（机械电子工程专业论文）软plc通信接口的研究及实现.pdf

西华大学硕士学位论文 软p l c 通讯接口的研究及实现 机械电子工程专业 研究生马远佳指导教师秦付军 软p l c 技术是目前工业自动化领域研究的热点之一，相对于传统的硬p l c 而言，软p l c 具有开放的体系结构、更强的网络通讯能力和数据处理能力，能 更好地满足现代工业自动化的要求。由于工业控制中使用工控机的场合越来越 多，若仅仅将高性能的工控机作为下位机来运行控制程序，这无疑是对p c 强 大处理能力的巨大浪费，也不符合软p l c 节约成本的初衷，因此研究软p l c 通信接口，扩展基于p c 的软p l c 的功能是很有必要的。 目前软p l c 的研究仅侧重于对输入输出口的逻辑控制等方面的研究，而对 软p l c 的监控组态、数据管理等监控层和管理层的功能还有待完善。本文针对 目前软p l c 存在的不足，提出了一种软p l c 与组态软件相结合的体系结构， 从软p l c 通讯接口入手，通过软p l c 与组态软件以及i o 设备通讯，扩展了软 p l c 的监控层和管理层等高级功能。 本文首先通过分析组态软件和实时数据库的结构，研究了软p l c 与组态软 件实时数据库的通讯接口，并基于此方法开发了软p l c 与组态软件的接口模 块。然后讨论了使用与软硬件平台无关的数据描述语言x m l 作为描述软p l c 的数据文件的方法。最后以一个串口i o 设备为例子，通过模块化的方法编写 软p l c 的i 0 驱动，充分利用了组态软件强大的监控和管理功能，实现了i o 设备、软p l c 和组态软件的系统集成。 本文所完成的软p l c 通信接口程序经实际测试达到了本课题的要求，成功 的实现了软p l c 与组态软件和i o 设备的数据交换，完成了软p l c 的功能扩展。 关键词：软p l c ；实时数据库；组态软件；通讯接口；可扩展标记语言 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eo f s o f t p l c e l e c t r o n i c & m a c h i n e r ye n g i n e e r i n g m e c a n d i d a t e ：m ay u a n j i as u p e r v i s e db y ：q i nf u j u n t h er e s e a r c ho f , s o f l - p l cs y s t e mb e c o m e st h ef o c u so fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n f i e l d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp l c ，i th a so p e na r c h i t e c t u r e ，m o r ec a p a c i t yi n t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g b e s i d e s ，t h es y s t e mc a l lm e e tt h e r e q u i r e m e n to fm o d e mi n d u s t r ya u t o m a t i o nc o n t r 0 1 w i t ht h ei p ct ob em o r ea n d m o r eu s e di ni n d u s t r yc o n t r o l ，i ti sah u g ew a s t eo fp o w e r f u li p ci ft h e h i g h - p e r f o r m a n c em c m a c h i n e so n l yu s et or i mt h ec o n t r o lp r o g r a m m e ，a n di td o e s n o tc o m p l yw i t ht h ep u r p o s eo fs a v i n gc o s to ft h es o f t - p l c 。s ot h es t u d yo fs o f t p l cc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c et oe x p a n dp c - b a s e ds o f tp l cf u n c t i o ni sn e c e s s a r y a tp r e s e n t ，t h es t u d yo fs o f t p l co n l yf o c u s e do ni ol o g i cc o n t r o l ，b u tt h e f u n c t i o no fs u p e r v i s i n ga n dd a t am a n a g e m e n ta r ey e tt ob ec o m p l e t e t h o u g h a n a l y z e st h e d e f i c i e n c y 哐t h e s o i 怠- p