（计算机软件与理论专业论文）基于组件技术的开放式数控系统离散逻辑控制技术的研究.pdf

摘要 摘要 数控技术在制造业中占有重要地位，而开放式数控系统是目前数控技术的发 展方向。开放式数控系统对外提供的功能主要是运动控制和离散逻辑控制的功 能，在开放式数控系统发展之初实现离散逻辑控制功能的主要是以硬件为核心的 p l c 系统，随着开放式数控系统的发展，以p c 为硬件平台，用软件来实现p l c 的功能( 即软p l c ) 成为开放式数控系统中p l c 的发展趋势。 基于软件复用的思想，本文首先对p l c 所应用的领域进行了领域分析，建立 了领域分析模型，然后在此领域分析模型的基础上根据用户对于本p l c 系统可以 执行的外部操作设计了本软p l c 系统的体系结构，为了适应用户需求的不断变化 和使系统模块容易集成和替换，本系统决定采用了组件技术，将系统结构进一步 划分为完成系统功能的各类组件。 在实现系统组件时，难点是实现p l c 控制程序的编译系统，本文详细叙述了 p l c 编译系统的实现，首先采用正规式表达p l c 控制语言中的基本单词结构的语 法结构，在有效表达了这种语法结构的基础上就可以构造利用有上述正规式组成 的正规集建立p l c 控制程序的词法分析系统。然后可以使用带有回溯特征的l r 分析法解决语法分析过程中产生的移进归约冲突。最后，由于p l c 控制程序在执 行时具有外部信号触发的特性，因此为了解决程序动态执行的问题引入了p e t r i 网技术，利用基与p e t r i 网结构的依赖链辅助程序执行，该依赖图反映了程序之 间的相互依赖关系，在程序执行时根据依赖图反映的关系决定那些程序可以执 行。 总之，本文所开发出的p l c 系统适应用户需求变化能力强，系统模块容易集 成和替换，运行效率高，非常适合应用于开放式数控系统。 关键字开放式数控系统；编译系统；软p l c ip e t r i 网 北尿i 业大学i 学硕士学位论文 a b s t r a c t n ct e c h n o l o g yi sp l a y i n gav e r yi m p o r t a n tr o l ei nm a n u f a c t u r i n gf i e l d f u n c t i o n sp r o v i d e db yo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma r em a i n l yc o m p o s e d o fm o v i n gc o n t r o la n dd i s p e r s i n gl o g i c a l c o n t r 0 1 d u r i n gt h ei n i t i a lo f o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mt h ep l cs y s t e mb a s e do nh a r d w a r eis m a i n s t r e a m w i t ht h ed e v e l o p m e n to f o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，b a s e d o np cr e a l i z e dw i t hs o f t w a r ew h i c hc a l l e ds o f tp l ch a sb e e nt h et e n d e n c y o fm o d e r np l c b a s e do nt h ei d e ao fs o f t w a r er e u s e ，t h i si s s u ef i r s t l ya n a l y s i st h e f i e l do ft h ea p p l i c a t i o no f p l c ，c o n s t r u c t i n gt h em o d e l o fa n a l y s i s ， a n dt h e nc o n s t r u c tt h ea r c h it e c t u r e o ft h ep l cs y s t e mint e r mo ft h er e q u e s t o ft h eu s e r i no r d e rt oa p p r o p r l a t ef o rt h ee a s i l yc h a n g e dr e q u e s to ft h e u s e r ，t h i ss y s t e ma d o p tt h ec o m p o n e tt e c h n o l o g ya n dd e s i g nt h en e c e s s a r y c o m p o n e n to ft h iss y s t e m t h e d i f f i c u t y i n r e a l i z i n g t h i s s y s t e m i st h e r e a l i z i n g o fp l c c o m p i l i n gs y s t e m ，t h i s i s s u ed e