（检测技术与自动化装置专业论文）plc软件集成开发平台的设计与实现.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 p l c 是工业自动化的不可缺少的部分，我国对p l c 有着巨大的市场需求。 但是国外厂商和合资企业的占去了中国国内p l c 市场9 0 以上的销售额。因此 开发有自主产权的新型p l c 对于我国来讲是很重要的，不但能够摆脱p l c 技术 和市场为发达国家所垄断的被动局面，而且对于提高我国的自动化整体水平等都 有深远的意义。 国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 的颁布和近年来先进高性能单片机技术的发展为国内 研究者提供了与国外厂商竞争的机会。在北京市教委的立项支持下( 项目批准号 为：2 0 0 2 k j 0 2 6 ) ，我校开展了新型p l c 系统的研究工作。作者课题的主要任务是 为该p l c 系统开发出一个基于个人普通计算机的能为用户提直观、方便、高效 的编程环境的p l c 软件集成开发平台。 本论文首先在绪论中对p l c 的发展历程、国内外现状以及发展趋势作了综 述，给出了新型p l c 用户软件开发平台应具有的特点。第二章里则按照软件工 程理论的规范对该平台的进行了系统分析和需求分析，得出软件的具体功能需 求，并在此基础之上对平台的系统框架和核心数据结构进行了设计。在第三章至 第七章则介绍平台软件的详细设计( 包括核心数据结构、用户界面、编辑器和编 译器等) 。第七章和第八章则介绍软件平台与p l c 硬件系统的联机调试和安装程 序的制作。在论文最后对本课题己完成的工作做了总结，并对后续工作中的重点 作了说明。 联机调试结果表明，该平台能正确地把用户程序编译成可在p l c 硬件中的 运行的文件。遵循国际准已经是p l c 发展的一大趋势，而国内外p l c 厂家的研 究还刚刚起步。本平台同时支持多种p l c 编程语言，且每种语言都遵循 i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准，这为产品进一步的研究和推广提供了前提。 与世赛相比，国内的p l c 行业整体落后，希望本课题的研究能为我国的p l c 研究和发展起到微薄的作用。 关键词 p l c 控制器，i e c 6 1 1 3 1 3 ，软件开发平台，编辑器，编译器，连接器 北方工业大学硕士学位论文 - ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。_ _ _ - - _ _ _ ，_ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ - _ - _ 。- 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ 。_ _ _ _ _ _ - _ 。_ 一 a 1 3 s t r a c t 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 ( p l c ) i sa ni n d i s p e n s a b l ef a c i l i t y i n i n d u s t r y a u t o m a t i z a t i o n t h em a r k e tr e q u i r e m e n tf o ri ti se n o r m o u si no u rc o u n t r y , h o w e v e r , m a n u f a c t u r e r so ff o r e i g nc o u n t r i e sa n dj o i n tv e n t u r ea c c o u n tf o rt h es a l e sa m o u n to f p l cm o r et h a n9 0 o fm a r k e ti nc h i n a s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o ru st od e v e l o pa n e w - t y p ep l c w i t hi n d e p e n d e n tp r o p e r t yr i g h t i tn o to n l yc a n h e l po u rc o u n t r y l e a v e t h ep a s s i v es t a t et h a tp l ct e c h n o l o g ya n dm a r k e ta r em o n o p o l i z e db yd e v e l o p e d c o u n t r y , b u ta l s o c a l lp r o m o t et h ea u t o m a t i z a t i o nl e v e li no u rw h o l ec o u n t r y i t p r o v i d e s t h e o p p o r t u n i t y t h a td o m e s t i cr e s e a r c h e rc o m p e t e sw i t