（机械电子工程专业论文）软plc体系结构分析及工程应用.pdf

摘要 本文首先以西门子w i n a c 软p l c 基本型为研究对象，介绍了软p l c 的组成结 构、工作原理和工业控制实现方案。着重运用软件工程理论统一建模语言u m l 从 编辑系统和运行系统两方面分析了软p l c 的体系结构，为了解软p l c 的特点和工作 过程提供了依据，为软p l c 的二次开发打下了基础。 接着论文以实际工程项目为背景，以相关处理工艺的控制要求为依据，介绍 了在炼焦生产过程中软p l c 控制系统的研制开发情况。 本文涉及的项目来源于山东兖矿国际焦化有限公司炼焦生产中备煤和落煤控 制项目。该控制系统采用了基于p c 的软p l c 控制方案，运用了p c + 现场总线+ 远 程分布式v o 的集成方式。重点以基于p c 的w i n a cb a s i s 控制器为开发平台，下 位开发软件s t e p 7 和组态软件w i n c c 6 0 为开发环境，详细论述了软p l c 控制系 统方案的确定、硬件集成、组态以及软p l c 用户程序和监控界面的开发。 最后论文对现场调试过程和全文作了总结。结果表明，该系统达到了预期的 控制要求，运行良好。该控制系统的成功运行，为基于p c 的软p l c 控制系统在 我国工业生产中的应用推广奠定了一定的基础，也为将来设计类似的工程项目提 供了参考。 关键词：软p l c体系结构 u m l备煤落煤 a b s t r a c t f i r s t l y , b a s e do nt h er e s e a r c ho b j e c to fw i n a cb a s i s ，ap r o d u c to fs i e m e n s s o f t p l c ，t h i sp a p e rm a i n l yd e s c r i b e si t sa r c h i t e c t u r e ，o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h em e t h o d o fa p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lc o n t r 0 1 a n dw ee m p h a t i c a l l ya n a l y z et h es y s t e ma r c h i t e c t u r e o fs o f l p l co nt h ee d i t i n gs y s t e m t h er u n n i n gs y s t e mu s i n gt h es o f t w a r ee n g i n e e r i n g t h e o r y , u m l ( u n i f i e dm o d e ll a n g u a g e ) ，w h i c hp r o v i d e sab a s i sf o ru n d e r s t a n d i n gt h e c h a r a c t e f i s t i c t h ew o r k i n gp r o c e s so fs o f t p l c , l a y saf o u n d a t i o nf o r t h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to f s o f l p l c s e c o n d l y , b a s e do np r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c ta n dc o r r e l a t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t s ，t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fs o f l p l cc o n t r o ls y s t e mi n c o k i n gp r o d u c t i o np r o c e 蟠 t h ep r o j e c tc o n c e r n e di n t h i st h e s i sc o m e sf r o mc o k i n gc o n t r o lp r o g r a mo f s h a n d o n gy a n k u a n g i n t e r n a t i o n a l c o k i n g l i m i t e dc o m p a n ya n di n c l u d e sc o a l p r e p a r a t i o n a u t o m a t i cc o a lf a l l i n gc o n t r o ls y s t e m t h i sc o n t r o ls y s t e m ，a d o p t i n g b a s e d o np cs o f l p l cc o n t r o ls c h e m e 。