l c ，t h es t m c t u r eo fs o f t p l cc o n n e c t e dw i t h c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ep a p e rs t a r tf r o ms o f t - p l c c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，t h r o u g h t h ec o m m u n i c a t i o no fs o f t p l cb e t w e e n c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n di od e v i c e ，e x t e n dt h es e n i o rf u n c t i o no fs o f t p l cs u c h a ss u p e r v i s i n ga n dm a n a g e m e n tf u n c t i o n a tf i r s t , b ya n a l y z i n gt h et h es t r u c t u r eo fr e a l t i m ed a t a b a s eo fc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e ns o f t p l ca n d r e a l - t i m ed a t a b a s eo fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，a n dd e v e l o p e dt h ei n t e r f a c em o d u l eo f s o f t p l ca n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h i sm e t h o d a n dt h e nt r yt ou s ex m l d a t ad e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，w h i c h i su n r e l a t e dw i t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p l a t f o r m ，a sd a t am a n a g e m e n td a t af i l e so fs o f t - p l c f i n a l l y , t a k eas e r i a li o i i 西华大学硕士学位论文 d e v i c ef o re x a m p l e ，d e v e l o p st h es o f t p l ci od r i v e r sa sm o d u l a r f u l l yu s e st h e p o w e r f u ls u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n tf u n c t i o n o fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，a n d r e a l i z e st h ei n t e g r a t i o nb e t w e e ns o f l p l ca n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h o u g h t h ea c t u a lt e s to ft h i ss o f t p l cc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，t h e p r o c e d u r e sc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es u b j e c t ，r e a l i z e dt h ed a t ae x c h a n g e b e t w e e ns o f t p l ca n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n di od e v i c e ，c o m p l e t e dt h e f u n c t i o ne x p a n s i o no ft h es o f t p l cf u n c t i o n s k e y w o r d s ： s o f l - p l c ，r e a l t i m ed a t a b a s e ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， c o m m u r t i c a t i o ni n t e r f a c e x m l i i i 西华大学硕士学位论文 声明 本人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 研究成果。