（计算机应用技术专业论文）编译型plc运行系统的设计与实现.pdf

【- 一 l i i i ii i ii t lll l lll l llu l y 1714 8 01 at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ea p p l i c a t i o no f t h em a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h er u n n i n g s y s t e mo fc o m p i l e dp l c c a n d i d a t e ：y ix i a o f e n g s p e c i a l t y ： c o m p u t e ra p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r ：c h e n gg u a n g h e s h a n d o n gi n s t i t u t eo fl i g h ti n d u s t r y , j i n a n ，c h i n a j u n e ，2 0 1 0 i 心i 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，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。 论文作者签名： 日期：江年月乒日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校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，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 导师签名： 日期：吐年月缍日 日期：竺么! 年月之日 q 山东轻t 业学院硕l ：学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题的来源、背景和意义1 1 2 课题的目标1 1 3 课题的主要工作1 1 4 论文结构。1 第2 章软p l c 系统概述3 2 1 软p l c 发展历史3 2 2 软p l c 系统的国内外研究现状4 2 3 软p l c 的硬件构成5 2 4 软p l c 系统工作原理7 2 5 软p l c 控制方案8 2 6 解释型和编译型软p l c 的系统模型分析9 2 6 1 解释型软p l c 系统模型9 2 6 2 编译型软p l c 系统模型1 0 2 7 软p l c 系统的软件构成1 1 2 7 1 解释型软p l c 系统的软件构成11 2 7 2 编译型软p l c 系统的软件构成1 2 第3 章编译型p l c 运行系统的研究与实现1 3 3 1 编译型软p l c 运行系统的运行模式1 3 3 1 1 运行模式的选择1 3 3 1 2 运行模式的实现15 3 1 2 1 解释型p l c 运行模式的实现1 5 3 1 2 2 编译型p l c 运行模式的实现1 7 h 录 3 2 编译型软p l c 运行系统的内存分配19 3 2 1 内存系统区域的划分19 3 2 2 用户变量区首地址在内存中的固定2 0 3 2 3 分散加载机制2 0 3 3 运行系统的闪存管理2 5 3 4 运行系统的i o 管理2 9 3 5 运行系统的时钟管理2 9 3 6 运行系统的串口通讯3 0 3 7 运行系统的通讯协议3 5 3 8 运行系统中异常的处理看门狗技术一4 l 3 8 1 看门狗技术的引入4 l 3 8 2 看门狗技术的工作原理4 l 3 8 3a r m 中的看门狗定时器( w d t ) 4 1 第4 章编译型p l c 运行系统的测试实验4 5 4 1 测试硬件平台介绍4 5 4 2 上位机软件开发环境介绍4 6 4 3 下位机软件开发环境介绍4 6 4 4 位逻辑单条指令测试4 7 4 4 1 实验步骤4 7 4 4 2 指令测试实验4 7 实验l 逻辑与指令测试4 7 实验2 逻辑或指令测试4 8 实验3 逻辑非指令测试4 9 实验4 块与指令测试5 0 实验5 块或指令测试5 0 实验6 定时器指令测试5 1 第5 章总结与展望5 5 5 1 总结5 5 5 2 展望。5 5 参考文献5 7 2 山东轻丁业学院硕l ：学位论义 附录6 l 附录ai a p 命令操作的实现6 l 附录b 运行系统的i o 管理函数6 3 附录c 时间管理函数6 5 附录d 邮件分拣语句表6 6 附录e 邮件分拣实验连线图7 4 致诫1 s 在学期间主要科研成果7 7 3 山东轻t 业学院硕 ：学位论文 摘要 作为工业自动化三大支柱性产业之一的重要基础设备一可编程控制器 ( 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 ，简称p l c ) ，在工业生产的各个行业中发 挥的作用越来越大。