u s e sak i n do fc o n t r o ls t r u c t u r ew h i c hi s i n t e g r a t i o no fp c ，h e l db u sa n dr e m o t ed i s t r i b u t e di o w i t ht h eh e l po fad e v e l o p m e n t p l a t f o r m t h eb a s e d o np cw i n a c b a s i sc o n t r o l l e r , t h i sp a p e re m p h a t i c a l l y d e t a l l e d l y d i s c u s s e st h ed e t e r m i n a t i o no ft h es c h e m e ，h a r d w a r ei n t e g r a t i o n , c o n f i g u r a t i o no f s o f w l cc o n t r o ls y s t e m ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n to fu s e rp r o g r a mo ft h el o wc o m p u t e r s o f t p l c m o n i t o r i n gi n t e r f a c eo ft h eh i g hc o m p u t e ri ns i e m e n ss o f t w a r es t e p 7 w i n c c 6 0 f i n a l l y , w em a k ead e t a i l e ds u m m a r yo nt h es c e n ed e b u g g i n gp r o c e s sa n da l lt h e p a p e r d e b u g g i n g r e s u l t ss h o w st h a tt h es y s t e mc o m e st o a n e x p e c t a n t c o n t r o l r e q u i r e m e n ta n dl u l l sw e l l t h ea c h i e v e m e n to ft h i sp r o j e c t ，t os o m ee x t e n t ，w i l l e s t a b l i s haf o u n d a t i o nf o rp o p u l a r i z i n gac o n t r o ls y s t e mo fs o f t p l cb a s e d - o np c ，a n d o f f e rs o m er e f e r e n c e sf o rd e s i g n i n gs i m i l a re n g i n e e r i n gp r o j e c t si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s o f l p l cs y s t e ma r c h i t e c t u r e u m lc o a lp r e p a r a t i o nc o a lf a l l i n g 创新性声明 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中所罗列的内容以外，论文中不 含有其他人已经发表或撰写的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：查查至日期垒盛! ：苎 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后使用本授权书。 本人签名：查歪垦日期塑z ：p 导师签名：墨型塑日期 函| 7 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1p l c 的现状与发展趋势 可编程控制科”( 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 ，以下简称p l c ) 是本世纪 6 0 年代发展起来的一种新型自动化控制装置。它吸取了微电子技术和计算机技术 的最新成果，发展十分迅速。它以其高可靠性、较强的工作环境适应性受到自动 化领域的欢迎并被广泛采用，从单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂 的生产自动化，p ie 均承担着重要的角色。 