hf o r e i g n m a n u f a c t u r eo ns o f t w a r et h a ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 6 1 1 3 1 - 3i sp u b l i c i z e da n d a d v a n c e d a n d - h i g h - p e r f o r m a n c es i n g l e c h i pt e c b a x o l o g y i s d e v e l o p e d u n d e r t h e s u p p o r to fb e i j i n gm u n i c i p a le d u c a t i o nc o m i t t e e ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 2 k j 0 2 6 ) ，o u r u n i v e r s i t ys t a r t e dt h er e s e a r c ht od e v e l o pan e w t y p ep l cs y s t e m t h em a i n t a s ko f m yr e s e a r c hi s t od e v e l o pa ni d e ( i n t e r g e dd e v e l o p i n ge n v i o r n m e n t ) f o rt h ep l c s y s t e m t o p r o v i d e u s e rw i t ha n i n t u i t i o n i s t i c ，c o n v e n i e n t a n d h i g h e f f i c i e n t p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n tb a s e do n p e r s o n a lc o m p u t e r t h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e rm a k e sas u m m a r yo fp l c sd e v e l o p p i n gp r o c e s s ， d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o na tp r e s e n ta n di t sd e v e l o p i n gt r e n di nf u t u r e ，a n d t h e ng i v et h em a i nc h a r a c t e r i s t i cw h a tt h ei d es o f t w a r ed e v e l o p i n g p l a t f o r mn e w t y p e p l cs h o u l dp r o v i d e i nc h a p t e r2 , as y s t e ma n a l y s i sa n dr e q u i r e m e n ta n a l y s i so nt h i s p l a t f o r ma r em a d ea c c o r d i n gt os o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，a n dt h e nb a s i n go nt h e s e ，t h e d e t a i l e df u n c t i o nr e q u i r e m e n t so ft h es o f t w a r ei sd r e wa n dt h es o f t w a r e sf r a m ea n d c o r ed a t as t r u c t u r eo fp l a t f o r ma r ed e s i g n e d f r o mc h a p t e r3t oc h a p t e r7 ，t h ea u t o r i n t r o d u c ei nd e t a i lt h e d e s i g n i d e ao ft h i s p l a t f o r ms o f t w a r e ( i n c l u d e c o r ed a t a s t r u c t u r e ，u s e ri n t e r f a c e ( u o ，e d i t o r , c o m p i l e r , e t c ) i nc h a p t e r7a n dc h a p t e r8 ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e so n l i n et e s tb e t w e e ns o f t w a r ep l a t f o r ma n dp l cr u n n i n gs y s t e ma n d t h e m a k i n gm e t h o do f t h ei n s t a l l a t i o n p r o g r a m a tl a s t 。