（计算机应用技术专业论文）编译型plc编译系统的研究与实现.pdf

1 1 ， at h e s i ss u b m i t t e df o rt h e a p p l i c a t i o 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 r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no nt h e c o m p i l e ro ft h ec o m p i l e dp l c candidate：li h u i q i a 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 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 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：右甚强 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：竺2 1 年兰月j l 日 山东轻t 业学院硕 ：学位论文 摘 目录 a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 课题来源与研究意义1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 课题的研究意义l 1 2 研究内容及论文结构l 1 2 1 研究内容l 1 2 2 论文结构2 1 2 3 论文中做的主要工作2 1 3 课题研究的相关工具简介3 1 3 1a r m 处理器概述3 1 3 2a d s1 2 开发环境简介4 第2 章p l c 技术概述5 2 1p l c 的定义及特点5 2 1 1p l c 的定义5 2 1 2p l c 的主要特点5 2 2p l c 的产生、发展及分类7 2 2 1p l c 的产生7 2 2 2p l c 的发展历程7 2 2 3p l c 的分类8 2 3p l c 的基本组成、工作原理及应用范围一1 0 2 3 1p l c 的基本组成部分及作用1 0 2 3 2p l c 的工作原理1 2 2 3 3p l c 的应用1 2 2 4p l c 的研究现状、发展趋势及在我国的发展。1 4 日录 2 4 1p l c 的研究现状l4 2 4 2p l c 的发展趋势1 4 2 4 3p l c 在我国的发展l5 山科s k 系列p l c 编译系统简介1 7 3 1 用户工程管理一1 7 3 2 配置硬件环境18 3 3 编辑p l c 程序2 1 第4 章解释型p l c 执行机制的研究2 3 4 1 系统结构2 3 4 2 编辑环境2 3 4 3 指令系统2 4 4 4 中间代码2 4 4 5 运行系统和解释程序2 7 4 5 1 运行系统2 7 4 5 2 解释程序2 8 4 6 本章小结。31 第5 章编译型p l c 编译系统的设计与实现3 3 5 1 编译型p l c 系统的总体设计3 3 5 1 1 系统结构3 3 5 1 2 编译系统3 3 5 1 3 运行系统3 4 5 2 编译型p l c 编译系统的设计3 4 5 2 1 编译系统的组成3 4 5 2 2 编译过程中用到的寄存器3 5 5 2 3 指令的编译过程3 5 5 3 编译型p l c 指令的解析3 6 5 4 编译方法的优化。4 3 5 5 本章小结。4 4 第6 章两种p l c 执行机制的性能比较4 5 2 - 3 一 山东轻t 业学院硕f ：学位论文 摘要 可编程控制器( p l c ) 叫是工业自动化、先进制造、工业流程控制等领域的 关键核心设备。由于具有使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等一系列的优点， p l c 目前已被广泛的应用于机械制造、立体仓库、机床与工具、汽车制造、包装 机械、纺织机械、控制设备制造、电力系统等机电行业，以及化工、油f f l 、水利、 污水处理、生产线等工业流程控制，在控制领域内发挥了重大的作用【1 0 】。 根据编程指令执行方式的不同，嵌入式p l c 可分为编译型【l l 】和解释型【1 2 1 两 种。解释型p l c 下载到下位机的程序，是在上位机编译系统中做了简单的处理得 到的编码( 我们称为中间代码) 。由于无法直接识别这些中间代码，下位机处理器 只能采用取一条指令，解释执行一条指令的方式逐句执行。这种机制方法简单， 而且容易实现，但是因为每执行一条指令都要调用相应的解释程序，从而花费了 大量的时间。而编译型p l c 下载到下位机的程序，是在上位机编译系统中编译过 的程序，下载到下位机，可以直接执行，而不再需要解释，并且可以“一次编译， 多次执行。这种机制在上位机就完成了编译的工作，下位机通过加载程序就可以 直接执行，从而节省了很多时间。 