s c r i b et h er e a l i z i n go fp l cc o m p i l i n g s y s t e mi n d e t a i l f i r s t l y ，u s i n gr e g u l a r i t yf o r m u l a re x p r e s s i n gt h ep r i m a r y w o r d u s e di np l cc o n t r o ll a n g u a g e ，a n dy o uc a nc o n s t r u c t t h el e x i c a l a n a l y s i ss y s t e mu s i n gr e g u l a r i t ys e tc o m p o s e do fr e g u l a r i t y f o r m u l a r s m e n t i o na b o v e s e c o n d l y ，u s i n gl ra n a l y s i sm e t h o dw h i c hc o n t a i n st r a c i n g s t r a t e g yd e a l i n gw i t ht h ec o n f l i c to fn a t u r a l i z a t i o na n di n d u c t i o n d u r in g t h ep r o c e s so fs y n t a xa n a l y s i s f i n a l y ，u s i n gr e l y i n gl i n k l i s tw h i c hb a s e d o nt h et e c h n o l o g yo fp e t r in e tt a c k l et h ed y n a m i ce x e c u t i o no fp l c p r o g r a mb e c a u s ep l cp r o g r a mi s i n v o k e db yo u t e rs i g n a l i ns u m ，t h es y s t e mt h i si s s u ed e s c r i b e d ，a p p r o p r i a t ef o rt h ef r e q u e n t l y c h a n g e dr e q u e s to ft h eu s e ra n dt h ec o m p o n e n t sc o m p o s e do ft h i ss y s t e m c a nb ee a s i l yi n t e g r a t e da n dr e p l a c e d s ow ec a nd r a wt h i sc o n c l u s i o nt h a t t h i ss y s t e mi sf i t f o rt h eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d so p e nn u m e r i cc o n t r o ls y s t e m ；c o m p i l es y s t e m ；s o f tp l c ；p e t r fn e t ，i l - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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了谢意。 签名：盘盛日期：趟：6 ：f 占 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 开放式数控系统及其发展动态 数控技术是一门由机械学，电子学，控制论，计算机四大基础学科发 展起来的综合性新兴学科，数控技术是数控机床的核心技术，而数控机床 又是推行f m c ( 柔性制造单元) ，f m s ( 柔性制造系统) ，以及c i m s ( 计算机集 成制造系统) 等的基础，数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基 础技术，对国民经济的发展起着重要作用。 开放式数控系统的研究从8 0 年代开始，到现在还没有形成统一的规 范，但普遍赞同的观点是“1 ：开放式数控系统是模块化、开放型、嵌入式 的系统，其核心是建立一种向数控系统的第三方软、硬件开发商、机床制 造商和最终用户都开放的体系结构和标准，使数控系统不依赖特定厂家 达到可互连、互操作、可重组和可的目的。开放式数控系统能够兼容市 场上提供的各种软硬件资源，能够根据用户的要求通过增加或减少模块 来增减系统功能，能够实现与其它应用系统的通讯及协调工作。 9 0 年代开始，一些发达国家针对c n c 面临的问题和开放式数控系统发 展的必然趋势，为占领数控市场，以设计生产开放式数控系统为目标，在 自动化领域对开放式数控系统做了大量的开发和研究工作，相继推出了 自己的开放式体系结构规范。3 。1 9 8 9 年，美国有政府资助的n g c ( n e x t g e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 研究计划，作为开放性结构控制器的标准提案 受到广泛关注。