（电路与系统专业论文）基于IEC611313标准的PLC系统研究与应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 i e c 6 1 1 3 1 3 标准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 的国际化标准，其开放性和先进性受到了广泛的关注和重视。随着现场总线技术向着网 络化方向发展，研究基于i e c 6 11 3 1 - 3 标准的p l c 控制系统具有重要意义。 针对工业控制系统和现场总线技术的特点，研究了i e c 6 1 1 3 1 3 标准的编程规范， 以一种基于i e c 6 11 3 1 3 标准的p l c 系统方案为基础，通过r s - 4 8 5 网络扩展了基于标 准m o d b u s 协议的设备，并利用工业以太网实现了对通用监控软件的通讯支持，完成了 以功能块编程和从设备管理为主要内容的系统主控制器的功能设计，并对其进行了软件 实现。 软件开发环境采用d y n a m i cc ，硬件平台采用以r c m 2 2 5 0 为核心的以太网控制器， 实现了基于i e c 6 11 3 1 3 标准的p l c 系统下位机软件开发，包含功能块设计、系统寄存 器分区设计、扩展设备管理和通讯处理等软件模块。各个软件模块协同工作，可对系统 中的资源进行配置和优化。 将p l c 系统应用于金牛扁轧钢直流传动系统中，完成了平辊和立辊的稳定控制， 实现了系统的状态监视、报警处理等功能，目前现场运行稳定。通过本文的论述和工程 应用，证明了基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的p l c 系统的开放性和易用性，在节省人力资源、 控制系统维护以及软件可重用性方面具有明显优势。 关键词：可编程控制器；i e c 6 1 1 3 1 - 3 ；现场总线；m o d b u $ 协议；r s - 4 8 5 总线 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f p l c s y s t e mb a s e d o ni e c 6 11 3 1 3s t a n d a r d a b s t r a c t i e c 6 11 3 1 - 3i st h ef i r s ts t a n d a r dp r o g r a m m i n gl a n g u a g eo fa u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m i t so p e n n e s sa n ds u p e r i o r i t ya t t r a c tm a n yr e s e a r c hi n t e r e s t sa n di tb e c o m e saw i d e l yu s e d i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d w i 也e t h e m e t sd e v e l o p m e n ti nf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m i ti sa s i g n i f i c a n tw o r kt or e s e a r c ho np l cc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ei e c 6 11 3 1 - 3s o f t w a r ep r o g r a ms p e c i f i c a t i o n , ap l cs y s t e ms c h e m ea c c o r d w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e ma n df i e l d b u st e c h n i q u ei sd e s i g n e d t h e s y s t e mm a i nc o n t r o l l e rc a ne x t e n ds l a v ed e v i c ew h i c hs u p p o r ts t a n d a r dm o d b u sp r o t o c o l 、】i ，i t l l r s - 4 8 5b u sa n ds u p p o r tu n i v e r s a lc o n f i g u r a t i o ns o l = i 、 v a r c t h ee m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ti nt h ee t h e r n e tc o n t r o l l e ri sb a s e do nd y n a m i cc d e v e m p m e me n v i r o n m e n ta n dr c m 2 2 5 0c o r em o d u l e t h ew h o l ep r o g r a m ，i