（机械电子工程专业论文）软件化plc平台的研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 为了克服传统硬件p l c 的缺陷，满足当前用户对p l c 成本低，兼容性强和高开 放性的迫切要求，本文研究并开发了符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的软件化p l c 平台。 建立了软件化p l c 平台的总体架构，平台主要由人机界面、梯形图编辑和语言 转换三个功能模块组成。系统的工作原理是用户首先分别在梯形图编辑模块和语 句表编辑模块中编辑梯形图和语句表，随后将编辑好的梯形图和语句表转换成通 用数据结构，最后，通用数据结构被转换成梯形图、语句表和结构树，从而实现 了梯形图生成语句表、语句表生成梯形图和梯形图生成结构树的转换。 在梯形图的绘制过程中，整个梯级是由若干个逻辑块和若干个单个节点组成 的，每一个逻辑块是由若干个节点组成。梯形图的绘制可以通过“整体一部分” 的关系来实现。因此，在系统程序的开发中引入了c 0 m p 0 s i t e 设计模式，提高了 程序的运行速度，减少了编程的工作量。 在系统的核心模块语言转换模块中引入了c o 胁，0 s i t e 模式实现了梯形 图指令向语句表转换：结合j a v a 语言中的j t r e e 类实现梯形图生成结构图功能；采 用堆栈思想实现语句表向梯形图指令转换功能。 结合m v c 思想和文档，视图结构，采用具有跨平台特性的j a v a 编程语言实现了 原型系统的开发。并通过一典型应用案例展示了该系统的具体使用方法和应用效 果，结果表明该系统具有使用简单，运行可靠和实用性强等优点。 关键字：软件p l c 梯形图语句表设计模式 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t a g e so f t h et r a d i t i o n a lh a r d p l ca n dm e e tt h eu s e r s d e m a n d so fl o w - c o s t , s t r o n gc o m p a t i b i l i t ya n do p e n n e s s ，t h i st o p i cr e s e a r c h e sa n d d e v e l o p sap l a t f o r mf o rs o f i p l cw h i c hi sa c c o r d i n gt ot h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d 正c 6 1 1 3 l - 3 1 1 嵋t o p i ch a se s t a b l i s h e daf r a m ef o rt h ep l a t f o r mo f t h i ss o f u p l c 1 1 1 ep l a t f o r mi s c o m p o s e do ft h r e ef u n c t i o n a lm o d u l e s ：h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e 1 a d d e rd i a g r a m e d i t o ra n dt h el a n g u a g et r a i l s f o r m a t i o nm o d u l e n 地o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f t h i ss y s t e m i n c l u d e st h r e ep a r t s f i r s t , u s e r se d i tl a d d e rd i a g r a mo ri n s t r u c t i o ni i s t 、 ，i t ht h ee d i t o r s s e c o n d l y ，t r a n s f o r mt h el a d d e rd i a g r a mo rt h ei n s t r u c t i o ni i s ti n t ot h eg e n e r a ld a t a s t r u c t u r e f i n a l l y , t h eg e n e r a ld a t as t r u c t u r ei st r a n s f o r m e di n t ol a d d e rd i a g r a m , t h e i n s t r u c t i o nl i s to rs t r u c t u r et r e e 1 r i 地nt h et o p i cr e a l i z e st h et r a n s f o r m a t i o nf r o ml a d d e r d i a g r a mi n t oi n s t