（电力电子与电力传动专业论文）基于单片机的plc设计与实现.pdf

a b s t r a c t a sac o m b i n a t i o no fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rw i t ham i c r o p r o c e s s o rc o r eh a sb e e nw i d e l y a p p l i e dt ov a r i o u sf i e l d so fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 p l cp r o g r a m m i n gt 0 0 1i st h ei n d i s p e n s a b l e e x t e m a le q u i p m e n tm p r o g r a m l m n gp r o c e d u r e s ，i n s p e c t i n ga n dm a i n t a m m gs y s t e mo p e r a t l o n - u s i n gt h es o f t w a r ep r o v i d e db yt h ep l cm a n u f a c t u r e r o np e r s o n a lc o m p u t e rl si t sm a i nt r e n d t h em a i nt a s ko ft h i sp r o j e c ti st od e s i g nap l cs y s t e mc o n f i r m i n gt ot h ei n t e m a t i o n a l s t a n d a r di e c 6 11 3 1 - 3 t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e mi sm a d eo nt h eb a s i so ft h e a n a l y s i so ft h ew e l l k n o w np l cp r o g r a m m i n gp r o d u c t s i nt h el o w e rc o m p u t e r , t h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rs t c l 2 c 5 4 0 8 a di s s e l e c t e da st h ec o n t r o lc h i p ，a n di nt h eu p p e r c o m p u t e r , t h ep r o g r a m m i n gs o f t w a r ei si m p l e m e n t e do np c l a d d e rd i a g r a ma n di n s t r u c t i o n l i s ta r ec h o s ea st h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e so ft h es o f t w a r es y s t e m b yu s i n gt h em o d u l a r d e s i g nm e t h o d t h ew h o l es y s t e mi n c l u d e sf i v em o d u l e s w h i c ha r e1 a d d e rd i a g r a ma n d i n s t r u c t i o nl i s te d i t i n gm o d u l e ，g r a m m a rc h e c k i n gr o o d u l e ，t h ec o n v e r s i o nm o d u l eb e t w e e n l a d d e rd i a g r a ma n di n s t r u c t i o n1 i s t t h e c o m p i l i n g m o d u l eo fi n s t r u c t i o n sa n dt h e c o m m u n i c a t i o nm o d u l eb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r s l a d d e rd i a g r a mi sag r a p h i c a ll a n g u a g e 。