然而，这么重要的工业基础设备，国内的市场一直是被国外 几家大公司的产品所垄断，比如西门子，a b ，欧姆龙，三菱，g e 等等，长期受 制于外资，必将影响我国经济的安全，所以我们必须要自主创新，在工业自动化 的领域中，需要有自主知识产权的p l c 出现，不能对p l c 的研究只停留在消化水 平的阶段上。然而在硬件设计方面，为我们提供物质基础和为我们提供超过国外 现有产品机会的，正是这几年来先进的高性能单片机技术的飞速发展和同益成 熟，本文对p l c 运行系统的工作原理、控制方案、系统模型和软件构成分析后， 提出了编译型p l c 的运行系统设计方案，整个方案包括编译型软p l c 运行系统的 运行模式的实现、内存分配、闪存管理、i o 管理、时钟管理、串口通讯和异常 中断的处理。在山科p l c 的硬件平台上，搭建了一个p l c 的最小系统。整个最小 系统分划分为八个部分：内存分配、闪存管理、i 0 管理、时钟管理、串口通讯、 通讯协议、异常处理和运行模式，论文将从以上几个方面对编译型p l c 的运行系 统进行详细地阐述。为了对系统功能的测试，文中在最后对位指令进行了测试和 综合测试实验。本文介绍的p l c 运行系统实现了一个编译型p l c 运行系统的基本 功能，但是要使其各项功能臻于成熟，还需要进行更进一步的分析、研究和调试 工作，如果要应用到工业控制的现场，成为一个合格的产品，则需要对本文介绍 的p l c 运行系统作更精进的研究工作。本文对自主研发的编译型p l c 运行系统进 行了积极地研究和有益的探索。 关键词：可编程控制器；编译型p l c ；运行模式 i a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo ft h et h r e em a j o rp i l l a r si na u t o m a t i o ni n d u s t r y , p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) w h i c hi sav e r yi m p o r t a n ti n d u s t r i a le q u i p m e n tp l a y sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fi n d u s t r ym a n u f a c t u r e h o w e v e r , s u c ha c r u c i a li n d u s r i a l f a c i l i t y , t h eh o m em a r k e th a sb e e nm o n o p o l i s e db yt h ep r o d u c to ff o r e i g nc o m m p a n i e s a l lt h et i m e s u c ha ss i e m e n s 、a b 、o m r o n 、m i t s u b i s h i 、g ea n ds oo n t h ee c o n o m i c s e c u r i t yi no u rc o u n t r yt h a ti se n s l a v e dt of o r e i g np r o d u c t sw i l lb ee f f e c t e d ，s ow e m u s t h a v ea u t o n o m o u si n n o v a t i o n s ，w em u s th a v eo u rp l cw h i c hh a sp r o p r i e t a r y i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yf i g h t si nt h ef i e l do fi n d u s t r y , t h er e s e a r c ho fp l c c a nn o ts t o pa t t h es t a g eo fd i g e s t h o w e ri nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，w h i c hp r o v i d e su sm a t e r i a lb a s i s a n dt h eo p p o r t u n i t yt h a tw ec a no v e r t a k ef o r e i g np r o d u c t si st