n g c 与传统的c n c 的显著差别是它基于”开放体系结构”， 其首要目标是开发”开放式系统体系结构标准规范( s p e c i f i c a t i o nf o r a n0 d e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d ，s o s a s ) ，此规范用来管理工作 站和机床控制器的设计和结构组织。n g c 计划于1 9 9 4 年完成了原形设计， 并转入了工业开发应用。在n g c 计划的指导下，美国的f o r d ，g m 和 c h r y l s e r 等公司联合推出了o m a c ( o p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r i o l l e r s ) 计划。3 ，其目的是，开发一种模块化的可重构控制系统，能 适应新技术的发展和用户需求，随时可纳入或集成模块化软件与硬件，使 北京工业大学3 2 学硕士学位论文 之重构成一个高效的控制器，以实现具有低成本、少维护、开发周期短、 更新换代快等特点的控制系统。与n g c 同步，1 9 9 4 年，日本也启动了一项 开放系统计划o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计 划。其主要内容是基于p c 平台的开放式系统，宗旨就在于确定”不依赖与 特定卖主的开放性控制器”的结构。这一计划由3 家机床企业( 东芝机械、 丰田工机、山崎) 与3 家信息系统开发企业( 日本i b m ，三菱电机，s m l ) 发 起，提出了控制器的分层模型，明确了各层次模块的功能、服务内容和接 口规范。此外，还定义了一种新的n c 语言f a d l 语言。1 9 9 1 年t 0 月， 一项涉及欧洲各国的控制系统计划o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o rc o n t r o l l e rw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 开始启动，它是欧洲各国 的合作计划，立足于提高机床和控制系统制造商在世界市场中的竞争力。 其主要任务是制定一个与制造商无关的开放控制系统结构。o s a c a 计划 的成功将减少新产品的上市时间，提供更强的客户定制功能和柔性程度， 减少了开发、维护、培训和文档建立的费用。 自改革开放以来，我国数控技术的开发研究有了较快的发展，尤其是 经过将近二十年的发展，截止到2 0 0 0 年开发了具有我国自主版权的两个 基本系统( 即平台) ，四种数控系统及其派生产品。它们是，中华i 型( 中国 珠峰公司) 、航天i 型( 航天数控集团公司) 、蓝天i 型( 中科院沈阳计算 所) 、华中i 型( 华中理工大学) 。这些高档数控系统的开发成功，使我国 数控技术有长足的进步，也给我国数控发展带来了新的机遇。 开放式数控系统对外提供的主要功能是运动控制和离散逻辑控制， 在开放式数控系统的发展初期，负责离散逻辑控制的主要是以硬件为核 心的p l c 系统，随着开放式数控系统的发展，以p c 为硬件平台，用软件 来实现p l c 的功能( 即软p l c ) 成为开放式数控系统中p l c 的发展趋势。 1 1 2 开放式数控系统的特点 开放式数控系统是由一系列逻辑上独立的部件构成的，部件间的接 口以及部件与实验平台的接口己预先定义，并允许来自不同厂家的部件 协调工作，从而形成一个完整的控制系统。该系统可运行于不同的平台之 上，并为用户和其它自动化系统提供完整一致的界面。开放式数控系统具 有以下基本特征： 1 )互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 。通过提供标准化接口、通信 和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行 与系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。 2 )可移植性( p o r t a b i l i t y ) 。系统的功能软件与设备无关，即应 用统一的数据格式、交互模型、控制机理、使构成系统的各 功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。 3 )可扩充性( s c a l a b i l i t y ) 。c n c 系统的功能、规模可以灵活设 置，方便修改，既可以增加硬件或软件构成功能更强的系统， 也可以裁减其功能以适应低端应用。 4 )可互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) 。指构成系统的各硬件模 块、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据其功能、 可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运行。 满足这些特点的系统能根据用户的需求，迅速、高效、低成本的构建 面向用户，具有广泛兼容性的控制器，而这一过程并不依赖于某一控制器 制造商，且可融入用户的专用功能，从而是最终用户、机床制造商和控制 器开发商在设计、实现、安装、操作、维护、重配置等多方面受益。 