目前，全世界约有p l c 生产厂家2 0 0 多家，生产3 0 0 多种品种。国内p l c 市 场仍以国外产品为主，国内p l c 生产厂家约有3 0 家，但都没有形成颇具规模的生 产能力和名牌产品。据统计，2 0 0 0 年p l c 的国内市场销量为1 5 3 5 亿元人民币， 每年增长率为1 2 2 0 0 5 年全国p l c 需求量达到2 5 万套左右，约3 5 4 5 亿元人 民币【2 】。 根据美国a u t o m a t i o n r e s e a r c h c o r p ( a r c ) 调查，在全球p l c 制造商中，世 界主要的五个p i e 生产厂家为：西门予( s i e m e n s ) 公司、a b ( a l l e n b r a d l e y ) 公 司、施耐德( s c h ) 公司、三菱( m i t s u b i s h i ) 公司、欧姆龙( o m r o n ) 公司。它们 的销售额【3 】约占全球销售额的三分之二。 从1 9 6 9 年第一台p l c 诞生以来，p l c 由最初的只能处理开关量发展到可以处 理模拟量和复杂算法，以后又与d c s 、i p c 和p i d 调节器等技术相结合，利用其 不同的性能和特点，相互渗透、继承和网络化，构成各种新型的自动控制系统。 总体来说，p l c 的发展趋势有如下几个方面| 3 1 4 1 | 5 ： ( 1 ) 微型、小型p l c 功能明显增强 很多著名的p l c 厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型p l c ，使p l c 的应用领域扩大到除工业控制以外的其他行业，如医院手术室、旋转门和车辆等。 ( 2 ) 向集成化、网络化发展 由于控制内容的复杂化和高难度化，使得p l c 向集成化方向发展，p l c 分别 与p c 、d c s 和智能仪表等的集成，强化了通信能力和网络能力。网络化和强化通 信能力是p l c 的重点发展方向。由于以p c 为基础的控制产品增长较快，p l c 与 p c 集成，将计算机、p l c 结合在一起，使p l c 能充分利用计算机丰富的软件资源。 以p c 为基础的控制技术使得用户编程更加简便，而且提供开放的体系结构，用户 可以选择多家的p l c 和i 0 设备进行互联，从而可以降低生产成本和提高生产效 率。 ( 3 ) p l c 的新进展软p 倒q 2 软p l c 体系结构分析及工程应用 计算机软、硬件技术的迅速发展，推动了自动控制技术一系列新的发展。目 前许多工业用自动控制产品、机电一体化产品开始转向以计算机为平台的控制方 案，各个自动控制产品生产厂家都推出了基于p c 的控制系统。德国s i e m e n s 公司 推出的w i n a c ( w i n d o w s a u t o m a t i o n c e n t e r 视窗自动化中心) 是这方面的优秀代 表。它借助于计算机平台，用软件实现p l c 功能。 1 2 从传统p l c 到基于p c 的软p l c 自从美国数字设备公司( d e c ) 设计制造的第一台p l c 于1 9 6 9 年率先投入汽 车工业应用以来，p l c 为各行各业的用户和设备配套厂商提供了高可靠性、快速 和多功能的控制方案及系统，对世界范围内高水平工业化的迅速推进做出了划时 代的巨大贡献。借助于当今最先进的电子技术、计算机技术、网络通信技术、图 形及图像处理技术、现场总线技术和先进的自动化控制理论，p l c 技术正日新月 异地更新、发展。当前控制系统发展总趋势是：p l c 与d c s 甚至p c 的功能正在 互相渗透，互相补充，而且都在朝着智能化、网络化( f c s 现场总线控制系统) 、 提高处理能力与实时性、高度开放和e i c ( 电气、仪表和计算机) 三电一体化的方 向发展。 然而，由于传统p l c 在成本，功能方面的改进较之p c 的发展而言是难以比 拟的，传统p l c 控制系统难以实现或无法实现某些功能。再加上为实现更完善和 更灵活的控制功能并满足多层次的网络通信的需要，使用p l c 的工程师们不得不 考虑已投运的控制系统( 特别是早期投入的系统) 的更新换代问题。于是，本世 纪初，德国s i e m e n s 公司开始在亚洲推广应用基于p c 技术的自动化系统w i n a c 。 该系统的典型配置是在工业p c 机插入一个现场总线通信卡，通过现场总线与现场 的各类i o 模块系列、控制模块系列相连就可存取现场的所有数据，或通过智能外 围设备处理过程数据，以完成传统p l c 或d c s 装置所能完成的各种数据处理和控 制任务。最典型的应用之一就是软p l c 控制系统。w i n a c 系统中的软p l c 就是 代表。 1 3 基于p c 的软p l c 控制的发展状况及其优越性 1 3 1 基于p c 的软p l c 控制的发展状况 近年来，个人计算机技术得到了迅猛发展。