h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ea d v a n c e dh i g hp e r f o r m a n c eo fs i n g l e c h i p sw h i c hb e c o m em o r ea n dm o r e m a t u r e t h ep a p e rw h i c ha n a l y s e st h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fp l cr u n n i n gs y s t e m ， c o n t r o l l i n gs c e n a r i o ，s y s t e mm o d e l ，s o f t w a r ec o m p o n e n t s ，a d v a n c e s t h es y s t e md e s i g n s c h e m eo fc o m p i l e dp l c ，i n c l u d i n gt h eo p e r a t i o nm o d ei m p l e m e n t e d ，t h em e m o r y a l l o c a t e d ，t h ef l a s hm a n a g e m e n t ，t h ei om a n a g e m e n t ，t h et i m em a n a g e m e n t ，t h es e r i a l p o r tm a n a g e m e n t ，t h ec o m m n u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h ee x c e p t i o n - h a n d l e r t h ea u t h o r d e s i g n e dt h ec o m p i l e dp l cn m n i n gs y s t e m ，b u i l d i n ga l e a s ts y s t e mi nt h eh a r d w a r e o fs kp l c t h ew h o l es y s t e md i v i d e di n t oe i g h tp a r t s ：t h em e m o r ya l l o c a t e d 、t h ef l a s h m a n a g e m e n t 、t h ei om a n a g e m e n t ，t h et i m em a n a g e m e n t 、t h es e r i a lp o r tm a n a g e m e n t 、 t h ec o m m n u n i c a t i o n p r o t o c o l 、t h ee x c e p t i o n h a n d l e ra n d t h eo p e r a t i o nm o d e ，t h i s p a p e rw i l le x p a t i a t et h ec o m p i l e dp l cr u n n i n gs y s t e mf i o mt h ea b o v ea s p e c t s t h e p a p e rp r e s e n t sb i ti n t r u c t st e s t e de x p e r i m e n t sa n dc o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t i no r d e r t o t e s tt h es y s t e mf u n c t i o n t h ep l cr u n n i n gs y s t e mw h i c ht h ep a p e ri n t r o d u c e d i m p l e m e n t st h eb a s i cf u n c t i o nt h a tar u n n i n gs y s t e mo fc o m p i l e dp l c h a s ，b u ti fy o u m a k ee v e r yf u n c t i o nb e c o m em a t u r e ，m o r ea n a l y s i s ，r e s e a r c ha n dd e b u g g i n gw o r kw i l l b en e e d e d i fi ti sa p p l i e di nt h ee n v i r o n m e n to ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o l ，b e c o m i n ga q u a l i f i e dp r o d u c t s ，m o r ea n dm o r er e s e a r c ho nt h ep l c w h i c ht h ep a p e ri n t r o d u c e d w i l lb ed o n e t h ep a p e rm a k ea na c t i v er e s e a r c ha n dh e l p f u le x p l o r a t i o n so nt h e h o m e m a d ec o m p i l e dr u n n i n gs y s t e mo fp l c k e yw 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 , c o m p i l e dp l c ，r u n n i n gm o d e l 山东轻t 业学院硕i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、背景和意义 本课题来源于山东省计算中心s k 系列p l c 项目的一部分，主要研究编译 型p l c 运行系统的设计与实现。 本课题是在软p l c 技术同益成熟背景下，对编译型p l c 运行系统的研究和 设计，为改变我国工业制造水平的落后现状，开发具有自主知识产权的技术产品， 缩小与发达国家的差距尽微薄之力。 随着我国加入w t o 后市场的开放和经济全球化的发展，我国落后的制造业 将面临更为严峻的挑战，因而要充分利用信息技术来促进我国装备制造业的改 造、提升和转型。编译型软p l c 产品在提高数控系统整体性能、降低成本等方 面都起着重要的作用，因此开发编译型软p l c 产品在我国现阶段具有重要的现 实意义。 1 2 课题的目标 设计和实现一个最小编译型软p l c 的运行系统，为以后产品的升级打下基 础。 1 3 课题的主要工作 编译型软p l c 系统中的运行模式、内存、i o 管理、闪存管理、时钟节拍、 串口通讯、通讯协议的研究与实现。 1 4 论文结构 第一章是绪论，对p l c 进行了概述，介绍了软p l c 系统的国内外研究现状， 课题的来源，背景，意义、目标和主要做的工作。第二章是对软p l c 系统的整 体介绍，包括软p l c 的硬件构成，软p l c 系统工作原理和控制方案，分析比较 了解释型p l c 和编译型p l c 的特点和软件构成。第三章介绍了运行系统中关键 技术的研究与实现，包括运行模式的选择与实现、内存、闪存、时钟、串口通讯、 通讯协议、异常处理的研究与实现。第四章介绍了编译型p l c 运行系统的测试 实验。第五章是总结与展望，总结本文工作，并阐述下一步的研究方向。 山东轻丁业学院硕【：学位论文 第2 章软p l c 系统概述 本章介绍了软p l c 系统结构和工作原理、软p l c 的三种控制方案，分析比 较解释型软p l c 和编译型软p l c 两种模型，最后给出了本系统的软件结构。 2 1 软p l c 发展历史 以计算机技术为基础的新型工业控制装置的工业控制计算机( 简称工控机) ， 目前已成为工业控制的标准设备，是实现生产自动化的最佳配套产品，被广泛地 应用于各行各业，而工业可编程序控制器( p l c ) 贝j j 在工控领域中占据主要的地 位。p l c 及其网络构成了现代制造业自动化的三大支柱( p l c 、机器人、c a d c a m ) 之一，近年来在工业领域得到越来越广泛的应用。 传统意义上的可编程逻辑控制器( p o r g r a m m b a l ei 乃g i ec o n o r t l l e r , 简称p l c ) 2 1 是2 0 世纪6 0 年代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制 装置【3 】【4 1 。其设计的基本思想是把计算机的功能完善、灵活、通用等优点和继电 器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来。但是，随着时间 的推移，传统p l c 本身存在的很多缺点被人们逐渐认识到，由于商业竞争，没 有明确统一的标准，使得传统p l c 的生产厂商各自生产的产品不能够相互兼容， 造成很难构建一种开放的硬件体系结构；由于各个p l c 生产厂商生产的p l c 产品 各具特色，使得各种p l c 在编程方面有很大的不同，这就造成了p l c 在编程技 术方面具有较强的专有性，工作人员要想驾驭某一种p l c 产品的编程方法，必 须要进行较长时间的专业培i j l l ；另外由于几家厂商对传统p l c 的生产经营权的垄 断，造成了p l c 的性价比增长速度一直非常迟缓【l 】。