n c l u d i n g f u n c t i o nb l o c kd e s i g n ，s y s t e mr e g i s t e rd e s i g n , e x t e n d e dd e v i c em a n a g e m e n t ，c o m m u n i c a t i o n p r o c e s s ，a n ds oo n ，i sf i n i s h e di nt h es y s t e m a a p p l i c a t i o ns a m p l eo fp l cs y s t e mi ns t e e lr o l l i n gd i r e c td r i v eo fg o l d e nb u l lo f a p p l i c a t i o ni n i n d u s t r i a l f i e l di s g i v e n s y s t e ms t a t ea n da l a r mp r o c e s sf u n c t i o n i s i m p l e m e n t e da n dt h ew h o l es y s t e mi sr u n n i n gs t e a d i l ya n do p e r a t e dc o n v e n i e n t l y b yt h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d t h em a i nc o n t r o l l e ri sv e r i f i e di nt h et h e o r ya n df i e l d a p p l i c a t i o n i th a sm a n ya d v a n t a g e si ns y s t e mo p e l l i n g ，h u m a nr e s o u r c es a v i n ga n ds o f t w a r e r e u s i n g k e yw o r d s ：p l c ：i e c 6 1 1 3 1 - 3 ；f i e l d b u s ；m o d b u sp r o t o c o l ；r s - 4 8 5b u s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：五誊丛至日期：丝! 缝垒旦! 4 大连理 ：大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：触虽 导师签名： 大连理i ：大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 工业控制系统和现场总线技术 工业控制系统是在工业生产的现代化要求情况下提出与发展起来的，与计算机技 术、控制技术和网络技术的发展关系密切相关。工业控制系统的发展经历了气动仪表控 制、电动仪表控制、计算机集中控制、集散控制系统、现场总线控制系统5 个阶段。电 动仪表控制是简单的单闭环控制，特点是危险性完全分散在各单回路上，弱点是难于实 现复杂控制、先进控制及优化控制。上世纪6 0 年代出现了计算机集中控制，可以实现 复杂控制、先进控制及优化控制，但是具有危险性集中的弱点，无法将危险性完全分散。 7 0 年代出现了集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，综合了前两种的优点， 既实现了复杂的控制，又把危险性分散到了现场设备上，但是还不能彻底分散，并且不 能完全开放。8 0 年代初提出了既能继承d c s 全部功能，并使系统完全开放，又能实现 危险性彻底分散到各回路中去的系统【1 4 1 ，即以现场总线技术为核心的全分布式控制系 统。 现场总线技术给控制系统体系结构带来了一场深层次的革命，现场总线的发展使控 制系统在网络化发展的方向上向前迈进了一大步，将由现场总线控制系统( f i e l db u s c o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 代替传统的d c s 。但是，i e c 在历经多年争斗与调解的努力之后， 于2 0 0 0 年初宣布i e c 6 1 1 5 8 ，c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p n e t 、f f - h s e 等八种现场总线标 准成为i e c 现场总线国际标准子集。这一结果违背了制定世界上单一现场总线标准的初 衷。由于各大公司和现场总线组织之间的利益争斗在短时间内还无法结束，因此大多数 人对于制定一个统一的国际现场总线标准失去了信心，相信在相当长的一段时间内工业 控制通信领域依然是混乱复杂的局面。在这种情况下，工业以太网成为大家关注的焦点。 与目前的现场总线相比，以太网( 包括t c p i p 协议1 有以下优点：应用广泛、资源丰富； 成本低廉、性价比高；兼容性好。基于以上因素，工业以太网成了工业控制领域网络通 信的主要研究和发展方向【5 - 7 1 。 