p c 机成本不断降低，而它的处理 速度、可靠性不断增长。特别是它的体系结构被越来越多的入所接受，应用范围 也越来越广。在这种情况下，各控制系统生产厂家纷纷推出以p c 机作为控制系统 软、硬件平台控制系统。 目前，国外主要工业控制系统开发商正在发展基于p c 的软p l c 控制系统， 第一章绪论 大都推出了比较成熟的产品。在国内市场上常见的控制产品有：法国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 ，德国k w 公司的m u l t l p r o g ，b e c k h o f f 公司的t w i n c a t 以及s o f i p l c 公司的s o f t p l c 等。作为典型的基于p c 的控制系统，西门子公司 的w i n a c 在国内得到了广泛的应用【刀。 1 3 2 基于p c 的软p l c 控制的优越性 基于p c 的软p l c 控制系统具有良好的开放性。全面支持p c ，通过o p c 能 够方便地与第三方控制产品建立通信，便于与其它产品集成。 基于p c 的软p l c 控制系统简单易用。p c + 现场总线+ 分布式 g o 集成方式与 传统的p c + p l c 体系相比，其优点表现为简化了系统的网络结构和设备设计、简 化了复杂的通信接口、提高了系统的通信效率、降低了硬件和备件投资，易于调 试和维护。熟悉的p c 和操作系统，简单的系统和网络结构，方便的编程和组态软 件使用户能在短时间内掌握技术要领。 基于p c 的软p l c 控制系统具有很强的兼容性。采用了与p l c 兼容的编程工 具，继承了工程师的编程经验，具有很强的兼容性。系统具有独立于制造商的标 准，采用通用的标准，用户可以在各种系统之间游刃有余。 基于p c 的软p l c 控制系统能大幅度节省投资。与传统的p l c 解决方案相比， 基于p c 的自动化有明显的性能价格优势。基于p c 的自动化可以减少设备投资。 它系统集成简单、系统开放的特点使工程维护、培训和备件的费用大大降低。 1 4 课题来源和研究意义 论文课题来源于实际工程项目的需求。以山东兖矿国际焦化有限公司炼焦生 产中备煤和落煤控制项目为背景，选用典型的基于p c 的软p l c 控制系统设计方 案。该项目是山东省重点项目。整个控制系统是一个d c s 系统，采用了世界上最 先进的焦化技术，系统由各类传感，变送器、p l c 系统、上位机、网络交换机、现 场总线、电气控制系统及相关上、下位控制和管理软件组成我们参与了炼焦工 程中备煤和落煤控制系统的设计开发工作。 目前市场上拥有许多组态软件，但大部分组态软件的控制功能相对较弱，而 将软p l c 与组态软件集成运行，除了可以加强组态软件的控制功能外，还可以大 量地节省成本。尤其在控制回路多的场合。运用这种基于p c 的软p l c ，既有丰富 的人机界面，又有强大的数据处理能力和方便的网络功能。研究基于p c 的软p l c ( 软逻辑) 的结构体系及控制系统，对降低系统成本、提高系统开放性和推广软 p l c 在工程中的应用等具有一定的现实意义。同时，对推动软p l c 在电气、机械 等工程中的应用，扭转p l c 技术和市场长期被发达国家所垄断的局面，提高我国 自动化整体水平等均有深远意义。 4 软p l c 体系结构分析及工程应用 1 5 论文研究主要内容 本文首先以西门子w i n a c 软p l c 基本型为研究对象，分析了其组成结构和工 作原理。着重运用统一建模语言u m l 对软p l c 的体系结构作了详细的分析。完 成了软件开发中的第一个阶段。为了解软p l c 的体系结构和工作过程提供了依据， 为软p l c 二次开发提供了理论根据。 接着以山东兖矿国际焦化厂的备煤和落煤控制系统开发项目为背景，以西门 子w i n a cb a s i s 为开发平台，对控制系统的硬件进行了配置组态，对系统上位监 控界面和下位控制程序进行了研制开发。最后阐述了现场调试情况，总结了全文， 并指出了下一步要做的工作。 论文具体内容安排如下： 第一章：绪论。介绍了传统p l c 的现状与发展趋势，叙述了软p l c 控制的发 展状况及其优越性。最后阐述了课题来源、研究意义以及论文内容安排。 第二章：基于p c 的软p l c 体系结构。以西门子w i n a cb a s i s 为研究对象， 主要阐述了软p l c 的组成结构、工作原理和工业控制实现方案。重点通过软件工 程理论建模统一语言u m l 对其体系结构进行了详细分析。主要根据软p l c 体系 结构分别从编辑系统、运行系统入手，结合w i n a cb a s i s 的应用，分析出软件开 发第一阶段的用例模型、领域模型和设计模型。 第三章：基于w i n a c 的焦化备煤和落煤控制系统设计。首先介绍了焦化生产 的工艺流程，重点介绍焦化中备煤工艺和落煤工艺。然后介绍了该控制系统的总 体设计。详细论述了w i n a c 软p l c 控制系统中的上下位配置情况。