（机械制造及其自动化专业论文）基于开放式数控系统的软件plc的研发.pdf

t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs o f t w a r ep l ci no p e nc o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m b y g u 0c h a o at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a nz h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u s h i j u n o c t o b e r ，2 0 1 0 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：能 1日期：。q o 每“其。7 b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并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。本人授权兰州理工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、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：2 小年，月。j 7 日 日期：0 2 0 ，。年月秒日 硕士学位论文 目录 j i 2 i 要。i a b s t r a c t 。i l 插图索引i v 第1 章绪论。1 1 1 课题概述1 1 1 1 课题的背景及意义1 1 2p l c 的产生与发展1 1 2 1p l c 的概念1 1 2 2p l c 的产生与发展2 1 3p l c 的特点与功能。2 1 3 1p l c 的特点。j 2 1 3 2p l c 的功能3 1 4p l c 的结构与工作原理4 1 4 1p l c 的结构4 1 4 2p l c 的工作原理6 1 5p l c 的研究现状与发展趋势7 1 5 1p l c 的研究现状7 1 5 2p l c 的发展趋势8 1 6 本文所做的工作9 1 7 本章小结。9 第2 章开放式数控系统对p l c 的需求分析。1 0 2 1 数控系统的研究现状和发展趋势1 0 2 2 软件数控的特征和意义1 2 2 3 一种典型的开放式数控系统的结构1 3 2 4 开放式数控系统对p l c 的需求分析。1 5 2 4 1 独立式p l c 的缺点1 5 2 4 2 内置式p l c 的优点1 6 2 4 3 硬件p l c 的缺点1 7 2 4 4 软件p l c 的优点1 7 2 4 5 内置式软件p l c 的定义。1 9 2 5 本章小结1 9 第3 章软件p l c 的体系结构设计2 0 3 1 软件p l c 的体系结构2 0 q ， 基于开放式数控系统的软件p l c 的研发 3 2 软件p l c 的实现策略2 2 3 2 1 上、下位机p l c 运行平台的选择2 2 3 2 2 软件p l c 实现方案的选择2 3 3 2 3 软件p l c 用户编程语言的选择。2 5 3 2 4 软件p l c 指令系统的规划2 7 3 3 软件p l c 实现中的技术关键及解决方法2 7 3 3 1 图形化集成编程环境的实现2 7 3 3 2p l c 应用编程规范的制定2 7 3 4 本章小结2 9 第4 章上位机软件p l c 的实现厶3 0 4 1p l c 图形化编程环境的实现3 0 4 1 1p l c 梯形图编程环境的数据结构3 0 4 1 2 梯形图编程环境的模块组成：3 1 4 1 3 梯形图的语法检查和逻辑检查。3 2 4 1 4p l c 梯形图程序的存储3 4 4 2p l c 语言编程环境的实现3 5 4 2 1p l c 语言程序的语法规则。3 5 4 2 2p l c 语言程序的语法检查与逻辑检查3 7 4 2 3p l c 语言程序的编译4 0 4 3p l c 梯形图程序与语言程序间的转换。4 0 4 3 1 转换概述。4 0 4 3 2 梯形图程序与语言程序相互转换的流程4 3 4 3 3 语言程序转换为梯形图程序的算法4 5 4 4 本章小结4 6 第5 章软件p l c 的运行试验。4 7 5 1 数控系统中p l c 实现策略简介4 7 5 2 软件p l c 用户程序的数据结构和执行算法4 9 5 3 软件p l c 运行试验5 5 5 4 本章小结5 8 结论与展望5 9 6 1 全文工作总结5 9 6 2 工作展望：5 9 参考文献6 0 j l ；【谢6 ：i 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录。6 4 分 哇 一 硕士学位论文 附录b 信号量输入标识6 6 附录cm c p 控制面板信号标识7 2 附录d 信号量输出标识。：7 4 除 硕士学位论文 摘要 软件p l c 技术是目前国际工业自动化领域逐渐兴起的一项基于p c 的新型控制 技术。与传统硬p l c 相比，软件p l c 具有更强的数据处理能力和强大的网络通讯 能力并具有开放的体系结构。近几年，随着计算机技术等迅速发展，工业自动化 领域对开放式控制器和系统的需求更加迫切，硬件和软件体系结构封闭的传统硬 p l c 遇到了严峻的挑战。