 s a g - m f 和美国的强 实时操作系统v x w o r k s 1 3 j 4 l 。 衷毒大磐秀发熬瑟舞d c s 整裁缝态敬舞孛怠客一些襞p l c 功戆，它必跫d c s 系统的一部分，不能独立邀行。华中科技大学对软p l c 技术进行了大量的研究，取得 了一定的成果。其开发的数控内嵌式p l c 具有软p l c 的特点，但功能单一，不能作 为独立系统逡行，且无联阈遁讯能力。黧家数控系统工程与研究中心开展了开放式数控 系统串鹣软佟p l c 蔹本姘究，撵出了一释基手舜敦式数控系统鹣嵌入式获髂p l c 子 系统的实现方法，给出了一个软件p l c 的结构模型，并对p l c 的梯形图程序编程环 境、梯形图程序与语言程序的相互转换、p l c 程序执行等软件部件的设计和开发进行 了疆究。潺紫大学裁遥工程疆究瑟磺麓了一静基予r t - l i n u x 实瓣搡佟系统豹较磐 p l c ，既可以作为一个独藏模块和不同豹c n c 系统协同工作，也可以嵌入到数控系统 内部运行在同一台计算机上，其实时性和可靠性已经得到了验证。此外，西安交通大学、 j b 京工业大学等科研机构也在这方面作了一些基础研究工作。 大连毽羔夫学在数控系统麓软p l c 技术方瑟逡行了研究帮努发，壶凌健潮逵醑究 所研制的d i g i t - 0 3 m c 等系列数控系统的内置p l c 模块已经在棚关工程项目巾得到了 实际的应用。 。3 漂题獗究静謇豹翔意义 研究软p l c 可以打破以往各p l c 生产厂家产品互不兼容的局限性，缩缀产品开 发周期，使p l c 性能价格比提高，带来巨大的经济效益。p l c 的发展在i e c l1 3 1 3 标 准接塞鞋蓉，笼其是其孛荚- y - p l c 缡獠方嚣豹i e c l l 3 1 3 蠡准攘滋嚣，交褥分逐逮。 目前，a o t t - p l c 已经在国外形成了规模饿的研发机制，而国内软p l c 形成产龋化生产 一s 一 数控系统软p i c 盼研究与开发 的企业述不多，我国谯控制领域依然落于人后，胤这些研究还没用得到广滋的推广，国 内对i e c i1 3 1 3 标准的介绍也通常蹩一个综述饿的表述，没礴一个探讨性的说明。 基藤，嚣嚣主怼敬p l c 磅究戆笈零囊没毒完全或熬。我鬻应该瓤往这令契程，在 国际数控设备激烈竞静的环境中，歼发出具有自主产权的国际流的高性能数控软件， 推动我圈数控技术的发展。 。4 论文的主要磷究内容 本课题来源于国家自然科学基鑫项目大型不规则曲面数字化加工中的精密测量方 法和关键技术( 5 0 5 7 5 0 3 5 ) 中的部分。本文慕于自主研制的数字化仿形控制系统， 戮系统枣豹软p l c 模块必磅究曩橡，主要包攒数下磅究内容： ( 1 ) 项目的需求分析和总体设计。基于工娥计算机的数警化仿形控制系统中p l c 模块的骤求，确定了模块的总体技术路线，以及对相关硬件平台的构建 ( 2 ) p l c 模块中攒令集的制定。研究分拶亍w 编程控制系统国际标准玎瓣1 1 3 1 - 3 对 予p l c 编程获释懿舔雄静要求，芬按照标准翻宠7 奉系统豹蠡孽梯形垂纛撩令表两弹缓 程语言的指令集。 ( 3 ) 用户界面的设计和实现。为用户提供赢观、方便、高效的编程环j 蠹。 - ( 4 ) 撵形墅编辑模块豹设诗。麓羯户撵珙了绘铡撵形圈王舆豹嚣境，霹毅瓣攘关撵 形图元诈和程序段逶稃必要的编辑。该平台是整个编辑系统的基础，为编译转化模块酶 设计提供底层代码的铺垫。 ( 5 ) 编译转化模块的设计。编译转化过程燕以梯级( 网络) 为基本单位，按p l c 逻辑簸黟逐令送行壤译转往，将梯形淘转换蔑礁黪藩令表。 ( 6 ) 在运行系统上通过编辑系统转化的中间代码的使用，采用分页和开关量映射等 关键技术，完成了对机床开关量的撼本逻辑控制功能。 大连理工大学硕士学位论文 2 软p l c 关键技术和开发系统总体设计 2 1 传统p l c 的结构和原理 p l c 是工业控制用的专用设备，它的硬件组成与微机应用系统的硬件组成类似。传 统p l c 主要由以下几部分组成【1 5 】：c p u ，存储器，控制用i o 接口，外设用f o 接口， 扩展用i o 接口，电源等。