（精密仪器及机械专业论文）基于IEC611313标准的嵌入式软PLC研究.pdf

摘要 摘要 基于i e c 6 11 3 1 - 3 标准的嵌入式软p l c 系统是嵌入式系统与p l c 在现代工业控 制中结合发展的必然产物。随着计算机技术、网络通讯技术、微处理器技术等技 术的迅速发展，现在的控制过程越来越复杂而要求是越来越高( 如：过程控制、 运动控制、模糊控制等) ，控制更趋分散化和个性化，由于传统p l c 自身的缺陷使 得在这些方面都显得力不从心，而i e c 6 1 1 3 1 3 编程标准的颁布促进了p l c 向开放 性和通用性发展。根据这个标准，充分利用现代计算机的软、硬件资源以及成熟 的网络通讯和现场总线技术，开发以软件技术来实现传统p l c 的控制功能的新一 代开放体系结构，即软p l c 。基于嵌入式系统的软p l c ，有效的利用了嵌入式系统 这个平台，使控制过程更加可靠和稳定，在自动化领域采用基于嵌入式的软p l c 来代替传统硬p l c 产品已经成为一个趋势。 基于嵌入式系统的软p l c 由于其卓越的性能，良好的性价比，可扩展性、可 移植性、实时性、开放性等特点，克服了传统p l c 的种种弊端，可以实现常规p l c 无法完成的控制工程，使企业的控制水平和效率得到了很大的提高。整个系统整 合了许多先进的技术，尤其是网络通讯的技术，实现了设备控制、设备管理和企 业管理的无缝集成。 本系统的设计是建立在嵌入式系统平台上面，以三星公司出品的$ 3 c 2 4 4 0 a ( a r m 9 2 0 t 核) 作为嵌入式处理器，以嵌入式w i n c e 作为操作系统。其硬件平台的 设计符合开发性标准，有利于进行扩展和二次开发。而整个软p l c 系统的架构是 遵循i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的，各种符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的编程语言的转换模型的建 立和中间语言的结构定义是一个全新的开放的体系结构，有很强的兼容性和通用 性，它支持数据结构，强大的网络通讯功能，友好的人机界面，能够执行比较复 杂的控制算法。 本论文首先分析了基于i e c 6 11 3 1 3 标准的嵌入式软p l c 系统的体系结构，给 出了整个系统具体的实现方案，根据此方案设计和开发了符合开放性标准的嵌入 式系统硬件平台，然后重点说明了符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 系统设计。考虑 到现代工业控制环境的恶劣以及需要实现一些比较复杂的控制算法，嵌入式硬件 平台的设计采用了三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 芯片加嵌入式w i nc e 操作系统的模式， 存储器采用由两片三星公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 e u c 7 5 组成的6 4 ms d r a m 以及i n t e l 的 i 摘要 1 6 m2 8 f 1 2 8n o rf l a s h 和s a m s u n g 的6 4 mk 9 f 1 2 0 8n a n df l a s h 芯片作为存储芯片， 系统运行的稳定性和可靠性能够得到保证。软p l c 运行支撑环境的设计采用模块 化设计的思想，根据i e c 6 11 3 1 3 标准定义了大量的功能模块库和函数库，建立了 中间语言转换模型，实现了编译解析产生目标代码的算法。 本文是课题组的一个研究部分，但为更进一步现场总线的支持、分布式控制 和远程监控等高级功能的深化研究奠定了良好的基础。 关键词：嵌入式系统，软p l c ，i e c 6 11 3 1 3 标准，编辑环境 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds o f t p l cs y s t e m ，w h i c hi sb a s e do ni e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r d ，i st h e r e s u l to ft h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n dp l c i nt h em o d e mi n d u s t r yc o n t r 0 1 w i t ht h er 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 , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , n o w a d a y s ，t h ep r o c e s sc o n t r o lb e c o m e sm o r ea n dm o r e c o m p l e xa n dt h ed e m a n do fc o n t r o lb e c o m e sh i g h e rt h a nt h eb e f o r e ( f o re x a m p l et h e p r o c e s sc o n t r o la n df