工业以太网的研究在国外尚处于研究初期阶段，国际上成立了工业e t l i e m e t 协会 ( h l d u f l d f le t h e m e ta s s o c i a t i o n , w w w i n d u s t r i a l e t h e m e t c o r n ) ，该协会与美国a r ca d v i s o r y g r o u p ，a m rr e s e a r c h 研究中心和g a r t n e rg r o u p 等机构合作，开展工业e t h e m e t 关键技 术的研究。美国电子电气工程师协会( i e e e ) j e 着手制定现场装置与e t h e m e t 通信的新标 准，该标准让以太网直接延伸到现场，这些工作为e t h e m e t 进入工业自动化的现场级打 下了基础。 基y - 1 e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的p i c 系统研究与麻h j 为适应市场发展趋势，全球主要自动化设备厂商和组织正在开发一些工业e t h e r n e t 标准，相应的各种基于以太网的工业通信标准也纷纷出台。法国施耐德公司推出透明工 厂战略，使其成为工业e t h e r n e t 应用的坚决倡导者，m o d b u s t c p i p 是目前工业e t h e m e t 事实的标准；德国西门子公司发布其工业e t h e m e t 规范，称为p r o f i n e t - 美国罗克威尔 自动化公司发布其工业e t h e m e t 规范，称为e t h c m e t i p ；基金会现场总线发布h s e ( 商速 以太网1 ；日本三菱公司推出c c l i n k t 。 目前工业以太网的发展主要有两个方向：( 1 ) 按照o s i 参考模型在t c p u d p 之上 制定用户层标准，用以太网设备替代原有的现场总线设备；( 2 ) 开发专用设备取代传统 的网关设备，用来连接以太网和现场总线专用网络，从而实现现场数据到管理和监控层 的传输。浙大中控联合中科院、浙江大学、清华大学、大连理工大学、重庆邮电学院等 研究制定了具有自主知识产权的“用于工业测量与控制系统的e p a ( e t h e m e f f o r p l a n t a u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准”( g b t 2 0 1 7 1 2 0 0 6 ) ，简称e p a 标准，则属于前一种。 尽管有一些国际标准化组织的支持和众多厂商的研究与探索，但是已有的现场总线 有它自己的市场定位，将来仍将保持这种状况或与工业以太网相结合。现场总线不可能 完全被工业以太网所替代，但后者发展的巨大潜力决不容忽视，其应用领域定将不断地 得到扩展【舡1 2 1 。 工业控制系统和现场总线技术的发展直接导致了工业控制中p l c 系统的飞速发展， 针对目前的发展状况，现场总线、p l c 系统与工业以太网相结合更有现实意义【1 4 l 。 1 2p l c 产生及发展趋势 可编程控制器又可称为可编程逻辑控制器( 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 ，p t c ) ， 是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用设计，用于各种生产过程控制”4 j 。 2 0 世纪6 0 年代计算机技术开始应用于工控行业，由于价格高、输入输出电路不匹 配、编程难度大以及难于适应恶劣环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。据此， 美国通用汽车公司在6 0 年代末提出了一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更 快的新型工业控制器，将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低的优点和计算机的 功能完善、灵活性高、通用性好的优点结合起来，使继电器控制的硬接线逻辑转变为计 算机的软件逻辑编程，即为可编程控制器的思想。 进入8 0 年代，p l c 得到了惊人的发展，其功能远远超出了开关量控制功能，在设 计、性能和应用方面都有了新的突破，技术应用范围和应用规模越来越大，已经成为了 工业自动化控制领域的一种通用的重要控制装置。以p l c 为主控制器的p l c 控制系统 逐渐成为了工控领域的主流。 人连理【大学硕十学位论文 与传统的工业控制装置相比较，目l j 的p l c 主要具有以下特点： ( 1 ) 编程简单，易于掌握。技术人员通过简单的学习即可利用通用的编程语言完成 对p l c 的操作和使用； ( 2 ) 功能完善。现在的p l c 具有数字量输入输出和模拟量输入输出、逻辑和算术 运算、计时、计数、顺序控制、功率驱动、自检、显示、联网通讯、人机对话等功能； ( 3 ) 程序修改、测试灵活方便。设备更新只需要改变软件程序，调试方便，给系统 升级和二次开发带来很大便利； ( 4 ) 体积小，节省能源。一个铅笔盒大小的p l c 可代替数个电器柜的继电器，使 用p l c 一般可节省电力5 0 以上； ( 5 ) 极高的可靠性。