i nw h i c ht h eg r a p h i ce l e m e n t ss t a n df o rt h e c o m p o n e n t sa n dt h ep o s i t i o r so ft h eg r a p h i ce l e m e n t ss t a n df o rt h er e l a t i o n s h i po ft h e m i n s t r u c t i o nl i s t i sak i n do fe x p r e s s i o n ss i m i l a rt ot h ec o m p i l a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so f l a d d e rd i a g r a ma n di n s t r u c t i o nl i s t , t h ee d i t i n gm o d u l et a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h eo r i e n t e d p h i e c tl a n g u a g et od e s i g nt h eg r a l ! i h i ee l e m e n t so fl a d d e rd i a g r a m 。u s i n gl i s tt op r e s e r v et h e m 1 1 1t h ep r o c e s so fe d i t i n gp r o c e d u r e so fl a d d e rd i a g r a ma n di n s t m c t i o nl i s t ，t h e r em a yb e s o m em i s t a k e s s u c ha st h el e x i c a le r r o r , t h eg r a m m a re r r o ra n dt h el c i g i ce r r o r , a n ds oo n s o t h ec h e c k i n gm o d u l ec h e c k st h e mo u to nt h eb a s i so f t h ep r o g r a m m i n gr u l e sa n ds h o w st h e m l a d d e rd i a g r a mi sv e r yi n t u i t i v e e a s yt oa c c e p t ，a n di n s t r u c t i o nl i s ti sc o n v e n i e t a ta n d f l e x i b l et oe d i t t h e ya l lh a v et h e i ro w na d v a n t a g e s 。s oi ti sn e c e s s a r yt os e tu pt h ec o n v e r s i o n m o d u l ef o rt h ec u s t o m e r n ec o n v e r s i o ni sb a s e do nt h ea o vm a pa n dt h eb i n a r yt r e e ， a c h i e v i n gb ye s t a b l i s h i n gb i n a r yt r e ea n dt r a v e r s i n gt h e m p r o g r a m m i n gl a n g u a g e sc a nn o tb ed i r e c t l yu n d e r s t o o db yt h el o w e rc o m p u t e r , s ot h e y m u s tb et r a n s l a t e db yt h ec o m p i l i n gm o d u l e t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h ee o m p l e x i t yo f d e s i g n i n gt h ec o m p i l e ri n d e p e n d e n t l y , t h ei n s t r u c t i o nl i s tf i r s t l yi st r a n s l a t e di n t ot h ec 5 1 p r o c e d u r e t h e nb vc a l l i n gt h ec o m p i l e ro f k e i l 。t h ec 5 1p r o c e d u r ei sc o m p i l e di n t oa h e xf i l e w h i c hc a nb ed o w n l o a d e dt ot h es i n g l ec h i pc o m p u t e r t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r si si na c c o r d a n c ew l t ht h e r i a lp r o t o c o lo ft h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h eu p p e rc o m p u t e rc a nm o n i t o rt h e o p e r a t i o n a ls t a t u s t h es t a t eo f t h er e s o u r c ea n dt h em a n d a t o r ys e t t i n go tt h er e s o u r c e t h ew h o l es o f t w a r ei sd e v e l o p