u z z yc o n t r 0 1 ) b e s i d e s ，t h ec o n t r o lt e n d st od e c e n t r a l i z a t i o na n d i n d i v i d u a t i o n b e c a u s eo fs o m ef l a w s ，t h et r a d i t i o n a lp l cc a n tw o r kw e l li nt h e s e a s p e c t s h o w e v e r , t h ei e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r dh a sp r o m o t e dt h ep l ct oo p e n n e s st o d e v e l o p i n g a c c o r d i n gt o t h i s s t a n d a r d ，t h ec o m p u t e rr e s o u r c e ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n df i e l db u st e c h n o l o g ya r ef u l lu t i l i z e d b a s e do ns o f t w a r et e c h n o l o g y , a n e wo p e n i n ga r c h i t e c t u r e ，n a m e l ys o f t p l c ，i su s e dt or e a l i z et h ec o n t r o lf u n c t i o no f t r a d i t i o n a lp l c t h es o f t p l c ，w h i c hi sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，t a k e st h ea d v a n t a g e o fe m b e d d e dp l a t f o r me f f e c t i v e l y i ti m p r o v e st h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ec o n t r o l p r o c e s s n o w , i tb e c o m e sat r e n do fa d o p t i n gs o f t p l ct h a ti sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m t os u b s t i t u t ef o rt r a d i t i o n a lp l ci na u t o m a t i o nf i e l d t h es o f l p l ct h a tb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mh a sal o to fc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s p r e d o m i n a n tc a p a b i l i t be x c e l l e n tq u a l i t y , e x p a n s i b i l i t y , t r a n s p l a n tc a p a b i l i t y ，r e a lt i m e c a p a b i l i t ya n do p e nc a p a b i l i t ya n ds oo i l i to v e r c o m e ss o m ef l a w so ft r a d i t i o n a lp l c ， b e c a u s ei tc a l lc o m p l e t et h ec o n t r o lp r o c e s sw h i l et h el a t t e rc a n t i t i m p r o v e st h e c o n t r o ll e v e la n de f f i c i e n c yf o re n t e r p r i s e t h ew h o l es y s t e mh a si n t e g r a t e dal o to f a d v a n c e d t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h ei n t e g r a t i o nf r o m e q u i p m e n tc o n t r o la n dm a n a g e m e n tt oe f f e c t i v ee n t e r p r i s em a n a g e m e n th a sb e e n r e a l i z e d t h i ss y s t e mi sb a s e do ne m b e d d e d s y s t e mp l a t f o r m ，u s i n gt h e $ 3 c 2 4 