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，也不包含为获得西华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。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，如果今后研究与论文相关课题需征得导师同意，特此声明。 1 尉 作者签名：均函耻乙呵年朋知1 日 剔程轹投瞒z 卞眵雕日 7 5 西华大学硕士学位论文 西华大学 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， 同意学校保留并自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，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密囹舌用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：马应篚 日期：卅岁叫 指导教师签名：层户学 日期：z 沙c i - 叫 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题的来源和研究意义 该课题的来源为：“四川省教育厅创新基金项目 。 本项目要求建立一套完整的软p l c 控制系统，该系统构建于普通工控p c 平台之上，以软件方法实现传统p l c 在逻辑控制、计算以及现场监控、数据管 理和网络等方面的功能，主要包括软p l c 开发系统、软p l c 与组态通信接口 软件以及适用于软p l c 的i o 接口驱动。 随着对工业自动化程度的越来越高，越来越多的控制设备和过程监控装置 在工业领域得到广泛运用，使得基于p c 的工业控制软件越来越受到用户和厂 商的重视。软p l c 技术与传统p l c 相比，以其开放性、灵活性和较低的价格 占有很大优势n 1 。另一方面，组态软件的出现克服了传统工业控制软件组件复 用率低，开发周期长的缺点，同时它还具有可扩充性、封装性、通用性等主要 特点。组态软件解决了如何与采集控制设备间进行数据交换，如何使来自设备 的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来，以及如何存储历史数据和历史 数据的查询等问题，这些都是目前软p l c 有所欠缺的地方乜1 。 而组态软件的这些特点与软p l c 的开放性、通用性以及能利用p c 机强大 的人机界面和数据处理能力的特点完全吻合。而且，通用组态软件一般都开放 了第三方程序的接日，方便其他程序存取其数据，如果能使软p l c 利用到组态 软件的这些功能，就能进一步简化工厂自动化的体系结构，把控制、通信、监 控、人机界面及各种特定的应用全都合为一体，运用于同一个硬件平台上。因 此，研究软p l c 与组态软件的接口，使软p l c 能与组态软件完美的结合起来 是非常有理论意义和实际意义的。 1 2 软p l c 技术介绍 所谓软p l c 技术，就是使用p c 机或者嵌入式设备作为硬件支撑平台，利 用软件实现标准硬件p l c 的基本功能。或者说，将p l c 的控制功能封装在软 件内，运行于p c 的环境中。这样的控制系统提供了与传统p l c 相同的功能， 并且具备了p c 机的各种优点口1 。软p l c 综合了计算机和p l c 的开关量控制、 西华大学硕士学位论文 模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网等功能，提供了强大的指令集、可 连接各种i o 系统及网络的开放式结构h 1 。 从某种程度上来说，软p l c 提供了与硬p l c 基本相同的功能，同时还具 有p c 环境的各种优点。用户可以自由选择p l c 的硬件，依靠p c 领域技术和 价格上的优势，从而摆脱硬p l c 制造商本身专有技术的限制啼1 ；用户可以用自 己熟悉的编程语言编制程序。软p l c 是集计算机技术、自动控制技术、仪表技 术和网络通讯技术为一体的新型控制技术哺1 ，它已成为开放式数控系统中p l c 的发展趋势。 目前，基于p c 的软p l c 系统已成为最受欢迎的工业控制方案，p l c 与计 算机已相互渗透和结合，不仅是p l c 与p l c 的兼容，而且是p l c 与计算机的 兼容使之可以充分利用p c 现有的软件资源。而且i e c 6 11 3 1 3 作为统一的工业 控制编程标准已逐步网络化，不仅能与控制功能和信息管理功能融为一体，并 能与工业控制计算机、集散控制系统等进一步的渗透和结合，实现大规模系统 的综合性自动控制。 1 3 基于p c 的软p l c 技术优势 与传统p l c 相比，基于p c 的软p l c 技术具有符合现代工业控制技术的许 多优点盯1 ： ( 1 ) 具有开放的体系结构：软p l c 能与多种i o 端口和现场总线的接口相 连，同时还具有第三方软件接口，支持多种编程语言。用户可根据自己的需求， 灵活扩展系统功能； ( 2 ) 遵循i e c 6 11 3 1 3 国际工业标准： ( 3 ) 基于p c 的一体化设计提高了控制器、人机界面和网络部件的数据交换 速度阳1 。