p l c 的故障率几乎为0 ，其平均无故障时间可达6 1 0 年以上。 此外，由于市场的需求，越来越多的p l c 开始支持远程i o 机现场总线网络，符合 现场总线标准i e c 6 1 1 5 8 ，使p l c 构建分布式应用成为可能。高速以太网、c o n t r o l n e t 、 p r o f i b u s 等也逐渐成为p l c 的通讯管理通道，增强了p l c 的信息数据处理的实时性1 1 5 1 。 p l c 控制系统技术的进步推动p l c 市场不断扩大，p l c 厂商更是不断的提高产品 附加价值。高速计数模块、信号调整模块、伺服单元模块、参数自整定模块、高速p i d 模块、声控模块等智能化功能模块相继出现，使p l c 控制能力大大增强。冗余、自诊 断和容错技术与p l c 的可靠性设计相结合，提高了p l c 系统的无故障运行时间。 目前p l c 主要向大和小两个方向发展。大型的p l c 结构复杂，功能强大，可靠性 高，应用于高端场合，可以同时处理上万个i 0 点，利用多个c p u 并行工作和大容量存 储器，使p l c 的扫描速度高速化，每毫秒可执行上千条指令，为p l c 增加精确度和提 高速度控制以及p i d 调节创造了条件。小型的p l c 结构和功能使用均较为简单，用户 使用容易上手，整体结构向模块化方向发展，最小配置的i o 点数可以用来替代最小的 继电器系统，应用于小型的控制系统l 。 无论大型和小型的p l c 控制系统，二者发展也有统一的一面，即为软件开放性方 面，均采用i e c 6 1 1 3 1 3 标准的可编程逻辑控制语言。 1 3i e c 6 1 1 3 1 _ 3 标准 i e c6 1 1 3 1 3 国际标准是国际标准化组织( 国际电工技术委员会) 为工业控制软件编 程制定的第一个国际标准。该标准针对工业控制系统所阐述的软件设计概念、模型等， 适应了当今世界软件、工业控制系统的发展方向，是一种非常先进的设计技术。 i e c 6 1 1 3 1 3 标准是i e c 6 1 1 3 1 国际标准的第三部分，它详细地说明了句法、语义和 5 种编程语言：指令表( i n s t r u c t i o n ) ，结构化文本( s t r u c t u r e dt e x 0 ，顺序功能图( s e q u e n t i a l 一3 基丁1 e c 6 1 1 3 1 3 标准的p l c 系统研究与应用 f u n c t i o nd i a g r a m ) ，梯形 蛩( l a d d e rd i a g r a m ) ，功能块 虱( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) a 在这 五种编程语言中，指令表和结构化文本是文本语言，易于实现一些复杂的算法。顺序功 能图，梯形图和功能块图是图形语言，它们则擅长处理逻辑控制。同时该标准还允许在 同一项目中使用多种语言进行混合编程，而且支持p o u ( 程序组织单元) 的重复使用，为 不同知识背景的编程人员提供了方便。相对于传统的p l c 编程语言来说，i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准在程序封装能力、数据结构构建、可复用性、即时响应、程序描述能力等方面进行 了很大的改进，规范了可编程控制器编程语言及其基本因素，提供给用户一套结构良好 的程序开发方法。i e c 6 1 1 3 1 。3 标准自上而下或自下而上的程序开发方法，使得用户可以 很好的对整个程序进行控制，比如说分配程序的运行周期等1 1 ”。 i e c6 1 1 3 1 3 标准不仅适用于p l c 编程，其结构完善、可重复使用、可维护的特点 同样适用于自动化工业控制软件系统1 1 8 l 。可编程序控制器p l c 的编程系统最先使用该 标准，并将该标准迅速在自动化领域推广开来，目前该标准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和s c a d a 编程等。该标准将信息技术领域的 先进思想引入工业控制领域，弥补或克服了传统p l c 或d c s 软件控制系统的缺点，极 大地改进了工业控制系统的编程软件质量，提高了软件开发效率。 i e c 6 1 1 3 1 3 标准的出现，使得各个p l c 厂家的编程系统全部统一，打破了以前各 个p l c 厂商产品互不兼容的局限，减少了程序开发中人力资源的使用，增加了软件模 块的重复使用性，尤其是一些复杂的控制程序，降低了编程中的误解和错误，增强了对 通用的工业控制技术的支持。i e c 6 1 1 3 1 - 3 国际标准正在受到越来越多的国内外公司、厂 商的重视和采用。 1 4 研究主要内容 本课题内容主要是深入了解了工业控制系统、现场总线技术和i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的 特点后，分析了工业现场的需求，以一种p l c 控制系统应用方案为基础，完成了其中 主控制器的嵌入式软件设计，实现了系统中主控制器对基于标准m o d b u s 协议设备的控 制以及主控制器之间的数据信息传递，并成功应用于工业现场。 