4 0 a p r o c e s s o r ( a r m 9 2 0 tk e r n e l ) o fs a m s u n gc o r p o r a t i o na n dt h ew i n c ea se m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m t h ed e s i g no fh a r d w a r ep l a t f o r mc o n f o r m e dt oo p e n n e s ss t a n d a r d t h et r a n s f o r mm o d e lo fa l lp r o g r a ml a n g u a g e si nl i g h to fi e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r di s e s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e ，t h es t r u c t u r ed e f i n eo fm i d d l el a n g u a g ei san e wo p e n i n g t t t a b s t r a c t a r c h i t e c t u r e i ts u s t a i n sd a t as t r u c t u r e ，p o w e r f u li n t e r n e tc a p a b i l i t y , f r i e n d l yh u m a na n d m a c h i n ei n t e r f a c e a l s o ，i tc a n c a r r yo ns o m ec o m p l i c a t e dc o n t r o la l g o r i t h m t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s e st h es t r u c t u r eo ft h ee m b e d d e ds o f t p l cs y s t e m ，w h i c hi s b a s e do ni e c 6 1 1 3 1 - 3s t a n d a r d t h ec o n c r e t er e a l i z a t i o ns c h e m eo ft h ew h o l es y s t e mi s a l s op u tf o r w a r di n t h i sp a p e r t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fe m b e d d e ds y s t e mc o n f o r m e d t oo p e n n e s ss t a n d a r di sd e s i g n e da n dd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h i ss c h e m e t h e nt h e d e s i g no fs o f l p l cs y s t e m ，w h i c hc o n f o r m e dt oi e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r di si n t r o d u c e di n d e t a i l c o n s i d e r i n gt h eb a de n v i r o n m e n to ft h em o d e mi n d u s t r yc o n t r o la n dn e e dt o r e a l i z es o m em o r ec o m p l i c a t e dc o n t r o la l g o r i t h m ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ep l a t f o r m a d o p t st h em o d eo f $ 3 c 2 4 4 0 ac h i pp l u sw i n c ee m b e d d e do s t h em e m o r yo ft h i s s y s t e ma d o p t st w op i e c e so fk 4 s 5 6 1 6 3 2 e u c 7 53 2 ms d r a m a n do n e6 4 mk 9 f 1 2 0 8 n a n df l a s hc h i pm a d eb ys a m s u n gc o r p o r a t i o na n do n e16 m2 8 f 1 2 8n o rf l a s hc h i p m a d eb yi n t e lc o r p o r a t i o n t h ec h i p sc a ng u a r a n t e et h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yf o rt h e s y s t e m t h