能充分利用p c 机的硬件资源，如大容量的内存、高速c p u 及其它硬 件等； ( 4 ) 具有更强的数据处理能力“依托p c 机强大的硬件资源，软p l c 的处 理速度更快，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； ( 5 ) 具有友好的人机界面，便于操作； 2 西华大学硕士学位论文 ( 6 ) 具有强大的网络通讯功能：软p l c 既可以与企业管理信息系统相连， 便于企业的整合，也可以监控工厂的设备运行，实现数据传输以及在线监控、 编辑、仿真、调试等功能； ( 7 ) 能够执行比较复杂的控制算法：软p l c 除了能够完成传统p l c 的p i d 调节和离散i o 控制外，还能进行过程控制和运动控制； ( 8 ) 节约成本和培训费用：与传统的p l c 解决方案相比，基于p c 的自动 化控制系统有明显的性能价格优势。基于p c 的自动化控制系统可以减少设备 投资。系统集成简单、系统开放的特点使工程维护、培训的费用大大降低阳1 。 1 4 国内外发展状况及研究趋势 1 9 9 2 年，由p l c 用户与制造商在荷兰联合组成“p l co p e n ”组织，以组织 和推动i e c 6 11 3 1 3 标准的贯彻并向用户提供咨询服务为宗旨，使p l c 用户既 能选择自己所熟悉的编程语言，还能选择适合自己的i o 硬件组成控制系统n 0 i 。 i e c 6 1 1 3 1 3 编程标准的问世影响了开放式结构的形成，随之使得通用p c 有可 能代替传统p l c ，成为新型p l c ，即软p l c 1 。 随着微处理技术以及软件技术的迅速发展，使软p l c 也得到了长足的发 展，其技术和产品日趋完善。目前，国外许多工业控制系统开发商正着力开发 基于p c 的控制系统，在国外市场较常见的控制产品主要包括：法国c j i n t e m a t i o n a l 公司的i s a g r a f ，德国k w 公司的m u l t i p r o g ，b e c k h o f f 公 司的t w i n c a t 以及s o f l p l c 公司的s o f i p l c 等。其中作为典型的基于p c 的 控制系统，西门子公司生产的w 姒c 在我国得到了广泛的应用n 引。 目前在我国同样也有许多公司企业致力于p c 系统的研发。北京亚控推出 的k i n g c a t 内嵌8 0 多个标准模块，提供了仿真调试和远程监控、操作等功能。 大庆三维公司推出的控制策略生成器s t r a t e g y b u i l d e r 是一个既能在w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 n t 环境下运行，又可以运行于w i n d o w sc e 、d o s 等嵌入式环境的控 制功能软件模块，它采用功能框图的方式为编程者提供编程界面，并具备与实 时数据库、图形界面系统通讯的功能。沈阳研制的n c s - - - s o f ip l c ，由一虚拟 机( v i r t u a lm a c h i n e ) 代替硬p l c 中的c p u 完成读取、解释、执行指令等功能， 其编程环境由图形编辑器和编译系统组成。广州蚁象自动化控制有限公司开发 西华大学硕士学位论文 的r p l c 基本达到了国外软p l c 的性能指标。除此之外，国内的一些高校也就 部分基础技术进行了研究。其中东南大学开发的面向d c s 控制组态软件中涵盖 了一些软p l c 功能。华中科技大学对软p l c 技术进行了大量的研究，并取得 了一定的成果。国家数控系统工程与研究中心对开放式数控系统中的软件p l c 技术进行了研究，其中主要研究了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。清华大学制造 工程研究所研制了眷种基于 r tl i n u x 实时操作系统的软件p l c ，既可以作为一 个独立模块和不同的c n c 系统协同工作，也可以嵌入到t h h p i i 型数控系统 内部在同一台计算机上运行，其实时性和可靠性已在国产t h m 5 6 6 0 h 和 t h 5 4 5 6 立式加工中心上得到了充分验证。此外，西安交通大学、西北工业大 学、北京工业大学也就此作了一些基础性的研究工作n 引。 个人计算机技术的迅猛发展，使得p c 成本不断降低，其速度和可靠性不 断提高，因而p c 体系结构逐渐被越来越多的人所接受，其应用范围也随之变 得广泛。在这种情况下，促使各控制系统生产厂家纷纷推出以p c 机作为控制 系统软、硬件平台的控制系统。基于p c 的控制系统是国际上继p l c 和d c s 之 后推出的工业控制系统，目前在工业控制领域越来越受到重视，并得到日益广 泛的应用同时由舌计算机软件技术、硬件技术的飞速发展，以及工控领域国 际编程标准i e c 6 11 3 1 3 的制定和推广，使得在工业p c 上以软件技术实现硬 p l c 的功能，即软p l c 技术，成为了一项有开发潜力的新兴技术n 4 1 。 1 5 本课题研究的主要内容 要实现软p l c 与组态软件以及其它扩展模块的接口最主要的工作就是软 p l c 通信接口部分的开发。