我国p l c 市场上，国外产品占有率很高，特别在中高端产品上更是一直处于 垄断地位。因此，p l c 产品的研发和推广对于提高我国制造业水平，提升国家的 竞争力具有重要的战略意义。山东省计算中心高档数控实验室经过数年的刻苦攻 关，自主研发了具有我国自主知识产权的高科技产品山科s k 系列p l c 。该产品 目前已在国内水利、电力、数控机械、医疗卫生等行业取得了良好的示范应用效 果【l3 1 。但是，该产品采用解释执行的方式，是解释型p l c 。这种方式存在可移植 性差、执行速度比较慢等不足，是阻碍p l c 发展的重要因素之一。针对这种情况， 本文结合高档数控国家工程研究中心山东分中心承担的国家重点新产品计划山 科s k 系列通用p l c 技术研究课题，提出了一种基于a r m 的编译型p l c 编译系 统的设计和实现方法。实验表明，采用本系统可以明显提高现有s k 系列p l c 产 品的工作效率，大大提升本产品的市场竞争力。 关键词：可编程序控制器；指令；解释型；编译型；中间代码；编译系统 山东轻t 业学院硕 ：学位论文 a b 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 st h ec r i t i c a lc o r ee q u i p m e n to fi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n ，a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n ga n di n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 w i t has e r i e so f a d v a n t a g e s ，s u c ha se a s yt ou s e ，h i g hr e l i a b i l i t y , s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ea n ds oo n ， p l ch a sb e e nw i d e l yu s e di nm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g ，a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g ， w a r e h o u s e ，m a c h i n ea n dt o o l s ，t e x t i l em a c h i n e r y , p a c k a g i n gm a c h i n e r y , c o n t r o l e q u i p m e n t ，p o w e rs y s t e ma n de l e c t r i c a lm a c h i n e r yi n d u s t r i e s ，a sw e l la sc h e m i c a l ，o i l ， w a t e r , s e w a g et r e a t m e n t ，i n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o lp r o d u c t l i n e i ti s p l a y i n ga s i g n i f i c a n tr o l ei nt h ec o n t r o la r e a a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ti m p l e m e n t i n gw a y so fp r o g r a mi n s t r u c t i o n s ，p l cc a n b ed i v i d e di n t ot h ec o m p i l et y p ea n di n t e r p r e t a t i o nt y p e t h ei n t e r p r e t a t i o np l c t r a n s l a t e st h eu s e rp r o g r a mt ot h ei n t e r m e d i a t ec o d e t h e nt h ep l cr u n n i n gs y s t e m i m p l e m e n t st h ei n s t r u c t i o n ss e n t e n c eb ys e n t e n c e ，b ym e a n so fi n s t r u c t i o nf e t c h i n g , e x p l a i n i n ga n dp e r f o r m i n g t h i sm