研究人员为了解决这些制 约传统p l c 发展的问题，一直在苦苦地找寻这些问题的答案。 随着在p l c 方面的国际标准e i c 6 11 31 的产生与计算机技术和微电子技术在 上个世纪9 0 年代中期的快速发展，出现了软p l c ( s o p t f l c ) 技术，打破了传统p l c 局限性。这种软p l c 技术【5 】，就是利用p c 机强大的数据处理功能，让其作为软 p l c 的硬件支撑平台，而传统p l c 中标准硬件的基本功能利用软件来实现。就 是在软件内将p l c 的控制功能进行封装，在p c 的环境中运行。这种用p c 作为 硬件平台，用软件来实现标准硬件p l c 的基本功能，并对其进行封装的控制系 统简称p c 控制【3 a , 5 】，它拥有p c 的各种优点，又能提供p l c 相同的功能。使得 人们在当时一致普遍认为在工控领域中传统p l c 产品的时代将会终结，软p l c 产品将会很快地将其取代，并成为工控领域中的主导，但是事情的发展并不会随 3 第2 章软p l c 系统概述 着人们的意愿发展下去，软p l c 技术的发展在2 0 世纪9 0 年代后期受到了制约， 其在发展中受到的制约主要有以下几个方面：用p c 作为软p l c 的硬件支撑平台， 其控制引擎不能很好的满足硬实时性能的要求：软p l c 产品的标准语言没有受到 供应商的重视，他们对标准编程语言普遍缺乏认识：p c 硬件无法很好地适应复杂 的工业现场环境等等，这些问题导致了软p l c 技术的发展进入了短暂的低嵛阶 段川。 到了本世纪初，处于困境中的软p l c 技术在嵌入式系统的飞速发展下，重 新找到了发展的起点。在这种背景下，软p l c 技术和嵌入式系统的珠联璧合， 产生了嵌入式软p l c 技术【6 】f 7 】【8 】。这种嵌入式软p l c 产品不但将基于p c 平台的 p l c 产品的种种弊端消除了，而且在很大的程度上节约了成本。嵌入式软p l c 从工作方式【9 j 来看，可以分为两种：一种是解释型p l c ；一种是编译型p l c ，后 一种p l c 是本文要介绍的。解释型p l c 将程序分为解释系统和用户指令两个不 同的部分。解释系统类似于一个虚拟机，逐条翻译用户指令，完成对应的操作。 用户指令仅仅是解释系统中可以识别的数据，可以自行定义，和处理器指令系统 无关。编译型p l c 不存在解释系统和用户指令的划分。编译的结果就是处理器 能够直接执行的二进制指令，而这些指令的执行能够实现梯形图的图形化逻辑。 解释系统比较灵活，但执行效率不高，常用在小型p l c 中。编译型p l c 具有更 高的定制能力，效率也很高，常用在大中型p l c 中。 2 2 软p l o 系统的国内外研究现状 软p l c 产品的研发在欧美发达国家中，都被作为非常重要的投资对象，现 在市场上流行的软p l c 产品是比较多的，现在国内能见到的软p l c 产品有德国 西门子公司的s i m a t i c 、m a n c 、德国i n o f l e m a 公司的o p e p n c s 、k w s o f t w a r e 公司的m u t l i p r o g w t 3 2 、法国w o n d e r w a r e 公司的i n c o n t r o l 7 0 以及 c j i n e t m a t i o n a l 公司的i s g a r a f 等。 下面对这几种软p l c 产品进行一下简单的介绍： ( 1 ) i n f o t e a m 公司的产品o p e n p c s o p e n p c s 是由两部分组成：o p e n p c s 编程工具和运行系统，可以用来实现 i e c 6 1 1 3 1 3 编程语言的开发工具。编程工具是一种以w i n d o w s 系统为平台的 i e c 6 1 1 3 1 3 编程软件：为了能够实现自动化的编程内核部分，系统在运行时需要 通过系统移植技术，嵌入到用户的自动化设备中，。o p n e p c s 是一种源码开放的 产品，可以允许用户根据自己开发的需要，对其软件本身进行灵活的修改，以适 应自己将要开发的产品或系统的要求。 ( 2 ) w o n d e r w a r e 公司的i n c o n t r o l 7 0 4 山东轻t 业学院硕f ：学位论文 开发环境实现了集成化，编程简单，人机界面软件h m i 拥有良好的接口， 支持s f c 、l d 、f b d 三种编程语言，用文件的形式对每个程序进行管理。 ( 3 ) k w s o f t w a r e 公司的m u l t i p r o g 叭3 2 m u l t i p r o g w t 3 2 与v c + + 的开发界面十分类似，完全符合i e c 6 11 3l 国际 标准，而且开发环境集成化，对五种编程语言支持( - - 种图形语言f s c 、l d 、f b d 和两种文本语言s t 、l i ) ，其中f b d 、l d 、s f c 三种图形语言，在编程方面非 常的直观而且也很方便，并且其仿真程序做得也比较完善，但对五种编程语言之 问的相互转换不支持。 ( 4 ) c j i n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g r a f 对变量的使用情况可以通过变量交叉表进行查询，不论是用c 语言编写的 功能块，还是用任何标准p l c 语言编写的功能块，也可方便的嵌入或者加入到 晕面去，同时还可以编译生成能在不同c p u 上执行的代码，其仿真程序做得也 比较完善，在仿真运行也可以对源程序进行监控，可以运行在任何一种配有i o 模块的p l c 、工业计算机或者微处理器中，开发环境为多窗口界面，没有集成化， 不完全符合e i c 6 11 3 1 国际标准。 目前国内一些具有研发实力的自动化软件公司积极自主创新，研究和开发拥 有自主知识产权的软p l c 产品，此外一些自动化工程公司也有开始代销和推广 应用这些商用化的软p l c 产品。从总体上来说，软p l c 技术的发展在中国还刚 刚开始起步。 2 3 软p l c 的硬件构成 p l c 作为单片机的应用产品之一，其核心部件也是单片机，而p l c 与单片 机的区别就在于单片机出厂后的功能是固定的，用户不可修改，而p l c 可以用 户根据自己的需要来编写程序，实现自己需要的功能。p l c 的硬件平台上，包括 以下几部分【l u 】： c p u ：这是整个硬件平台上面的核心部件，负责整个可编程控制器p l c 的数据 处理和信息控制【l l 】【1 2 】。它根据p l c 系统程序中规定的功能对用户程序和数据进 行接收并将其存储，对现场输入装置送来的状态或数据采用扫描梯形图或扫描指 令的方式来完成采集，并将其存储到规定的寄存器中，与此同时，要对电源和 p l c 内部电路的工作状态和在编程过程中出现的语法错误进行诊断等。 在衡量p l c 性能的指标中，其中最重要的就是c p u 速度的快慢和内存容量 的大小是，因为p l c 工作效率的高低、i o 数量的多少和软件容量的大小等，是 由它们直接决定的。 i o 模块：输入输出部分( i o ) 完成了p l c 与电气回路的接口工作【1 3 】。p l c 的i o 5 第2 章软p l c 系统概述 电路集成在了i o 模块中，输入信号状态和输出锁存器状态分别由其输入暂存器 和输出点来反映。电信号变换成数字信号进入p l c 系统是由输入模块来完成的， 而p l c 系统将数字信号输出变换成电信号则是由输出模块来完成的。i o 分为模 拟量输入( a i ) 、模拟量输出( a o ) 、数字量输入( d i ) 、数字量输出( d o ) 等模块。 有如下常用的i o 分类： 模拟量：按精度分，有1 6 b i t ，1 4 b i t ，1 2 b i t 等。按信号类型分，有电流型( o 2 0 m a ， 4 2 0 m a ) 、电压型( 一1 0 1 0 v ，o 1 0 v ，0 5 v ) 等。 开关量：按隔离方式分，有晶体管隔离和继电器隔离，按电压水平分，有2 4 v d c 、 1 1 0 v a c 、2 2 0 v a c 。 除了上面介绍的通用i o 外，还有一些比较特殊i o 模块，比如脉冲模块、 热电阻模块、热电偶模块等。 i o 模块规格大小及其数量多少是由i o 点数来确定的，但是c p u 所能管理 的基本配置的能力即最大的底板或机架槽数限制了i o 模块数量的最大数。 电源模块：p l c 各模块的集成电路所需的工作电源是由p l c 电源模块为其提供 的。有的输入电路所需的2 4 v 工作电源还需要p l c 电源模块为其提供。电源输 入类型有：直流电源( 常用的为2 4 v d c ) ，交流电源( 2 2 0 v a c 或1 1 0 v a c ) 。 底板或机架：模块式p l c 大多数使用机架或底板，其作用是：在机械方面，各 模块通过机架或底板实现了物理上的相互连接，使各模块能够组成一个整体；在 电气方面，各模块通过机架或底板实现了相互联系，使c p u 能访问底板上的所 有模块。 编程设备：编程设备的作用是对p l c 以及p l c 所控制系统工作状态的监控、编 程以及对系统作出的一些设置，在p l c 维护检查、应用开发以及运行监测中， 是必不可缺的设备，在现场控制运行中，编程设备并不直接参与。目前我们系统 的上位机，也就是运行编程软件的计算机一般用来充当编程器。 人机界面1 1 4 l ：指示灯和按钮是人机界面中最简单的形式，在当下随着触摸屏( 或 液晶屏) 应用的范围越来越大，用计算机( 运行组态软件) 来充当人机界面的一体式 操作员终端非常普及。