软p l c 通信接口分为两部分，其一是针对于组态软 件以及实时数据库的通信，第二是软p l c 与i o 设备的通信。本课题主要完成 了软p l c 通信接口部分的研究。以下四点为本课题所做的主要工作： ( 1 ) 项目的需求分析和总体设计； ( 2 ) 软p l c 与组态软件接口程序的设计与实现； ( 3 ) t o 设备驱动模块设计与实现； ( 4 ) 仿真模块的设计。 4 西华大学硕士学位论文 最后，本文设计了一个基于串口的仿真i o 设备，用来实现软p l c 、组态 软件与串口v o 设备的联调实验。 西华大学硕士学位论文 2 系统总体分析与设计 2 1 软p l c 系统体系结构 本课题研究的软p l c 是指基于p c 机，建立在w i n d o w s n t 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，同时 通过i o 驱动模块以及现场总线等物理设备完成现场数据的采集以及信号的输 出。软p l c 系统由开发系统和运行系统两部分组成，它的系统整体架构设计如 图2 1 所示： f i g u r e2 1t h ef l a m eo fs o f t - p l cs y s t e mb a s e do ni e c 6 11 31 3 图2 - 1 符合i e c 6 11 3 1 3 标准的软p l c 体系结构 开发系统基于i e c 6 11 3 1 1 标准，完成控制程序的编写和调试，它以工业控 制中最常用的梯形图或语句表为编程方式完成程序的编写，并通过编译器完成 语法检查和目标代码的连接工作，最终生成可执行的目标代码。运行系统是整 个软p l c 系统的核心部分，它与组态软件实时数据库的接口问题是实现软p l c 与组态软件无缝集成的基础。运行系统包括软p l c 运行虚拟杌、i o 驱动和虚 拟仿真程序三大部分u 副。软p l c 运行虚拟机负责执行由开发系统编译控制程序 西华大学硕士学位论文 生成的目标代码，由p c 机执行整个控制流程，通过i o 驱动程序不断扫描读 取i o 设备的状态信息，经过虚拟机的处理，向i o 口输出相应的控制信号。 当没有外接i o 设备的时候，编程人员则通过虚拟仿真程序来模拟硬件设备， 软p l c 运行虚拟机直接与虚拟的设备通信，在计算机上进行程序的调式与排 错，可大大缩短程序的开发周期。 2 1 1 系统软硬件平台 软p l c 系统具有良好的开放性，其硬件平台可以有多种选择，既可以是传 统的p l c 硬件，也有当前较流行的嵌入式芯片，而网络环境下的p c 或者d c s 系统更是软p l c 系统的优良硬件平台。在这种控制方案中，系统的软件平台可 以采用w i l l d o w s n t 或l i n u x 等实时操作系统作支撑。基于p c 平台开放、经济、 数据处理能力强的特点，本文采用基于p c 平台的软p l c 系统，同时也只有在 p c 平台上才能充分的发挥软p l c 高级管理和监控的功能，才能将组态软件的 优越性充分发挥出来。 2 1 2 开发系统 软p l c 开发系统主要由编辑器、编译器、和仿真器三部分组成，它完成传 统硬p l c 的编程和调试功能。开发控制程序首先在编辑器中完成梯形图等应用 控制程序的编辑，然后通过编译器完成程序的连接和编译，并对其中的语法、 语义错误进行分析和处理，之后将代码编译成为目标文件，即将源程序编译成 运行系统可以识别和运行的目标代码，最后通过软p l c 运行系统读取控制程 序，执行控制过程。其中仿真模块则为用户提供了在没有相关硬件的情况下检 查控制应用程序的运行结果与预期的是否相吻合的调试环境“6 | 。 软p l c 的开发系统符合i e c6 11 3 1 3 标准，能将五种语言编译成目标代码 经过连接后下载到硬件系统中，同时应具有对应用程序的调试和与第三方程序 通信的功能，其组成如图2 2 所示n 刀。 开发系统主要具有以下特点： ( 1 ) 开放的控制算法接口，支持用户自定义的控制算法模块； ( 2 ) 仿真运行实时在线监控，可以方便地进行编译和修改程序； 8 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 支持数据结构，支持多种控制算法，如p i d 控制、模糊控制等； ( 4 ) 编程语言标准化，它遵循i e c 6 i1 3 1 - 3 标准，支持多种语言编程。并且 各种编程语言之间可以相互转换； ( 5 ) 拥有强大的网络通信功能，支持基于t c p i p 网络，可以通过网络浏览 器来对现场进行监控和操作。 f i g u r e2 - 2 t h ed e v e l o ps y s t e mo fs o f t p l c 图2 - 2 软p l c 开发系统组成 2 1 3 运行系统 负责与工业控制现场数据采集的i 0 模块采集上来的输入信号被软p l c 运 行系统处理之后，软p l c 开发系统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的控制现场，从而完成相应 的控制功能。软p l c 的运行系统针对不同的硬件平台开发出的基于i e c 6 11 3 1 3 标准的虚拟机，完成对目标代码的解释和执行。这一部分是软p l c 的核心，完 成输入处理、程序执行、输出处理等工作。