t h i sp a p e rs u m m a r i z e d r e s e a r c h e sih a dd o n ea n dp o i n t e do u tt h ee m p h a s e si nt h ef u t u r er e s e a r c hw o r k 4 北方工业大学硕士学位论文 t h er e s u l to fo n l i n et e s ts h o w st h i s p l a t f o r m c a n c o r r e c t l yc o m p i l e u s e r s p r o g r a m mi n t oa ne x e c u t a b l ef i l ei np l c h a r d w a r e i ti sac e r t a i nt r e n dt h a tp l ci s d e v e l o p e d t of o l l o wt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d b u tr e s e a r c ho fd o m e s t i cp l c p r o d u c e rb a r e l yr i s e s t h i sp l a t f o r mn o to n l ys u p p o r t sm u l t i p l el a n g u a g e s ，b u ta l s o e a c h l a n g u a g e f o l l o w si e c 6 1 1 3 1 - 3s t a n d a r d t h i s p a p e r h a se s t a b l i s h e dt h e f o u n d a t i o nt om a k ef u r t h e rr e s e a r c hti nt h ef u t u r e c o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p e dc o u n t r y , d o m e s t i cp l ci n d u s t r yi sb e h i n dw h o l l y ih o p em yr e s e a r c hh a v eal i t t l e p o s i t i v ee f f e c to nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo u r c o u n t y sp l c k e y w 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 ，i n t e r g e dd e v e l o p m e n te n v i o r m e n t ， e i d t o r ，c o m p i l e r , l i n k e r 5 独仓旷性声明 本久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 一7 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，也不包含为获得北方工业大学或其他教 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名煎z ，诌 签字日期：。库舌月c j 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j e 友王些盍堂有关保留、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 立工些盔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：前o 己国 导师签名：巷字成 签字日期：7 “哗6 , 9 ( s f i签字日期：。u 年6 月，参日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：北京亚控科技有限公司电话：0 1 0 8 2 1 6 6 1 9 通讯地址：海淀区知春路1 1 3 号银网中心a 座6 层邮编： 北方工业大学硕士学位论文 第一章绪论 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，以下简称p l c ) 是本世纪 6 0 年代发展起来的一种新型自动亿控制装置。它吸取了微电子技术和计算机技 术的最新成果，发展十分迅速。它以其高可靠性、较强的工作环境适应性受到自 动化领域的欢迎并被广泛采用，从单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工 厂的生产自动化，p l c 均承担着重要的角色【1 】。 1 1p l c 的发展历程和趋势 1 1 1发展历程 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 程大致可分三个阶段【2 】【3 【4 】： 1 、早期的p l c ( 6 0 年代末一7 0 年代中期) 早期的p l c 一般称为可编程逻辑控制器。