e di nv i s u a lc + + 6 0e n v i r o n m e n tu s i n gm f c ，w h i c hh a s ag o o ds t r u c t u r ea n di sv e r yc o n v e n i e n tt ou s e t h es o f t w a r eh a sb e e nt e s t e da n dp r o v e dt o m e e tt h er e q u i r e m e n t s b u tt h e r ei ss t i l lm u c ht ob ei m p r o v e d n l cn c wp l cs y s t e mw i l lb c w i d e l yu s e di nc h i n a si n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e vw o r d s ：p l c ；l a d d e rd i a g r a m ；i n s t r u c f i o nl i s t ；e d i t ；c o m p l i e ；e o m m u n i c a t i o n i i 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己经发 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。 研究生签名：薹鉴e t 期：壅堕童，占 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：兰数 导师签名：王：垒差e t e t 期：期g 弓矿 研究生签名：盘垫导师签名：土：溢期：期g 弓矿 第1 章绪论 1 1 可编程控制器综述 第1 章绪论 可编程控制器( p r o 群u n m a b l ec o n t r o l l e r ) 简称p c 或p l c ，它是在电器控制技术和计算机技术 的基础上发展起来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，融自动化技术、计算机技术、通讯技术 为体的新型工业控制装置。目前，p l c 已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中， 成为一种晟重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置。 国际电工委员会( i e c ) 对可编程控制器的定义为“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，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑 运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式输入输出控制 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，都按易于与工业控制系统联成一个 整体，易于扩充其功能的原则设计。” 1 1 1 p l c 基本特点 在可编程控制器问世之前，工业控制领域是以继电器控制占主导地位。这种由继电器构成的控 制系统有明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多 变的系统适应性差。相比继电器控制，可编程控制器具有以下特点口j 【3 1 ： 1 )抗干扰能力强，可靠性高。可编程控制器是专为工业控制而设计的，在设计和制造过程中 采用了多层次的抗干扰措施，可以在恶劣的工业环境下工作。而且，继电器大量开关动作在p l c 中 由电子线路完成，继电器之间的连线由程序实现，相比于继电器，p l c 使用寿命和可靠性都大大提 高，平均无故障时间可达几十万个小时。 2 )编程简单，容易掌握。p l c 是面向用户的设备，考虑到现场工程技术人员的特点，编程语 言一般形象直观，容易掌握。目前大多数p l c 仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”，梯形图 语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理很接近，不需要专门的计算机知识，只要 具有一定的电工和工艺知识的人员都可以在短时间内学会。 3 )通用性强，控制程序可变。同一个可编程控制器用于不同的控制对象时，只需要改变输入 输出模块和编制不同的控制程序即可，不需要继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线线路。 4 )功能强，适应面广。现代p l c 不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数 字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能，既可以控制一台生 产机械、一条生产线，又可以控制一个生产过程。 5 )体积小、重鼍轻、维护方便。