对于不同的硬件平台，运行系统还 必须支持与开发系统的通信和相应的i o 模块的通信。软p l c 运行系统通常由 i o 接口、通信接口、系统管理器、错误管理器、调试内核和编译器组成n 引： ( 1 ) i o 接1 ：3 ：与i o 系统通信，包括本地f o 系统和远程i o 系统，远程 i o 主要通过现场总线i n t e r b u s 、p r o f i b u s 、c a n 等实现； ( 2 ) 通信接口：使运行系统可以和编程系统软件按照各种协议进行通信： ( 3 ) 系统管理器：处理不同任务、协调程序的执行，从i o 映像读写变量； ( 4 ) 错误管理器：检测和处理错误。 9 西华大学硕士学位论文 2 2 组态软件系统分析 本文以力控组态软件为例，力控组态软件的基本结构由实时数据库r t d b 、 v i e w 变量数据库，和人机界面三部分组成，实时数据库是力控软件系统的数 据处理核心，它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、 数据服务请求处理等n 钔。组态软件所有的上层功能都是通过调用实时数据库生 成的基础组态数据来实现的。变量是组态软件进行内部控制、运算的主要数据 成员，是v i e w 中编译环境的基本组成部分。人机界面程序运行时，工业现场 的状况要以数据的形式在画面中显示，其中所有动态表现手段，如数值显示、 闪烁、变色等都与这些数据相关。同时操作人员在计算机前发送的指令也要通 过它送达现场，工业现场的生产状况将实时地反映在变量的数值中。 图2 3 直观的表示出了力控组态软件的数据处理流程：i o 连接项配置完成 后，硬件设备的寄存器的内容通过i o 通讯便采集到实时数据库的点参数里( 缺 省为p v ) ，在组态开发环境中完成数据库变量组态后，实时数据库的点参数 自动便映射到v i e w 数据库变量里，然后在界面运行系统的画面上动态显示， 从而完成整个数据的采集过程。 v w r t d b i o s e r v e r 扩展组件 - - - - _ _ _ 一 控制策略 c o m m b r i d g e n e t s e r v e r o d b c r o u t e r o p c s e r v e r p o r t s e r v e r f i g u r e 2 3s y s t e ms t u e t u r eo fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 图2 - 3 组态软件的系统结构 在图中可以看出，实时数据库是组态软件的核心和引擎，实时数据库及时 准确地与现场数据通信是整个控制系统正常运转的基础。同时实时数据库也是 联系图形界面子系统、历史数据库子系统、报表子系统、报警子系统的桥梁和 纽带。历史数据的存储与检索、报警处理与存储、数据的运算处理、数据库的 1 0 西华大学硕士学位论文 冗余控制、i o 数据连接都是由实时数据库系统完成的。图形界面系统、i o 驱 动程序等组件以实时数据库为核心，通过高效的内部协议相互通信，共享数据。 2 3 系统设计目标和要求 软p l c 运行系统与组态软件接口程序主要完成系统初始化、数据连接、数 据查看、程序执行、与组态软件输入输出数据交互、与下层i o 设备通信等功 能。考虑到实际应用以及满足企业使用的需要，本系统应能达到以下基本的设 计目标和要求啪1 ： ( 1 ) 系统集成性 开发软p l c 与组态软件接1 ：3 程序，应当整合软p l c 控制能力和组态软件 的实时监控、数据管理的相关功能，实现软p l c 与组态软件的无缝集成，能够 充分利用p c 强大的数据处理能力实现软p l c 的高层应用。 ( 2 ) 实时性 实时性是指工业控制计算机系统应该具有的，能够在限定的时间内对外来 事件做出响应的特性。作为一个实时系统能够对采集的数据进行及时的存储、 显示，并且对设备报警和异常情况立刻进行处理。实时系统可接受的延迟依赖 于处理过程的动态特性。 ( 3 ) 高可靠性 在计算机、数据采集控制设备正常工作的情况下，当监控组态软件的目标 应用系统所占的系统资源在不超负荷时，则要求软件系统稳定可靠地运行。如 果对系统的可靠性要求得更高，除了提高软件的可靠性之外，在硬件方面还可 以利用冗余技术构成双机乃至多机备用系统。 ( 4 ) 良好的可维护性和扩充性 组态软件主要的功能模块以组件的形式进行构造，不同的组件有着不同的 功能，且各自相对独立。软p l c 应能作为独立的模块运行于组态软件之上，并 且提供一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用v i s u a lc + + 、v i s u a l b a s i c 等高级开发语言和工具编制特定的组件来扩充系统的功能。 2 4 系统总体设计 西华大学硕士学位论文 随着计算机操作系统稳定性和监控组态软件可靠性的提高，提高监控组态 软件的控制功能水平和软p l c 的数据管理能力就变得越来越重要了。尤其是在 少量监控点数的应用场合，p c 机中插入或用串口连接一、两块i o 板卡，只要 在监控组态软件中进行一些简单的组态工作，就会完成用户所需要的控制功能， 而且还降低了监控系统成本。因此研究软p l c 与组态软件之间的接口，将组态 软件的功能无缝集成到软p l c 中是有理论意义和实际意义的。 