r u c t i o ni i s t , t h et r a n s f o r m a t i o nf r o mi n s t r u c t i o nl i s ti n t ol a d d e rd i a g r a m a n dt r a n s f o r m a t i o nf r o ml a d d e rd i a g r a mi n t os t r u c t u r et r e e i nt h el a d d e rd i a g r a m ，ar u n gi sc o m p o s e do fs e v e r a li o g i c a lb l o c k sa n ds e v e r a l n o d e s a n dal o g i c a lb l o c ki sc o m p o s e do fs e v e r a ln o d e st o o t h ed r a w i n go fl a d d e r d i a g r a m su s e st h e t o t a l s e c t i o n a n a l y s i sw a y t h et o p i cu s e st h ec o m 口o s i t ed e s i g n p a r e mt op e r f o r mt h ed r a w i n go f t h ei a d d e rd i a g r a m i nt h i sw a yw eh a v ei n c r e a s e dt h er e x e c u t i o ns p e e da n dr e d u c e dt h ew o r k l o a d i nt h ed e s i g n i n go ft h es y s t e m sk e r n e lm o d u l e l a n g u a g et r a n s f o r m a t i o nm o d u l e ， t h et o p i cu s e st h ec o m p o s i t ed e s i g np a t t e mt or e a l i z et h et r a n s f o r m a t i o nf r o m l a d d e rd i a g r a mi n t oi n s t r u c t i o nf i s t ；u s e st h ej a v ap r o g r a m m i n gl a n g u a g e sj 1 r e ec l a s s t oi m p l e m e n tt h ef u n c t i o no ft h et r a n s f o r m a f i o nf r o ml a d d e rd i a g r a mt os t r u c t u r et r e e ； u s e st h et h o u g h to fs t a c kt oa c t u a l i z et h et r a n s f o r m a t i o nf r o mi n s t r u c t i o nl i s ti n t oi a d d e r d i a g r a m c o m b i n i n gw i t hm v ci d e o l o g ya n dd o c u m e n t v i e wc o n s t r u c t i o n , t h i st o p i cu s e s 】p n & p r o g r a m m i n gl a n g u a g ew h i c hc a no p e r a t eo nd i f f e r e n tp l a t f o r mi nd e s i g n i n gt h e p r o t o t y p i n gs y s t e m a tl a s t , t h ep a p e rs h o w st h eo p e r a t i o ng u i d ea n dt h eo p e r a t i o n a l a s p e c tw i t hat y p i c a lc a s e 1 r i 圮r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i ss y s t e mi ss i m p l et ou s e r e l i a b l e a n di t su s i n gi ss t r o n g k e yw o r d s ：s o r p l c ，l a d d e rd i a g r a m ，i u s t r u c t i o nl i s t , d e s i g np a a e r n i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鱼坌淦 e l 期： 2 q q 生垒且 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鱼! 