对p r o n b u s 在本系统的应用情况也进行了简单的说明。最后完成了用s i m a t i cn e t 6 0 进行 w i n a c 站组态与用s t e p7 进行w i n a c 的硬件组态的系统组态工作。 第四章：备煤和落煤控制系统的软件开发。首先介绍了软p l c 开发环境s t e p 的用户程序结构。然后重点以炼焦控制系统中的备煤和落煤工艺为主要控制对象， 以下位开发软件s t e p 7 为开发环境，论述了系统下位机p l c 程序的总体设计，开 发了备煤系统中配煤和落煤系统的主要控制程序。接着介绍了系统上位机监控系 统界面的总体设计，并以上位组态软件w i n c c 6 0 为开发平台，研制了配煤和落煤 控制系统的生产监控、报警显示等模块，实现了数据查询、定期归档等管理功能。 第五章：现场调试。主要就现场调试的主要内容，调试过程中遇到的问题进 行了分析总结。 以上为本文研究的主要内容。目前山东兖矿国际焦化的备煤和落煤控制系统 已经调试完毕，并投入了试运行，运行良好。该工程属于整个焦化项目中的一部 分，它的成功为软p l c 在现实工程应用提供了参考。 第二章基于p c 的软p l c 体系结构 5 第二章基于p c 的软p i c 体系结构 2 1 软p l c 定义 软p l c 技术1 8 l 【9 1 也被称为s o f t l o g i c 和基于p c 的控制技术。目前对于它还没 有一个准确而统一的定义。西门子公司将软p ig 定义为“集控制、人机界面、数据 处理、通讯等功能于一台p c 的解决方案”。3 s 公司定义s o f l p l c 为“一种能将工业 p c 机转换为高端p l c 的软件” 因此，软p l c 可以说是传统p l c 的软件化解决方案，即使用p c 机作为硬件 支撑平台，利用软件实现标准硬件p l c 的基本功能，或者说将p l c 的控制功能封 装在软件内，运行于p c 的环境。软p l c 综合了p c 和p l c 的开关量控制、模拟 量控制、数字运算、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、快速的扫描周期、可靠的操作和可连接各种f o 系统及网络的开放式结构。 这样的控制系统提供了与p l c 相同的功能，却具备了p c 机的各种优点。 2 2 w i n a c 软p l c 概述 w i n a c 是s i e m e n s 公司最新推出基于p c 的p l c 产品系列，是基于w i n d o w s 操作系统全面的自动化解决方案。它以p c 和w i n d o w s 操作系统为平台完成各种 不同的自动化任务。 根据功能需要，w i n a c 提供了以下组件【1 0 i 1 1 1 】【1 2 1 1 3 1 ： ( 1 ) w i n d o w sl o g i cc o n t r o l l e r ( w i n l c ) 控制组件，p c 机可作为可编程逻辑 控制器( p l c ) 运行p l c 程序。它使用西门子硬件p l c 的开发环境s i m a t i cs t e p 7 进行组态、编程和维护，并且s i m a t i cs 7 p l c 与w i n a c 可方便的互相转化 ( 2 ) w i n a c 计算，可视化( c o m p u t i n g v i s u a l i z a t i o n ) 组件，提供了各种标准 接口( 如a c t i v e x ，o p c 等) ，可通过标准应用程序如e x c e l ，v i s u a lb a s i c ，v i s u a l c + + 或h m i 监控过程数据。 ( 3 ) w i n a ct o o lm 蛐a g c r 工具管理器，提供了一个控制应用程序的中心，用 户可以把应用程序的快捷方式放置于这个工具栏上，通过键盘可选择需启动的应 用程序。 ( 4 ) 网络功能，提供了c p 5 6 1 1 ，c p 5 6 1 3 通信板卡的驱动。 ( 5 ) s i m a t i cw i n a co d k ( 开放的开发工具包) ，可集成运动控制、视频 系统、数据库应用以及用户开发的c c + + 程序，为扩展系统功能和实现特殊控制 要求提供了接口。 w i n a c 包括三种类型产品【1 4 】： w i n a cb a s i s 基本型，运行于标准w i n d o w sn t 操作系统它适用于除控制任 6 软p l c 体系结构分析及丁= 程应用 务外还有大量p c 任务的场合，用于组成对实时性和相应时间的要求不高的系统， 成本较低。 w i n a cr t x 实时型，基于w i n d o w sn t 实时扩展内核v e n t u r c o m ，是针对具 有确定性能的控制任务、运动控制、视频控制、快速i o 、快速闭环调节的解决方 案。 w i n a cs l o t 插槽型。