ed e s i g no fs o f l p l cr u ne n v i r o n m e n ta d o p t sm o d u l a r i z a t i o nt h e o r y t h ef b s a n df u n c t i o n sa r ed e f i n e da c c o r d i n gt oi e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r d m o r e o v e r , t h em i d d l e l a n g u a g et r a n s f o r m a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dt h ea l g o r i t h mo fc o m p i l i n gt ot a r g e t c o d ei sr e a l i z e d t h ep a p e rl a i dag o o dg r o u n d w o r kf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h ，s u c ha st h er e a l i z a t i o n o ft h ef i e l db u s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o l ，a n dr e m o t ec o n t r o la n dm o n i t o r i n ge t c k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，s o f l p l c ，i e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r d ，c o m p i l i n ge n v i r o n m e n t 独创性声明 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。据我所知，除了文中特另, j j r l 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名：数逸导师签名：至望煎 日期：堋年乡月珂e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 嵌入式软p l o 技术的产生 随着计算机技术、网络通讯技术、微处理器技术等技术的迅速发展，人们逐 渐认识到，传统p l c 自身存在着种种弊端。首先，由于生产p l c 的厂家众多，其 软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的p l c 都是专用总线、专用通 信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各厂家的组态、寻址方式、语文结构都不 一致，使各种p l c 产品互不兼容，而且工作人员须经过一定的培训才能掌握某一 种产品的编程方法，性价比很低。其次，传统p l c 梯形图编程不支持数据结构， 有限的程序封装能力。再者，由于现在的控制过程越来越复杂和要求越来越高( 如： 过程控制、运动控制、模糊控制等) ，控制更趋分散化和个性化，传统p l c 在这些 方面都显得力不从心，制约了传统p l c 的发展。为了克服这些问题，国际电工协 会( i e c ) 颁布了i e c 6 11 3 1 3 可编程序控制器的编程软件标准，为各p l c 厂家编 程的标准化铺平了道路。根据这个标准和各种相关的国际工业标准，充分利用现 代计算机的软、硬件资源以及成熟的网络通讯和现场总线技术，开发以软件技术 来实现传统p l c 的控制功能的新一代开放体系结构，即软p l c 技术瞳1 。 i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的制定有力的推动了软p l c 技术的发展，软p l c 不仅解决了 传统p l c 通用性、兼容性差等问题，而且具体用户可以根据特殊要求来选择相应 的软、硬件，具有可扩展性和可移植性等特点。该标准定义了大量的基本函数和 功能块，且允许用户进行自定义，每个功能块就是一个独立的可完成特定逻辑功 能的活动对象，不同的控制任务都可以定义和调用各种相应的功能块来完成控制 过程。i e c 6 1 1 3 1 - 3 强调层次化、结构化的程序结构，不同程序之间有清晰的和规 范的接口方法，使程序的编译过程和执行效率得以提高。 嵌入式软p l c 控制系统集成了现代许多先进的技术，它把p l c 功能、p i d 调节 功能、h m i 功能、点位运动控制功能、测量功能、现场总线通讯功能和编程技术有 机地集成在了一起。基于嵌入式系统并符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的软p l c 系统是嵌入式 系统与p l c 在现代工业控制中结合发展的必然产物，在自动化控制领域，采用嵌入 式软p l c 系统代替传统硬p l c 产品已经成为一个趋势。 毫子辩技大学硪士学袋论文 1 2 嵌入式软p l o 系统研究的意义 本论文研究的内容是基予与某公司合作项目“c c h 片式高压瓷介电容器装配机 联动控制系统”箍提出的。