大连理工大学硕士学位论文 2 编程规范ie c 6 11 3 1 - 3 标准研究 i e c 6 1 1 3 1 3 规范的颁布为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化的编程概念 和编程方法，主要包括公共元素和编程两大部分。公共元素定义了系统中所需要的数据 类型，编程部分描述了软件模型和通讯模型两大部分。下面将就公共元素、软件模型和 通讯模型三个方面的具体内容进行介绍。 2 1 公共元素 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，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【”1 。 2 1 1 数据类型 i e c6 1 1 3 1 3 定义了一整套常用的标准数据类型，用于描述所声明的变量的存储及 运算格式，不同的标准数据类型可以帮助编译、推导以及用户自定义数据类型。每一个 标识符被分配到一个数据类型，数据类型决定了多大的存储容量将被保留以及什么值相 应于存储器的内容。 标准数据类型主要包括布尔型、字节、字、双字、实数、字符串、时间、日期、日 期和时间等。自定义数据类型主要包括阵列、指针、枚举、结构、参考等，其中指针用 于实时程序的变量或功能块的寻址，变量则由很多字符串常数组成，参考用于对变量、 常数或功能块生成一个替换名。 数据类型的定义是为了避免一些不必要的低级错误，在编程系统中要求对数据类型 进行严格的检查，如日期与整形数运算是不允许的。 2 1 2 变量 声明一个变量用来表示在配置、资源或程序中的显性硬件地址，在传统的p l c 编 程中，所编写的程序是直接与物理地址硬件相关的，在编程前先要对特定产品的物理存 储区的空间地址分配有一定的掌握，使得不同的p l c 产品之间有相同控制要求的程序 移植变得困难。采用变量名这种符号化的方式来表示实际的物理地址，以此来建立与硬 件无关的特性，可以支持软件的重复使用。 一个变量i e c6 1 1 3 1 - 3 定义5 种不同的变量类型，主要包括全局变量、本地变量、 输入变量、输出变量、输入和输出变量等。本地变量不能连接到外部，亦即它们只能在 程序内部的一部分进行寻址，全局变量能被所有程序组织单元( p o u s ) 寻址。输入、输出 基丁1 e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的p l c 系统研究与府用 和输入输出变量是与程序、功能和功能块有关的。它们能在被分配的p o u 内通过读或 写来改变，在p o u 外部改变必须进行定义( 输入，输出，输入输出) ，在原文件之间变 量要加以说明。 2 2i e c 6 1 1 3 卜3 软件模型 i e c 6 1 1 3 1 3 标准软件模型是i e c 标准中的一个重要内容，它从理论上将一个复杂 的程序分解为若干个小的相对独立的可管理部分，并且在各个被分解部分之间有清晰和 规范的接口方法。软件模型是整个程序开发的理论基础，所有符合该标准的编程系统在 编程概念上必须与软件模型中描述的概念保持一致。 i e c6 1 1 3 1 3 的软件模型描述了诸多概念，包括组态( c o n f i g u r a t i o n ) 、资源 ( r e s o u r c e ) 、任务( t a s k ) 、程序( p r o g r a m ) 、功能块( f u n c t i o nb l o c k ) 以及功o ( f u n c t i o n ) 和它们之问的连接。为了定义这些术语，标准是基于功能最强的p l c ，提供以下性质： 能应用多处理器；多任务是可能的；模拟量输入、输出和数字量输入、输出是无限的； 能与其他p l c 和p c 进行通信。 2 2 1 组态内部资源 在软件等级中的最高等级是组态，它定义了单元结构，图2 1 所示为一个带多个c p u 连接的p l c ，一个组态包括一个或若干个资源，它构成一个c p u ，资源的程序是由任务 来控制的，任务( t a s k ) 表示一个可执行的程序单元。 图2 1 组态的单元结构 f i g 2 1u n i ts t r u c t u r eo fc o n f i g u r a t i o n 6 大连理f 大学硕士学位论文 任务能周期地或由于一定的事件来处理，它们具有优先权等级，优先权是定义在资 源内部分配给c p u 的时间段。有若干种类型的任务：周期任务，时间控制任务r 时间问 隔任务) ，事件控制任务( 事件任务) ，中断任务等。每一个任务能分配若干个程序，这些 程序将由任务来激活。程序是按照所指示的顺序来处理的。 以下规则适用于程序的执行。 ( 1 ) 带有条件的任务，在条件满足时将被执行，例如，当指示的时间间隔已经超出， 或变量的地址“伪”改变成“真”； ( 2 ) 如果若干个任务都满足条件，则具有最高优先权级的任务将被执行； ( 3 ) 不允许将同一个优先权级分配给多个任务； ( 4 ) 在另一个任务正在被处理时，如果具有较高优先权级的任务的条件被满足，则 较低优先权级的任务将被中断，只有另一任务已被完成后，再继续处理。 2 2 2 程序组织单元 i e c6 1 1 3 1 3 定义程序、功能块、功能作为程序的组织单元( p r o g r a mo r g a n i z a t i o n u n i t s ，p o u s ) 。