巨 导师签名：日期：2 嫂生垒且 i ip l c 技术概述 i i 1p l c 技术的概念 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 9 8 7 年2 月正c ( 国际电器联合会) 对可编程控制器( p l c ) 的定义是：可 编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，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，并通过数字式或模糊式输入输出控制各 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。i t ) 可编程控制器广泛应用在数控系统( c n c ) 中，p l c 与n c 的连接从结构上有三 种形式： 1 内嵌式p l c 也称集成式p l c ，从设计开始就将n c 和p l c 综合起来考 虑，n c 和p l c 之间的信息传递是在内部总线的基础上进行，因而有较 高的交换速度和较宽的信息通道。从结构上来讲他们可以共享一个c p u 如西门子公司的8 1 0 ，8 2 0 等数控系统：也可以是单独的c p u ，如f a n u c 公司的0 系统1 5 系统等。这种结构从软硬件整体上考虑，p l c 和n c 之 间没有多余的导线连接，增加了系统的可靠性，而且n c 和p l c 之间易 于实现许多高级功能。p l c 中的信息也能通过c n c 的显示器显示，通过 n c 的编辑键可方便的对p l c 进行编辑操作，所以有较高的性能价格比。 档次较高的数控系统一般采用这种结构。 2 外装式p l c 亦称独立式p l c ，它独立于n c 装置，具有独立完成控制 功能的c p u 。可采用专业化的p l c 厂家的产品，使机床生产厂家有选择 自己熟悉的p l c 产品的权利，而且功能易于扩展和变更。 3 软件p l c 随着计算机及相关技术的发展，使用工业p c 机、基于开放式 结构已成为数控系统发展的主要方向与这种情况相适应，基于p c 平台 的嵌入式软件p l c 由于无需专门的编程器，可以充分利用p c 机的软硬 件资源，之间采用梯形图或语言编程，具有良好的人机界面等优点，在 数控系统中正逐渐取代硬件p l c ，成为该领域辅助功能控制的新方法。 下面将详细介绍软件p l c 。 1 1 2p l c 技术的发展历程 上世纪6 0 年代后期，根据当时汽车市场需求和计算技术的发展，在美国麻萨 诸塞州b e d f o r d 的b e d f o r da s s o c i a t e s ，向美国汽车制造业提议开发一种m o d u l a r 山东大学硕士学位论文 d i g i t a lc o n 缸o l l e r ( m o d i c o n ) 取代继电控制盘。其它一些公司也提出了以计算机 为基础的方案其核心思想是采用软件编程方法代替继电控制的硬接线方式，并 备有生产现场大量使用的输入传感器和输出执行器的接口，以便于进行大规模生 产线的流程控制。这就是以后被称为p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r 的由来。7 0 年 代是p l c 的崛起，首先在汽车工业获得大量应用，在其它产业部门也开始应用。 8 0 年代是它走向成熟，全面采用微电子及微处理器技术9 0 年代开始了它的第三 个发展时期。随着p l c 的国际标准i e c6 1 1 3 1 的正式颁布，推动了p l c 在技术上 发动新的突破。1 2 - 3 1 i e c6 1 1 3 1 的正式颁布也推动了p l c 向着集成化、通讯化、网 络化发展。 4 - 6 1 1 3 国内p l c 的发展状况 我国对p l c 的研究与生产起步较晚，但通过技术引进，消化吸收，仿制和国产 化等工作，我国的p l c 产品在近几年来有了一定的发展【7 1 0 1 。中国国内的p l c 的发 展大致经历了以下三个发展阶段： 第一个发展阶段为八十年代。p l c 生产技术及发展方向尚未走向成熟，我国对 p l c 的发展前景看好，政府部门在外汇方面给p l c 产品的技术引进、合作生产项目 以支持，但是由于对p l c 的发展技术趋势未能判断明确，引进p l c 技术以大型p l c 为主，而大型p l c 设备在八十年代的应用数量有限，引进的p l c 的生产设备f 如贴 片机等) 受当时的设备所局限，无法保障产品的可靠性，所以八十年代引进p l c 生 产技术的厂家现在己基本停止生产1 1 1 - 1 2 1 。 第二阶段为九十年代。中国国内在八十年代进行技术引进的生产厂家已基本 停止生产，但中国日渐扩大的p l c 市场已充分引起国外生产厂家的注目。九十年代 初期，部分国外主要p l c 生产厂家在中国投资建厂，p l c 走向合资生产阶段。