软件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，可以满足和实现当前和今后工业自动化领域 控制系统开放性和柔性的要求，为将来工业自动化向更高层次的集成提供了可靠 的技术保障。 针对软件p l c 的研究现状和发展趋势，不难发现基于p c 平台的嵌入式软件 p l c 由于可以充分利用p c 机的软硬件资源，直接采用梯形图或指令语言编程以及 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。 本文先分析了数控系统的现状和开放性的发展趋势，提出了软件p l c 的概念。 在分析软件p l c 工作原理和基本结构的基础上，参照国际标准i e c l l 3 1 3 ，研究并 设计了软p l c 的体系结构和系统平台。根据软件p l c 的结构，使用v c + + 开发了软 p l c 集成编辑开发系统，该系统能够完成p l c 的梯形图和指令表两种语言的编辑 编译功能，p l c 程序的仿真，梯形图和指令表两种语言之间的转换，并给出了一 个梯形图程序编辑及其与指令语言程序转换的实例。 本文讨论的软件p l c 分别存在于开放式数控系统的上、下位机中。上位机软 件p l c 在w i n d o w s 2 0 0 0 图形界面环境下用户完成p l c 程序的编制，通过语法检查和 逻辑检查的用户程序经编译后保存为通用数据结构形式的中间文件。中间文件下 载后在下位机实时d o s 环境下执行。 关键词：软件p l c ：开放式数控系统；梯形图；指令语言 一j 基于开放式数控系统的软件p l c 的研发 a b s t r a c t s o f t p l ct e c h n o l o g yi st h eg r a d u a lr i s eo fi n t e r n a t i o n a li n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，a n e wp c b a s e dc o n t r o lt e c h n o l o g y p l cc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l h a r da n d s o f t p l ch a sam o r e p o w e r f u l ，d a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s a n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n sc a p a b i l i t i e sa n dh a sa no p e na r c h i t e c t u r e i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a la u t o m a t i o no fo p e nc o n t r o l l e r a n dt h es y s t e mn e e d sm o r ep r e s s i n g ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r ec l o s e d t r a d i t i o n a lh a r d p l ce n c o u n t e r e dc h a l l e n g e s s o f t p l ca p p l i c a t i o n so p e na r c h i t e c t u r e ， h a sag o o dn e t w o r ko fc o m m u n i c a t i o n sc a p a b i l i t i e s ，a b l et oc o m p l e t em o r ec o m p l e x c o n t r o lt a s k s ，t om e e ta n da c h i e v ec u r r e n ta n df u t u r ea r e a so fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n c o n t r o ls y s t e mo p e n n e s sa n df l e x i b i l i t yr e q u i r e m e n t s ，a n di t i sf o rt h ef u t u r eo f i n d u s t r i a la u t o m a t i o nt oah i g h e rl e v e lo fi n t e g r a t i o np r o v i d e sar e l i a b l et e c h n i c a l s u p p o r t f o rt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do fs o f t w a r ep l c ，n o td i f f i c u l tt o f i n dp c b a s e dp l cp l a t f o r mf o re m b e d d e ds