2 4 1 软p l c 与组态软件通信接口模型 现有的通用监控组态软件以计算机为基本工具，为实施数据采集、过程监 控、生产控制提供了基础平台，其监控和管理功能已经非常的完善。因此如何 将监控组态软件的强大功能与软p l c 有机结合起来是目前软p l c 发展中亟待 解决的问题乜。本文提出一种软p l c 实现监控层和管理层功能的方法，其思想 是基于p c 机强大的数据处理能力和友好的人机界面( h m i ) ，研究软p l c 与 组态软件间的接1 2 1 ，利用现有组态软件强大的人机界面模块和大量的图形实例， 通过监控组态软件完善的解决方案，使控制现场的实时数据通过软p l c 与上层 组态软件交互，实现对软p l c 的功能扩展，最终形成具有监控层和管理层功能 的完整的软p l c 系统。 开发系统 运行系统 软p l c 运行虚拟机 组态软件 人机界面 t 区域变量d b 报警 盆析i 实时数据库 f i g u r e2 - 4t h es y s t e mo fs o f t p l cw i t hc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 图2 _ 4 集成组态软件的软p l c 系统体系结构 1 2 翠墨 西华大学硕士学位论文 本文讨论的基于p c 的软p l c 与组态软件接口的模型如图2 4 所示，它主 要由开发系统、运行系统和组态软件三大基本模块组成。开发系统负责程序的 编辑，主要有语句表和梯形图等编写方式，软件将编译好的目标代码转化为 x m l 文件格式，下载到运行系统中通过软p l c 运行虚拟机执行心2 1 ，通过i o 设备驱动实现外部i o 接口的控制，执行结果反馈到组态软件的实时数据库中 进行组态，同时组态软件也能将用户的控制信息反映到运行系统中来。 软p l c 运行系统、开发系统和i o 设备的数据映射关系如图2 5 所示。在 软p l c 的运行系统中开辟一组数字和模拟量的输入输出空间，以数组的形式存 在于内存中，i o 设备的输入输出口通过数据连接组态接口与运行系统中的输 入输出数组相关联，不同的设备所对应的输入输出数组元素的个数以及位置都 不尽相同。而软p l c 开发系统中梯形图所描述的各个输入触点和输出线圈则与 输入输出数组存在一一对应的映射关系。这样，通过软p l c 运行系统的输入输 出数组，就将外部i 徊设备的输入输出口与软p l c 运行系统内部的数据联系起 来，从而可以通过软p l c 与实时数据库的通信接口将外部数据反应到组态软件 画面中。而软p l c 梯形图的编程人员不需要了解输入触点和输出线圈与内存 f o 点的对应关系，而由软p l c 的编译系统根据开发时所针对的硬件，通过i 0 设备驱动自动分配这种映射关系。 f i g u r e2 - 5r e l a t i o n so fs o f tp l cm e m o r ym a p p i n g 图2 - 5 软p l c 内存映射关系 西华大学硕士学位论文 2 4 2 软p l c 与组态软件接口功能分析 软p l c 通过通信程序从现场设备获得实时数据，由运行系统对数据进行必 要的处理后，一方面将数据上传到组态软件实时数据库中，以图形的方式直观 地显示在计算机屏幕上，另一方面按照组态要求和操作人员指令将控制数据送 给i 0 设备，对其实施控制或调整控制参数。本文设计的这种组态软件与软p l c 的接口方案，主要实现以下功能乜3 1 ： ( 1 ) 实时数据库从软p l c 运行虚拟机中读取设备的运行状态信息，如i o 点的个数、类型、名称、变量值等内容，并存入实时数据库中供上层监控和管 理模块调用。 ( 2 ) 运行虚拟机从实时数据库中接收来自监控层的控制信息，在虚拟机中 计算出结果等待输出。 ( 3 ) 运行虚拟机通过i o 驱动接1 ：3 读取设备的参数值，包括i o 点的个数、 类型、名称、变量值等内容。 ( 4 ) 运行虚拟机通过i o 驱动接口向相应的外部设备输出控制命令，状态值 等信息。 2 4 3 软p l c 与i o 通信接口结构 软p l c 与i 0 通信接口可以通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、t c p i p 或d l l 方式与 组态软件通讯构成监控和数据采集系统，软p l c 控制功能的实现要与相应的 i o 模块或现场总线配合，而且将软p l c 开发系统设计的应用程序下载到软p l c 运行系统由被执行才能完成相应的控制。这些i o 模块和现场总线负责现场输 入信号的采集以及信号的输出，而软p l c 则完成对输入信号的处理、控制程序 的执行、信号的输出处理。 系统的软件平台可以采用w i l l d o w s n t 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f o 模块) 负责与工业控制现场打交道， 采集来的输入信号被软p l c 运行系统处理，软p l c 开发系统( 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 控制现场( 本地或远程) 完成相应的控制功能，其控制原理如图2 - 6 所示。 