1 1 3 开放式数控系统的体系结构 根据开放式数控系统的定义，一个开放式数控系统可以分为两个部 分：统一的系统平台以及由各功能结构单元的对象( a r c h i t e c t u r e o b j e c t 功能元对象) 组成的应用软件模块“1 。 图卜1 开放式数控系统体系结构 f i g 卜1a r c h i t e c t u r eo fo p e nn u m e r i cc o n t r o ls y s t e m 北京工业大学t ：学硕j 学位论立 如图卜1 所示，数控系统的系统平台由系统软件和系统硬件组成，系 统硬件由机床的功能配置决定，它不依赖某一硬件制造商。系统软件由两 部分组成：系统核心软件( 如操作系统、通讯系统、动态的实时配置系 统等) 和可选的系统软件( 如数据库系统、图形系统等) 。系统平台提 供的服务是通过标准应用程序接口a p i 来实现的。a p i 是系统功能对象 进入系统平台的唯一途径，它一方面隐藏了系统平台提供的一系列服务 的真实实现，使硬件与软件独立，另一方面提供了各种功能元对象在各 种平台上的统一接口。在这个系统平台上，用户可以任意选购不同的供 应商提供不同的功能模块，来构筑自己所需要的控制系统。 一个典型的开放式体系结构应具有三个重要的组成部分：参考结构 ( r e f e r e n c ea r c h i t e c t u r e ) 、通讯系统( c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、配置系统 ( c o n f i g u r a t i o ns y s t e m ) 。通讯系统解决各个功能元对象( a o ) 模块如何在独 立于系统的情况下交换信息，它包括信息传送系统( m t s ) 和应用服务系 统( a s s ) 。参考结构描述了一个控制系统由哪些功能元对象模块组成以及 这些功能元对象模块提供什么开放式接口：配置系统划分系统平台所需 实例化的a o ，并对它进行配置。参考结构包含各种功能单元( 如轴控制、 运动控制等) 、客户应用( 如人机控制等) 和功能单元组( 如逻辑控制、过程 控制等) 。p l c 作为参考结构的一部分，位于开放式数控系统的体系结构 上层，p l c 在数控系统中主要执行离散逻辑控制的功能。 1 1 4p l c 发展历史与现状 可编程逻辑控制器p l c 。1 ( 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 ) 是微机 技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制 器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字 控制的专用计算机。国际电工委员会( i e c ) 。1 先后于1 9 8 2 年1 1 月和1 9 8 5 年1 月颁布了可编程逻辑控制器标准的第一稿和第二稿，对可编程逻辑 控制器做了如下的定义：“可编程逻辑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，它采用一类可编程序的存储器， 用于在内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操 第1 苹绪论 作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类 型的机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工 业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计。”近年来，p l c 技 术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中 得到极为广泛的应用。 在2 0 世纪6 0 年代末，美国最大的汽车制造商通用汽车公司( g m ) 为了适应汽车型号不断更新的需要，试图寻找一种新的生产线控制方法， 使之尽可能地减少设计继电器控制系统的工作量以及尽量地减少控制系 统硬连接线的数量以降低生产成本，缩短制造周期，减少生产线的故障 率，从而有效地提高生产效率。1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 研制 出符合上述想法的工业控制装置，命名为可编程逻辑控制器即p l c 。之 后，日本、德国、法国等先进工业国家相继研制了各自的p l c 系列产品， 并逐步在工业控制中推广应用，越来越受到工业界的重视。2 0 世纪7 0 年代中期，p l c 进入了实用化发展阶段，在p l c 中全面引入了微型计算 机技术，使p l c 的结构和功能产生了新的飞跃。2 0 世纪7 0 年代末期和 8 0 年代初期，p l c 进入了成熟阶段，向大规模、高速度、高性能方向发 展，形成了多种系列化产品，编程语言也发展迅速。9 0 年代后p l c 进入 了加速发展阶段，世界各国、各公司不断开发新产品，在软件方面也不 断向上发展，并与计算机系统兼容。 