这时的p l c 多少有点继电器控制 装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时 等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在i o 接口电路上作了改进以适应工业 控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器 采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程 上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式一一梯形图。因 此，早期的p l c 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安 装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中p l c 特有的编程语言一一 梯形图直沿用至今。 2 、中期的p l c ( 7 0 年代中期8 0 年代中，后期) 在7 0 年代，微处理器的出现使p l c 发生了巨大的变化。美国、日本、德国 等一些厂家先后开始采用微处理器作为p l c 的中央处理单元( c p u ) ，这样，使 p l c 得功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等 功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件 北方工业大学硕士学位论文 方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程模块、 各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提 供了一定数量的数据寄存器，使p l c 的应用范围得以扩大。 3 、近期的p l c ( 8 0 年代中、后期至今) 进入8 0 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器 的市场价格大幅度下跌使得各种类型的p l c 所采用的微处理器的档次普遍提 高。而且，为了进一步提高p l c 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专 用逻辑处理芯片。这样使得p l c 软、硬件功能发生了巨大变化。 1 1 2发展趋势 经过几十年的发展，p l c 早已经脱离了刚开始时替代继电器进行控制的状 态，现在，它的功能已经非常强大，而且，它仍在不断地发展着，以下是其主要 的发展趋势【6 】： 1 向两极化( 大型化和小型化) 方向发展 大型化p l c 的i 0 点数大于2 0 4 8 ，如三菱电机公司m e l s e c k 3 n - - p c 的i o 点数达2 0 4 8 点；g o l d 公司的5 8 4 l - - p c 的输入输出( ) 点多达8 1 9 2 个， 组件系统研究公司推出i a c - - 5 3 0 0 p c 可处理1 2 0 9 6 0 个，属大型p l c 1 2 。 在发展大型p l c 的同时，小型p l c 的发展也极为迅速，其i o 点数一般在 2 0 4 0 点之闻，如三菱公司推出1 2 点的p l c 产品，立石公司推出的c 2 0 、1 2 4 0 1 - 1 、 c 6 0 p 等小型p l c 产品，这些小型产品价格低、功能全，通常使用梯形图或简单 的指令表编程，有的还配有通讯模块，使它能分布在较大的控制系统中。 2 i o 组件标准化、功能组件智能化 p l c 的输入输出均模块化，其点数一般以8 、1 6 、3 2 为模块单元，可根据需 要进行组合、扩充，因而是一个颇具柔性的系统，并具有高度的兼容性和可靠性， 即所有的0 单元、高机能单元及特殊功能单元对同一类系列的p l c 完全是兼 容的，在使用扩展板时也是兼容的，外部设备可通用，并具有继电器、晶闸管、 晶体管三种负载形式，使用极为方便。当一个系统被扩展成为一个分布控制系统 时，使用带有微处理的特殊智能组件，既不会扰乱现有设备，又可扩展p l c 的 处理能力，减少了主c p u 的负担。特殊功能智能组件还能与计算机、调制解调 器、打印机等设备连接进行运行状态监测、数据采集、打印等。有的p l c 还有 比例积分器( p i d ) 控制组件，可进行高速度、高精度的p d 控制f 1 4 7 。 2 北方工业大学硕士学位论文 摘要 p l c 是工业自动化的不可缺少的部分，我国对p l c 有着巨大的市场需求。 但是国外厂商和合资企业的占去了中国国内p l c 市场9 0 以上的销售额。因此 开发有自主产权的新型p l c 对于我国来讲是很重要的，不但能够摆脱p l c 技术 和市场为发达国家所垄断的被动局面，而且对于提高我国的自动化整体水平等都 有深远的意义。 国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 的颁布和近年来先进高性能单片机技术的发展为国内 研究者提供了与国外厂商竞争的机会。