o f t w a r ec a nt a k e f u l l a d v a n t a g eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e so ft h ep c ，a n dd i r e c t l yp r o g r a ma d o p t i n gl a d d e r d i a g r a m o rl a n g u a g e ，p o s s e s s e sf a v o r a b l em a n m a c h i n ei n t e r f a c e i nt h en cs y s t e m ，i t i sg r a d u a l l yr e p l a c e di nt h ef i e l do fh a r d w a r ep l ca san e wm e t h o df o rc o n t r o lo f a u x i l i a r yf u n c t i o n s t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h es t a t u so ft h ec n c s y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d o fo p e n n e s s ，t h e np r o p o s e dt h ec o n c e p to ft h es o f t w a r ep l c a c c o r d i n gt ot h e a n a l y z a t i o no ft h ep r i n c i p l ea n da r c h i t e c t u r ea b o u ts o f t w a r ep l c ，a n dr e f e r e n c i n gt o t h ei e c l l 3 1 3i n t e r n a t i o n a lc r i t e r i o n ，r e s e a r c ha n dd e s i g nt h ea r c h i t e c t u r ea n ds y s t e m p l a t f o r mo ft h es o f t w a r ep l c a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fs o f t w a r ep l c ，i n t e g r a t e s o f t p l ce d i t o rd e v e l o p m e n ts y s t e mb yu s i n gv c + + t h es y s t e mc a nc o m p l e t et h e p l cl a d d e rd i a g r a ma n di n s t r u c t i o ns h e e te d i t e dc o m p i l a t i o nf e a t u r e st w ol a n g u a g e s ， p l cp r o c e s ss i m u l a t i o n ，l a d d e r ，a n dt w ol a n g u a g e so fi n s t r u c t i o n l i s tb e t w e e n c o n v e r s i o na n dg i v e sal a d d e rp r o g r a me d i t i n ga n dc o n v e r s i o nw i t ht h ec o m m a n d l a n g u a g ep r o g r a me x a m p l e s s o f t w a r ep l cd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l ee x i s t si nt h eu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e ro fc n c s y s t e m t h eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r ep l cc o m p l e t e su s e rp l cp r o g r a m e sd o w n l o a d ， i n t e r f a c e se n v i r o n m e n t a f t e rs y n t a xc h e c k i n ga n dl o g i c a lc h e c k i n g ，u s e rp r o g r a mi s c o m p i l e da n d i ss a v e da si n t e r m e d i a t ef i l ew i t hg e n e r a ld a t as t r u c t u r e t h e n 基 。 