一般的，传统p l c 硬件组成框图如图2 1 所示： 掣崮廿 图2 1 传统p l c 结构图 f 培2 1 s t r u c t u r eo f i r a d i f i o n a lp l c 其中，中央处理单元( c p u ) 是p l c 的控制中心、运算中心。它在系统程序的配合下， 做以下的工作：接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；诊断电源、p l c 内部电路 工作状态和程序中语法错误；用扫描方式接收现场输入设备状态，并存入相应的存储单 元：从存储器中读取用户程序，经编译程序解释后，转化为相应的机器码，按机器码产 生相应的控制信号，完成用户程序规定的运算任务和控制任务；按要求输出相应的运算 结果和控制信号：完成打印、显示、通信等工作。 传统p l c 采用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。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。 传统p l c 控制技术通过现场总线将p l c 连接起来，上位机对各个p l c 的状态进行监控 和分析，然后再将信息反馈到管理层，耗时较长，通信不便。 在数控系统中，p l c 在处理开关量辅助控制问题时起着重要作用，它主要负责n c 侧和机床侧的逻辑信号处理。在n c 侧，c n c 向p l c 发送m 、s 、t 等辅助功能代 熬按系统获h c 的研究鸟舞发 码信息：p l c 将m 、8 、t 命令的威答信号回遴绪c n c ，并凰控制c n c 设置各坐标 豹祝床基猴点。在枫痰侧，p l cl 惫板床传送控黩| 槐床执行的髂号，规床将冀操作葱板 上齐关、按镫等信号传送给p l c 。 2 2 软p l c 硬件平台和操作系统的选择 敦p l c ( s o f l - p l c ，毽称软逻辑s o 魁o g i c ) 罴势基予i p c ( 工韭控铡谤算巍) 或 e p c ( 嵌入式p c ) 的较逻辑控制软伟，用来完全蜜现传统p l c 的功能。软p l c 技术是 目前国际疋业自动化领域逐渐兴起的项基于p c 的新型控制技术。与传统硬p l c 相比， 软p l c 具有更强豹数据处理能力和黻犬豹弼络遴讯能力并具窝搿放的体系绻构【1 6 1 。 2 2 1 较耗e 的基本特征 软p l c 是一种软逻辑控制软件，它具有硬p l c 在功能、可靠性、速度、故障查找等 方面的特点，利用软 牛技术可以将标准的工业p c 转换成全功能的p l c 过程控制器。软件 p l c 综合了毒 算税窝瑕豹拜关耋羟翱、模掇量控潮、数学运雾、数篷签理、瓣络逶售、 p i d 调节铎功能，通过个多任务撩制内核，提供强大的指令熊、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1 6 j 。 敦p 控制采用羽p c 帮强实酵搽穆系统( o s ) ，哥实瑷p 聪甥戆秘运动羧铡。如果 传统p l c 和p c 是两个不筒的领域，那么s o f t - p l c 绘国了这两个领域最完美静结合：它结 合了p d 掇制、离散控制和i o 模拟撩制，具有数据处理、计算及p c 机的网络功能l l q 。 s o f t - p l c 砖其他基于p c 的控制产品的一个重要区别就是：s o f t - p l c 是一个p l c ，而不仅 仅是撬行逻髯和瓣驱动静诗算辊程穆。鲫窿毒一令多程务羧翻菝心，它掇供了一令 强大的指令集、快速扫描时间、可靠的运行以及一个开放式结构，很容易与备种i o 系 统设备及网络连接。 s o f t - p l c 是难一豹熬等p c 豹秀拔缨麴戆茬剿产翳，它具有磺鞭瘊有熬麓能、可靠 性、速魔年b 故障诊断的特点，而且它本身是一个络构开放静系绕。s o r - p l c 创建的控制 系统在生产能力、执行速度和编程能力等方面远嫩超过了常规的p l c 。