p l c 是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑， 体积小，重龟轻，便于安装到设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。目前大部分p l c 控制 系统采用模块化结构，接线很少，出现故障时，只要更换故障模块即可，维护很方便。 6 ) 减少设计和施工的工作量。由于p l c 采用软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、 时间继电器、计数器等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少，同时，p l c 用户程序可以在 实验室模拟调试，减少了现场的调试工作量。 1 1 2 p l c 发展过程 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 发展迅速，其发展过程大致分为三个阶段1 4 】l m ： ( 1 ) 早期的p l c ( 6 0 年代末7 0 年代中期) 2 0 世纪6 0 年代末期，p l c 首先在美国由d e c 公司研制成功，并投入到通用汽车公司的汽车生 产线中，取得了令人满意的效果。早期的可编程控制器仅有逻辑运算、定时、计数等功能，只是用 来取代传统的继电器顺序控制。 ( 2 ) 中期的p l c ( 7 0 年代中期- 8 0 年代中，后期) 7 0 年代中期，p l c 进入实_ l f j 化阶段，广泛使用微处理器作为c p u ，输入、输出模块和外围电路 采用大规模集成电路，除了原有的逻辑运算、计时、计数等功能外，还增加了数值运算、数据处理 和l 羽环控制等功能，并开始通过网络和计算机连接。2 0 世纪7 0 年代末期到8 0 年代中期，p l c 进入 成熟阶段，初步形成了分布式的通讯控制网络，可靠性大大提高。 ( 3 ) 近期的p l c ( 8 0 年代中、后期至今) 东南大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代开始进入p l c 的开放阶段，主要表现在通讯系统的开放和协议的标准化，各个 企业的产品可以互连，功能不断完善，规模不断增大，并增加了高级编程语言。 1 1 3 p l c 应用范围 目前p l c 已经广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工等各个行业， 随着p l c 性能价格比不断提高，应用领域将不断扩大，大致可归纳为以下几个方面： 1 )开关量逻辑控制：利用p l c 最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取 代传统的继电器控制，这一功能用于单机控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机 械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是p l c 最基本的应用，也是p l c 最广泛的应用领 域。 2 ) 运动控制：p l c 可用于对直线或轴运动的控制，一般采用专用的运动控制模块来实现。这 一功能广泛应用于各种机械设备，如各种机床、装配机械、机器人等。 3 )过程控制：大中型p l c 都具有多路模拟量i o 模块和p i d 控制，有的小型p l c 也具有模拟 量输入输出，所以p l c 可实现模拟量控制，而且具有p i d 控制功能的p l c 可构成闭环控制，用于 过程控制。这一功能己广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。 4 )数据处理：现代的p l c 都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数 据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置。如计算机数值控制 设备，进行管理。数据的分析处理一般用于大中型控制系统，如加工中心，柔性制造系统和机器人 等。 5 ) 通信联网：p l c 的通信联网包括p l c 与p l c ，p l c 与上位计算机、p l c 和其他智能设备之 间的通信，p l c 系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实 现信息的交换，可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展 的需要。 1 1 4 p l c 发展趋势 随着集成电路、计算机网络技术以及先进控制理论的发展，p l c 模块功能不断完善，价格不断 降低，p l c 产品越来越多的应用到工业控制的各个领域。目前，可编程逻辑控制器体现出以下的发 展趋势： 1 )向高速度、大容量方向发展：为了提高p l c 处理能力，要求p l c 具有更好的响应速度和更 大的存储容量。目前，有的p l c 扫描速度可达到o 1 m s k 步左右，p l c 的扫描速度已成为评价p l c 产品的一个很重要的性能指标。在存储容量方面，有的p l c 最高可达几十兆字节，为了扩大存储容 量，有的公司己使用了磁泡存储器和硬盘。 2 )向超大型、超小型两个方向发展：当前中小型p l c 比较多，为了适应市场的多种需要，今 后p l c 要向多种方向发展，特别是超大型和超小型两个方向发展。