e t h o di sr e l a t i v e l yi n t u i t i v e ，a n de a s yt oi m p l e m e n t h o w e v e r , b e c a u s ee a c ho ft h ei m p l e m e n t a t i o no fa na p p r o p r i a t ei n s t r u c t i o ns h o u l db e i n v o k e dt oe x p l a i np r o c e d u r e s ，i th a dt os p e n dal o to ft i m e a si ti sc o m p i l e di nt h e h o s tc o m p u t e rs y s t e m ，t h ep r o g r a mo fc o m p i l e r - b a s e dp l cw h i c hi sd o w n l o a d e dt ot h e l o w e rc o m p u t e ri sc a p a b l eo fi m m e d i a t ei m p l e m e n t a t i o nw i t h o u ti n t e r p r e t a t i o na n dc a n b ec o m p i l e do n c eb u te x e c u t e dm a n yt i m e s b e c a u s et h i sm e c h a n i s mc o m p l e t e st h e c o m p i l a t i o nw o r ki nt h eh o s tm a c h i n e ，t h ep r o g r a mc a nb el o a d e da n di m p l e m e n t e d d i r e c t l y , t h u si tc a ns a v eal o to ft i m e i nt h ep l cm a r k e to fo u rc o u n t r y , f o r e i g np r o d u c t sh a v eh i g hs h a r e ，e s p e c i a l l yi n t h eh i g h e n dp r o d u c t sh a v eb e e ni nam o n o p o l yp o s i t i o n t h u s ，i th a ss t r a t e g i c i m p o r t a n c et h a tt h ed e v e l o p m e n tp r o m o t i o no fp l cp r o d u c tc a ni m p r o v eo u r n a t i o n a l m a n u f a c t u r i n gl e v e la n de n h a n c eo u r n a t i o n a lc o m p e t i t i v e n e s s a f t e rs e v e r a ly e a r so f p a i n s t a k i n gr e s e a r c h ，c o m p u t e rs c i e n c ec e n t e r , h i g h g r a d ed i g i t a ll a b o r a t o r yi n s h a n d o n gp r o v i n c e ，i n d e p e n d e n t l yi n v e n t e dt h eh i g h t e c hp r o d u c t s s h a n k es k s e r i e s p l c ，w h i c hh a sc h i n a s0 w 1 1i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h ep r o d u c ti sn o wo b t a i n i n g ag o o da p p l i c a t i o no ft h em o d e lr e s u l t si nt h ed o m e s t i cw a t e r , e l e c t r i c i t y , c n c m a c h i n e r y , m e d i c a la n dh e a l t hs e c t o r h o w e v e r , t h ep r o d u c ta d o p t sa ni n t e r p r e t e dw a y t oi m p l e m e n tt h ei n s t r u c t i o n s ，s oi ti si