在北京市教委的立项支持下( 项目批准号 为：2 0 0 2 k j 0 2 6 ) ，我校开展了新型p l c 系统的研究工作。作者课题的主要任务是 为该p l c 系统开发出个基于个人普通计算机的能为用户提直观、方便、高效 的编程环境的p l _ c 软件集成开发平台。 本论文首先在绪论中对p l c 的发展历程、国内外现状以及发展趋势作了综 述，给出了新型p l c 用户软件开发平台应具有的特点。第二章里则按照软件工 程理论的规范对该平台的进行了系统分析和需求分析，得出软件的具体功能需 求，并在此基础之上对平台的系统框架和核心数据结构进行了设计。在第三章至 第七章则介绍平台软件的详细设计( 包括核心数据结构、用户界面、编辑器和编 译器等) 。第七章和第八章则介绍软件平台与p l c 硬件系统的联机调试和安装程 序的制作。在论文最后对本课题己完成的工作做了总结，并对后续工作中的重点 作了说明。 联机调试结果表明，该平台能正确地把用户程序编译成可在p l c 硬件中的 运行的文件。遵循国际准已经是p l c 发展的一大趋势，而国内外p l c 厂家的研 究还刚刚起步。本平台同时支持多种p l c 编程语言，且每种语言都遵循 i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准，这为产品进一步的研究和推广提供了前提。 与世界相比，国内的p l c 行业整体落后，希望本课题的研究能为我国的p l c 研究和发展起到微薄的作用。 关键词 p l c 控制器，i e c 6 1 1 3 1 3 ，软件开发平台，编辑器，编译器，连接器 北方工业大学硕士学位论文 向发展【6 。 7 编程方式和编程工具多样化 编程将朝着两个方向发展：1 ) 多种编程语言，包括面向过程的编程语言、图 形语言；2 ) 高级编程语言，目前许多公司的产品都可连接b a s i c 、p a s c a l 、3 ) f o r t r n 编程语言模块来进行高级语言编程。 编程工具分四种类型：1 ) 手持式或简易式编程器一一供工程技术人员使用；2 ) 便携式图形编程器一一具有一定的功能；3 ) c r t 图形编程器一一具有良好的功 能；4 ) p c 机一一由于p c 机的固有优势，目前基础p c 的p l c 编程已经非常普 遍f 1 2 1 。 1 2 我国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。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( 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已基本停止生产 1 3 】【1 4 】。 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【2 5 】。 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 1 6 。 目前，巾国国内的p l c 市场基本分为三部分：国外p l c 生产厂商，崮内 4 北方工业大学硕士学位论文 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 2 1 。 我国的p l c 市场正处于发展阶段，现在每年增长率达到6 - 1 0 ，1 9 9 8 年以 来，国内p l c 的销售量始终保持高增长率，市场前景十分看好，预计到2 0 0 5 年 全国销售的p l c 装置3 6 万台套，约合人民币4 0 5 0 亿元 1 8 1 。 1 3p l c 的编程工具和编程语言 1 3 1 编程工具 编程工具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 各。编程工具的主要作用是用来编辑程序、调试程序和监控程序的执行，还可以 在线测试p l c 的内部状态的参数，与p l c 进行人机对话等。编程工具可以是专 用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机。 1 专用编程器 专用编程器是厂家提供的与本公司p l c 配套的编程工具。专用编程器分为 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。用简易编程器 编程时，编程器必须与p l c 相连接。简易编程器的优点是价格低、体积小、重 要轻、方便携带。有的简易编程器可以直接插在p l c 主机的编程器插座上，如 o m r o n 公司的p 型机等。有的简易编程器要用专用电缆与p l c 相连【4 】。 图形编程器可直接输入梯形图程序。图形编程器分手持式和台式。台式编程 器具有用户程序存储器的功能，它可以把用户输入的程序存放在自己的存储器 中，也能将用户程序转存到磁带上或打印出来，有的带有磁盘驱动器，可将程序 转存到磁盘上。图形编程器的优点是屏幕大，显示功能强，但是其价格昂贵【9 】。 2 用通用计算机作辅助编程 当前p l c 的更新换代速度很快，因此专用编程器的使用寿命有限，价格一 般也比较高。现在的发展趋势是使用个人计算机为基础的编程系统，p l c 厂家 向用户提供在p c 机上使用的编程软件 7 】。 采用通用计算机作为编程器的主要优势是使用了价格便宜、功能很强、通用 的个人计算机。