1 1 5p l o 的特点和应用领域 p l c 的主要特点如下： 1 ) 应用灵活、扩展性好。p l c 的用户程序可简单而方便地编制和修改， 以适应各种工艺流程变更的要求。p l c 的安装和现场接线简便，可按 积木方式扩充控制系统规模和增删其功能以满足各种应用场合的要 求。 2 ) 编程简单，使用方便。p l c 采用面向过程、面向问题的“自然语言编 程，如梯形图语言编程方式，非常直观，易懂易编，容易推广使用。 3 ) 功能强大：现代p l c 不仅具有条件控制、计数、定时、步进、跳转、 移位等功能，还能完成a d 、d a 转换、数字运算和数据处理以及通 北京i 业人学工学硕士学位论文 信网络、生产过程监控制等功能。 4 ) 体积小、重量轻、易于实现机电一体化。p l c 结构紧凑、坚固耐用、 体积小巧、并且具备很强的可靠性和抗干扰能力，使之易于装入机械 设备内部，因而成为机电一体化十分理想的控制设备。 p l c 由于具备以上特点，现在已经广泛应用于国内外的机械、冶 金、化工、汽车、轻工等行业中。若按应用类型来划分，p l c 应用领 域大致可以分为如下几个领域： 1 ) 开关量逻辑控制。p l c 最基本的功能是逻辑控制，如逻辑运算、 定时，计数等。在中、高档数控制机床的数控系统中，大多采用 p l c + n c 的控制方式、前者实现对开关量( 如m 功能，t 功能) 的控 制，后者完成插补运算等功能。 2 ) 模拟量的闭环控制。一般p l c 都有a d 、d a 转换及算术运算等功 能，因此可以实现模拟量控制。 3 ) 数字量的智能控制。利用p l c 能接受和输出高速脉冲的功能，在 配备相应的传感器或脉冲伺服装置( 如环行分配器、功放、步进 电机) 就能实现数字量的智能控制。 4 1 数据采集与监控。p l c 可以在控制现场实行控制，把现场的数据 实时显示或采集保存下来，供进一步研究。 5 1 分布式控制系统。通过联网可以把p l c 与p l c 或p l c 与上位机连 接起来，构成多级分布式控制系统。 1 1 6 典型p l o 系统结构 p l c 主要由中央处理单元( c p u ) ，存储器( r a m ，r o m ) 、输入输出部件 ( i o ) ，电源和编程器几大部分组成。其结构框图如图卜2 所示： 图卜2 典型p l c 系统结构 f i g 卜2a r c h i t e c t u r eo ft y p i c a l p l cs y s t e m 如图卜2 所示，中央处理单元是p l c 的运算、控制中心。c p u 一般由 控制电路，运算器和寄存器组成，类型有通用微处理器、单片机、位片 式微处理器。存储器用来存储系统管理程序和用户程序。存储器可分为 随机存储器( r a m ) 和只读存储器( r o m ，e p r o m 等) 。随机存储器可进行 读写操作，主要用来存储用户程序，生成诸如用户数据存储区、定时器、 计数器、输入输出继电器及辅助继电器的用户环境。只读存储器一般用 来固化系统管理程序。输入输出( i o ) 单元是p l c 与被控制对象之间传 递输入、输出信息的接口部件。p l c 通过i o 单元与工业生产过程现场 相联系。输入单元接受操作指令和现场的状态信息，如控制按钮、操作 开关、限位开关、行程开关等，并通过输入电路的滤波、光电隔离和电 平转换等将这些信号转换成c p u 能够接受和处理的信号。输出单元将c p u 送出的弱电控制信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场 需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等执行单元。编程器是p l c 的重要附件，它主要由键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接 插口等部件组成。它的作用主要是用来编写程序、调试程序和监控程序 的执行，还可以在线测试p l c 的内部状态和参数，与p l c 进行人机对话。 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 1 7 软p l c 的产生 在开放式数控系统的发展初期，负责离散逻辑控制的主要是以硬件 为核心的p l c 系统，随着开放式数控系统的发展，可编程逻辑控制器的 北京工业人学工学硕士学位论文 技术方面也得到了很大的进步。目前，p c n c ( 个人计算机数控) 是n c 开放化的重要途径，传统的硬p l c 也正在向基于p c 的p l c 方向发展。工 业自动化控制领域的国际标准i e c l l 3 1 的推出和实施，打破了以前各p l c 生产厂商的产品相互不兼容的局限性。按照这个国际标准，充分利用p c 的软、硬件资源，可以用软件来实现传统p l c 的功能，这就是p l c 的最新 进展软p l c 。 以往各个p l c 生产厂家的产品互不开放，要将几个p l c 厂家的产品连 接在同一个网络罩非常困难。而且，各厂家的产品硬件各异，其编程方法 也是五花八门，用户每使用一种p l c 时，不但要重新了解其硬件结构，同 时必须重新学习编程方法及其规定。为了规范p l c 的编程，国际电气技术 联合会i e c 于1 9 9 3 年制订了p l c 编程语言的国际标准，这就是 i e c i1 3 1 3 。