目前市场已开发出的超大型p l c ， 一般使用3 2 位微处理器，多个c p u 并行工作，具有图形显示，信息存储等功能，功能更加完善。 而超小型、微型p l c 整体结构向小型模块化结构发展，配置灵活，结构紧凑、价格低廉、操作方便， 而且有的p l c 还增加模拟量处理和数据通信等功能，逐渐向专用化方向发展。 3 )大力开发智能模块，过程控制功能不断增强：为了满足各种自动化控制系统的要求，近年 来不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程i o 模块、通信和人机接口模 块等。这些带c p u 和存储器的智能模块，扩展了p l c 功能，扩大了p l c 的应用范围，同时也减轻 了主c p u 的负担，为减轻系统的冗余带来方便，进一步提高系统的处理能力和可靠性。 4 1增强外部故障的检测与处理能力：根据统计资料表明，p l c 控制系统的故障中，c p u 占5 ， i o 接口占1 5 ，输入设备占4 5 ，输出设备占3 0 ，线路占5 ，前两项共2 0 故障属于p l c 内 部故障，可通过p l c 本身的软、硬件实现检测、处理；而其余8 0 的故障属于p l c 的外部故障。 因此，p l c 生产厂家都致力于研制、开发用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可 靠性。 5 )通信与联网能力不断增强：p l c 的联网通信有两类：一类是p l c 之间联网通信，各p l c 生产厂家都有自己的专有联网手段；另一类是p l c 与计算机之间的联网通信，一般p l c 都有专用通 信模块与计算机通信。加强p l c 联网通信能力，是p l c 技术进步的潮流。目前各p l c 厂家之间也 在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统，p l c 己成为集散控制系统不可缺少的重要组 成部分。 6 )与个人计算机日益紧密结合：现在的p l c 与通用计算机之间的区别越来越小，联系越来越 紧密，大多数公司都开发了基于p c 机的p l c 编程软件，为用户提供一个友好、方便、高效的编程 2 第l 章绪论 界面。操作和使用更加方便。 7 )编程语言多样化：在p l c 系统结构不断发展的同时，p l c 的编程语言也越来越丰富，功能 也不断提高。除了大多数p l c 使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制 的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言( b a s i c ，c ) 等，多种编 程语言的并存、互补与发展是p l c 进步的一种趋势。 1 1 5 国内发展现状 虽然我国对p l c 的研究与生产起步比较晚，但是通过技术引进、消化吸收、仿制和国产化等工 作，近年来，我国p l c 市场发展很快，市场前景十分看好。但是，国内p l c 仍然处于发展阶段，还 存在很多的问题： 首先，与发达国家相比，我国p l c 的应用仅限于钢铁，化工，机械等领域，其他方面的应用尚 未普及，而且应用p l c 的企业，主要是国有大型企业，其它中小型企业应用比例很低。 其次，我国p l c 市场绝大部分被国外的产品所占领，主要是欧美，日韩等发达国家，国产化率 很低，国内p l c 的制造厂家基本上以合资企业为主，拥有自主知识产权的国内厂家很少，而且主要 是小型p l c 为主，无法满足国内市场的需求。 目前，有许多厂家、科研院所从事p l c 研制和开发，如中国科学院自动化研究所的p l c - 0 0 8 8 ， 北京联想计算机集团公司的g k - 4 0 ，上海机床电器厂的c k y - 4 0 等。 1 2p l c 编程工具和编程语言 1 2 1 p l c 编程工具 p l c 编程工具主要是用来编辑程序，调试程序和监控程序的执行，在线测试p l c 内部参数的状 态，与p l c 进行人机对话等，是开发应用和检查维护p l c 以及监控系统运行不可缺少的外部设备。 目前编程工具主要有两种，一种是专用编程器，另一种为配有专用编程软件包的通用计算机。 专用编程器是厂家提供与其公司p l c 产品配套的编程工具，主要分为简易编程器和图形编程器 两种。简易编程器不能直接输入梯形图程序，只能输入语句表程序，其优点是价格低、体积小、重 量轻、携带方便。图形编程器可以直接输入梯形图程序，方便用户存储程序，其优点是屏幕大、显 示功能强，但是价格一般比较昂贵。 目前p l c 更新换代速度很快，专用编程器的使用寿命有限，价格一般比较高，因此p l c 编程器 的发展趋势是使用以个人计算机为基础的编程系统，由p l c 厂家向用户提供编程软件。现在主要的 p l c 厂家都提供了使用个人计算机的程序开发软件，它可以编制，修改，存储和打印p l c 用户程序， 实现计算机和p l c 之间的程序的相互传送；对生产过程和系统运行进行仿真，发现设计中存在的问 题，避免不必要的损失，缩短系统设计，安装和调试的总工期；实时监控系统，采集和分析数据， 处理系统中出现的问题。操作系统一般由p l c 制造厂家或专业软件公司开发设计，以软件包的形式 提供给用户。