硕士学位论文 d o w n l o a d e di n t e r m e d i a t ef i l ei sr u n n i n gu n d e rd o se n v i r o n m e n ti nl o w e rc o m p u t e ri n r e a lt i m e k e yw o r d s ：s o f tp l c ，c n c ，l a d d e rd i a g r a m ，i n s t r u c t i o nl a n g u a g e h i 一 基于开放式数控系统的软件p l c 的研发 插图索引 图1 1 - 1p l c 的基本组成框图4 图21 2p l c 循环扫描图6 图3 1 3p l c 的扫描工作过程。7 图42 1 系统硬件结构1 4 图52 2 系统软件结构图1 5 图62 - 3 内置式p l c 与c n c 的连接方式1 7 图73 - 1 软件p l c 的结构图2 1 图83 2 编译型p l c 的实现过程。2 4 图93 - 3 中间型p l c 的实现过程2 4 图1 03 4 解释型p l c 的实现过程：2 5 图1 13 5i e c l l 3 1 3 标准结构示意图。2 6 图1 24 1 存储梯形图元素的双向链表。3 0 图1 34 2 梯形图编程环境的界面图3 1 图1 44 3 梯形图语法检查j 。3 3 图1 54 4 梯形图逻辑检查3 4 图1 64 5 语法检查图3 8 图1 74 6 词法检查的状态转换图3 9 图1 84 7 逻辑检查图3 9 图1 94 8 上位机p l c 编译流程4 0 图2 04 9p l c 梯形图程序与语句程序相互转换流程4 3 图2 14 1 0p l c 梯形图程序转化为通用数据结构流程4 4 图2 24 1 1p l c 语句程序转化为通用数据结构流程4 5 图2 35 1p l c 在数控系统中的作用4 7 图2 45 2 内装型p l c 数控系统框图4 8 图2 55 3 独立型p l c 数控系统框图4 8 图2 65 4p l c 执行示意图4 9 图2 75 5p l c 执行基本流程图5 0 图2 85 - 6p l c 初始化流程图5 0 图2 95 7 低级p l c 扫描流程图。5 2 图3 05 8 高级p l c 扫描流程图5 3 图3 15 - 9p l c 结构流程图5 4 图3 25 1 0p l c 程序编辑界面5 5 i v 硕士学位论文 图3 35 1 1 梯形图元素对话框界面5 6 图3 45 1 2 梯形图程序向语句程序转换的界面5 6 图3 55 1 3 语句程序编辑界面5 7 图3 65 1 4 语句程序向梯形图程序转换界面。5 7 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 谏题概述 1 1 1 课题的背景及意义 j 在c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统中，机床所有的辅助功能几乎都可 以通过p l c 来控制。在c n c 侧，c n c 向p l c 发送m ，s ，t 等辅助功能代码信息，p l c 将m ，s ，t 命令的应答信号传送给c n c ；在机床侧，p l c 向机床传送控制机床执行 的信号，机床将其操作面板上开关、按钮信号等传送给p l c p l c 与c n c 及p l c 与机床之间的信息交换量，主要按数控机床的控制要求设置。过去，需要根据数 控机床的控制要求来分析p l c 与c n c 及p l c 与机床之间的信息交互量和种类，然 后选用相应的外部硬件p l c ，或者在系统设计时将硬件p l c 嵌入到c n c 的硬件中 去。但是，这种方法开放性差，设计一旦定型更改就较为麻烦。而且，p l c 的生 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、数日、 编程语言等方面各不相同。结果，p l c 的发展伴随功能的扩展带来的问题是自成 一派：在应用p l c 的过程中不同品牌的p l c 软件不能兼容。 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c n c 系统发展的主要方向。与这种情况相适应，基于p c 机的嵌入式软件p l c 具有可以 充分利用p c 机的软硬件资源、直接采用梯形图或语句表编程、良好的人机界面和 无需专门的编程器等优点，在c n c 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。在这种趋势下，为了解决目前数控机床和c n c 系统中传统硬 件p l c 存在的问题，本文提出用软件实现“硬件p l c 刀的功能一一软件p l c 。 1 2p l c 的产生与发展 1 2 1p l c 的概念 可编程控制器是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控制机， 其本质是一台工业控制专用计算机。最早期的可编程序控制器只能进行开关量的 逻辑控制，且只有逻辑运算、定时、计数及顺序控制等功能，因此被称为可编程 序逻辑控器( 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 ) ，简称p l c 。现代可编程序控制器采用 微处理器作为中央处理单元，其功能大大增强，它不仅具有逻辑控制功能，还具 有算术运算、模拟量处理和通讯等功能。 