到1 9 9 8 年1 2 月止，合资生产p l c 的企业，如上海欧姆龙公司、上海松下电工自动化控制有 限公司、无锡华光公司等销售成绩较好，处于良性循环中l j j j 。 第三阶段为九十年代末期。中国国内企业再度进入p l c 行业，中国国内的p l c 市场正处于上升趋势，并且在工程项目上的应用，给p l c 生产厂商的软服务，如设 计、安装等带来效益。国内生产p l c 的厂家主要有江苏嘉华实业公司、天津诺迪亚 公司。 目前，中国国内的p l c 市场基本分为三部分：国夕b p l c 生产厂商，国内p l c 合资 企业，国内生产厂商。其中，国外p l c 生产厂商及国内合资企业占主导地位，占去 中国市场的9 0 以上1 1 4 1 应指出的是； 在国内，p l c 的应用水平还是不低的，自主设计、系统集成和现场投入运 行的能力，可以说与国际主流水平同步。 p l c 应用领域也很广泛，覆盖冶金、电力、化工、石油化工、机械、轻工、 电子、电工、建材水泥等工业，以及现代农业机械和其它应用。近年来环 保工业也有广泛应用，发展势头很猛。 在国内有一支庞大的p l c 销售、服务、应用、系统集成队伍，遍布全国大 部分地区。 有充足的理由说：p l c 在中国已成为工业控制的一种适用技术因此，p l c 、 山东大学硕士学位论文 p l c 以及i e c 6 11 3 l 3 的发展，无可争辩地成了令人十分关注的事情。 1 2 软件p l c ( s o f tp l c ) 的产生和特点 所谓软p l c 实际就是在p c 机的平台上、在w i n d o w s 操作环境下，用软件来 实现p l c 的功能。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， 利用软件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 综合了计算机和p l c 的开关量控制、模拟量控制、数学运算，数值处理、网络通 信、p i d 调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集，快速而准确 的扫描周期、可靠的操作和可连接各种i o 系统的及网络的开放式结构。所以，软 件p l c 提供了与硬p l c 同样的功能，同时又提供了p c 环境的各种优点。 1 2 1 软件p l c 产生发展的必然 随着p c 机进入计算机数控系统，使用p c 的开放式c n c ( 即p c n c ) 已经成 为数控系统发展的新趋势。传统可编程控制器( p l c ) 生产厂家众多，各种机型互 不兼容，没有明确一致的标准，在编程软件的种类、数目、编程语言等方面各不 相同企业经常由于引进成套设备的原因，或出于特殊功能要求的考虑，购买了 不同的生产厂家不同机型的p l c 。一般低档p l c 配备简易编程器，中、高档p l c 有微机上的编程、仿真软件，然而他们互不兼容。如果能在计算机上实现不同p l c 应用程序，对数控系统的构造是非常有意义的。同时，建立开放式数控系统时， 利用“软件芯片”是方便快捷的。所以说：软件p l c 的产生发展是一个必然的趋势。 1 2 2 软件p l c 的特点 相对于硬件p l c 来讲软件p l c 具有一下特点：0 5 1 使用软件实现传统硬件p l c 的功能软件p l c 实际上就是传统p l c 的 功能以应用软件的形式实现，这是软件数控的表现形式，也是开放式数 控系统的要求。软件数控可以认为是开放式数控的高级阶段，软件数控 的主要特性表现在两个方面：一是高度开放的体系结构；二是应用软件 的表现形式，即系统的主要功能部件均表现为应用软件的形式。软件化 可大大增强系统的伸缩性和可调节性，从而使其体系及其实现高度开放 性成为可能。 易于实现与硬件无关性要求。软p l c 控制功能的完成不依赖于具体的硬 件，不存在机型不兼容问题；编程软组件的数目种类可根据需要动态添 加，无需更改硬件。 统一的数据结构易于实现深度的系统开放。由于采用统一的数据结构， 对特定机床，只需编写相应的梯形图程序或语言程序，不必另加硬件或 另外重新设计软件，这简化了p l c 的使用，使数控系统有可能向深度方 山东大学硕士学位论文 向开放。这种灵活的实现机制有望大幅度提升数控系统的控制性能，促 进数控系统的智能化时代早日到来。 方便用户使用。由于在w i n d o w s 2 0 0 0 图形化界面下完成用户梯形图或语 言程序编制，并可实现梯形图和语言的相互转化，降低了p l c 编程入门 门槛。 成本低。p l c 的控制功能由软件完成，这种实现形式上的变革使得系统 可以更方便、更广泛地应用计算机的先进成果，简化系统实现难度，缩 短研发周期，有助于技术创新，可相应降低整个数控系统的成本 同时，使用软件p l c 还可以达到如下效果： 1 用户可以获得p c 领域技术价格优势，而不受某个硬p l c 制造商本 身专利技术的限制。 2 用户可以少花钱但又很方便地与强有力的p c 网络相连。 3 用户可以用他熟悉的编程语言编制程序。 4 对超过几百点f o 的p l c 系统来说，用户可以节省投资费用。 