该系统主要完成c c h 片式菇压瓷介电容器的上、下引 线及芯片的自动装配，具体控制动作包括：框架式上、下弓| 线的自动取放，按要 求在框架式上、下引线焊接部位印锡膏，夹具自动装载、芯片装载、引线芯片定 链放鬣及夹紧，送入圆流焊视进行焊接，取下焊接好的产晶，夹具弱动隧传。这 种控制系统具有控制节点规模比较小、控制节点紧凑以及可靠性和实时性等特征。 针对这一粪型的控铡，我稍经过嬲现有控制系统方案静分橱隧较，提出了一种全 新的基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的嵌入式软p l c 控制系统。 基于i e c 6 11 3 1 - 3 标准的软p l c 开放型控制系统磺突有重要麴现实意义，踺蓠 控制产品的设计已发展到一个追求个性化、差异化设计的阶段。常规p l c 无法进 入的市场，面临更多的是个性化、差异化的压力，如成本控制、特殊功能等。为 此，出现了工控枫( i p c ) 、单片机嵌入板与更贴近个性化需求酶控制产品。i p c 在互连、算法等方面具有定的优势，单片机系统在成本控制上有很强的灵活性。 i p c 由于热载了搡 乍系统，蒸实时性和可靠性难戳满足连续控制的苛刻要求。单片 机系统将硬件管理和用户工艺流程控制混在一起，制约了它的标准化，降低了性 价魄。嵌入式软p l c 正是瑶离王飚霜单片桃系统开发瓣，它傈黧了p l c 硬件管理 和工艺控制分离的优势，结合i p c 和单片机提供的更个性化、差异化的设计方法， 形成一种薪的控制器设计理念口1 。 基于嵌入式系统的软p l c 控制系统是架构在嵌入式系统硬徉平台之上的，以 嵌入式操作系统( 如w i n c e 、l i n u x 、v x w o r k s 等) 作支撑，系统的稳定性和可靠 牲麓够褥到保证。结合嵌入式测控系统在逸动纯工监控裁、仪器仪表等括监的不 断推广应用，这样的嵌入式控制系统在大型机电设备的单机控制、智能化仪器以 及智能家藩等小型嵌入式控裁领蠛中将有广泛静应用前景。隧着现代控泰l 过程煞 复杂化和分散网络化，在许多控制领域中，采用以嵌入式系统平台作支撑的软p l c 控制系统取代传统硬p l c 产品已经成为一个不可阻挡的发展趋势。然 嚣嚣翦鼹内 外的嵌入式软p l c 产品还处于一个发展阶段，特别是在国内，技术成熟的产繇不 多，因此，在现阶段研究基于嵌入式系统的开放型软p l c 控制系统具有重要的现 实意义。 2 第一牵绪论 1 3 国内外发展状况及趋势 嵌入式软p l c 是一种新型的控制系统，具有强大的生命力，在中小型控制领 域具有不可替代的优越性。它提供标准鲍编程语言，强调硬件资源的巍效剩用性， 提供开放式扩展结构，强化过程控制的运算能力，增加网络互连功能，融合嵌入 式系统技术，为特定对象控制问题的鳃决提供了一个通用开发平台h 1 。 随着工韭苣动徽控制系统蕊模的不断扩大，控制更趋于复杂仡和分散纯，煎 户接口增多，要求控制系统更加开发和具有更强大的网络通讯能力等，而软p l c 技拳麓够缀好翡解决这些潞题。软p l c 是一种基予托戆新型工业控制产暴，它除 了具有传统p l c 的p i d 控制、i 0 控制和离散控制外，还能完成过程控制、运动控 制等一些复杂控制技本，具有强大的数据处理、运算和嬲络通撬功能，它通过一 个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和 可连接各种i o 系统的开放式结构。嘲于软p l c 具有通用性、性价比离、程序可 移植性强和编程方便等特点，匿前，匿内外不少厂家甚至个人都在积极的研究软 p l c 系统钔。 在医辨研究软p l c 泷较著名熬厂家主要有：法黧c ji n t e r n a t i o n a l 公司熊 i s a g r a f 软件包，p c s o f ti n t e r n a t i o n a l 公司的w i n p l c ；德国k w s o f t w a r e 公司 鲶m u l t i p r o gw t 3 2 ，倍福t w i n c a t 控制软件t w i n c a tp l c ；美国则有w i z d o mc o n t r o l i n t e l l u t i o n 公司的p a r a d y m - 3 1 ，m o o r ep r o c e s sa u t o m a t i o ns o l u t i o n s 公司的 p r o c e s ss u it e ，w o n d e r w a r ec o n t r o l 公司韵i n c o n t r o l ，s o f t p l c 公司的s o f t p l c 等潮。这些产品豹特点如下： ( 1 ) c j 公司的i s a g r a p 产品 该产燕能够在w i n d o w s 、w i n c e 、l i n u x 、r t x 、v x w o r k s 等多耱搡律系统上运 行，具有良好的网络通信能力。通过变量交叉表可查询变量的使用情况，可以方 便赧入用任簿标准p l c 语言编写的功熊浃，支持霜户蘑e 语畜编程，支持毒尔型、 数字型、多维矩降以及数据结构等，仿真程序比较完善，源程序在仿_ 真运行时可 以进行监控，但不完全符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准，开发环境为毒# 集成他的多窟鄹界露。 ( 2 ) k w - s o f t w a r e 公霹盼涮l t i p r o gw t 3 2 产品 该产品完全符合i e c 6 11 3 1 - 3 标准，开发环境集成化，支持五种编程语言( s t 、 王乞、l d 、f b d 、s f c ) ，其中、f b d 、s f c 三群图形纯编程非常直观，容易编程， 但它不支持五种编程语言之间的相互转换。 ( 3 ) w o n d e r w a r e 公镯匏i n c o n t r o l 7 。0 产燕 3 穗子科搜大学硕士学经论文 该产品与人机界面软件h m i 具有良好的接口，支持l d 、s f c 、s t 三种编程语 言，开发环境集成纯，编程篱单，每个程序以文件形式进行管理。 ( 4 ) s o f t p l c 公司的s o f t p l c 产晶 该产瑟是基予咒的开放式控制软件，具有_ 开放的控制平台，用户麓够棂据垦 西的需求来选择硬件。它能够作为嵌入式3 2 位实时多任务内核在3 8 6 、4 8 6 、p e n t i u m 其它x 8 6 兼容c p u 平台上运行，能够控制多于1 6 k 个i o ，支持数字、模拟及特殊 的至内，支持用户用梯形图和c 、c + 、j a v a 等高级语言来编写自己的函数。此辩， s o f t p l c 内嵌w e b 和f t p 服务器，用户可进行远程维护和监控。 嚣前匿两也有一些公司正在研究开发其有蜜主产权麓软p l c 产晶，魏广州蚁 象自动化控制有限公司开发的r p l c ；华中科技大学机械系开发的数控内嵌式p l c 具有较p l c 豹特点，翟功戆单一，不麓作为独立系统运行，且无联鼷遗漏麓力； 东南大学开发的面向d c s 控制组态软件中包含一些软p l c 功能，但它只是d c s 系 统的一部分，不能独立运行；国家数控系统工程与研究中心开展了开放式数控系 统中的软件p l c 技术研究，提出了一种基于开放式数控系统的嵌入式软件p l c 子 系统的实现方法，给出了一个软件p l c 的结构模型，并对p l c 的梯形图程序编程 环境、梯形图程序与语言程序蕊相互转换、p l c 程序执行等软件部箨熬设计和开发 进行了研究；此外，清华大学、西安交通大学、西北工业大学、北京工业大学也 在这方面髂了一些基础研究工箨。毽总体看来，壶予起步较晚，还没有院较完善、 成熟的产晶出现。 近年来，出于工业控制规模的不断扩犬，软p 托麴市场份额每年都在增摭， 相关资料显示，1 9 9 7 年全球的软p l c 市场有3 千6 百万美元，到2 0 0 0 年软p l c 的 市场达到了l 亿4 千5 百万美元，2 0 0 1 年差不多又增长了一倍。在今后几年，软 p l c 的研发趋势主要有如下凡个特点： ( 1 ) 可靠性、实时性 域强系统的可靠性和实辩性的关键在于提高捺维系统的实时性。鹜 l 毒麓一些 嵌入式操作系统基本能满足控制要求，随着一些实时性更高的操作系统的出现， 豢定会大大增强软p l c 系统瓣实时性与可靠然。 ( 2 ) 网络化 联网通信功能是p l c 的重要发展方向，良好的通讯能力已成为现代工业控制 所登备酶功麓，远程控制、远程诊断、网络数据处理等功能都将得到加强。 ( 3 ) 人机界面更加友好 隧着软p l c 技术蘸不断发震，提高了系统戆性能，蓠时，莠蔫户鳇开发穰维 4 第章绪论 护降低了成本，使更易形成人机友好的控制系统。 ( 4 ) 开放型 现在的p l c 产品大部分是基于w i n d o w s 系统，在没有开放式硬件和软件的支 持下，不能保证其开放性，也没有严格遵守i e c 6 11 3 1 3 标准。 随着国际化和入世带来的影响以及家电产业、网络通讯、信息技术的发展， 基于嵌入式的软p l c 产品由于其卓越的性能，应用范围将越来越广。 1 4 本文所做的工作和内容安排 1 4 1 本文所做的工作 本系统的设计是建立在嵌入式系统平台上覆，以三星公司出品酶$ 3 c 2 4 4 0 a ( a r m 9 2 0 t 核) 作为嵌入式处理器，以嵌入式w i n c e 作为操作系统，具有内存管理 方便、多任务、友好的入机爨蟊等特点，能够达到实时控制的要求，保证系统稳 定、可靠性地运行。其硬件平台的设计符合开发性标准，有利予进行扩展和二次 开发。而整个软p l c 系统的架构是遵循i e c6 11 3 1 - 3 标准的，各种符合i e c6 1 1 3 1 3 标准的编程语言的转换模型的建立和中间语言的结构定义是一个全新的开放的体 系结构，有很强的兼容性和通用性，它支持数据结构，强大的网络通讯功能，能 够执行比较复杂的控制算法，并且程序具有可移植性和复需性等特点。 本论文首先分析了基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的嵌入式软p l c 系统的体系结构，给出 了整个系统具体的实现方案，根据此方案设计和开发了符合开放性标准的嵌入式 系统硬件平台，然后重点说明了符合i e c 6 11 3 1 - 3 标准的软p l c 系统设计。