n t e r p r e t e dp l c i th a sas e r i e so fd i s a d v a n t a g e s ， s u c ha sp o o rp o r t a b i l i t y , s l o ws p e e do fe x e c u t i o na n ds oo n ，a n dt h i si so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r so fi m p e d i n gt h ed e v e l o p m e n to fp l c a i m e d a tt h i ss l t u a t l o n ，t h i s p a p e rc 伽幽i n e sw i t h t h en a t i o n a lk e yn e wp r o d u c tp l a n - s ks e r i e s g e n e r a lp l c t e c h n 0 1 0 9 yr e s e a u r c h ，w h i c hi su n d e r t o o kb yn a t i o n a le n g i n e e r i n g r e s e a r c hc e n t e ro f h i g h e n dc n c s h a n d o n gb r a n c h ，a n dp r o p o s e sa na p p r o a c ht od e s i g nt h ec o m p i l i n g s v s t 锄o fe m b e d d e dp l cb a s e d o na r m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s h o wac l e 盯 d i r e c t i v ed e v e l o p m e n to ft h es ks e r i e sp l ci nt h e p r o c e s so fi m p l e m e n t i n gt h e i n s 仃u c t i o n sa i l di ta l s oc a ng r e a t l ye n h a n c e t h ec o m p e t i t i v e n e s so ft h i sp r o d u c t1 1 1t h e m a r k e t k e y w o r d s ：p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r , i n s t r u c t i o n s ，i i l t 唧r e t a t i o n t y p e ， c o m p i l a t i o nt y p e ，i n t e r m e d i a t ec o d e ，c o m p i l e r i i 山东轻t 业学院硕l j 学位论文 1 1 课题来源与研究意义 第1 章绪论 1 1 1 课题来源 本课题来源于高档数控国家工程研究中心山东分中心承担的国家重点新产 品计划一山科s k 系列通用p l c 技术研究课题和山东中小企业基金项目。 1 1 2 课题的研究意义 由于具有可靠性高、通用性好等一系列优点，可编程序控制器( 简称p l c 或 p c ) ，一直深受广大工程技术人员的欢迎，目前己被广泛的应用于机器制造、化 工、冶金、轻工、建筑、电力等各行各业。在生产自动线控制、单机或多机控制、 生产过程控制以及对传统控制系统的技术改造等方面，p l c 都被大量的使用。但 是一直以来，国外产品在我国的p l c 市场上一直处于垄断地位，尤其是在中、高 端产品的市场上，国外产品的占有率更是在百分之九十五以上。因此，p l c 产品 的研发与推广对于提高我国的制造业整体水平和提升我们国家的国际竞争力，具 有非常重要的战略意义。 但是，目前国内很多厂家研制的p l c 都是采用解释执行的。下位机在解释 执行一条指令时，就要调用一条相应的解释程序。当有相同的指令出现时，也不 例外。显然，这种方式的效率不高，特别是当用户程序比较复杂时，其速度的局 限性会表现的更加明显。针对这种情况，本文在国家高档数控中心山东分中心承 担的山科s k 系列p l c 技术的研究基础上，提出了一种基于a r m 的编译型可编 程序控制器的编译系统的设计方案。实验表明，采用本方案明显的提高了现有s k 系列p l c 产品的工作效率，大大提升本产品的市场竞争力。高性价比、高回报率 将使我们的自主产品赢得更多的国际、国内市场，为企业节约大量成本的同时， 给国家带来巨大的经济效益。 1 2 研究内容及论文结构 1 2 1 研究内容 目前，山东省计算中心自主研发的具有我国自主知识产权的高科技产品山科 s k 系列p l c 已在国内电力、水利、数控机械、医疗卫生等行业中取得了良好的 示范性应用效果，并在数控机械系统配套、医院配药机器人、城市供水管网监测 等多个项目中得到顺利的推广。