1 2 3 软件p l c 在国内的现状 软p l c 的概念大约在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， 所以只有在学术界少数人对此关注。 尽管i n t e r l l m t i o n 和w o n d e r w a m 的h m i 和s c a d a 软件在我国推广都很成 功，但它们的软逻辑、软p l c 产品p - - 3 l 和i n c o n t r o l 却少有人间津。当然，这两 家公司也不曾刻意去开发这个市场。 t h i n k d o 和s t e e p e r c h a s e 的v l c 都是1 9 9 8 、1 9 9 9 年进入中国市场的，特别 是t h i n k d o 花了很大的努力，至今仍不尽如人意当然有一些成功应用，如邮 件分拣系统。这多少与它们不采用i e c6 1 1 3 l 3 ，而是倡导用流程图编程语言不 无关系。 德国k w 公司在1 9 9 8 年以后就在北京设立办事处，着力推广其符合i e c 6 1 1 3 1 3 的编程系统m i 脚r o g 和控制程序p r o c o n o s 。 s i e m e n s 从2 0 0 1 年开始在国内推介其软p l c 系列产品w i n a c ，已经有了一些 应用。他们是很有战略眼光的。德国i d o n e a m 公司的o p c n p c s 在国内也开始了市 场开拓活动，2 0 0 2 年6 月曾在上海的自动化展览会上举办过技术交流。 我国自行开发的d c s 系统，如上海自仪公司的s u 】? m a ) ( - 8 0 0 ，选用法国c j i n t e r n a t i o n a l 公司的符合m c6 1 1 3 l _ 3 的i s a g r a f 和美国的强实时操作系统 v x w o r k s 。北京的和利时已采用i n f o r c a m 的o p e b p c s 开发新的d c s 。 1 3 本课题的提出 。 随着工业技术的发展，可编程控制技术有了长足的发展，在i e c 6 1 1 3 l 标准颁 4 山东大学硕士学位论文 布之后，对p l c 的各个方面都有了详细的规定，推动了p l c 产品的标准化、网络 化的发展，同时也给软件p l c 的发展提供了一个契机。在国内传统的p l c 制造业 不会在可预见的未来在国内建立和发展。但不排除软p l c 在近期和可预见的未来 发展，完全有可能在国内形成一定的气候。软p l c 的i 0 完全可以利用主流及一 些有生命力的现场总线的系列产品。强实时操作系统可采用w i n d o w s c e ，n t e ， v e n n r c 伽的r t x 以及其它：只要它们能实现控制的时间确定性，即保证能以时 间高度一致的方式执行控制指令序列，并具有可预测的结果或行为。加入w t 0 以 后，中国成为“世界制造工厂”的进程正在加速。我们有足够的理由相信，p l c 、软 p l c 在中国的销售的年增长率会显著高于世界的平均年增长率。因此，对p l c 、 软p l c 以及i e c6 1 1 3 1 i - 3 的推广应用，特别是高水平的技术支持变得十分重要。 f 1 6 】 本课题正是考虑到软件p l c 发展的必然趋势而提出的。软件p l c 编程平台的 设计是软件p l c 设计课题的重要部分。 1 4 本课题实现的内容 本课题作为开放式数控系统的子课题，主要任务是设计软件p l c 平台。软件 p l c 平台实现了以下几个方面： 梯形图程序语法检查部分检查用户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； 梯形图程序逻辑检查部分检查p l c 图形程序有无逻辑错误，如指令位置 不正确、梯级中缺少输出指令等； 一 实现梯形图向语句表的转换。梯形图与通用数据结构双向转换模块对梯 形图程序解释得到一个通用的数据结构，通用数据结构生成语句表； 实现语句表向梯形图的转换。语言程序与通用数据结构双向转换模块对 语言程序解释得到一个通用的数据结构，由通用数据结构生成梯形图。 实现梯形图向结构图的转换。梯形图与通用数据结构双向转换模块对梯 形图程序解释得到一个通用的数据结构，由通用数据结构反过来也可以 得到梯形图程序 山东大学硕士学位论文 第2 章软件p l c 平台的总体设计 2 1 软件p l c 总体设计方案 2 1 1 软件p l c 需求分析 为了增加软件的复用性，可维护性，满足软件设计的各项功能要求，按照软 件工程的设计规律，首先进行软件的需求分析； 软件p l c 平台界面设计，用户编辑输入程序，实现打开文件，保存文件等 文档操作功能。 设计实现软件p l c 平台的梯形图编辑器，编辑梯形图指令，进行梯形图词 法、语法逻辑分析，反馈程序错误给人机界面。 设计实现软件p l c 平台中的语句表编辑器，实现语句表的编辑功能。 _ 梯形图生成语句表和结构图功能的实现，将编辑好的梯形图转化成通用 数据结构，由通用数据结构生成语句表和结构图 _ 语句表向梯形图转换模块的功能的实现，将编辑好的语句表指令转化为 通用数据结构，由通用数据结构转化为梯形图指令 2 1 2 软件p l c 平台系统结构介绍 基于w i n d o w s 2 0 0 0 的开放式数控系统软件在物理上可划分为在计算机c p u 上 运行的上位机部分和在运动控制卡d s p 处理器上运行的下位机部分。因此p l c 子系 统也可分为上、下位机两大部分，上位机又可分为离线的p l c 程序编辑部分和在线 的p l c 执行人机界面部分。 上位机离线部分主要完成p l c 梯形图编程、语言编程、梯形图程序语法检查、 梯形图程序逻辑检查、语言程序语法检查、语言程序逻辑检查、梯形图程序与通 用数据结构双向转换、语言程序与通用数据结构双向转换；上位机在线执行部分 通过人机界面控制和反馈下位机对p l c 程序的执行；p l c 程序的具体执行由下位机 在线处理其中： 梯形图和语言编程模块在w m d o w s 2 0 0 0 环境下负责离线p l c 图形化和语言化 编程； 梯形图程序语法检查模块检查用户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： 梯形图程序逻辑检查模块检查p l c 图形程序有无逻辑错误，如指令位置不正 确、梯级中缺少输出指令等： 梯形图指令转换为通用的数据结构，从这个通用数据结构反过来也可得到梯 形图程序； 语句表程序与通用数据结构双向转换模块对语言程序解释得到一个通用的 数据结构，从这个通用数据结构反过来也可得到语句表程序； 6 山东大学硕士学位论文 * p l c 执行模块在实时多任务环境下实现在线p l c 功能。通过通用数据结构的 衔接，实现了梯形图程序和语言程序的双向转换，而且这个通用数据结构也是p l c 执行模块的输入。 针对上述对系统的分析，建立整个软件p l c 平台系统的结构图，如图2 1 所示。 从图中可以看出在人机界面中，用户分别在梯形图编辑模块和语句表编辑模块中 图2 - l 软件p l c 结构图 编辑梯形图和语句表，然后通过梯形图与通用数据转换模块和语句表与通用数据 转换模块。分别可以将编辑好的梯形图和语句表转换成通用数据结构，然后通用 数据结构又可以生成梯形图、语句表和结构树，也就是实现了梯形图生成语句表 和结构树、语句表生成梯形图的转换 2 2i e c 6 1 1 3 1 - 3 国际标准 2 2 1i 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。我们的软件p l c 平台 中的编辑指令遵循了国际电工联合会的i e c 6 1 1 3 1 3 标准【l ”，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 l 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。l l “9 j i e c 6 1 1 3 1 国际标准包括8 部分。p a r t l ：综 7 山东大学硕士学位论文 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；附。r t 6 ： 现场总线通信；p a r t 7 ：模糊控制编程；p a r t s ：编程语言的实施方针。i e c 6 1 1 3 1 3 是i e c 6 1 1 3 1 中最重要、最具代表性的部分。 2 0 - 2 2 j i e c 6 1 1 3 1 3 的五种编程语言是：1 2 3 - 2 4 1 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 c kd i a g r a m ) ； 指令表( i n s t r u c t i o nl i s t ) ： 结构文本( s t r u c t u r e dt e x t ) ： 顺序功能图表( s e q u e n t i a lf u n c t i o nc h a r t ) ： 其中有两种图形语言一梯形图( l d ) 和功能块图( f b d ) ，还有两种文字语言 指令表( m ) 和结构文本( s t ) 可以认为顺序功能图表( s f c ) 是一种结构 控制流程图。 梯形图( l d ) ，对于熟悉继电器控制的人来说，梯形图使用起来很方便 虽然梯形图对所有的控制逻辑编程，梯形图与别的语言混合使用能很好的 完成一些特殊的控制功能，符合标准的梯形图的例子 功能块图( f b d ) ，功能块图( f b d ) 是一种图形语言，在f b d 中也允许 嵌入别的语言( 如梯形图、指令表和结构文本) 来编程。在f b d 中，编 程元件是“块状”的，就象电路图那样，它们被“导线”连接在一起。在与控 制元件之间的信息和数据流动有关的高级应用场合，f b d 是很有用的。 指令表( 也) ，指令表这种“底级”语言类似于汇编语言，在某一局部功能被 反复执行时是很有用的使用几时只需要对这种局部功能编程一次，然 后可以在以后的指令表程序中将它们作为子程序来调用。 