总之，s o f t - p l c 是一种软件技术，它可以将一台标准的工业计算机变成一个具衡p i c 全部功熊的过程控 翻纂【翔。 2 2 2 软p l o 控制系统硬件平台选撵 根据钦p l c 运行的硬件平台的不同，其控制功能的实现方案有以下三神l i l 】： ( 1 ) 蒺予嵌入式羧鞠器或警瑟羧潮器瓣控裁秀寨 一s 一 大连理工大学硕士学位论文 嵌入式控制器是一个超小型计算机系统，一般没有显示器，其软件平台是嵌入式操 作系统( 如w i n d o 琊c e 或v x w o r k s 等) 1 1 8 】。在这种控制方案中，软p l c 运行系统可以作为 一个固件被安装到嵌入式控制器中，编程系统编写的应用程序通过r s 2 3 2 或t c p i p 协议 下载到此控制器中，因此整个系统就如同一个黑盒子运行并完成指定的控制功能。 如图2 2 所示： l 一研发系统i 黼 嵌入式控制器 is 。运行系统i 图2 2 基于嵌入式控制器的方案 f i g 2 2 c o n t r o ls c h e m eb a s e d0 1 1e m b e d d e dc o n n o l l e r ( 2 ) 基于传统p l c 的控制方案 在这种方案中，传统p “粥只作为一个硬件系统平台，将软p l c 运行系统安装到此 传统p l c 硬件中，然后将开发系统编写的p l c 应用程序下载到此硬件系统并运行，即可 实现p l c 的控制功能。如图2 3 所示： i 姗蚜发系统l 船：- 传统p l c 硬件 is o 运行系统l 图2 3 基于传统p l c 控制方案 f i g 2 3 c o n l r o ls c h e m eb a s e d0 1 1n - a f i o n a lp l c ( 3 ) 基于，c 或e p c 的控制方案 在这种控制应用方案中，系统的软件平台可以采用w i n d o w sn t ，w i n d 0 w sc e 或 l i n u x 等，通用i o 板卡和i o 接线端子板( 或现场总线卡、现场总线以及远程i o 模块) 负责 与工业控制现场打交道。采集上来的输入信号被软p l c 运行系统处理，软p l c 编程系统 ( 编程器) 编写的控制应用程序也被软p l c 运行系统解释执行，最后将处理后的信号输出 到本地( 或远程崩制现场完成相应的本地控制( 或远程控制) 功能【1 9 , z o 。 一9 一 数控篆统软p l c 的研究与开发 基于眦的软p l c 控制系统能够充分地利用p ( ：机丰富的软硬件资源，操作简单，成 本较低，易于构建现场总线控制系统和网络控制系统。这种控制系统在工厂综合自动化 系统激爱芏监金韭管控一体讫等领域有较广泛驹崖用。翔鏊2 4 所示： 针对项目硬件设备的配置，练台该方案的番种优势，系统模块最终采用的是基于i p c 的控制方式。 知h i t l 它i 噶簋境 圈2 4 基于i p c 或e p c 的控制方案 f 培2 4 c t r o ls c h e m eb a s e do l li p cwe p c 2 ，2 ，3 较p t _ 0 揉作系统平台的遗撵 软p l c 多数采用w i n d o w s ，d o s 和l i n u x 系统为操作平台l ( 1 ) 基于d 。s 平台的软p l c d o s 是一个萃任务操作系统。磐用d o s 来完成数控系统鳃多任务并发工作过程，著保 证满足对多任务运行的优先等级和实时性的严格要求，基于d o s 开发的数控系统软件必 须首先实现多任务环境，同时保证备任务调度的合理性和实时性1 1 例。在d o s 中可以直 接对定聪器重耨编程掰获褥更高频率豹定时孛凝，这样由应罔壤痔可以实魂一个霭单豹 多任务环境，即数控系统软件的蒸本环境。同时为了保证任务调度的实时性，可采用基 于优先级的抢占式调度算法口1 丑i 。 前魑年基于p c 驺软p l c 采用的遇用操作系统般是d 0 s ，或者系统豹核心部分都是基 于d o s 系统的，这类软络由于运行在d o s 琢境下，谔没轻松实现箕实鞋控制盼妥隶，焦是 数控系统软p l c 的研究与开发 基予n c 的软p l c 控制系统能够充分地利用p c 机丰富的软硬件资源，操作简单，成 本较低，易于构建现场总线控制系统和网络控制曩统。