p l c 系统的控制如下图所示： 6 山东轻t 业学院硕l ：学位论文 图2 1p l c 系统的控制示意图 2 4 软p l c 系统工作原理 软p l c 系统工作原理的过程与传统p l c 的十分相像。用户程序首先由用户 通过p l c 编辑系统在p c 机上开发完成，编译完成确认没有错误后，下载到下位 机的运行系统，在其启动后运行从上位机上下载下来的用户程序，从而来实现用 户想要完成的控制功能。传统p l c 工作原理采用循环扫描的方式，软p l c 运行 系统的工作方式与其相同，也是采用这种方式，具体来说，分成三个阶段，即输 入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段【1 5 】。 输入采样阶段，对所有输入端的状态p l c 采用顺序扫描的方式读入，输入映 像寄存器将读入的状态进行存储。输入映像寄存器中存储的内容，在以后的程序 执行过程中，不会随着输入状态的变化而改变。只有在输入采样阶段的下一个工 作周期，将所有输入端的状态读入到输入映像寄存器中后，其存储内容才发生变 化。 程序执行阶段，对p l c 程序中的每条指令，p l c 按先上后下、先左后右的顺 序进行扫描，对所有的输入状态，从输入映像寄存器读入。然后才进行逻辑运算， 输出映像寄存器用来存放逻辑运算后的结果。 输出刷新阶段，本阶段是p l c 的实际输出，输出映像寄存器在用户程序中所 有指令运行结束后，将所有的输出状态存储到输出锁存器，来实现输出线圈的驱 动。下图是软p l c 工作流程。 图2 2 软p l c 工作流程 7 第2 章软p l c 系统概述 2 5 软p l g 控制方案 软p l c 的硬件平台一般是通用计算机( p c ) 、嵌入式控制器或工业控制计算 机( i p c ) ，商业操作系统是其软件平台，软p l c 的技术标准是对外丌放的。虽 然传统的p l c 系统和软p l c 系统在软件和硬件平台上有所差异，但是从系统的 构成上来讲，都分为开发系统和运行系统两部分【i5 1 ，它们在实现p l c 功能f i 勺软 件结构方面也是一样的。开发系统开发出来的p l c 应用程序，用来完成各种工 。 业控制，而要实现逻辑控制，运行系统需要在现场总线等的配合下，通过运行 p l c 程序来完成。软p l c 的控制方案根据其硬件平台的差别，分为以下三种不 同的方案： ( 1 ) 基于传统p l c 控制方案 在这种方案中，p l c 开发系统一般运行在p c 上，而p l c 的运行系统在传统 p l c 硬件上面运行，其整个控制方案的示意图如2 3 所示 f 溉l , t t t f l ：, , 粥黻l i 较眦黢藏 黼。 ji 1 r 软p l c 鼢系统 遇懦- q l lr现场i 0 信号i 图2 3 基于传统p l c 控制方案示意图 ( 2 ) 基于嵌入式微控制器的控制方案 在该控制方案中，开发系统运行于p c 机上，充分利用了p c 机强大的数据处 理功能，而运行系统则作为固件，固化在了嵌入式控制器, p t l 7 】，其整个控制 方案的示意图如2 5 所示 图2 4 基于嵌入式微控制器方案示意图 ( 3 ) 基于p c 或i p c 的控制方案【1 8 】【1 9 】【2 0 】【2 l j 在该控制方案中，硬件平台选的是普通p c 或者是i p c ，w i n d o w sn t 是其软 件平台的一般选择。在本方案中，同一台计算机上面同时运行了开发系统和 运行系统，其控制方案的示意图如2 4 所示 8 山东轻t 业学院硕 ：学位论文 图2 5 基丁p c 或i p c 控制方案示意图 如果软p l c 的运行系统采用传统p l c 硬件，则投入的成本较高；如果硬件 平台采用p c 或者i p c ，投入的成本不是很高，但是作为软件平台的w i n d o w sn t 不是硬实时性的操作系统，对实时性要求较高或者的工业控制来，无法保证控制 的确定性，而且p c 机的体积较大，在许多的工业控制领域根本没法应用。 在以上介绍的软p l c 的控制方案中，基于嵌入式微控制器的控制方案由于 它的开发系统运行在p c 平台上，运行系统运行在拥有嵌入式微处理器的嵌入式 硬件平台上，因此它既有效地克服了基于p c 或i p c 的控制方案的弊端，同时由 于嵌入式微处理器的价格不是很高，其处理数据的能力比起传统硬件p l c 系统 来毫不逊色，非常适合于分散式控制1 2 2 j 。 2 6 解释型和编译型软p l c 的系统模型分析 2 6 1 解释型软p l c 系统模型 图2 - 6 是解释型软p l c 2 3 】的系统模型，在解释型软p l c 中，开发系统位于 p c 上，一般都是集成开发环境，支持梯形图的编辑和编译。