p o u s 的性质允许用户程序广泛的模块化以及重复应用已经实现和经过 测试的软件模块。为了程序模块能访问一个p o u ，至少需要有请求接口的说明，在进行 说明之后，一个p o u 对所有其他p o u 是存在的。p o u s 的结构如图2 2 所示。 图2 2 程序组织单元结构 h g 2 2s t r u c t u r eo f p o u s 基y - i e c 6 1 1 3 1 3 标准的p l c 系统研究与府用 整个程序的实时性质，程序能在c p u 中运行，是由分配给任务的程序来解决的， 一个程序能分配给若干个任务，亦即若干个程序背景在不同的实时性质下生成。程序中 的一个是主程序被分配给p l c 外部设备、全局变量和访问路径。 m c6 1 1 3 1 3 应用标准功能和功能块来标准化典型p l c 的功能。这一标准库是统一 的，是不依赖于制造商的p l c 系统编程的重要基础。功能块可以比作集成电路，它包 括一定的控制功能，它们用来设置输入输出和内部变量，功能块的状态要求被保留从一 个周期到另一个周期，只有功能的输入和输出变量能被请求的程序寻址。个功能块能 被另一个功能块调用。 2 3 i e 0 6 1 1 3 卜3 通讯模型 根据不同的通讯要求，i e c 6 1 1 3 1 3 定义了以下四种通讯模型【硎： ( 1 ) 内部通讯：在程序、功能块和功能内部之间可以互相连接以形成一个网络，数 据信息可以通过这个内部的网络进行通讯； ( 2 ) 变量通讯：全局变量可以用来在功能块与其它的程序组织单元之间交换数据信 息； d ) 外部变量通讯：i e c 6 1 1 3 1 的第五部分对此定义了一个通讯功能块家族通过一个 网络来交换数据。此部分以国际化标准组织( i s o ) 的网络七层协议模型为基础，在第七层 应用层之上建立了此通讯模型，允许各p l c 之间通过任何类型的网路进行通讯。一个 p l c 可以相当于一个服务器，为客户提供信息和对客户的请求作出反应，也可以相当于 一台客户机，向服务器请求信息和要求服务。其它的设备，诸如监控系统和其他的 m c 6 1 1 3 1 3 相容的设备也可以作为服务器和客户。通讯协议允许非限定数量的p l c 服 务器和客户共存在同一个网络中，在许多情况下，一个p l c 既可以作为一台p l c 服务 器，又可以作为其他一些p l c 的客户； ( 4 ) 使用存取路径通讯：存取变量提供了一种方法用于从远程设备存取特定的变量。 定义在正c 6 1 1 3 1 的第五部分的通讯功能块还能读写远程配置中的a c a 三s s 变量。 i e c 6 1 1 3 1 标准规定的这四种通讯模型，使得不但在i e c 编程系统内部的通讯灵活、 便捷，而且还有效地支持了i e c 编程系统的功能扩展对通讯提出的要求，使得新一代编 程系统可以更有效地适应未来对网络、现场总线、远程通讯等新技术发展的要求。 2 4 本章小结 本章主要介绍了i e c 6 1 1 3 1 3 标准及编程规范，包含公共元素、软件模型和通讯模 型的部分，为后面p l c 系统软件设计做了知识准备。 人连理r 大学硕士学位论文 3p l c 系统典型应用方案 由于p l c 具有编程简单、功能完善、程序修改灵活方便等特点，目前大多数应用 于工业现场的控制系统主控制器均为p l c ，因此本章将以一种分布式p l c 系统应用方 案为基础，介绍本文设计的基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的p l c 作为系统主控制器的功能。 3 1 系统方案 本系统方案以工业以太网作为主干网络，r s 4 8 5 总线为扩展网络，主控制器挂接 在以太网上，各个控制器之间通过高速以太网进行数据信息交换。主控制器以r s 4 8 5 总线为扩展网络，现场i o 设备作为控制器的从设备接入r s 4 8 5 总线。主控制器可将 从设备的i o 点映射成内部寄存器变量，对其进行区域集中控制，当从设备自身形成控 制回路时，主控制器则收回对从设备的控制权，只负责从设备数据信息的采集并将其传 递给上位机，实现全分布式控制。系统结构如图3 1 所示。 操作员1 站工程师站 圈3 1 系统结构 f i g 3 1s y s t e ms l r u c t u r e 一9 一 基ti e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的p l c 系统研究与府用 由系统结构图可知，各个主控制器均接入工业以太网，可直接作为现场应用层设备 完成数据采集和输出，也可通过r s 4 8 5 总线直接挂载现场m o d b u s 设备。其中m o d b u s 设备为支持标准m o d b u s 通讯协议的设备，教研室d u t 6 0 0 0 模块和d 1 0 2 0 0 0 模块为符 合此通讯标准的设备。工程师站可通过上位机p l c _ c o n f i g 软件对主控制器进行编程和 配置操作，如果主控制器下挂载的从设备为d u t 6 0 0 0 或d 1 0 2 0 0 0 ，也可通过d u t _ c o n f i g 或d i o来对o o o 或 进行编程操作，这是整个系统的特色之一。