结构文本( s t ) ，结构文本是一种象p a s c a l 或b a s i c 一样的高级语言， 实际上，受过计算机编程语言训练的人会发现用它来编制控制逻辑是很容 易的。与梯形图相比，s t 有两个最大的优点，其一是能实现复杂的数学运 算。其二是非常简洁和紧凑。用s t 编制及其复杂的数学运算可能只占一 页纸 顺序功能图表( s f c ) ，s f c 提供了一种组织程序的图形方法，在s f c 中 可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作( a c t i o n ) 是s f c 中的三种主 要元件 2 2 2i e c 6 1 1 3 1 - 3 国际标准的优点 如果采用一致的i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准编程，各个p l c 厂家的编程系统就会得 到统一，因而，对用户来说具有如下优点： 减少了人力资源，如培训、调试、维护和咨询的浪费 高水平软件再使用性，它主要解决控制中的问题 山东大学硕士学位论文 减少了编程中的误解和错误 适用于宽环境范围的编程技术：通用的工业控制 连接来自不同程序、项目、公司，地区或国家的部件 2 2 3 采用i e c 6 1 1 3 1 - 3 国际标准的必要性 近年来，i e c 6 1 1 3 1 已成为在工业自动化中建立了牢固基础的国际标准。目前， 不仅大型和小型的p l c 而且d c s 、h m i 以及现场总线等制造商都提供基于国际标 准i e c 6 1 1 3 1 的编程体系。m c6 1 1 3 l 标准在发达的工业国家已经得到了广泛的应 用，在那里，不符合这一标准的产品已经不被最终用户所接受而在中国，对这 个标准及其相关产品的推广工作做得远远不够，为了使设计的软件p l c 具有通用 性的优点，满足市场化的需要，我们的软件p l c 符合了这一标准。 2 3 本软件中p l c 编程指令介绍 本软件的p l c 指令集符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准，支持梯形图和语句表的编辑功 能，能够满足p l c 编程的各种逻辑需要，它包括以下几部分： 位逻辑指令：这类指令用于描述存储器或继电器的值，它包括触点指令 和输出指令，其中触点指令又包括：标准触点、立即触点，取反和跳变 指令；输出指令包括：输出、立即输出、置位与复位以及立即置位与复 位指令。 一 比较指令：这类指令实现两个值大小的比较，如果满足比较的条件就执 行制定的的逻辑。它包括字节等于、长整数等于，整数等予、实数等于、 字节大于或等于、长整数大于，字节大于或等于、长整数大于或等于， 整数大于或等于、实数大于或等于、整数大于，实数大于、字节小于， 长整数小于、字节小于等于、长整数小于等于、整数小于等于、实数小 于等于，整数小于、实数小于、字节不等于、长整数不等于、整数不等 于以及实数不等于 - 定时器，计数器指令：这类指令包括接通延时定时器、断开延时定时器， 加计数器、减计数器、加减计数器和脉冲计数器。 数学运算指令：这类指令包括整数加法指令、整数减法指令、长整数加 法指令，长整数减法指令、整数除法指令，整数乘法指令、长整数乘法 指令、长整数除法指令、字节减l 指令、双字减l 指令、字减l 指令、 实数除法指令、字节加l 指令，双字加1 指令、字加l 指令、实数乘法 指令、余弦指令、自然指数指令、自然对数指令、正弦指令、平方根运 算指令和正切运算指令 - 逻辑操作指令：这类指令包括字节与指令、双字与指令、字与指令、字 节异或指令、双字异或指令、字异或指令、字节求反指令、双字求反指 令、字求反指令，字节或指令、双字或指令和字或指令。 9 山东大学硕士学位论文 _ 移位和循环指令：这类指令包括字节左移指令、字左移指令、双字左移 指令、字节右移指令、双字右移指令，字右移指令、字节循环左移指令、 字节循环右移指令、字循环左移指令、字循环右移指令、双字循环左移 指令、双字循环右移指令和位移位寄存器指令 转换指令：这类指令用于表示不同数据类型的转化，它们包括字节转换 为整数、整数转换为字节、整数转换为双字节整数、双字节整数转换为 整数、双字整数转换为实数，实数转换为双字整数、b c d 码转换为整数、 整数转换为b c d 码、a s c i i 转换为十六迸制、十六进制转换为a s c i i 、 整数转换为a s c i i 、实数转换为a s c i i 以及取整、译码、编码指令。 程序控制指令：这类指令包括有条件结束指令( e n d ) 、暂停指令( s t o p ) 、 看门狗复位指令( w d r ) 、跳转( j m p ) 、标号指令( l b l ) 、子程序指令、 子程序调用指令和子程序返回指令等 中断和通讯指令：这类指令包括中断连接指令、中断分离指令、中断返 回指令、关闭中断指令、允许中断指令、从中断返回指令。 逻辑堆栈指令：这类指令实现了对堆栈的操作，它包括栈装载与( a l d ) 、 栈装载或( 0 l c ) 、逻辑推入栈指令( l p s ) ，逻辑读栈指令( l r d ) 、逻 辑弹出栈指令( l p p ) 以及装入堆栈指令( l d s ) 。 