1 。i e c i1 3 1 标准是有关可编程控制器的硬件、安装、试验、 编程、通信等方面的国际标准，它共分5 个部分，i e c l l 3 1 3 是有关编程 的标准。该标准共规定了5 种编程语言。i e c 并不要求每个产品都运行 上述全部5 中语言，可以只运行其中一种或几种，但这几种语言必须符合 标准。 目前国际市场上已有超过1 0 种符合i e c l l 3 1 3 标准的控制软件包， 如p cs o f ti n t e r n a t i o n 公司的w i z p l c 、德国西门子公司的s t e p 一7 ，法 国c ji n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g r a f 等软件包。可以说，i e c l l 3 1 3 标 准的制定促进了软p l c 的诞生。1 9 9 2 年，由p l c 用户与制造商联合组 成”p l c o p e n ”组织，总部设在荷兰，在美国、日本有分支机构，其宗旨是组 织和推动i e c l l 3 1 3 标准的贯彻并向用户提供咨询服务。目前，美国、法 国、德国、等国家都出现了以通用的p c 取代各制造厂专用的p l c 的产品， 即软p l c 。 1 1 8 软p l c 相对于硬p l c 的优点 软p l c 产品是基于p c 机开放结构的控制装置，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，利用软件技术可将标准的工业p c 转化为全功能的p l c 过程控制器。与传统p l c 一样，软p l c 主要用于工业 控制领域中的开关逻辑控制、顺序控制、定时控制、计数控制、模拟量 第1 覃绪论 控制等。软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、通信网络等功能，通过一个多任务控制内核，提供了强 大的指令集、快速而准确的扫描周期、易于连接各种i o 模块丌放式结 构。所以可以这样说，软p l c 提供了与硬p l c 同样的功能，而且同时具备 了p c 环境的各种优点。 软p l c 是一个具有高附加值和高技术含量的产品，有着硬p l c 无法比 拟的优势： 1 ) 软p l c 具备柔性扩展能力，这也是软p l c 相对于硬p l c 的最大优势。 用户可以选择不同厂家生产的各种硬件产品，充分利用每一软件的最 佳特性，组成最佳的控制系统。 2 ) 用户可以用他熟悉的编程语言编制程序。软p l c 还能作到支持高级语 言，如c c + + 和j a v a 等。 3 ) 对超过几百点i o 的p l c 系统来说，用户可以节省投资费用。 1 2 课题的提出 1 2 1 国内外p l o 市场现状分析 由于p l c 产品技术的迅猛发展，p l c 产品的应用已扩展到各个工业领 域。从国内外p l c 市场的发展状况可以预见今后p l c 的发展趋势。根据 美国f r o s t & s u l i v a 公司的报告，2 0 0 0 年全世界p l c 市场的销售额达7 6 亿美元。在2 0 0 1 年，中国的p l c 市场总值超过了2 1 6 亿美元，而根据专 家们估计，今后几年内，该市场还将以每年1 2 的速度增长，最终在2 0 0 6 年底超过3 8 6 亿元。这个市场概念中还包括了p l c 控制器、i o 、处理 器界面以及相关的维修保养等。从以上数据可以看出，p l c 产品具有广阔 的市场前景和很大的发展空间。 虽然我国的p l c 市场近年发展较快，但仍然处于初级阶段，存在着很 多问题。首先，同发达国家相比较，我国的p l c 应用还处在初级阶段而且 只局限于几类行业，如钢铁、化工、汽车、机床等领域，其他生产行业的 应用尚未普及。在应用p l c 的企业中，又以国家重点项目的大型企业为先 导，逐步向国营大、中型企业扩展而大量小企业和集体、个体企业的p l c 北尿工业大学工学坝十学位论文 应用比例还很低。其次，我国p l c 市场的9 5 都为国外p l c 产品所占领， 且品种很不齐全，而对于大、中型企业国外p l c 产品的占有率几乎为1 0 0 。由此可以看出，我国的p l c 的国内市场前景很好，但还有很多工作等 待我们去做。 1 2 2p l c 研究中存在的问题 虽然目前我国p l c 的市场很大，但国产化率非常低，而且在研发方面 基本是拿来主义，这就涉及到一个知识产权的问题。鉴于发达国家国家对 我们的技术封锁，开发具有自主版权的p l c 是个刻不容缓的问题。 近年来，个人计算机技术得到了迅猛发展。p c 的成本不断降低，而它 的速度、可靠性在不断增长，特别是通用p c 体系结构被应用面也越来越 宽。选用通用p c 的好处还在于它有着丰富的软件资源，如各种操作系统、 各种驱动程序、丰富的程序设计语言及调试、排错工具等，这可大大地缩 短产品的开发周期和设计周期。因此，以通用p c 作为可编程控制器的硬 件平台具有巨大优势。而目前我国的基于p c 的软p l c 产品还很少，并且 很大一部分软p l c 产品采用了d o s 操作系统或者系统的核心是基于d o s 的。这类系统由于运行在d o s 环境下，使得p c 机的潜力未能充分发挥， 系统的功能和灵活性也受到限制。