采用通用计算机作为编程器的最大特点就是可以充分利用个人计算机的资源，大大降 低编程器的成本，用户可以使用已有的个人计算机，对于不同型号，不同厂家的p l c 产品。只需要 更换编程软件即可，用最少的投资，得到高性能的p l c 程序开发系统。但是使用p c 机也有缺点， 不容易安装到现场，现在流行的做法是在实验室对程序进行初调，然后在现场进行最终调试。 1 2 2 p l c 编程语言 p l c 的主要使用对象是广大工程技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，通常不采用 微机的编程语言，而采用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程。以往各个p l c 生产厂家的 产品互不开放，编程方法也各不相同。用户每使_ i j 一种p l c 时，要重新学习其编程方法及其规定， 这样延长了开发时间，大大阻碍了p l c 的发展和应用。为了规范p l c 的编程，国际电工委员会制定 了p l c 编程语言的国际标准，主要有5 种编程语言，梯形图、顺序功能图、功能块图、指令表、结 构文本。5 种语言各有所长【n m ： 1 )梯形图是在电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，与电气操作 原理图相呼应，形象、直观、简单易用，适合于逻辑控制。 2 )指令表是一种与汇编语言类似的助记符编程表达式，指令是用户程序的基础单元，每个控 制功能由一个或多个指令组成的用户程序来执行。指令表键入方便，编程灵活，但是不够直观。 3 )顺序功能幽是一个相对高层的图形语言，使用步、动作、转换、分支的状态语言、提供了 总的结构，并与状态定位处理或机器控制应用相互协调，它t i j 图解的方法来定义一个顺序，类似流 程框图。 3 东南大学硕士学位论文 4 )功能块图包括数字运算、p i d 控制、双稳、比较、转换、计时、逻辑、通讯等功能，功能 块图用来将功能块组成功能块网，网上的一个功能处理多个输入变量，并提供一个或多个输出，它 提供了一个有效的开发环境，特别适合于模拟量过程控制的应用。 5 )结构文本是一种类似b a s i c 的高级文本语言，是高级语言向控制领域扩展的例子，最适合 复杂算法和数据处理，例如过程的初始化或一些包括复杂数学运算的过程计算。 这5 种语言基本上涵盖了整个工业控制应用领域，可以最大限度的在不同的p l c 系统中运行， 各种语言经p l c 编程系统软件编译，转换成下位机所能识别的机器语言。对于小型系统来说，梯形 图和语句表是常用的编程语言。 1 3 课题研究意义和内容 1 3 1 课题研究意义 可编程控制器的应用情况往往体现着一个国家的工业自动化水平，我国p l c 国内市场虽然庞大， 但是9 5 以上的市场份额都被国外品牌占据，其中大中型p l c 市场主要被欧美产品占据，小型p l c 市场主要被日系品牌占据，国内厂商的市场份额几乎可以忽略。因此，大力发展拥有自主知识产权 的p l c 编程软件，逐步摆脱国内p l c 市场被国外厂商和合资企业所垄断的局面，对于推动国内p l c 市场的发展具有深远意义。本课题正是基于一点而提出来。 1 3 2 课题研究主要内容 本课题的主要任务是通过研究p l c 系统的工作原理以及p l c 编程语言的特点等，设计并实现 一个符合i e c 6 11 3 1 3 可编程控制器的编程软件标准的新型p l c 系统。该p l c 系统下位机以 s t c l 2 c 5 4 0 8 单片机作为核心控制芯片来开发，上位机编程软件以w i n d o w s 为开发平台，v i s u a lc + + 6 0 为开发环境，使用面向对象的设计方法来实现。本文主要介绍上位机编程软件的设计与实现，下 位机简单介绍实现的基本原理。上位机编程软件实现的主要功能如下p 。1 1 ： ( 1 ) 用户文档的管理功能：以工程为单位对用户的程序进行保存、管理。一个工程对应一 个文件夹，用户程序主要包含梯形图程序、指令表程序、下位机目标代码文件等。 ( 2 ) p l c 程序的编辑功能：五种编程语言中，梯形图和指令表的应用最为广泛，选择这两 种编程语言作为系统的主要实现语言。在编辑区域内，用户可以可以插入图元，删除图元，修改图 元属性，对图元进行复制、粘贴等，非常方便的对梯形图和指令表程序进行编辑。 ( 3 ) 程序的查错功能：程序编辑过程中可能会有错误，要保证系统的正确运行，需要对程 序进行检查。查错功能主要检查梯形图程序中存在的图元的属性设置错误，图元连接的逻辑错误， 以及指令表程序中存在的词法，语法错误和逻辑错误，并弹出警告信息。 ( 4 ) 梯形图与指令表的转化功能：两种编程语言各有特点，以二叉树为中间结构，通过构 建二叉树和遍历二叉树来实现由一种编程语言向另外一种编程语言的自由转化。 ( 5 ) 指令表的编译功能：编程语言不能被下位机所识别，需要对程序进行编译。通过对指 令表语言进行分析，确定指令码和操作数，根据指令码的类型对指令进行解释，生成下位机可执行 的目标代码。 ( 6 )串口通信功能：上下位机之间通过串口按照一定的通讯协议来通信，上位机可以监控 下位机的运行，查询各资源的状态。 1 4 本苹小绪 本章首先介绍了p l c 的基本特点、发展过程、应用领域，分析了p l c 的发展趋势和其在国内的 发展现状，然后对p l c 编程工具和编程语言的国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 作了介绍，最后指出了课题研 究的意义和所完成的主要任务。 