c o n f i g d u t 6d 1 0 2 0 0 0 整个系统的各个设备之间均可以进行数据交换，1 号主控制器下的m o d b u s 设备数 据可通过以太网传递给2 号主控制器，2 号主控制器则通过其r s - 4 8 5 总线传递给其下 的m o d b u s 设备。工程师站和操作员站仅仅需要接入以太网即可监控到所有现场挂接设 备的数据点。此外，操作员站也可以通过r s 4 8 5 总线接入到主控制器中，通过标 准m o d b u s 协议对主控制器以及其下的设备进行监控。例如，当操作员1 站需要获取 m o d b u s 设备1 的数据信息时，只需通过以太网队对1 号主控制器发送请求命令，1 号主 控制器会将保存在本地寄存器内m o d b u s 设备1 的相应数据响应给上位机。 从设备中对于无需映射到主控制器内部寄存器的控制量，可以通过转发的形式进行 处理，此时主控制器充当网关作用，完成以太网到r s 一4 8 5 或r s 4 8 5 到r s 4 8 5 的网络 转换，很好的解决了系统应用过程中本地人机交互的问题。以太网上的主控制器设备可 以最多达到2 5 4 个，每个主控制器下的r s 一4 8 5 网络可以最多接入1 6 个从设备，完全可 以满足当前工业控制系统的需求。 3 2 主控制器功能 本系统采用全分布式控制管理，主控制器p l c 除实现基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的功能 块编程功能外，对扩展从设备也进行了管理。 3 2 1 编程功能 由第一章第二节可知，基于1 e c 6 1 1 3 1 3 标准的p l c 具有5 中编程语言，功能块图 编程是可编程控制器p l c 程序编制的一种方式，系统中的主控制器采用了此种编程方 式。 功能块作为控制器的软件核心，将设备中的各种功能封装成一个个软件功能单元， 每一个功能块由它的输入、输出、内含参数以及对他们的操作算法组成。输入、输出参 数是功能块提供给外界的接口，而内含参数在使用中是不可见的。 目前主控制器支持的基本功能块有：位逻辑运算包括与、或、上升沿输出、下降沿 输出、立即输出、置位、立即置位、复位、立即复位、置位优先触发器、复位优先触发 器，数值比较运算包括字节、字和双字的= = 、，、 = 、 、 = 、f - 运算，浮点数值运算 大连理l ：大学硕 ：学位论文 包括加、减、乘、除、开方、正弦、余弦、正切、余切、对数、指数运算，整数运算包 括字和双字的加、减、乘、除运算，转换运算包括实数到整数、整数到实数、整数到双 整数、双整数到整数、实数到双整数、双整数到实数运算，逻辑运算包括字节、字和双 字的与、或、非、异或运算，移位运算包括字节、字和双字的左移、右移、循环左移、 循环右移运算，网络通讯包括字节、字和双字的读和写，程序流程控制包括循环和跳转， 计数器包括向上记数器、向下记数器、向上向下记数器、高速计数器、高速输出，定时 器包括接通延时定时器、关断延时定时器、有记忆接通延时定时器，另外还具有p i d 控 制、高速d i 输入、高速d o 输出和存储块。 3 2 2 扩展设备功能 主控制器可用r s 4 8 5 总线对支持标准m o d b u s 通讯协议的设备进行扩展，可将扩 展设备的输入输出信号以及内部变量映射到主控制器当中，实现基础控制、补偿计算、 参数修改、报警、显示、监控、优化等功能，并可随时诊断扩展设备的运行状态。 扩展设备相当于主控制器的一个从设备，主控制器和从设备之间主要有以下两种方 式进行信息交互： ( 1 ) i o 扩展方式 此种方式从设备只是作为了主控制器的m ) 点扩展，并不承担任何的系统控制功能。 从设备负责接收主控制器的命令，依据其命令对现场控制点进行操作，然后将操作结果 响应给主控制器，主控制器通过响应结果再进行其他处理。 ( 2 ) 分布控制模式 从设备自身形成一个控制回路，无需要主控制器参与，自动完成对现场控制点的数 据处理，主控制器此时只是对从设备的数据进行监视，无法对现场控制点进行操作。 以上两种方式中，i ，o 扩展模式相当于增加了主控制器的f o 点，如果要进行控制， 因为要进行两级通讯，数据处理速度会相应较慢，通常应用于没有控制功能的从设备。 分布控制模式中从设备本身可处理现场控制点，提高了处理的响应速度，但要求从设备 本身要具有能够构建控制回路的能力。 3 3 本章小结 本章主要讲述p l c 系统典型应用方案的系统结构，并结合本文的设计的p l c 作为 其主控制器的主要功能进行了阐述。 基丁1 e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的p l c 系统研究与f 帮用 4p l _ 0 软件设计与实现 p l c 及其相关设备均应按照，易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能 的原则设计。本章主要根据上一章提出的p l c 系统应用方案中主控制器的功能，对其 进行了下位机的软件实现。 4 1 软硬件开发环境 4 1 1p e c 7 0 0 0 模块 嵌入式以太网控制器p e c 7 0 0 0 ，以z - w o r l d 公司的r c m 2 2 5 0 处理模块为核心，外 扩5 1 2 ks r a m 和5 1 2 kf l a s hr o m ，采用r t l 8 0 1 9 作为以太网协议芯片 2 l 】。 