因此，用户可以使用已有的个人计算机，用最少的投资，得到高 性能的p l c 程序开发系统。对于不同型号、不同厂家的p l c ，只需要更换编程 北方工业大学硕士学位论文 软件就可以了。它的另一个优点是可以用一台个人计算机为所有的智能控制设备 编程【9 】。 现在，世界上各主要p l c 厂家都提供了使用个人计算机的程序开发软件。这 一软件的功能是相当强的。它可以编制、修改p l c 的用户程序；监视系统运行； 打印文件；采集和分析数据；作为实时图形操作器和文字处理机；对工业现场和 系统仿真；将程序存储在磁盘上：实现计算机和p l c 之间的程序相互传送等。 利用它的网络软件，还可以作为网络管理器或通用的网络节点工作站 6 7 1 。 程序开发系统的软件主要包括以下几个部分： ( 1 ) 编程软件。这是最基本的软件允许用户生成、编辑、存储和打印用 户程序。 ( 2 ) 文件编制软件。它可以对用户程序的触点和线圈加上英文注释，并能 对某一程序段加注说明，使程序容易阅读和理解。 ( 3 ) 数据采集和分析。在工业控制个人计算机中，这一部分软件的使用己 相当普遍。个人计算机可以从一个多个p l c 采集数据，并用各种分析、处 理这些数据，然后将结果以条形统计图或扇形统计图的形式显示在显示器 上。这种分析处理过程进行得很快，几乎是实时的。 ( 4 ) 实时操作员接口软件。这一类软件使用个人计算机提供的实时操作的 人机接口装置。个人计算机被用来作为系统的监控装置，通过显示器告诉 操作人员系统的状况和可能发生的各种报警信息。操作员可以通过接口键 盘输入各种控制指令，处理系统中出现的各种问题。 ( 5 ) 仿真软件。它允许计算机对生产过程和系统进行仿真，使设计者在系 统实际建立之前，通过仿真处理，发现设计中存在的问题，避免不必要的 浪费和因设计不当造成的损失，缩短系统设计、安装和调试的总工期。 s i e m e n s 公司的s i m a t i c s t e p 7 就是一套全开放的专业版p l c 编程软件， 并已经成为该公司通用开发环境的软件工具，直接用于组态、管理和维护工厂 范围内的自动化控制系统。该软件使用户可以将一个自动化工程项目再细分成 设计阶段、执行与测试阶段、委托与启动阶段、运行阶段、以及维护等阶段， 然后，将所有工作集成在单个软件包内。单个自动化工程项目可以采用多种程 序设计语言的任何组合来进行编程工作，从而在其中选择出最适合于所给定的 应用程序的那一部分 1 7 1 。相同的程序代码能够在基于i p c 的s i m a t i c w i n a c 北方工业大学硕士学位论文 控制系统中得到运行，以满足软件和硬件对实时性的要求。 s i e m e n s 公司推出的3 2 版本s t e p 7 m i c r o w i n 3 2 程序设计软件提供了一 种新的f b d 编辑器，以及与i e c 6 1 1 3 1 3 标准兼容的梯形图程序设计语言和 f b d 。该软件能紧密地与w i n d o w s 操作系统集成在一起，提供诸如增) o n 移动 程序和定制安装方式等一系列功能特性。同样，在w i n d o w s 中采用单个工程 项目文件的方式使对工程项目进行的管理变得更加容易，如电子邮件和备份 等。另外，它还提供了新的保存方式选择，只要双击工程项目文件就能够自动 启动工程项目【1 8 】。 1 3 2 编程语言 对于p l c 的编程语言，最早采用的是广大电气工程技术人员所熟悉的继电 器控制线路的方式一一梯形图。梯形图方便直观，在计算机上和控制技术上被叫 做“面向生产过程的语言”。p l c 虽然历经了许多重大发展，但它却一直沿用至 今，而且仍然是编程人员的首选语言【1 1 】。 但是，梯形图纵然有许多优点，但对于逻辑控制以外的控制领域，编程难免 笨拙。自8 0 年代以来，为用户提供良好的界面( 包括编程环境和使用环境) 和 对多种编程语言的支持就成了p l c 的重要发展方向之一，也是p l c 受到广泛欢 迎的一个重要原因 1 9 】。 传统p l c 的一大缺陷是，世界上各大p l c 厂家的产品的硬件、软件的体系 结构都是封闭的而不是开放的，彼此互不兼容，有的差异还非常大，绝大多数的 p l c 都有自己的专用总线、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、语法结构又不一致。这给用户带来了诸多不便，也不利于p l c 程序的移植。为了解决这一问题，国际电工协会( i e c ) 在1 9 9 2 年颁布了i e c 6 1 1 3 1 ( 1 9 9 8 年之前称为“i e c l l 3 1 ”) 2 0 6 7 。这为各p l c 厂家编程的标准化铺平了 道路。 其中，1 e c 6 1 1 3 1 3 是i e c 6 1 1 3 1 的编程语言部分，它将软件工程、结构化、 模块化编程、面向对象的思想和网络通信等信息技术，引入工业控制领域，具有 更强的开放性，兼容性和可维护性，弥补了传统p l c 系统的弱点。与传统的p l c 编程语言相比较，前者具有如下的优点 6 7 1 ( 1 ) 丌放性，由于采用独立于制造商的一致性i e c 6 1 1 3 1 。3 标准化编程语言， 因而应用系统能最大限度地运行于来自不同制造商的p l c 之上。 