s k 系列p l c 是解释型p l c ，在执行命令时采用 各 数 基 的 对 性 译 两 读研期间，在对本课题进行深入研究的基础上，共发表论文七篇，其中，一 篇国际会议i s t p 检索，两篇中文核心。发表在2 0 0 9 信息、电子与计算机工程国 际学术会议论文ac o m p i l i n gm e t h o do fe m b e d d e dp l ci n s t r u c t i o nb a s e do na r m 中提出了种基于a r m 的嵌入式p l c 指令的编译方法，这部分内容体现在论文 的第四、五章；论文基于a r m 的编译型可编程序控制器系统研究对编译型 p l c 系统进行了研究，设计了编译型p l c 的系统结构，这部分内容在论文的第五 章；论文两种嵌入式p l c 执行机制的比较分析与验证对解释型和编译型两种 2 、系辑系编译的译解两第 山东轻t 业学院硕f ：学位论文 执行机制进行了比较分析，并通过实验验证了编译型p l c 具有更好的可靠性和高 效性，这部分内容在第四、五、六章都有介绍；论文嵌入式p l c 指令的编译和 优化方法研究主要介绍了p l c 指令的编译和优化方法，这部分内容在论文的第 五、六章。 1 3 课题研究的相关工具简介 1 3 1a r m 处理器概述 1 9 9 0 年，a r m 公司在英国的剑桥宣告成立，它的英文全称是“a d v a n c e dr i s c m a c h i n e sl t d ”，主要从事设计与开发基于精简指令集计算机( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r ) 技术芯片的工作。由于前期没有足够多的资金支持，a r m 公司没有 能力直接购买芯片制造、封装和测试所需要的设备，因此a r m 公司采取了自身 不参与直接的生产而只是出售芯片的设计技术授权和提供必要的技术支持，并由 授权公司来生产芯片的发展方式。实践证明，这种合作方式的效果是非常明显的， 为a r m 公司发展方式的成功奠定了基础。全球包括三星、英特尔、摩托罗拉等 国际知名公司，有一百多家半导体生产商在跟a r m 公司合作，通过使用a r m 公 司的芯片设计技术授权而生产出各种各样的a r m 芯片。目前，a r m 公司的微处 理器及技术的应用已经渗入到我们生活中的方方面面，成为很多领域中不可或缺 的一部分。 一般来说，a r m 体系结构的处理器都有自己相对独特的性能和应用领域。 目前，市场上比较常见的a r m 微处理器，除了a r m 7 、a r m 9 、a r m l1 等通用 处理器系列外，还有x s c a l e 、w i n d o w sc e 、e p o c 、l i n u x 、s e c u r c o r e 、s t r o n g a r m s a 等系列的处理器，这些都是为了满足不同的应用而设计的。 a r m 7 系列的微处理器主要有a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、 a r m 7 e j 等几种类型的核【1 4 】，它们主要应用于工业控制、石油、化工、移动电话 等领域。本课题用到的微处理器芯片是a r m 7 。a r m 7 系列微处理器具有以下特 占 j ( 1 ) 采用的逻辑是嵌入式i c e r t ，无论是调试，还是开发都比较方便； ( 2 ) 功耗一般比较低； ( 3 ) 可以兼容十六位的t h u m b 指令集； ( 4 ) 可以兼容l i n u x 、w i n d o w s 、p a l mo s 等大多数主流操作系统，使用范围 非常广泛； ( 5 ) 用户产品的升级比较方便，与a r m 9 、a r m l l 等高版本系列的指令系统 兼容； ( 6 ) 运算处理能力更加强大，足以胜任大多数的应用场合。 3 第1 章绪论 1 3 2a d s1 2 开发环境简介 作为目前主流的a r m 平台集成开发环境之一，a d s ( a r md e v e l o p e rs u i t e ) 具有人机界面友好，编译效率高等优点，是w i n d o w s 界面下全套的实时开发软件 工具包。a d s 的编译器生成的代码密度和执行速度十分优异，可以快速而低价地 创建a r m 结构。 a d s 是在a r ms d t 的基础上发展起来的，因此它不但继承了s d t 的所有 优点，而且增强了s d t 的一些模块的功能，可以支持所有的a r m 系列处理器。 a d s 的集成丌发环境用c o d ew a r r i o ri d e 代替s d t 的a r m ，使用a x d 而不是 a d w ，这是用户可以感受到的最强烈的变化。