考虑到现 代工业控制环境的恶劣以及需要实现一些比较复杂的控制算法，嵌入式硬件平台 的设计采用了三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 芯片作为c p u ，选择嵌入式w i nc e 作为操作系统， 存储器采用由两片三星公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 e u c 7 5 组成的6 4 ms d r a m 以及i n t e l 的1 6 m 2 8 f 1 2 8n o rf l a s h 和s a m s u n g 的6 4 mk 9 f 1 2 0 8n a n df l a s h 芯片作为存储芯片，系统 运行的稳定性和可靠性能得到保证。软p l c 运行支撑环境的设计采用模块化设计的 思想，根据i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准定义了大量的功能模块库和函数库，建立了中闻语言 转换模型，实现了编译解析产生目标代码的算法。 基于嵌入式系统的软p l c 是集计算机技术、微处理器技术、网络通讯技术、 p l c 技术、现场总线技术、可视化人机接口技术及编程技术等为一体的新型工业控 制设备，如图卜l 所示。 5 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 1 基于嵌入式控制器的软p l c 控制系统 由上图可知，嵌入式软p l c 运行系统和开发系统是两个独立的系统，但是它们 叉相互联系而密不可分。其中软p l c 开发系统首先在上位机上开发用户应用程序， 褥将控制程序通过霾标代码通讯下载祝铡下载到嵌入式硬件平台上执行，最后通 过i o 端口完成控制过程。 1 4 2 本文的内容安排 本文的内容主要分五章，每章的内容如下： 第一章主要介绍了本论文所做课题产生的背景和研究此课题的意义以及嵌入 式软p l c 系统在国内外发展的状况和未来的发展趋势。 第二章首先介绍了i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的相关内容和优点，接下来从工作原理上 分析了传统硬p l c 与软p l c 的异同，最后着重阐述了软p l c 控制方案的设计。 第三章重点描述了嵌入式软p l c 硬件平螽的设计，其中分析了控制需求和硬 件平台设计思想，给出了其核心系统的设计和硬件平台外围接豳的设计。 第四章阐述了软p l c 系统的支撑嚣境设计，从软p l c 整体结构出发，重点描 述了基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的软p l c 编辑环境的设计和实现，建立了中间语言转换 模型，给嬲了基本图元的结构定义以及功能和功能块的设计，实现了编译系统算 法库的设计。 第五章做出了对本文的总结以及在中间语言转换模型、程序解析机制以及系 统开放性和网络通信功能上还需要做进一步的深化研究。 6 第二章符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的新型软p l c 系统分析与设计 第二章符合ie c 6 113 1 - 3 标准的新型软p l c 系统分析与设计 2 1ie 0 6 113 1 - 3 标准 2 1 1le 0 6 113 卜3 标准及其优点 i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 6 11 3 1 3 是i e c 6 11 3 1 国际标准的第三部分，该标准由国际电工委员会于1 9 9 3 年3 月颁布，是第一个为 工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准订儿引。该国际标准 的制定，是i e c 工作组在合理地吸收、借鉴世界范围的各种可编程序控制器厂家 的技术、编程语言、方言等的基础之上，形成的一套新的国际编程语言标准。 i e c 6 1 1 3 1 - 3 国际标准得到了包括有美国a b 公司、德国西门子公司等世界知名 大公司在内的众多厂家的共同推动和支持，它极大地改进了工业控制系统的编程 软件质量及提高了软件开发效率；它定义的一系列图形化语言和文本语言，不仅 对系统集成商和系统工程师的编程带来很大的方便，而且对最终用户同样会带来 很大的方便；它在技术上的实现是高水平的，有广阔的发展空间和可扩展性。 i e c 6 11 3 1 - 3 标准最初主要用于可编程序控制器的编程系统，但它目前同样也 适用于过程控制领域、分散型控制系统、基于控制系统的软逻辑、s c a d a 等。符合 i e c 6 1 1 3 1 - 3 的软件系统是一个结构完美、通用性强、可维护的工业控制系统软件， 不但能被应用在p l c ，而且还能被应用在控制工业及制造过程的一切软件中，是一 种先进的工业控制编程系统m 。 i e c 6 11 3 1 3 的优势在于它将现代软件的概念和现代软件工程的机制有机地结 合了起来，采用i e c 6 11 3 1 - 3 国际标准的优点主要有： ( 1 ) 标准的数据类型定义，对错误类型数据具有很强的检测能力，支持数据 结构的定义。 ( 2 ) 采用模块化设计原则。编程语言支持模块化，将常用的程序功能划分为 若干单元，并加以封装，模块化接口之间的交互作用，均采用显性定义。将信息 隐藏于模块内，对使用者而言只需了解该模块的外部特性( 即功能、输入输出参 数等) ，而无需了解模块内部算法的具体实现过程。 ( 3 ) 将现代软件概念浓缩，并加以运用。 