r c m 2 2 5 0 基于玉w o r l d 公司的r a b b i t 2 0 0 0 系列产品，是专门为应用于中小型控制 器而设计的一种高性能微处理器，性能特点如下【2 2 】： 工作电压范围2 7 v _ 5 v ，时钟速度可达3 0 m h z 。 超大程序存储空间，为c 程序留有1 兆字节，局多可写5 万多行程序代码。扩 展的z 8 0 式指令集合对于多数c 操作来说简洁快速，性能媲美1 6 位处理器。 串口众多并且通讯快捷，共有4 路串行接口a 、b 、c 和d ，这4 个串行接口都 可在异步模式下工作，波特率可达系统时钟的1 3 2 。异步端口能处理7 位或8 位数据， 并且支持有一个标志位来标志地址帧和数据帧的9 位通讯模式。 具有多种中断优先级，实际工作中对关键应用能够做到快速响应。 具有超低功耗模式，在用于此操作时，处理器时钟可由3 2 7 6 8 k i - i z 振荡器驱动， 此时主振荡器可在软件控制下关闭，但仍可以进行计算和逻辑测试。 电池独立供电的内部4 8 位计数器时间日期时钟。该计数器可用作实时时钟 ( r t c ) ，由软件设置并读取，用来记录日期及时间。系统中有足够的空间来记录超过 1 0 0 年的日期。3 2 7 6 8 k h z 振荡器还可用于驱动看门狗定时器，或在冷启动顺序过程中为 端口a 提供波特时钟。 并行端口复用，5 个标记为a 到e 的8 位端口中，共有4 0 根并行输入输出口线。 大多数口线有后备功能，比如串行口或芯片选择选通信号。并行端口d 和e 有定时器同 步输出的能力，输出寄存器是级联的。 多个定时器系统。由一个1 6 分频的3 2 7 6 8 k h z 晶振生成周期性中断，如果被使 能，能够实现每4 8 8 # s 产生一个中断，可用作普遍用途的时钟中断。定时器a 由五个8 位递减计数且可重复装载的寄存器双层级联组成。并且每个递减寄存器都可设置以被l 到2 5 6 中任意一个数分割。其中4 个定时器的输出用于为串行端口提供波特时钟，其中 大连理【大学硕士学位论文 任何一个寄存器都可产生中断或为时钟同步的并行输出端口计时。定时器b 是一个只可 读不可写的1 0 位计数器，共有两个1 0 位匹配寄存器和比较器。 p e c 7 0 0 0 硬件包括6 路电流、电压、温度传感器信号的输入、2 路标准电流或电压 信号的输出、8 路开关量隔离输入和8 路开关量隔离灌电流输出，同时具有1 个i o m 以 太网接口和2 个r s 4 8 5 异步串行通信接口。模拟输入部分、数字部分和开关量输入输 出部分相互隔离，模块采用全浮空设计，传感器和处理器之间可承受几千伏电压，而且 可以把屏蔽地接于现场i 矧，工作原理图4 1 如下： 模拟 开关 c d 4 0 5 ( 2 片) 隔 8 0 5 0 鞋 霜佴t i + 稽 爱： 4 2 。m a 翮a 0 1 + j 愀d a 4 2 0 l n a 拿黑! 羔i 4 8 5 _ _ _ _ 光 电 隔 离 p at p o u t t p o u r p a l t p i n l p a 2 t p i n - p 肋 一 d 0 i p 晓 p o r c m 2 2 5 0 p c i p c 0 p d 3 图4 1p e c 0 0 0 工作原理图 f i g 4 1p e c 7 0 0 0s c h e m a t i c 盯稿船 撑嚣 母胖 0 0 6 7 模拟量输入信号经过输入转换电路和滤波处理以后，再经过2 片多路模拟开关 c d 4 0 5 2 切换，进入自带可编程增益运算放大器的2 4 位d 转换器c s 5 5 2 2 ，转 换数据通过标准s p i 接口输出，r c m 2 2 5 0 利用自身口线模拟s p i 接口采集数据，经数 字滤波、冷端补偿( 热电偶) 和线性化处理后得到相应的数字量，存入内部r a m 中完成 数据的采集。p e c 7 0 0 0 还可以将控制输出经过光电隔离和施密特触发器整形后分别送给 2 片1 0 位d ，a 转换器m a x 5 0 4 ，m a x 5 0 4 将其转换为模拟电压1 5 v ，利用跳线可以选 择是否再通过v n 变换输出4 2 0 m a 电流。8 路开关量输入则通过光电隔离后，经 7 4 h c 2 4 4 缓冲器缓冲再被送入到r c m 2 2 5 0 处理器，其中两路输入可以产生中断请求并 利用高速光藕隔离，可以处理高速d i 输入。8 路开关量输出则由r c m 2 2 5 0 处理器先将 开关量控制输出送到锁存器7 4 h c 2 7 3 锁存，再经过光电隔离和达林顿管驱动以后才进 翻 基丁：i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的p l c 系统研究与应用 行灌电流输出，输出可直接驱动2 4 v 继电器，其中两路用高速光藕隔离，可以进行高速 d o 输出【矧。 4 1 2d y n a m i cc 开发环境 d y n a m i cc 是z w o r l d 公司的交互式c 语言开发系统，它提供了集成开发环境，集 编译器、编辑器和调试器于一体。d y n a m i cc 的程序库包含有高度完善的软件，为r a