4 第2 章总体设计 第2 章总体设计 本课题所设计的新型p l c 系统由上下位机两部分组成，上位机为p l c 编程软件系统，主要负责 程序的编辑，编译和监控；下位机为p l c 运行系统，主要负责接收上位机编译的程序，在硬件电路 中运行。本文中主要讨论上位机编程软件的设计与实现，并简单介绍了下位机单片机实现的原理。 2 1p l c 的结构与原理 2 1 1 p l c 基本结构 一个可编程控制器系统本质上是一台用于控制的专用计算机，其基本组成如图2 1 所示，主要 包括以下几个部分2 1 1 ”l ： 图2 - 1 可编程控制器系统的基本组成 1 ) c p u 模块：c p u 模块是可编程控制器的核心模块，主要由微处理器和存储器两部分组成。 微处理器主要用于控制整个可编程控制器的工作，可分为两部分：一部分对系统进行管理，如自诊 断、查错、计数刷新等，另一部分根据_ j 户程序执行输入、输出、程序解释执行等操作。存储器主 要用于存储系统监控程序及系统工作区间，生成用户环境，其容量大小取决于系统的工作能力及系 统程序的质量。 2 )输入输出模块：输入输出模块是可编程控制器与现场设备连接的接口。输入模块用来接 收和采集现场设备的输入信号，包括按钮、选择开关等开关量输入信号和电位器、测速发电机等连 续变化的模拟量输入信号。模拟量输入信号被预先限定在某个电压或电流范围内，由模拟量输入模 块将这个信号转换成c p u 能够处理的数字信号。输出模块则用来向各执行机构输出控制信号。可编 程控制器的一个重要特点是所有的输入输出信号全部都经过隔离，无论任何形式的输入输出最终都 是经过光电耦合口或继电器将信号输入送出。 3 )编程设备：编程设备是可编程控制器中最重要的外围设备，利用它可以编辑、修改、检查、 调试用户程序，也可以在线监视可编程控制器的工作情况。编程器的层次很多，价格、性能都相差 很悬殊，最简单的编程器不足千元，最贵的可以达到l o 多万元。 4 )电源模块：为可编程控制器提供直流电源，使其能够正常工作。 2 1 2 p l c 的工作原理 p l c 的工作原理如图2 2 所示“，主要分为以下三部分： 东南大学硕士学位论文 输 用 输 入出 输 输户 输 映映出 入 像 _ 程 _ - 像 _ 锁 _ - 出 接 寄 序 寄存 接 口 扫 存器 口 存 描 器器 图2 2 p l c 工作原理 1 ) 输入处理： 程序执行前，将可编程控制器全部输入端子的状态读入到输入映像寄存器中。在程序执行中， 即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一扫描周期的输入处理阶段才会读入这 些变化。 2 ) 程序处理： p l c 程序执行时，逐条执行程序指令，从输入映像寄存器和其它软元件的映像寄存器中将用户 程序中相关元件的状态读出，根据程序指令进行逻辑运算，将结果写入相应的映像寄存器中。对每 个元件而言，元件映像寄存器的内容会随着程序的执行而改变，其中输出寄存器的内部触点的动作 由输出映像寄存器的内容决定。 3 ) 输出处理： 用户程序全部执行完毕，将输出映像寄存器的状态向输出锁存寄存器传送，通过隔离电路、驱 动功率放大电路等外部电路，向外输出p l c 控制信号。 由此可见，p l c 是以扫描方式工作的，循环地，连续地，顺序地逐条执行程序，任何时刻，p l c 只能执行一条指令。p l c 从输入到输出需要一个扫描周期，扫描时间取决于程序的长短和扫描的速 度，一般为几毫秒至几十个毫秒，而且输入处理阶段和输出处理阶段所需时间一般很短，通常只有 几毫秒，因此，p l c 的扫描时间对于一般的工业设备通常是没有什么影响的。 2 2 硬件设计 2 2 1 s t c l 2 c s 4 0 8 a d 单片机简介 s t c l 2 c 5 4 0 8 a d 单片机是高速f 氐功耗超强抗干扰的新一代8 0 5 1 单片机，指令代码完全兼容传 统8 0 5 1 ，但速度快8 - 一1 2 倍，执行时间效率大幅提升；内部集成8 路高速1 0 位a d 转换器，可做温 度检测、电池电压检测、按键检测、频谱检测等，速度可达i o o k i - l z ；高抗静电，轻松过4 k v 快速 脉冲干扰；不怕电源抖动，宽温度范围，特别适合强干扰场合。该单片机加密性强，无法解密，作 为下位机实现芯片是非常合适的。 s t c l 2 c 5 4 0 8 a d 单片机主要性能指标为：工作电压5 5 v 一3 8 v ( 5 v ) ；工作频率范围为o - 3 5 e l z ； 用户应用程序空间为8 k ；片上集成5 1 2 字节r a m ；2 3 个通用i o ，芯片的管脚图如图2 - 3 所示。 