7 电子科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 由于i e c 6 11 3 1 - 3 所规范的编程系统独立于任何一个具体的目标系统， 为p l c 编程开放性奠定了基础。 ( 5 ) i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准支持结构化( 自顶而下或自底而上) 的程序开发模式， 便于用户根据系统要求自由、合理的选择开发模式。 ( 6 ) 对程序执行具有完全的控制能力。 ( 7 ) 标准编程语言的灵活选择，支持复杂的顺序操作功能处理，再复杂的顺 序行为都可以用顺序功能图( s f c ) 语言加以分解并进行描述。 i e c 6 1 1 3 1 3 标准不仅描述p l c 编程语言自身，也为建立p l c 项目提供了导则 和依据，为可编程控制器编程软件包的开发提供了指导性的准则，为p l c 程序在 不同机型之间的移植提供了可能，这种开放式、标准化的软件开发思想及其实现， 极大地推动了可编程控制器软件技术的发展n 们n 邮别。 2 1 2le 0 6 i13 卜3 标准的内容 i e c 6 11 3 1 3 标准包括两部分：编程和公共元素n 射。编程部分描述了两个重要 模型：i e c 6 1 1 3 1 3 软件模型( 如图2 - 1 所示) 和通讯模型；而公共元素描述了 i e c 6 1 1 3 1 3 五种编程语言、i e c 软件模型及通讯模型中需用到的全部公共编程元 素的变量和数据类型，以及给出了如何命名这些软件元素、声明变量、变量及数 据类型的初始化等规则，是实现i e c 6 1 1 3 1 3 编程系统不可缺少的有机组成部分。 通讯功能 i ( 已在i e c 6 1 1 3 i - 5 部分定义) 图2 1i e c 6 1 1 3 1 3 软件模型 8 第二章符合i e c 6 11 3 1 - 3 标准的薪型较琵c 系统分析与设计 i e c 软件模型从理论上描述了如何将一个复杂的程序分解为若干个小的不同 的可管理部分，并且在各个被分解部分之间有清晰的和规范的接嗣的方法；描述 了台p l c 如何实现多个独立程序的同时装载、运行；描述了系统如何实现对程 序执行的完全控制等。通讯模型同样从理论上描述了不同程序组织单元 ( p o u - p r o g r a mo r g a n i z a t i o nu n i t s ) 之间如何交换信息的方法。 ( 1 ) 程序组织单元 程序组织单元( p 踟) 是i e c 6 11 3 1 - 3 标准中一个很重要的组成部分，它包括 程序、功能块和功能三部分。由以前的块类型( 如德国标准d i n l 9 2 3 9 ) 至0i e c 6 1 1 3 1 3 的p o u 的演变如图2 - 2 新示。 d i n l 9 2 3 9 使用的块类型 i e c 6 11 3 1 3 熬p o u 图2 - 2 由以前的块类型到i e c 6 11 3 1 3 的p o u 的演变 p o u 是一个封装单元，它可以独立地由其健程序部件进行编译，但是，编译器 需要其他p o u 的调用接口的相关信息。p o u 的独立性有利于控制任务的模块化扩展， 以及实现和已测试的软件单元的重复使雳性。 一个p o u 包含p o u 类型和名称( 以及在功能情况下的数据类型) 、带有变量说 明的说明部分、带有指令的p o u 主体三个元素，如图2 - 3 所示。 9 电子科技大学硕士学位论文 p r o g r a mp r o g ：名 f u n c t i o n b l o c kf b 名 f u n c t i o nr 烈名数据类型 说明部分 代码部分 e n d p r o g r a me n d f u n c t i o n b l o c ke n d f u n c t i o n 图2 3p o u 的组成兀素 d e c l a r a t i o n ( 说明) 定义p o u 内使用的所有变量，在说明中应区别从p o u 外 部( p o u 接口) 可视的变量和p o u 的局部变量。在i e c 6 1 1 3 1 - 3 中，变量用于初始 化、处理和存储用户数据。在每个p o u 的开始部分，必须说明变量，即变量的数 据类型，而变量的其他属性如：初始值、物理地址赋值，也可在说明部分予以定 义。p o u 中变量的类型及存取权限如表2 - 1 所示。 表2 - 1p o u 中变量的类型及存取权限 存取权限 变量类型说明 外部内部 v a r 一个局部变量，只能在其p o u 内可视，并仅 局部变量 读，写 能在此处理。 输入变量，对调用p o u 是可视的，并仅能在 v a r i n p u t 写读此被该p o u 写入( 或修改) ，但不能在其自 输入变量 己的p o u 内被修改。 输入变量，对调用p o u 是可视的，并仅能在 v a r _ o u t p u t 读读，写此被该p o u 读取，它能在其自己的p o u 内被 输出变量 读取和写入。 输入输出变量，具有v a r _ i n p u t 和 v a r i n o u t 读，写读，写v a r _ o u t p u t 的组合性能，它是可视的，并 输入输出变量 可在其p o u 内或p o u 外被读取或修改。 一个外部变量必须由另一个p o u 说明为全 局变量，并且是可视的，能被所有p o u 所读 v a r _