北方工业大学硕士学位论文 f 2 ) 可移植性，允许程序在i e c 6 1 1 3 1 - 3 兼容系统上移植。 r 3 1 高水平软件的重复使用性和允许柔性地选择编程语言。一个程序的不同 部分可用任一种语言编程。 r 4 ) 类似高级语言的先进语言结构，支持“自上而下”和“自下而上”的结构化 程序开发，支持复杂的控制过程，支持结构化数据。 ( 5 ) 有很强的错误检测和纠错能力，能明显地提高程序数据和变量的可靠性。 ( 6 ) p l c 组态具有运行时行为特性。 正因为i e c 6 1 1 3 1 3 的优点突出，它已成为工业自动化中基础的国际标准。 标准化的开放系统是大势所趋，1 9 9 2 年总部设在荷兰的p l c o p e n 成立，目前， 多数的p l c 制造商，软件公司和研究院所已是这个国际组织的成员，如： s i e m e n s 、a b 、a b b 、g e 、m i t s u b i s h i 、f u j i 、s c h n e i d e r 都推出了符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的p l c ，此外有不少的1 p c 工控机、d c s 、h m i 等制造商配置i e c 6 1 1 3 1 3 编程软件【1 2 】。目前，和利时公司的f o p l c 采用i e c 6 1 1 3 1 3 编程语言。i e c 6 1 1 3 1 3 不仅描述了p l c 编程语言本身，还提供了综合的概念和建立p l c 项目的导则， 当工程设计人员熟悉了i e c 6 1 1 3 1 3 编程语言后，就能对上述多家生产的p l c 进 行编程设计 6 2 1 。 i e c 正在着手制定i e c 6 1 4 4 9 9 国际标准，这是专门为分布式p l c 制定的国 际标准。国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 中定义了5 种标准p l c 编程语言，它们是 2 2 【2 0 】： 1 梯形图( l i d ) ：适合于逻辑控制 2 功能块图( f b d ) ：适合于典型固定复杂算法控制如p i d 调节等。 3 顺序功能图( s f c ) ：适合于多进程时序混合型复杂控制。 4 指令表( i l ) ：适合于简单文本自编专用程序。 5 + 结构化文本( s t ) ：适合于复杂自编专用程序，如特殊的模型算法。 为了跟国际接轨和规范我国p l c 产业的发展，1 9 9 5 年，我国也我颁布了g b t 1 5 9 6 9 1 1 5 9 6 9 4 ，其中的第三部分就是专门关于编程语言的，内容与i e c l l 3 1 - - 3 一致。i e c 6 1 1 3 1 3 的修订版己于2 0 0 2 年年底左右公布，我国也将等同转化 为国内标准1 3 0 1 。 虽然我们不能指望在可预见的将来不同的p l c 系统之间能相互交换整个应 用程序，但是在符合1 e c 标准的不同系统之间，其语言元素和程序结构是相似的， 这个特点便于将程序移植到其它系统。对制造商而言，若其采用i e c 标准，就可 北方工业大学硕士学位论文 以把人力、物力集中到p l c 的硬件、网络或其他方面。p l c 软件编程语言采用 i e c l l 3 1 3 标准应该是p i _ c 的发展方向之- - 2 5 。 除了以上提到的五种语言外，现在，大型p l c 正越来越多地使用c 、b a s i c 等高级语言编程，这也从另一侧面说明p l c 的功能正在变得越来越强大。 1 4 开发遵循i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的新型p l c 的意义 首先，国内市场规模虽然庞大，但国外厂商和合资企业的销售额占去了中国 国内p l c 市场9 0 以上的销售额。这种局面主要是由于p l c 的核心技术牢牢掌 握在欧洲、美国、日本等工业发达国家手中的状况造成的。可编程控制器p l c 应用的情况往往体现着一个国家的工业自动化水平，大力发展p l c 对于我国来 讲是很重要的，不但能够摆脱p l c 技术和市场为发达国家所垄断的被动局面， 而且对于提高我国的自动化整体水平等都有深远的意义 5 1 1 。 第二，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。遵循 i e c 6 1 1 3 1 3 显然是我们的首要选择。i e c 6 1 1 3 1 3 对多种p l c 语言进行了支持， 而多语言支持的新型p l c 能使广大的计算机工程人员、机械工程人员、电气工 程人员能够较快地掌握p l c 的编程技术，这对推动p l c 在电气、机械工程中的 应用，提高我国制造业的自动化水平有着重要意义 5 1 1 。 1 5 本课题所做的主要工作 本课题的主要任务是开发出一个符合国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 可编程序控制 器的编程软件标准的基于p c 的p l c 用户软件集成开发平台，为我们自行开发 的可编程控制器提供一个友好、高效的编程环境。