它置于p c 的p c i 扩展总线插槽中，其控制任务可独立 于操作系统，操作性能和指令集基于s 7 4 0 0 c p u ，与c p u 4 1 2 4 1 6 性能相同，且板 卡上集成了m p i 、d p 通信口，无需再单独购置通信板卡。 其中上述前两种属于软p l c ，后一种属于硬件p l c ，也称嵌入式p l c 。软p l c 替代了传统p l c 控制系统中的c p u 处理器单元模块，它借用p c 的c p u 、内存、 硬盘等资源完成了控制中的逻辑计算功能。为了将w i n a cb a s i s 或w i n a cr t x 控 制器和输入输出模板连接起来，还需在p c 的插槽中安装s i e m e n s 的通讯接口卡 c p 5 6 1 3 或c t 5 6 1 1 ，这样才能实现w i n a c 控制器对输入输出模板的控制。板卡式 控制处理器w i n a cs l o t 本身己经集成了m p i 和p r o f i b u s 的网络接口，所以可 以直接和输入输出模板进行连接，对测点进行监控。图2 1 是w i n a cb a s i s 安装后 的图标。 图2 1 西门子w i n a c b a s i s 图标 2 3 软p l c 的组成结构 2 3 1 传统p l c 的组成 传统p l c 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是在程序控制器、 1 位微处理机控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器。从广义上讲， p l c 是一种计算机系统，只不过它与一般计算机相比具有更强的与工业过程相连接 的输入输出接口，具有更适用于控制要求的编程语言以及工业环境的抗干扰性能。 因此，p l c 是一种工业控制专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本 第二章基于p c 的软p l c 体系结构 7 相同，也是由硬件系统和软件系统两部分组成【1 】【1 5 】。 硬件系统由主机系统( 微处理器单元、存储器、输入腧出单元、电源等) 、 输入输出扩展环节以及外部设备组成。如图2 2 所示。 图2 2p l c 硬件结构图 p l c 除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可， 共同构成p l c 。p l c 的软件系统由系统程序( 又称系统软件) 和用户程序( 又称 应用软件) 两大部分组成。其中系统程序包括p i , c 整个系统以及各部分的管理程 序、系统故障检测程序、p i , c 指令系统的解释程序和供系统调用的标准程序模块。 系统程序一般由p l c 采用的微处理器对应的汇编语言编写，由厂家提供，固化在 e p r o m 中。用户程序是用来实现用户控制要求的应用程序，由用户使用p l c 指 令系统编制。 2 3 2 西门子w i n a cb a s i s 软p i c 的组成 软p l c 是相对传统p l c 而言的，它将p l c 的控制功能封装在软件内，运行 于p c 环境中，提供了与传统p l c 相同的功能，应用于工业控制领域。借鉴传统 p l c 组成，软p l c 结构同样可看作由硬件系统和软件系统两部分组成。 软p l c 的硬件系统组成如图2 3 所示。它主要包括p c 机、输入，输出模块、 通信卡( 如c p 5 6 1 1 卡) 、电源模块等。对于传统p l c 硬件中的c p u 、存储单元， 软p l c 充分利用通用p c 机的资源，共享p c 机的c p u 和存储器等已有资源，利 用软件来完成运算处理任务。软p l c 的对外功能主要是通过各种输入输出接口模 块来实现。它利用c p 通信卡既可检测到所需的过程信息，又可将处理结果传送给 外部过程，驱动各种执行机构，实现工业生产过程的控制。 8 软p l c 体系结构分析及工程应用 碍c 软 p l c c p 现场总线 卜 运行 卡 系统 图2 3 软p l c 硬件结构图 就软p l c 中的软件系统来说，它是建立在一定操作系统平台( w i n d o w s ) 之 上的软件实现。软件系统由编辑( 开发) 系统和运行系统( 执行) 系统组成，它 们是相互独立而又不可分割的两个应用程序，可以单独运行【9 】整个软件系统组成 如图2 4 所示。 源 目 p c 程 a标j 存 v 文 储 序 件 鲁 矿 主 输 解释 周 入 j 执行 吲模i 模 系统 i _ j 块 输入部分 执行部分输出部分 图2 4 软p l c 软件系统模块图 ( 1 ) 编辑系统 w i n a cb a s i s 软p l c 的编辑系统主要是指s t e p 7 软件，如图2 4 所示。它主 要包括用户源程序的编写、生成目标文件和程序存储。它具有p l c 语言的编辑、 编译、调试、管理工程项目和下载用户程序这些基本功能，具体表现为： 1 ) 编辑系统支持1 e c 6 1 1 3 1 3 国际标准所规定的p l c 编程语言，即梯形图、 指令表、顺序功能图语言、功能块图，这四种编程语言之间可以相互切换。