此外，a d s 不但可以适应s d t 的 操作系统，而且还可以在w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sx p 和l i n u x 等主流操作系统 上运行。 4 ( 1 ) 具有非常强的抗干扰能力和非常高的可靠性 工业生产过程中往往会要求相关的控制设备具有特别高的可靠性，它必须具 有非常好的抗干扰能力，可以在环境比较坏的情况下长期、连续而可靠地工作。 可以说，没有任何工业控制设备在可靠性上比p l c 要好。由于在设计与制造中，我 5 第2 章p l c 技术概述 们采取元器件都是经过精选的，而且还采取了各种抗干扰的措施，p l c 的平均无故 障时间( p l c 可靠性的一个重要指标) 目前已经可以达到几万小时以上甚至更高。 其他电气设备根本就做不到这些。 ( 2 ) 具有更简单、方便的编程方式 p l c 主要是为工业领域中的工程技术人员设计的，它一般采用非常容易被理解 的编程语言梯形图。这种语言不但继续保留了传统的表达形式( 如触点、常开、 常闭等) ，而且又考虑了绝大部分工业领域中技术人员的电脑使用水平和一般习 惯。因此，梯形图语言对于那些熟悉传统的控制方式的技术人员来说非常得心应 手，它不但看起来更加形象直观，而且学起来更简单。一般说来，某些小型p l c 的操作员甚至不需要掌握多少专门的计算机操作知识，只需要经过一定的培训， 就能编写和维护一些基本的p l c 用户程序。 ( 3 ) 使用起来更加方便 这是p l c 的另外一个非常重要特点，也是它在这么短的时间内就能够迅速在国 内外普及推广的重要原因之一。为了满足各种不同控制对象和用户的需要，p l c 采用了如语句表、梯形图等多种不同形式的编程语言。另外，我们可以根据自己 的习惯和实际情况，非常方便的在梯形图、语句表等不同的编程方式之f 日j 进行相 互转换。 ( 4 ) 维护起来更加方便 p l c 的用户程序，可以利用很多工具( 编程器等) 下载至i j p l c 下位机系统相应 的用户程序存储器中。用户对p l c 进行各种操作和维护起来都非常方便，因为编程 器允许用户对p l c 的用户程序进行写入、修改等操作。此外，p l c 还具有非常强的 自诊断性，p l c 系统在运行中出现的如数据通信异常、电路异常等故障信息可以被 及时的检测并显示出来。在维修时，用户可以根据这些信息来定位故障发生的位 置并迅速的采取解决措施，这样不但方便而且又可以缩短影响生产的时间【1 8 】。 ( 5 ) 设计、施工和调试的周期缩短 由于现在通过软件进行编程的方式就可以实现以往用继电器硬接线方式实现 的控制功能，这样就可以大大的减少控制柜在设计阶段、安装阶段和接线阶段中 需要做的工作，从而缩短了施工的周期。同时，用户程序的调试环境可以在实验 室里模拟，这样不用去现场我们就可以完成对用户程序的调试。调试好的p l c 控制 系统拿到现场只需要进行联机调试，就完成了整个调试工作，这使整个调试过程 变得更加方便、快速而且安全，从而大大缩短了设计和投运周期。 ( 6 ) 机电一体化更容易实现 由于可编程序控制器的结构比较紧凑，而且具有重量较轻、体积较小、可靠 性较高，和较强的抗震防潮与耐热能力等一系列优点，它更容易被安装在各种设 备的内部，这就方便了机电一体化的实现。近年来，由于集成电路的制造水平得 6 山东轻t 业学院硕l 学位论文 到了不断的提高，p l c 的体积被进一步缩小，但是其功能非但没有减弱反而得到 增强，并且开始与机械设备有机地结合起来，在高档数控( c n c ) 和机器人等 域中的应用变得更加普遍，以p l c 作为控制器的c n c 设备和机器人装置已经成为 型的机电一体化产品。 2 2p l c 的产生、发展及分类 2 2 1p l o 的产生 根据市场形势的发展，1 9 6 8 年美国g m ( 通用汽车) 公司，对生产提出了“多 种、小批量、不断翻新汽车品牌型号的战略【l9 1 。只有研制出一种新的控制系统 来取代继电器控制装置，才能满足他们的这种需要，因为当时汽车生产流水线的 自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的，而这种装置显然无法满足。 于是，第一代的可编程序控制器在1 9 6 9 年在美国数字公司被研制出来，这满足了 g m 公司对于装配线的要求。 从1 9 6 9 年至今，可编程序控制器的发展已经历了四代。第一代可编程序控制 器一般采用一位机开发，用磁芯存储器来存储，因此它只具有单一的逻辑控制功 能；第二代可编程序控制器采用八位的微处理器，用半导体存储器来存储，这时 的可编程序控制器产品开始系统化；第三代可编程序控制器采用位片式的c p u ， 其处理速度得到大大的提高，并且使可编程序控制器朝着多功能和联网通信的方 向发展；第四代可编程序控制器开始全面使用1 6 位、3 2 位的高性能微处理器，内 含c p u 的智能模块，并且同时配置多个微处理器，可以进行多通道处理，这样就 使第四代可编程序控制器成为集逻辑控制、过程控制、数据处理、运动控制、联 网通信等功能为一体的多功能控制器。 