1 9 8 5 年1 月，国际电工委员会颁布了可编程控制器的国际标准草案，对p l c 做 了如下定义：“可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作 基于开放式数控系统的软件p l c 的研发 的电子系统。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、计数和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设备和生产过程，可编程控制器及其有关设备都应按易 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。一当它应用于机 床控制时，这种可编程控制器又称为可编程机床控制器( p r o g r a r m m a b l em a c h i n e c o n t r o l l e rp m c ) 1 2 - 4 。 1 2 2p l c 的产生与发展 在p l c 出现之前，机械及工业生产控制都是用工业继电器来实现。1 9 6 8 年， 美国通用汽车公司提出把计算机和继电器控制系统结合起来的设想。1 9 6 9 年，美 国数字设备公司( d i g i t a le q u i p m e n tc o r p o r a t i o n ) 研制出世界上第一台p l c ，用它来 代替传统的继电器控制系统，并在通用汽车( g e n e r a lm o t o r ) 公司的汽车自动装配 线上试用成功h 1 。 进入到1 9 世纪8 0 年代，随着微电子和计算机技术的迅猛发展，可编程控制 器有了突飞猛进的发展，功能日益增强，已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围， 具备模数转换、数模转换、速度控制、高速计数、位置控制、轴定位控制、p i d 控制、远程通讯、温度控制、高级语言编辑以及各种物理量转换等功能。特别是 远程通讯功能的实现和易于实现柔性加工和制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r e s y s t e mf m s ) ，使得p l c 如虎添翼，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。 经过3 0 多年的应用和开发，p l c 技术现已经发展到智能化p l c 阶段m 】。但 是近年来，随着集散控制系统( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e md c s ) 、工业p c 机( i n d u s t r y p e r s o n a lc o m p u t e ri p c ) 的崛起，p l c 的市场份额有所下降，已形成三足鼎立之势， 以致于功能上互相交错，使用中共同配合佰1 。 1 3p l c 的特点与功能 1 3 1p l c 的特点 可编程控制器属于存储程序控制，其控制功能是通过存放在存储器内的程序 来实现的。其优点与这个“可 字有关：从硬件上讲，它的配置可变、也易变； 从软件来讲，它的程序可编、也不难编。下面具体讨论一下p l c 的主要特点哺 ： 1 、运行稳定，可靠性高。一般来说，可靠性是用户选用的首要依据，因此， 几乎所有的p l c 生产厂家都将可靠性作为第一指标去加以研制，以单片机为核心， 无论是在硬件还是软件上都做了大量的抗干扰措施，使p l c 的平均无故障时间达 到3 0 万小时以上，且使用寿命长。 2 、控制功能强。p l c 具有逻辑判断、计数、步进、跳转、移位、定时、记忆、 硕士学位论文 数据传送和四则运算等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控 制等等。 3 、编程简单，使用方便。p l c 采用一般采用梯形图编程，比较直观，易懂易 编，深受广大电气技术人员和电工的欢迎，容易推广使用。 4 、适用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。工业生产一般对控制设备的可靠 性提出很高的要求，应具有很强的抗干扰能力，能在恶劣的环境中可靠地工作， 平均故障间隔时1 司( m t b f ) 高，故障修复时间短。任何电子设备产生的故障通常有 两种：偶发性和永久性。在硬件和软件上采取提高可靠性的主要措施是：( a ) 屏蔽， 滤波，电源调整与保护，隔离和采用模块式结构；( b ) 故障检测，信息保护和恢复， 设置了警戒时钟w d t ，加强对程序的检查和校验，对程序及动态数据进行电池后 备。 5 、功能完善，具有各种接口，与外部设备连接非常方便。 6 、扩充方便，组合灵活。采用积木式结构或模块式结构，具有较大的灵活性 和可扩性，扩展灵活方便。控制程序可变，具有很好的柔性。 7 、硬件配置、安装、使用和维护都方便。p l c 上有i o 指示灯( l e d ) ，哪个i o 元件有故障，一目了然。 8 、可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬 接线，灵活性大，适应性强。 9 、p l c 的软件简单易学，易于短期培训。 1 0 、减少了控制系统设计及施工的工作量，设计施工周期短。 1 1 、体积小、重量轻、是机电一体化特有的产品。 