主要工作包括以下部分： ( 1 ) 项目的需求分析和总体设计 ( 2 ) 用户界面的设计与实现 ( 3 ) 编辑器( 包括梯形图编辑器、i l 编辑器和s t 编辑器) 的设计与实现 ( 4 ) 编译器( 包括梯形图编译器、i l 编译器和s t 编译器) 的设计与实现 ( 5 ) 用户文档管理的设计与实现 f 6 1 与硬件部分进行联机调试 f 7 ) 安装文件的制作 北方工业大学硕士学位论文 1 6 小结 本章首先概要地叙述了p l c 的发展历程与发展趋势，接着对p l c 的主要编 程工具和语言作了简单介绍，并对i e c 6 1 1 3 1 3 可编程控制器的编程语言的国际 标准作了介绍。最后介绍了研发基于i e c 6 1 1 3 1 3 的新型p l c 的意义及本课题所 完成的内容。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 第二章p l c 软件开发平台的需求分析和概要设计 为了保证软件的开发质量，软件设计时应以软件工程中的规范为指导，对软 件从定义到开发的各个环节做出合理的规划，认真实施，很好地实现预定的功能， 才能做到运行可靠，便于维护，并让用户满意。 2 1 软件工程基础 2 1 1 软件工程的定义 软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程学科，它采用工程的概念、原 理、技术和方法来开发与维护软件，把经过时间考验而证明正确的管理技术和当 前能够得到的最好的技术方法结合起来 3 6 1 。 2 1 2 软件的生存周期 软件工程强调使用生存周期的方法。在划分软件生存周期的阶段时应该遵循 的一条基本原则就是使各阶段的任务彼此间尽可能相对独立，同一阶段各项任务 的性质尽可能相同，从而降低每个阶段任务的复杂程度，简化不同阶段之间的联 系，有利于软件开发工程的组织管t 里 3 1 1 。 一般说来，软件的生存周期由软件定义、软件开发和软件维护三个时期组成， 每个时期又进一步划分为若干个阶段。 1 软件定义 软件定义阶段主要解决的问题是待开发的软件要做什么，要确定软件的处理 对象、软件与外界的接1 ：3 、软件的功能和性能、软件的界面以及有关的约束和限 制。它可分为如下三个阶段【3 l 】【3 6 】： _ 系统分析：系统分析的任务是确定待开发软件的总体要求和使用范围， 以及与之有关的硬件支撑软件的要求。 一软件项目计划：软件项目计划的任务是确定待开发软件的目标，对其进 行可行性分析，并对资源分配、进度安排等做出合理的计划。 _ 需求分析：需求分析的任务是确定待开发软件的功能、性能、数据、界 面等要求，从而确定系统的逻辑模型。 2 软件开发 北方工业大学硕士学位论文 软件开发阶段主要鳃决的问题是该软件“怎么做”，包括数据结构和软件结 构的设计、算法设计、编写程序、测试，最后得到可交付使用的软件，分为如下 阶段 3 6 1 ： 软件设计：软件设计分概要设计和详细设计，概要设计是模块分解，确 定软件的结构、模块的功能和模块问的接口，以及全局数据结构的设计。 详细设计的任务是设计每个模块的实现细节和局部数据结构。 - 编码：编码的任务是用某种程序语言为每个模块编写程序。 - 软件测试：软件测试的任务是发现软件中的错误，并加以纠正，产生软 件测试报告。 3 软件维护 在软件开发阶段结束后，软件交付使用，在整个使用期间，可能因为某种原 因而修改软件，这就是软件维护。它的任务就是为使软件适应外界环境的变化， 实现功能的扩充和质量的改善而对软件进行修改。 2 。2 项目概述 本项目来源于北京市教委立项支持的科研项目，项目编号为：2 0 0 2 k j 0 2 6 ，目 标是研发新型的p l c 系统。对于典型的p l c 系统，其逻辑结构如图2 - 1 所示【5 。 按钮 选择开关 限位 电源 接触器 电磁阀 指示灯 电源 图2 - 1 传统p l c 的逻辑结构 从图2 - 1 中我们可以看出，典型的p l c 系统主要由两部分组成：p l c 硬件+ 编程装置。同样，我们自行开发的p l c 系统也由这两部分组成。硬件部分找们 北方工业大学硕士学位论文 采用国外最新推出的新一代功能强大的单片机，该单片机内部集成了足够的存储 器、d 、d a 转换器等等。所以这款新型p l c 硬件可以简化成：c p u + 接口构 成，能够大大降低成本，提高硬件工作可靠性。对于编程装置，我们采用普通个 人计算机为基本编程工具，编程语言上遵循i e c 6 1 1 3 1 3 可编程序控制器的编 程软件标准【5 1 】。 我们在开发p l c 系统的过程中将整个p l c 系统的工作分为三大部分：硬件 设计部分+ 上位机用户软件集成开发环境部分+ p l c 运行系统的c 5 1 实现及下 载接口部分。其中的上位机软件开发环境正是本课题的任务所在。 2 3 软件需求分析 需求分析是软件生存周期中相当重要的一个阶段。其任务确定待开发软件的 功能、性能、数据、界面等要求。下面按照软件工程的要求，对p l c 软件开发 环境作需求分析，得出软件的功能、数据以及界面等方面的要求【3 6 】。 2 3 1 软件的综合要求 1 软件的界面要求 系统主要接收的外部输入数据有：用户的输入源程序和从p l c 硬件中读取 的数据；向外部输出的数据有：源程序的磁盘文件和发 送给p l c 硬件的用户程序及命令。 2 软件的功能要求 一个完整的、功能强大p l c 软件集成开发环境所涉 及的功能非常之多。对于典型的p l c 软件集成开发环境 ( s i e m e n s 公司的s i m a r