编程 者可以任意选择自己熟悉掌握的语言进行编程。 2 ) 编译p l c 用户程序。 3 ) 网络功能支持现行的总线技术( 如p r o f i b u s ) 以及成熟的通信协议以 实现网络通信，通过网络实现远程的监控。 4 ) 离线调试、下载功能。实现离线的调试，修改，下载p l c 程序。 第二章基于p c 的软p l c 体系结构 9 ( 2 ) 运行系统 软p l c 的运行系统是软p l c 的核心部分，主要完成系统管理、用户程序的逻 辑运算工作。如图2 4 所示，运行系统的核心部分是软逻辑解释执行模块。它在软 件中起的作用相当于硬件p l c 中的指令系统的解释程序。软逻辑解释执行模块执 行经编译器编译产生的可执行代码，按照用户的设定逻辑关系进行相应的控制。 运行系统通过系统管理器来处理不同任务和协调程序的执行，通过系统管理 中的自检程序来检测和处理程序执行期间发生的各种错误，保证整个软p l c 正确、 有效地工作。 另外，软p l c 的运行系统要求实时控制，且具有最高优先级，运行时操作系 统的其它任务不能中断运行系统的执行，因而必须在前台准确执行，而一些实时 性要求不高的任务，如程序的读入显示等任务，则在后台执行。因为软p l c 系统 最终目标是通过软件来替代传统p l c ，它具备多种复杂的功能，不仅要完成普通 的控制功能，而且要具有完善的通信能力。所以，软p l c 系统是一个统一、协调、 精确配合的整体。整个软p l c 体系结构如图2 5 所示。 三种翁程语言l 每毒串蓁 j 通信接口 j f 弋7 丑信接口 j 荐 w h a c 软p l c 运行内棱系 统 眦口模块 图2 5 软p l c 的体系结构 2 3 3w i n a c 软p l c 可编程控制器实现方案 根据软p l c 运行硬件平台的不同，西门子w i n a c 系列产品的控制功能的实现 方案主要有两种【6 l ： ( 1 ) 在p c 机上安装专用程序，使p c 机用作为可编程控制器。该p c 机的操 作系统具有实时功能，如安装w i n d o w sn t 、w i n d o w s c e 、l i n u x 等操作系统，采 用西门子开发的应用软件p r o - t o o l p r o 或w i n c c 来实现控制和监视。用编程软件 s t e p 7 作为用户编程环境。该p c 机还集成了现场总线p r o f i b u s d p 的通信协议及 1 0 软p l c 体系结构分析及工程应用 p r o f i b u s d p 接口，用以实现与分布式i o 及其它现场设备的连接。 ( 2 ) 将软p l c 做成一块插板，安装在p c 机的p c i 总线插槽上该p l c 是 可以独立工作的微机系统，与p c 机无关，可以使用自身提供的电源。p c 机可以 容纳数个插槽式的p l c ，并把它们当作集成模块，在操作系统支持下独立、协调 地工作。这种软p l c 对操作系统、控制软件和编程软件的要求与第一种相同，在 p c 机的平台上，实现编程、运行、操作、监控数据存储及状态显示功能。 当对实时控制要求较低时，一般使用( 1 ) 方案，专用软件可直接安装在w i n d o w s n t 操作系统中，也可使用带实时扩展子系统的软件，提高实时控制性能。当对控 制器的可靠性和控制性能要求较高时，通常选择插槽式p l c 。 2 4 软p l c 的工作原理 2 4 1 软p l c 与传统p 【c 的比较 软p l c 又称软逻辑( s o f tl o g i c ) 或者软件p l c ，是一种基于p c 的控制系统。 软逻辑的架构是在p c b a s e dp l c 的操作系统里执行的一个核心程序，此程序就是 运行系统的应用程序。软p l c 与传统p l c 的比较如下： 。 ( 1 ) c p u ：软逻辑的c i u 是通用型c p u 。而传统p l c 是将逻辑结构或指令 内置于c p u 中，由硬件来解释并执行程序。换言之，传统p l c 的c p u 是专用型 的，而软p l c 的c p u 是通用型的。另外，软p l c 也共享了p c 机上的其它资源。 ( 2 ) 开放性：软p i , c 的运行系统是开放性很高的标准操作系统。这使得整个 系统的移植、修改更加安全方便。而传统p l c 的操作系统由p l c 的制造企业编制， 固化在p r o m 或e p r o m 中，安装在p l c 上，只有制造商可以进行操作系统的升 级和完善。 软p l c 运行环境的标准化开放性使其具有以下优点： 1 ) 软p l c 的硬件体系结构不再封闭，用户可以自己选择合适的硬件来组成满 足要求的软p l c 。 2 ) 传统p l c 限制在几家厂商生产，它具有很大的私有性，因此它们很难适应 现有标准计算机网络，常常是p l c 与计算机处在不同类型的网络中。