p 2 2 p 2 3 r s i 7 p 3 0 t 曲，晕3 1 x i a l 2 x t a l l i o 渖3 2 l h l7 p 3 ，3 e c i j t o 于3 p t h i l p c a l c x l t 1 ：p 3 5 p 张3p c a 3 c e x 3p 2 1 p 2 5 g n d 、 ， l2 8 2 嚣 2 7 3t2 6 lr c2 5 ；要2 , 1 6 菘 2 3 7 藩 2 2 8 o 2 1 9 2 0 1 0z1 9 11： 1 8 1 2 p o 1 7 1 3 z l e 1 41 5 图2 - 3s t c l 2 c 5 4 0 8 a d 管脚图 6 v c g p 2 1 p 2 o c e x ：，p c a 2 p 霉贮 p l ，7 s c u ( ，7 a d c f p 1 6 m i s o 4 d c 6 p 1 5 s i a d c 5 p 1 4 5 s , ：a d c 4 p 1 3 ，a d e 3 p t 2 珊2 f 1 1 一a d c l p 1 o ， d e o p 3 7c e x o ，p c a o ，p 硼0 p ：7 p ：6 第2 章总体设计 2 2 2 电路硬件设计 本文中下位机主要功能是测试上位机编辑、编译转化而来的目标文件是否能够正确执行，硬件 设计不是讨论的主要部分。根据p l c 的基本结构，设计下位机的电路结构如图2 - 4 所示“，电路主 要包括c p u 芯片、开关量输入输出、a d 输入、r s 2 3 2 通讯接口等部分。 图2 4 电路硬件结构图 2 3 软件设计 2 3 1 系统需求 本课题主要任务是根据i e c 6 11 3 1 3 标准所提供的工业控制软件国际标准，设计一个p l c 编程 软件开发平台。在充分研究了知名p l c 编程软件产品的基础上，确定系统的初步设计目标为针对开 关量基本逻辑控制需要，实现基本的与、或逻辑，定时，计数等功能。 p l c 五种编程语言中，梯形图和指令表使用比较广泛，因此本论文在实现时，首先实现梯形图 和指令表两种编程语言，其他的编程方式预留以后扩展。 图2 - 5 梯形图图元库结构 梯形图是一种图形语言，可以看作是由梯形图图元和连接符组成的。针对课题的实现目标设计 7 东南大学硕士学位论文 梯形图的图元库，如图2 5 所示。梯形图图元库由图元、连接符和注释组成，其中梯形图图元分为 触点类图元、指令类图元、线圈类图元。触点类图元主要包括常开触点图元、常闭触点图元、上升 沿触点图元、下降沿触点图元；指令类图元主要包括反向逻辑图元、跳转图元、网络标识图元；线 圈类图元包括输出线圈图元、定时器图元，计数器图元、复位图元、比较器图元。连接符包括横线 连接符和竖线连接符。各图元的符号见表2 1 。 表2 1 梯形图图元 元件名番 工具栏圈标 梯形图圈符 注释 z t tw 。o ；i ，一 常开触点 一卜- 0 _ 卜一 常闭- 女点 寸仁 功o _ 和 上升沿鲢点 一1 卜 一罕l 下降沿触点 - u 卜 脚 一山 一 反向逻辑 3 弋 值钱 竖线 i l 输出钱圉 瑚 _ ( 一 一) 定时器 田 叫 口 肋 计数器 田 c 0 j 口 肋 舶 比较嚣 曰儡 跳转 田也 同路标识 囡 】1 画0 复位 因 n 叫翼= 删除元件 ：兴 删除竖线 ) i ( 指令表是一种与汇编语言类似的助记符编程表达式，每一条指令由指令码和操作数组成，用回 车换行符分隔，一条指令占一行。其中，指令码表示操作类型，操作数表示操作对象，指令码与操 作数之间，操作数与操作数之间用空格键分开。本课题主要针对基本逻辑进行控制，目前本文中的 指令系统共包含2 9 条指令。按照操作数的个数可分为无操作数指令、单操作数指令、双操作数指令、 多操作数指令，其中无操作数指令包括块与指令、块或指令、反向指令、结束指令：单操作数指令 包括逻辑开始指令、与指令、或指令、输出指令、跳转指令；双操作数指令包括定时器指令、计数 器指令；多操作数指令包括比较器指令。各指令具体格式见表2 2 。 8 第2 章总体设计 表2 2 指令格式 指令指令码操作数功能 类型 无 a n b 块与指令 操 o r b 块或指令 作 i n v 空 反向逻辑指令 数n o p 空指令 指e n d 结束指令 令 l 网络标识指令 l d 图元类型+ 图元序号常开触点逻辑开始指令 l d i 常闭触点逻辑开始指令 l d p 上升沿触点逻辑开始指令 篮 l d f 下降沿触点逻辑开始指令 操 a n d 图元类型+ 图元序号 常开触点逻辑与指令 作 a n i 常闭触点逻辑与指令 数 a n d p 上升沿触点逻辑与指令 指 a n d f 下降沿触点逻辑与指令 令 o r 图元类型+ 图元序号常开触点逻辑或指令 o r i 常闭触点逻辑或指令 o r p 上升沿触点逻辑或指令 o r f 下降沿触点逻辑或指令 j m p 图元类型+ 图元序号跳转指令 o u t 线圈输出指令 t o n 第一操作数：无复位延迟导通定时器输出指令 双t o f f 图元类型+ 图元序号 无复位延迟关断定时器输出指令 操r t o n 第二操作数： 带复位延迟导通定时器输出指令 作 r t o f f存储区域+ 存储值 带复位延迟关断定时器输出指令 数 c n t 第一操作数：无复位递增计数器输出指令 指 d c n t 图元类型+ 图元序号 无复位递减计数器输出指令 令 r c n t第二操作数： 带复位递增计数器输出指令 r d c n t 存储区域+ 存储值 带复位递减计数器输出指令 比 c m 第一操作数：比较输出指令 较图元类型+ 图元序号 指 第二操作数： 令 存储区域+ 存储值 第三操作数： 存储区域+ 存储值 上表中，p l c 指令系统的操作数有两类，一类表示图元属性中的元件性质及元件编号，格式为： 图元类型+ 图元序号，另一类表示图元的预设参数值，格式为：存储区域+ 预设值。指令操作数的具 体定义见表2 3 。 9 东南大学硕士学位论文 表2 3 指令的操作