本软件p l c 指令集梯形图符号和语句表指令部分指令对照及简要介绍如表3 1 所示。 表2 1p l c 指令集梯形图符号和语句表指令部分指令对照表 类别指令名 梯形图符号语句表符号简要注释 b i t由l d ，a 或o 指令 b i t 常开触点指定寄存器地 _ ii 描述 址位 位 b i t 指定从b n 开 逻立即复位始的n 个物理 辑 指令 州) r i 指 n 输出点被立即 令复位 检测到每次正 跳变后让能流 正向转变 一l p i e u 接通一个扫描 周期 字节大于 b y t e比较上面的字 比 指令 p b l ) b节是否大于下 较 b y t e面的字节 指 i n t比较上面的整 令 整数大于 等于指令 # = i i ) = i 数是否大于等 i n t 于下面的整数 1 0 山东大学硕士学位论文 类别指令名梯形图符号语句表符号简要注释 t x x x + - - - - - - 延时通定 lt o n i t o nt x x x , b o o l + e n i w o r d ， 时器指令 w o r d + p t q + b o o lb o o l ，w o r d 第一个值指定 ie n + w o r d 定时器，定时 定 _ - - - - - - o 器范围为 时 0 - 2 5 5 p t 指定 器 指 预制值，q 指 令 t x x x 定输出位。e t ij 指示当前计数 脉冲计对 iw l p tt x x x ，w o r d ， 值 b o o l + e n i 器指令b o o l ，w o r d w o r d + p t q + b o o l i e n + w o r d 上 上 c x x x第一个值指定 + 一o 计数器，计数 l c t d l 器范围为 向下计数b o o l - + c d i c t dw o r d ，w o r d 0 - 2 5 5 ，p t 指定 器指令 ii预制值，q 指 b o o l - + r q + b o o l 定输出位，c v 计 w o r d - + p vc v + w o r d 指示当前计数 数 _ 、- - - - - _ + 值 器 指 c x x x 第一个值指定 令 _ 、- - _ + 计数器，计数 b o o l - + c uc t u d i 器范围为 增减计数b o o l - + c d i c r u d 0 - 2 5 5 ，p t 指定 器指令 ii w o r d w o r d 预制值，q 指 b o o l - + rq + b o o l 定输出位。c v w o r d - + p vc v + w o r d 指示当前计数 1 、- - - h + 值 + + 算 id e c _ bi 未 运 字节减一b o o l - - + e n e n o i - - l d e cbb y t e ， 将i n 减一 算 指令 il b y t e 指 令 b y t e 斗i n o u l l - b y t e + 一+ 山东大学硕士学位论文 类别指令名 梯形图符号语句表符号 简要注释 1 、- - - - _ + i e x p 自然指数 b o o l - - - + e n e n o - - i e x p r e a l ， e 州= o u t 指令ii r e a l 算 r e a l - - + i n o u l l 一r e a l 未 1 、- o 运 算+ - - - - - - + 指 令 i s u bd i i 长整数加 b o o l - - + e n e n o i - - i s u bd id i n t , 将i n i 与i n 2 li 法指令 d i n t d i n t 相减得到o u t d i n t - - + i n i o u t i 一- d i n t d i n t - - - + i n 2 i + 一一_ + + - - - - - - - + io r _ d wi 双字求反 b o o l - - + e n e n o i - - l o r _ d ww o r d ， 指令 ii d w o r d 逻 d w o r d + i no u t i d w o r d 辑 操 + - - - + 作 _ - - - - - o 指 令 io r _ wi 字求反指 b o o l - - + e n e n o - - l o rww o r d ， 令 ii w o r d w o r d + i n o u t fw o r d + + _ 、。- _ + i s h rd wii n 指明要移位 双字节向 b o o l - - + e n e n o - - l s h r _ d wd w o r d ， 的字节，n 指 右移位 ii b y t e d w o r d 明移位的位 移 d w o r d + r n0 u t + d w o r d 数o u t 表明 位 b y t e - -