本p l c 系统运行于科泰世纪有限公司 开发的和欣操作系统下，该操作系统基于微内核，具有多进程、多线程、 抢占式、基于线程的多优先级任务调度等特性。对于p l c 来说，最有用的 特征是它支持抢占式的多任务机制，而各线程之间互不干扰，便于功能的 扩充与裁减。和欣操作系统的特性使得它适合做软p l c 的操作系统平台。 如何在和欣操作系统下实现实时控制及如何提高p l c 的执行效率等是目 前所面临的主要问题。 1 2 3 课题的来源 本课题属于北京市科学技术委员会的项目“开放式数控技术在北京 市的应用技术示范和相关技术研究”的一个子课题，开放式数控系统对 外提供的主要功能是运动控制和离散逻辑控制，随着开放式数控制系统 的发展，以p c 为硬件平台，用软件来实现p l c 的功能( 即软p l c ) 成为开 第1 章绪论 放式数控系统实现离散逻辑控制功能的发展趋势，本系统重点在于设计 作为开放式数控系统的重要组成部分的软p l c 系统的体系结构，使得本 软p l c 系统的体系结构可以和其所处的开放式数控系统中已经设计完毕 的n c 部分系统的体系结构合成一体，从而构成整个开放式数控系统的体 系结构；在设计了软p l c 系统的体系结构的基础上实现该系统的基本功 能。 1 3 课题的研究内容 1 ) 建立实现开放式数控系统逻辑控制功能的软p l c 系统的体系结构模 型。 2 ) 利用组件技术并且根据已经建立的软p l c 系统的体系结构划分功能 组件。 3 ) 实现基本功能组件，难点是构造p l c 控制语言的编译系统，在分析 p l c 控制语言程序之间依赖关系时使用p e t r i 网技术。 4 ) 通过试验验证建立的模型的可行性及设计的算法正确性。 本文第三章首先分析了本p l c 系统在整个开放式数控系统中所处 的地位和执行的功能，然后在此基础上给出了本p l c 系统的用例图，根 据用例图将系统划分为系统功能包，并且建立了系统功能包之间的调用 关系，最后给出了每个系统功能包的组件组成，第四章从词法分析、语 法分析、语义分析、代码生成四个方面介绍了p l c 控制语言编译系统的 构造；第五章首先对于p l c 系统进行了组件划分，分析了组件之间的调 用关系，最后给出了p l c 显示组件、p l c 编译组件、p l c 控制组件的实 现；第六章首先给出了实时系统的性能指标，然后根据该性能指标针对 本系统给出了性能测试的实验，最后又给出了验证程序指令存在依赖关 系时程序能否正确执行的实验。 第2 章相关技术 2 1 和欣操作系统 2 1 1 和欣操作系统简介 和欣操作系统。1 是科泰世纪有限公司开发的3 2 位嵌入式操作系统， 该操作系统基于微内核结构，具有多进程、多线程、抢占式、基于线程 的多优先级任务调度等特性，提供f a t 兼容的文件系统，可以从软盘、 硬盘、f l a s hr o m 启动，也可以通过网络启动。 和欣操作系统提供的功能模块全部基于e z c o m ( 一种简化的c o m 组件 技术) 构件技术，因此是可拆卸的构件，应用系统可以按照需要剪裁组装， 或在运行时动态加载必要的构件。 2 1 2 和欣操作系统结构 图2 一l和欣操作系统整体结构 f i g2 - la r c h i t e c t u r eo fh e x i no p e r a t i n gs y s t e m 和欣操作系统可以看成是由微内核、构件支持模块、系统服务器组 成的。 微内核：主要可分为4 大部分：硬件抽象层( 对硬件的抽象描述， 为该层之上的软件模块提供统一的接口) ；内存管理( 规范化的内存管理 接口，虚拟内存管理) ；任务管理( 进程管理的基本支持，支持多进程， 13 北京r 业大学工学硕十学位论文 多线程) ；进程问通信( 实现进程间通信的机制，是构件技术的基础设施) 。 构件支持模块：提供了对e z c o m 构件的支持，实现了构件运行环境。 构件支持模块并不是独立于微内核单独存在的，微内核中的进程问通讯 部分为其提供了必要的支持功能。 系统服务器：在微内核体系结构的操作系统中，文件系统、设备驱动、 网络支持等系统服务是由系统服务器提供的。在和欣操作系统中，系统 服务器都是以动态链接库的形式存在。 2 1 3 和欣操作系统应用领域以及优势 图2 - 2 和欣操作系统应用领域 f i g2 - 2a p p l i e df i e l do fh e x i no p e r a t i n gs y s t e m t c 和欣”操作系统可以广泛应用于工业装备、信息家电、汽车电子、 手持设备、办公设备、商业电子、信息安全、军事国防等领域的各种嵌 入式设备，本系统的应用领域为工业装备领域，属于“和欣”操作系统应用 范畴。 由于“和欣，操作系统具有以下特点：全面面向构件技术，在操作系统 层提供了对构件运行环境的支持；用构件技术实现了”灵活”的操作系统。 所以和欣操作系统的优势体现在： 1 ) 在嵌入式软件开发领域，导入先进的工程化软件开发技术。嵌入式软 件一般用汇编语言、c 语言，在少数系统中已经支持了c + 十开发，但 弟2 蕈干h 夫技术 是由于还没有一个嵌入式操作系统能够提供构件化的运行环境，可以 说，嵌入式软件开发还是停留在手工作坊式的开发方式上。和欣操作 系统采用的e z c o m 技术使得嵌入式应用的软件开发能够实现工程化、 工厂化生产。 2 ) 可以动态加载构件。动态加载构件是因特网时代嵌入式系统的必要 功能。