1 3 2p l c 的功能 随着微机技术、微电子技术以及控制技术的迅猛发展与综合，促进了p l c 的 进步，使其成为工业控制的首选品种，而它的应用领域也日趋扩大，远远超出单 纯继电器和逻辑程控范围。现代p l c 能够集中反映当今电气控制世界先进水平， 结合数控技术、计算机集成制造技术和工业机器人技术构成机械工业自动化的重 要组成部分，形成了新型单元技术、集成技术和先进制造基础技术的基础和必要 条件。p l c 在工业自动化中起着举足轻重的作用，已经广泛应用于机械、冶金、 化工、石油、电力、电子、食品、轻工、纺织、交通等行业。主要用于以下几个 方面： 1 、开关量的逻辑控制； 2 、模拟量的闭环控制； 3 、数字量的智能控制； 4 、数字采集与监控； 3 基于开放式数控系统的软件p l c 的研发 5 、通讯、联网及集散控制。 1 4p l c 的结构与工作原理 1 4 1p l c 的结构 p l c 是由中央处理器( c p u ) 、存储器、编程器、输入输出单元、电源和外部 设备组成，如图1 - 1 所示。p l c 的硬件设备采用模块化的方式，便于用户按需要组 合，其各部分都用总线式结构哺1 。 硕士学位论文 通过扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，存入缓冲区内：从存贮器中按扫 描方式逐条读取指令，并存入指令寄存器中；将指令寄存器的指令操作码进行译 码，执行指令规定的任务，产生相应的控制信号，开启或关闭相关控制门电路， 并根据运算结果输出映象寄存器的内容和更新有关标志，以实现输出控制、制表、 打印或数据通讯；进行必要的监控可故障自诊断，。 可编程控制器的存贮器主要用于存放系统程序、数据和用户程序。常用的存 贮器形式有c m o sr a m ，e p r o m ，e e p r o m 。p l c 中的存储器分为三种： 1 、系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序的存储器。所谓系统程序 是指控制和完成p c 机各种功能的程序，如控制器的监控程序、基本指令和功能指 令翻译程序、通信管理程序、系统诊断程序等。机器出厂时，厂家把这些程序存 入e p r o m 存贮器或e e p r o m 存贮器。用户不能访问或修改系统存储器。 2 、数据存贮器用来存放p l c 的数据，包括输入、输出、辅助继电器状态的 映象区，定时器、计数器、移位寄存器、状态寄存器、数据寄存器和特殊功能寄 存器等状态的映象寄存器。由于在应用中数据是经常变化和存取的，因此为了满 足随机存取的要求，数据存贮器一般选用c m o sr a m 。 3 、用户存贮器主要用于存放用户应用程序的存储器。所谓用户程序是指使 用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序由使用者通过 编程器输入到p c 机的c m o sr a m 存贮器中，以便于用户随时修改，也可将用户程 序存放在e e p r o m 中。为确保p c 机控制系统的可靠性，防止电源掉电后破坏它的 存贮内容，c m o s r a m 存贮器有预防电源掉电故障的铿电池保护措施。 输入输出接口是c p u 与现场、现场i o 装置或其他外部设备之间的连接部件， 包括输入隔离和输入选择器、输出锁存器、驱动电路，以及输入输出显示电路。 输入输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。现场 的输入信号，如按钮开关、行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量( 压 力、流量、温度、电压、电流) 等，都要通过输入模块送至u p l c 。由于这些信号电 平各式各样，而可编程控制器c p u 所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块 还需将这些信号转换成c p u 能够接收和处理的数字信号。输出模块的作用是接收 中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号， 以驱动如电磁阀、电机、灯光显示等执行机构。可编程控制器有多种输入输出模 块，其类型有数字量和模拟量输入输出模块。这些模块上都带有电平转换、滤波、 信号锁存电路。为了使p l c 与外部电路隔离开来，提高其自身的抗干扰能力，数 字量输入模块带有光电耦合电路。数字量输出有晶体管输出、可控硅输出和继电 器输出三种方式。模拟量输入输出模块主要用来实现模拟量数字量之间的转 换，即a d 或d a 转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连 续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入输出模块与p l c 的中央处 基于开放式数控系统的软件p l c 的研发 理器连接。 编程器是p l c 的重要外部设备，其用于用户程序的编制、编辑、调试检查和 监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以便于将用户程序和有关信息打 印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入p l c 。 编程器工作方式主要有编程和监控两种。在p c 机处于停机状态时可以进行编 程。