在p l c 产品出厂前， 厂家都把设计好的p l c 解释程序固化在p l c 下位机运行系统中了。解释型软 p l c 中，每一条语句表指令在上位机的编译系统中生成中间代码后，在下位机的 运行系统中都对应了一个相应的函数，由语句表指令构成的用户程序经过编译生 成中间代码后，下载到下位机上，通过散转程序跳转到其对应的函数上面。散转 程序其实就是个利用散转表来实现程序间接跳转的过程，其关键就是要建一个散 9 第2 章软p l c 系统概述 一jh j 舶龋“：t k 。彩私慨一j j2 t 融。? 饿。j 值埘f i 。露i 锄z 锄镛戮，善? 铋缸。勰鳓妇貔 图2 6 解释型软p l c 的系统模犁 转表。图2 7 是解释型软p l c 运行系统的执行过程示意图。在下位机的运行系 统中每执 r 1 ， r b l f u n g 0 0 穷o 子程序 r lb l f l m g 0 1f 啪g 0 l獬 一一冉 l ) 、 、 图2 7 解释型软p l c 运行系统的执行过程示意图 行一条指令就要有一次的跳转，跳转到散转表中，查找到相应的子程序，等到相 应的子程序执行完毕后，再跳回到主程序。这样的设计模型虽然比较灵活，用户 在编写完应用程序时，可以边下载运行，边调试。在调试过程中，如果发现程序 有错误，则通过通信接口上传到上位机中。但这种设计模型的缺点也是显而易见 的，在一个用户程序中，如果一条指令的执行次数是上万次，则程序就要来回跳 转上万次，对实时性要求很高的控制领域来说，这并不是一种很好的选择，而且 由于受到通信速率的限制以及p l c 下位机中装载的庞大解释程序，在一定程度 上，不但传输速率会受到影响，而且c p u 的利用率也会大大折扣，加大了下位 机c p u 的负担。 2 6 2 编译型软p l c 系统模型 编译型软p l c t 2 4 】【2 5 】与解释型软p l c 相比，最大的区别在于，编译型软p l c 1 0 山东轻t 业学院硕l ：学位论文 把原来在解释型软p l c 中下位机的解释工作，全部挪到上位机上面，充分利用 p c 机强大的数据处理能力。这样做的好处一是减轻了下位机的负担，不需要同 时装载解释系统，运行程序的大小完全取决于用户应用程序的大小；二是增加了 输入输出接口的灵活性，通过把输入端点设置成内部联接形式和微处理器端口类 型，使硬件端口能够综合利用，这样的设计有利于以后指令系统的扩展1 26 。，图 2 8 是编译型软p l c 的示意图。 图2 8 编译型软p l c 的示意图 2 7 软p l o 系统的软件构成 2 7 1 解释型软p l o 系统的软件构成 从p l c 的程序应用的角度来划分，p l c 软件可以分为两个部分：一部分是由 厂家开发的系统监控程序，它是每一个可编程控制器成品必须包括的部分，用于 控制可编程控制器本身的运行；另一部分是用户程序，由可编程控制器使用者编 制的，用于控制被控装置的运行。 通过上面的对解释型软p l c 模型的分析介绍，我们知道解释型软p l c 由位 于上位机的集成开发环境和固化在下位机的p l c 解释系统构成。上位机的集成 开发环境支持梯形图或者是指令表的编辑及编译功能，其编辑系统能够实现梯形 图和指令表的编写功能。在有些上位机的集成开发环境中，还支持下载和模拟运 行。用户在上位机用梯形图或指令表语言编写好用户程序后，由编译系统生成中 间代码，下载到下位机中，由下位机的解释系统解释执行。下图是解释型软p l c 系统构成。 图2 9 解释型软p l c 系统构成 第2 章软p l c 系统概述 2 7 2 编译型软p l c 系统的软件构成 编译型软p l c 系统的软件【2 7 】【2 8 】构成与解释型软p l c 最大的不同在于，上位 机的集成开发环境，将用户程序编译后不再生成的是中间代码，而是可以在下位 机直接执行的十六进制h e x 文件，下位机也不再是系统解释程序，而是能够直 接执行由上位机生成的h e x 文件的运行系统【2 9 1 。下图是编译型软p l c 系统的软 件构成 图2 1 0 编译型软p l c 系统构成 1 2 山东轻t 业学院顾 ：学位论文 第3 章编译型p l c 运行系统的研究与实现 3 1 编译型软p l c 运行系统的运行模式 3 1 1 运行模式的选择 用户在电脑上绘制的梯形图逻辑【3 0 】【3 1 1 在下位机硬件平台上的a r m 芯片实现 其功能，有两种方式，一种是采用扫描方式，就需要将梯形图原封不动的( 或者 采用某种压缩) 按照某种格式下载到a r m 芯片中去。a r m 芯片可以通过扫描 这些数据，分析得到虚拟能流应当的流向，从而做出相应的逻辑动作或者是功能 块操作。一般来说，这种实现方式对梯形图的每个梯级大小有一定的限制( 最大 行数和最大列数) 。这是因为资源和效率的因素，能流分析只有在指定行数和列 数的情况下才能得到较好的优化( 比如说行数最多限制为8 行的话，那么显然前 导列能流就可以用