新一代p d a 和移动电话等移动电子产品，不能再像以前那样由 厂家将所有的功能都做好后固定在产品里，而要允许用户从网上获得 自己感兴趣的程序。 3 ) 随时和动态地实现软件升级。动态加载构件的功能，同样可以用于产 品的软件升级，开发商不必为了添加部分功能而向用户重新发布整套 软件，只需要升级个别构件。 4 ) 嵌入式软件开发商容易建立自己的构件库。在不同开发阶段开发的软 件构件，其成果很容易被以后的开发所共享，保护软件开发投资。软 件复用使得系列产品的开发更加容易，缩短新产品开发周期。 5 ) 灵活的模块化结构，便于移植和剪裁。可以很容易定制成为针对不同 硬件配置的紧凑高效的嵌入式操作系统。添加或删除某些功能模块也 非常简单。 2 2 c o m 组件技术及e z c o m 技术 2 2 1 组件技术简介 组件技术发端于2 0 世纪5 0 年代，其开发思想源于传统的软件模块 化设计方法和程序库组织方法，其原形中还包括了抽象数据类型以及在 此基础上诞生的面向对象开发思想。 对于组件技术的定义很多，常见定义有以下这些：“二进制软件单 元”、“任意场合可部署的软件”、“特别适合第三方开发”和“规范定义 的接口”，以上这些定义都反映了组件具有的一些特征，综合以上的定义 我们可以这样理解组件技术：所谓组件，其实就是一种可部署软件的代 码包，其中包括某些可执行模块。组件单独开发并作为软件单元使用， 它具有明确的接口，软件就是通过这些接口调用组件所能提供的服务， 北尿工业大学l 学硕上学位论文 多种组件可以联合起来构成更大型的组件乃至直接建立整个系统。组件 必须是自包含的，组件设计中必须包括需求、源代码和可执行代码、接 口规范、分析和设计模型、测试和其他同类术语。组件的实现必须支持 一种或者多种其用户所希望获得的接口。 2 2 2c o m 规范的提出 组件对象模型简称c o m ( c ( ) m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 是微软公司在1 9 9 3 年提出的技术规范，该技术规范源于微软公司在1 9 9 1 年提出的o l e l 0 规范，o l e l 0 规范是一个处理复合文件的规范，该规范定义了对象的嵌 入与链接。 c o m 组件是遵循c o m 规范编写、以w i n 3 2 动态链接库( d l l ) 或可执 行文件( e x e ) 形式发布的可执行二进制代码，能够满足对组件架构的所 有需求。遵循c o m 规范标准，组件与应用、组件与组件之间可以互操作， 极其方便地建立可伸缩的应用系统。 2 2 3c o m 组件技术的特点 1 ) 物理地点透明性“。无论是否在相同程序中，或者是同一计算机的不 同程序中，甚至在不同的计算机中，任何c o m 组件都可以不经过编译 而直接进行调用。 2 ) 语言无关性“。因为c o m 规范是一种二进制标准，所以c o m 是与编程 语言无关的。以某种语言与成的c o m 组件可以在另外一种语言环境中 使用，二者充分兼容。 3 ) 接口可感知的特性“。程序员利用工具和其他程序可以十分容易地发 现c o m 组件的调用接口，这样开发人员就不需要从内部了解某个c o m 组件的运行机制。 2 2 4e z c o m 技术 2 2 4 1e z c o m 技术简介 e z c o m 构件技术。1 是面向构件编程的编程模型，它规定了一组构件间 相互调用的标准，使得二进制构件能够自描述，能够在运行时动态链 接。 e z c o m 兼容微软的c o m 。但是和微软c o m 相比，e z c o m 删除rc o m 中过时的约定，禁止用户定义c o m 的非自描述接口：完备了构件及其 接口的自描述功能，实现了对c o m 的扩展；对c o m 的用户界面进行了 简化包装，易学易用。 为了在资源有限的嵌入式系统中实现面向中间件编程技术，同时 又能得到c c + + 的运行效率，e z c o m 没有使用j a v a 和n e t 的基于中间 代码一虚拟机的机制，而是采用了用c + + 编程，用和欣s d k 提供的丁具 直接生成运行于和欣构件运行平台的二进制代码的机制。用c + + 编程 实现构件技术，使得更多的程序员能够充分运用自己熟悉的编程语言 知识和开发经验，很容易掌握面向构件、中间件编程的技术。在不同 操作系统上实现的和欣构件运行平台，可以使e z c o m 构件的二进制代 码可以实现跨操作系统平台兼容。 22 4 2e z o o m 技术特点 1 ) 易学易用 基于c o m 的构件化编程技术是大型软件工程化开发的重要手段。微 软w i n d o w s2 0 0 0 的软件全部是用c o m 实现的。但是微软c o m 组件的丌 发过程比较繁琐，而e z c o m 的开发环境和欣s d k 提供了结构简洁的构件 描述语言和自动生成辅助工具等，使得c + + 程序员可以很快地掌握 e z c o m 编程技术。 2 ) 可以动态加载组件 在网络时代，软件构件就相当于零件，零件可以随时装配。e z c o m 技 术实现了构件动态加载，使用户可以随时从网络得到最新功能的构件。 3 )易于软件复用和系统升级 e z c o m 技术提供了构件的标准，二进制构件可以被不同的应用程序使 用，使软件构件可以实现充分的复用。 传统软件的系统升级是个令软件系统管理员头痛的