它的功能主要是输入新的程序、对已有的程序予以必要修改。监控工作方式 是对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对成组器件的工作状态 进行监视，也可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件 在不同时间的工作状态。除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。 因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便 的。编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。 p l c 的基本软件包括用户应用软件和系统软件。用户软件大多由编程器进行 编程，语言采用梯形图( l d ) 、指令表( i l ) 、顺序功能图( s f c ) 和高级语言。系统软 件决定p l c 的功能，p l c 的硬件通过软件实现对被控对象的控制。系统软件一般 包括：操作系统、各功能软件、编程语言系统等。 1 4 2p l c 的工作原理 p l c 的工作过程是周期扫描的工作过程。通过编程器或其它输入设备输入用 户程序存放在p l c 的用户存储器中。当p l c 开始运行时，c p u 根据系统监控程序 的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的 执行、各输出点状态更新、编程器键入响应和显示更新及c p u 自检等功能【1 0 l 。p l c 的循环扫描工作原理图如图1 2 所示。 程序存 地址 图21 - 2p l c 循环扫描图 f i g1 - 2p r i n c i p a ld i a g r a mo fp l cr o u n ds c a n n i n g p l c 的循环扫描工作方式，每个扫描周期分为输入采样、程序执行和输出控 制三个阶段1 。 硕士学位论文 p l c 在输入采样阶段，首先扫描所有端子，并将各输入存入内存中各对应的 输入映像寄存器。接着进入程序执行阶段，在这个阶段，输入映像寄存器与外界 隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变直到下一个扫描周期。 在程序执行阶段，p l c 会按照先左后右，先上后下的顺序对程序进行逐行逐 句句扫描。当指令中存在输入输出指令时，p l c 从输入映像寄存器中读入上一阶 段的状态，从输出映像寄存器读入对应输出映像寄存器的当前状态。然后进行相 应的运算，运算结果存入元件映像寄存器中。 在输出刷新阶段，在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电 器的状态转存到输出锁存寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。图1 3 是p l c 的工作过程示意图。 r 输 用户程序 输 输 ( 梯形图语言) 输 输 - r 现 现 入 入 入 出 出 输 输 场 场 信 端 映 f 习 映 数出 出 执 号 器 像 像 据模 信 行 一 件区 锁板 号 一 兀 件 l ” l 存 输入采样阶段 刷新程序执行阶段刷新 输出控制阶段 一一 图31 - 3p l c 的扫描工作过程 f i g1 - 3s c a n n i n gw o r kp r o c e s so fp l c 1 5p l c 的研究现状与发展趋势 1 5 1p l c 的研究现状 在全球工业计算机控制领域，围绕开放过程控制系统、开放式过程控制软件、 开放式数据通信协议，已经发生了巨大变革，几乎到处都有p l c 。但是，随着软 件p l c ( s o f t p l c ) 控制组态软件技术的诞生以及进一步完善和发展，安装有s o f t p l c 组态软件和基于工业p c 过程控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使 传统p l c 供应商在思想上已经发生了很大的变化，他们必须面对现实，在传统p l c 技术向软件p l c 技术过渡转型方面更开放。在控制软件方面，这是p l c 控制器的 核心，p l c 供应商正在向工业用户提供开放式的编程软件，而且对于工业用户表 现得非常积极。此外，。开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将p l c 融入 更加开放的工业控制行业。 基于p c 控制技术走在最前列的美国s s i 公司( s t e e p l e c h a s es o f t w a r ei n c ) ，研究 开发了v l c 系列软件。v l c 是s s i 开发出的世界上第一个基于p c 和w i n d o w sn t 的 7 基于开放式数控系统的软件p l c 的研发 真正实时控制器。它所提供的h a r dr e a l t i m e 概念在性能上大大超过传统的p l c 。 2 0 世纪9 0 年代，s i e m e n s 公司公布了一套新的基于开放式控制系统的软件产 品，即3 0 版本的s i m a t i cw i n a c ( w i n d o w s 自动化中心) n 羽w i n a c