2 2 2p l o 的发展历程 p l c 的问世时问虽然不算长，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信技术的不断进步，p l c 技术也得到迅速的发展， 其发展历程大致可分为以下三个阶段【2 0 】： ( 1 ) 第一阶段：从1 9 6 9 年第一台p l c 问世至u 1 9 7 2 年，是p l c 的初创阶段。 1 9 6 9 年，美国d e c 公司研制出第一台p d p 1 4 型p l c 。它与现代的p l c 是有很大 差别的。首先，它采用计算机初级语言来编写应用程序。其次，它采用的c p u 是 由中、小规模集成电路组成的，以逻辑运算为主，只是专用的逻辑处理器。再次， 它实质上只是一台专用的逻辑控制计算机，还不具备p l c 独特而又鲜明的性格。最 后，它的价格非常昂贵，但是功能却仅限于开关量的逻辑控制。这个阶段的p l c 控制功能还比较简单，主要有逻辑运算、计时、计数和顺序控制等功能。 ( 2 ) 第二阶段：从1 9 7 3 年塑 1 9 7 8 年，是p l c 的成熟阶段。 7 第2 章p l c 技术概述 大规模集成电路的出现既促进了微机的发展，也为p l c 的发展提供了可能性。 以微处理器为核心的新一代p l c 很快就出现了。在控制功能上，它不但具有位逻辑 运算、计时、计数功能，而且还具有数值( 字) 运算和数据处理、数据传送、监 控、记录显示、计算机接口、模拟量控制等功能。 编程技术方面开发的面向用户的梯形图编程方法，比较通俗易懂。这个时期 的p l c 结合了计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点和继电器控制系统的 结构简单、使用方便、价格便宜、抗干扰性强等优点，把p l c 面向工业控制的鲜明 特点体现出来，并且技术日趋完备，p l c 开始进入实用化阶段。 ( 3 ) 第三阶段：从1 9 7 8 年到1 9 8 4 年，是p l c 的大发展阶段。 这个时期的p l c 进入了持续高速发展的阶段。p l c 由最初用于汽车工业取代继 电器控制系统，开始发展到已广泛应用于各国机械、建筑、交通运输、轻工、化 工、煤炭、冶金、石油、动力、纺织等工业部门，其应用面几乎覆盖了所有工业 企业，p l c 面向工业控制的鲜明特点受到了大家的普遍欢迎。随着p l c 应用面的不 断扩大，其需求量也大大的增加，销售额也随着剧增。 这个时期p l c 的c p u 主要采用8 位和1 6 位的微处理器，但是多微处理器结构也 开始被有些p l c 采用了。p l c 的功能得到进一步的增强，处理速度比原来更快。而 且还增加了多种特殊功能，比如浮点数运算、三角函数、查表、平方、列表、脉 宽调制变换、高速计数、定位控制、p i d 控制、中断控制等。另外，自诊断功能和 容错技术得到迅速的发展，而且还具有通信功能和远程i o 的能力。此时已初步形 成了分布式通信网络体系。 ( 4 ) 第四阶段：从1 9 8 4 年至今，是p l c 继续发展的阶段。 随着超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格开始大幅度的 下跌，使得各种类型的p l c 所采用的微处理器的档次得到普遍的提高，进一步的提 高了p l c 的处理速度，使得p l c 的软件和硬件功能发生了巨大的变化，甚至使p l c 已开始具有接近于工业控制计算机的强有力的软件和硬件功能。p l c 用户存储器的 容量继续增大，i o 除了可以采用通用的扫描处理方式外，还可以采用直接处理的 方式。随着通信系统的开放，各大厂家生产的p l c 产品可以相互通信。通信协议的 标准化，也使p l c 开始成为计算机网络的一个成员，可以共享网络中的资源。多级 通信网可以通过p l c 的网络通信功能构成，实现了工厂的管理与控制的自动化。 p l c 的监控功能，不仅可以在c r t 上显示出生产工艺流程的图形，而且还可以用 c r t 的画图来代替仪表盘，这样就可以十分灵活方便地进行各种控制和管理的操 作。 2 2 3p l c 的分类 p l c 的分类方式【2 l 】主要有：i o 点数及存储器的容量、结构形式、指令的翻译 山东轻t 业学院硕l ：学位论文 方式等。 ( 1 ) 按i o 点数及存储器的容量分类： p l c 的输入、输出点数表明p l c 可以从外部接受多少个输入信号和向外部输出 多少输出信号，实际上就是p l c 的输入和输出的端子数。p l c 常用的用户存储器有 两种：随机存储器和可擦除的可编程的只读存储器。用户程序常用r a m 存储，为 了防止掉电时程序数据丢失。 小型p l c 输入、输出点数在1 2 8 点以下，用户存储器容量在2 k b 以下。