1 4 西华大学硕士学位论文 软p l c 运行系统 匪亘匿卜一 耍 i o 板卡 id l i 。ii a l i oi 。l 。一 f i g u r e2 6s t r u c t u r eo fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns o f t p l ca n di o 图2 - 6 软p l c 与i o 通信接口结构 2 5 软p l c 运行系统工作流程 软p l c 的工作流程与硬p l c 相类似，硬p l c 的一个扫描周期可分为三个 阶段：输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段心们。 在输入采样阶段，p l c 以扫描方式顺序读入所有输入端的o n o f f 状态， 并将此状态存入输入映象寄存器。接着转入程序的执行阶段。在程序执行期间， 即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫 描周期的输入处理阶段才能被读入。 在程序执行阶段，p l c 按先左后右、先上后下的步序，逐条执行程序指令， 从输入映象寄存器和其它元件映象寄存器中读出有关元件的o n o f f 状态： 根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的元件映象寄存器件中，即 对每个元件而言，元件映象寄存器中所寄存的内容会随程序的进程而变化。 第( n - 1 ) 个。 第n 个扫描周期 第( n + 1 ) 个 一 k 扫描周期 71 扫描周期 血各山瞳j j 毒雾 。 用户程序执行 铪山犀i i 室异 1 h qu j ，p 1 口y i r1 输入采样 1 输出刷耵 f i g u r e2 7w o r kp r o c e s so fs c a n n i n g 图2 7p l c 扫描工作过程 篓一 西华大学硕士学位论文 当所有指令执行完毕后，进入输出刷新阶段，p l c 将输出映象寄存器的 o n o f f 状态转存到输出锁存器通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端 子，向外输出控制信号，这才是p l c 的实际输出。 p l c 的c p u 采用顺序扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或 逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不会立即 动作，必须等扫描到该触点时才会动作。p l c 的工作时序图如图2 7 所示5 l 。 软p l c 运行虚拟机系统仿照了硬p l c 循环扫描的工作原理，在系统初始 化之后，加载软p l c 开发系统编译生成的程序文件目标代码，然后读取i o 设 备的的状态值存放在变量中，完成输入采样阶段。之后根据变量值的状态根据 目标代码执行程序，将输出变量的值更新，完成程序执行阶段的工作。最后通 过i o 设备驱动将输出变量的值发送到i o 设备，完成一个周期的输出刷新， 然后不断循环，直至程序停止。软p l c 运行虚拟机执行流程如图2 8 所示，系 统初始化之后，软p l c 运行虚拟机在后台通过实时数据库接口模块实时的与组 态软件进行数据交互，以保证软态软件画面与数据的实时性。 1 6 西华大学硕士学位论文 f i g u r e2 - 8v i r t u a lm a c h i n eo fs o f t - p l cf l o wc h a r t 图2 - 8 软p l c 运行虚拟机执行流程图 2 6 系统开发环境 本系统采用v i s u a lc + + 6 0 以及a c t i v e x 控件技术开发。v i s u a lc + + 6 0 能够 成为当今最流行的软件开发工具之一，与其卓越的性能分不开。它汇集了微软 公司的技术精华，不仅全面贯彻了面向对象技术，而且在编译优化技术上与其 它同类工具相比具有明显的优势。 本文所开发的软p l c 与组态软件实时数据库的接口使用的是模块化的 a c t i v e x 技术。a c t i v e x 技术是m i c r o s o i t 对于一系列策略性面向对象程序技术 和工具的称呼，其中主要的技术是组件对象模型( c o m ) 。组件的一大优点就 是可以被大多数应用程序再使用( 这些应用程序称为组件容器) 。a c t i e x 控件 是一种直接插入到应用程序中的软件模块，它为完成某些特定的功能提供了专 西华大学硕士学位论文 门的函数，在使用a c t i e x 控件的时候并不需要对它的内部机制有太多的了解， a c t i e x 控件具有以下特点。 封装性：a c t i e x 控件为需要用到的功能提供了接口函数，无须理会控件内 部运行过程，降低了应用程序的复杂性和开发人员的负担。 继承性：a c t i e x 控件插入在其他的类或过程中，以类为基类的派生类也可 以使用a c t i v e x 控件完成自己的工作。 通用性：a c t i v e x 控件与具体的编程语言无关，对应于每一种编程语言有 不同的函数( 功能相同) ，适用范围广泛。 a c t i v e x 控件一般是以动态链接库的形式保存，这种动态链接库的扩展名 为o c