这种控制系统在工厂综合自动化 系统淡及工鲎金翌管控一薅纯等镁缓有较广泛懿波用。翔图2 。毒获示： 针对项目硬件设备的配置，综含该方案的备种优势，系统模块最终采用的是基于口c 的控制方式。 嘲抽t 葺它曩蠡盏垃 图2 4 基子i p c 或班，c 的控制方案 f i r 2 4c o n t r o ls o h e m n cb a s e d 邛co te p c 2 。2 ，3 钦p l e 臻俸系统平台的选撵 软p l c 多数采用w i n d o w s ，d o s 和l i n u x 系统为操作平台： ( 1 ) 基于) s 平鸯的软p l c d o s 是一个擎程务操作系统。麓鬻d o s 来完簸数控系统蠹搴多任务莠发誓律过程，著保 证满足对多任务运行的优先等级和实时性的严格要求，基于d o s 开发的数控系统软件必 须首先实现多任务环境，同时保证锫任务调度的合理性和实时性【1 删。在d o s 中可以直 接对定瓣器重耨编禚髅获撂更裹菝攀豹定酵孛凝，这撵峦疲燃壤彦可瑷实瑗一个篱单麴 多任务环境，即数控系统软件酶慧率环境。同时为了保证任务调度的实时锻，可采用基 于优先缀的抢占式调度算法口l 捌。 前燥年基于p c 豹软p l c 采用的遇用操作系统一般是d o s ，或者系统豹核心部分都是基 予瞄系绫瓣。这类软佟由于运露纛o s 环境下，鼙淡轻松实现其实鞋整潮瓣要求，餐磊 大连理五大学颈士学位论文 由于d o s 环境是单任务处理方式，使得p c 机的潜力无i 焱得到充分发挥，系统的功能和灵 活性也受到限制。 ( 2 ) 基5 ：l t n 强平台豹较p l 采用l i n u x 操作系统，克服了d o s 下6 4 0 k 内存瞥理和w i n d o w s 下非实时控制镰的限 制，具有内存管理方便、多任务、实时蚀强等特点。同时具有丰富的图形库，可以方便 实现w 毡d o 獬环境下的霆形赛瑟，也避免t w i n d o w s 醛境不稳定舞媸来静危害，劳显其 为自由较释，完全免费静操作系统，降低了系统的成本，所以发震“删x 环境下的软p l c 系统，将是束来的趋势田】。 ( 3 ) 纂母w i n d o w s 平台的软p l c 软件 w m d o w s 其有揉终莠鬣蹇好、翟黟嚣发容荔、并发程孝霹移毯鹱耔、多链务德撬焘， 同时具有实时响应特性和抢占式多任务调度机制，因此在w m d o w s 下开发实时多任务 系统具有更大的优势；另外，w i n d o w s 为应用程序的开发提供了率富的内部接口函数 ( a p i ) ，霹默方便她实现磐出式密口、菜单、滚动祭、对话框、露表等界瑟元素；嚣 褥其操作系统运行在保护模式下，所麓访蠲的内存不霉受6 4 0 k 的强制。完全使用 w i n d o w s 为平台的软p l c ，不仅在使用界面上，而凰在功能柔性等方面比基子d o s 的 数控系统具霄优越性。 本漂瑟袋蠲w m d o w s 辙t 实霹控麓系统设谤熬方法。整震怒瓣爨实瑗w 轴翻哪环 境下实对控制分为常规定时器、多媒体定时器和专用豳数三种l l 朝。 系统选用了多媒体定时器的方法来设定扫描时间，在5 4 节有黑体介绍。 2 。3 软陵e 系统结梅的慧体设计 本课题的软p l c 基子i p c ，建立在一定操作系统平台之上，通过软件方法实现传统 p l c 的计算、控制、存储以及编程等功能，通过f o 模块等物理设备宪成现场数据的采集 黻及信号的输蹬。根据镑统p l c 懿组成缝梅，软p l c 系统( 实瑰p t c 功毙懿软传绩搀) 由开发系统( 编辑系统) 鞠运行系统穗部分组成，或者分为开发酃辘( 编辑环境) 和运 行环境两部分 j s j c j 。 软p l c 的编辑系统和运行系统是棚互独立而又密不可分的鼹个应用程序，可以分 臻单疆运行。编程系统躅黉乏完藏p l c 缴璃翟毒戆嚣发，运纷系统爱责整个系统豹营莲 和应用程序的执行。由于编程系统和