小型p l c 适用于 开关量控制场合，具有逻辑运算、计算、计时等功能，可以实现条件控制、定时、 计数控制和顺序控制。 中型p l c 输入、输出点数在2 5 6 1 0 2 4 点之间，用户程序存储器容量在2 8 k b 。中型 p l c 除具有上述逻辑运算功能外，还有模拟量输入、输出、数据传输、数据通信等 功能。这种p l c 多采用模块使结构，用户可根据控制要求增j j h v o 模块外，还有模 拟量模块。因此，可以完成既有开关量又有模拟量复杂的工业生产过程的自动控 制。 大型p l c 输入、输出点数在1 0 2 4 点上，最多可达8 1 9 2 点，用户程序存储器容量在8 k b 或8 k b 以上。这种p l c 有丰富的i o 模块，能适应各种控制要求。它除了能用梯形 图编程外，还可以采用高级语言编程，如b a s i c 、c 语言等。具有数据运算、模块 调节、实时中断、过程监控、联网通讯、文件处理、远程控制、智能控制等，也 可构成分布式控制系统或整个工厂的自动化网络。 ( 2 ) 根据结构形式分类： 整体式( 箱体式) 将p l c 的中央处理器单元、输入、输出部件安装在一块印刷电路板上，并连同 电源一起装在一个标准机壳内，形成一个箱体。这种结构简单，体积小，重量轻， 通过输入、输出端子与外部设备连接。一般小型p l c 常采用这种结构，它适用于单 机自动控制。 机架模块式( 模块式) 把p l c 的各个部分制成独立的标准尺寸的模块，主要有c p u 模块( 包括存储 器) 、输入模块、输出模块、电源模块以及其他各种模块直接插入机架底板的插 座上即可。这种结构形式配置灵活，装配方便，便于扩展，用户根据控制要求灵 活地配置各种模块，构成各种控制系统。般大型、中型p l c 采用这种结构。 ( 3 ) 根据指令的执行方式分类： 可分为解释型和编译型。解释程序每次从用户程序区读取一行代码，执行该 9 第2 章p l c 技术概述 行中所包含的特定指令；编译程序一次读完全部程序，并把它们转化为目标码( 机 器代码) 。p l c 的整个体系结构分为上位机和下位机两大部分。上位机即个人电脑 p c ，在其上安装了p l c 的编译系统，下位机就是指由软p l c 和硬p l c 共同组成的 p l c 。 解释执行是在上位机部分用梯形图或者语句表等编程语言来编制程序，经过 处理转换成中间代码或者直接下载到下位机，经过下位机的解释程序来对这些代 码逐条进行解释执行；编译执行其上位机部分主要完成对p l c 编程语言梯形图等语 言编制的源程序进行逻辑检查、语法分析、编译、生成机器代码。下位机部分直 接执行上位机生成的机器代码。 2 3p l c 的基本组成、工作原理及应用范围 2 3 1p l c 的基本组成部分及作用 从广义上说，p l c 也是一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强 的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制控制要求的编程语言。所以p l c 与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器( c p u ) 、存储器、输入输出( i 0 ) 接口、电源等，如图2 1 所示。 微处理器 ，s l c 输 输 入 存储器 出 一茧苴 ，s q ，一 兀兀 电源 卢 一 竺竺竺 图2 1p l c 的基本组成 各个组成部分的功能【2 2 】如下： ( 1 ) 中央处理单元( c p u 模块) c p u 是p l c 的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。微处理器是p l c 的 _ 运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工 作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。其主要任务是：控制从编程 器输入的用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过输入部件接收现场的 状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中；诊断电源、p l c 内部电路的 工作故障和编程中的语法错误等；p l c 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指 1 0 无源开关等使用。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持r a m 在 外部电源断电后存储的内容不丢失。p l c 的电源一般采用开关电源，其特点是输入 第2 章p l c 技术概述 电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。 ( 6 ) 其他设备