软p l c 不仅 能够加入到己存在的私有p l c 网络中，而且可以加入到标准计算机网络中。这使 得现有计算机网络的很多研究成果可以很容易地应用到p l c 控制技术中。 3 ) 传统p l c 的指令集是固定的，而实际工业应用中可能需要定义算法。软 p l c 指令集可以更加丰富，用户可以使用符合标准的操作指令。 ( 3 ) 高级语言：硬p l c 机是专为工业自动控制而开发的，为适应各厂家传统 习惯，硬p l c 多采用各厂家独立的专用语言，并且互不兼容它的常用语言是梯 形图l a d ( l a d d e rd i a g r a m ) ，语句表s t l ( s t a t e m el i s t ) 和功能图( f b d ) 等。 第二章基于p c 的软p l c 体系结构 1 1 对于复杂的控制系统，编写程序的工作量大，容易出错。而软p l c 提供了运用高 级语言开发的功能。高级语言无论在对解题算法的描述能力上，还是在编写和调 试程序的效率上，都有无比的优越性。对于w i n a c 软p l c ，它允许用户利用o d k 软件包运用高级语言进行二次开发。比如应用w i n a co d k 开发工具包可集成用 户开发的c c + + 程序，实现特殊控制功能。 ( 4 ) 数据安全：软p l c 可利用计算机硬盘容量和内存大的优势，将系统程序、 用户程序和数据直接永久地存储于硬盘中，而不会使数据丢失。 虽然软p l c 共享了p c 机的c p u 和其它资源，但是也带来了一些负面影响。 硬件p l c 由于独占c p u ，程序的扫描的周期比较容易保证，实时性较好，而软p l c 在此方面较差，所以西门子公司推出了实时性较强的w i n a cr t x 软p l c 。 2 4 2 软p l c 的工作原理 软p l c 的工作过程与传统p l c 类似。用户首先在p c 机上使用软p l c 的编辑 系统来开发用户程序，接着进行编译和仿真，在确定无误后下载至运行系统，运 行系统接收到程序后，进行解释，然后按照传统p l c 的工作原理和方式运行。p c 机上的编辑系统可以监控各! o 的状态。在软p l c 的运行过程中，其工作原理同 传统p l c 的工作原理相同，采用循环扫描工作方式。但就软p l c 而言，运用了 w i n d o w s 提供的定时器实现循环扫描。程序开始运行时，调用函数s e t t i m e r ( ) 设置 定时器，然后在程序结束时调用函数k i l l t n n e r ( ) 消除定时器。巡回扫描在 w m j i m e r 消息映射的o n t i m e r ( ) 函数里实现。只要定时器不取消，p l c 程序就一 直循环执行，输出结果实时变化。 在工作过程中，采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界干扰。在 一个扫描周期内，软p l c 将输入端上的输入信号采集到输入状态映像区，通过执 行用户的程序，产生相应的输出信号，通过驱动电路控制相应的外部设备。由于 软p l c 系统程序的执行是一个循环往复的过程，所以软p l c 采用常驻内存技术， 利用时钟中断不断地调用执行用户程序。具体软p l c 的运行过程分为以下几个阶 段： ( 1 ) 输入采样阶段。本阶段从输入端口读取端口状态，存入输入映像寄存器 后执行用户程序，以后用户程序的执行都以输入映像寄存器中的状态量为依据。 ( 2 ) 执行用户程序阶段。该阶段按照用户程序的逻辑，产生输出信号，实现 用户程序的逻辑控制。 ( 3 ) 输出刷新阶段。用户程序执行完成后，对输出端口的改变存放于映像寄 存器中，然后输出信号控制外部设备。 除了以上三个阶段外，在软p l c 开始运行前，系统进行初始化，设定输入输 出映像寄存器的状态并进行其它的一些初始化工作。具体工作流程如图2 6 所示。 软p l c 体系结构分析及工程应用 图2 6 软p l c 运行系统流程图 2 5 软p l c 体系结构分析 2 ，5 1 体系结构分析思路 根据软p l c 体系结构从编辑系统、运行系统两方面来建立软p l c 的分析模型和 设计模型【1 6 1 ，然后通过辅助工具将模型转化为某种高级编程语言的框架代码，最 后可用代码填充框架完成软p l c 产品的二次开发或自主开发。 对软p l c 体系结构进行建模分析主要基于以下原因。 ( 1 ) 通过建模理解整个软p l c 的软件系统。模型作为对现实的抽象，有助于 不同的人员从不同角度理解软p l c 的体系结构编辑系统和运行系统。 ( 2 ) 通过建模，可以提供多个视图，如编辑系统和运行系统的用例图、类图 等。基于这些视图，可以对w i a a cb a s i s 获得一致理解。 ( 3 ) 通过软件建模，能及时准确她捕捉、跟踪用户的需求，进行软p l c 产品 的完善和二次开发，并评估需求变更对软件产品的影响。 ( 4 ) 软件开发过程可控。因为软件模型已经清楚地展示了软件系统的蓝图， 每个人都清楚自己的任务。 ( 5 ) 可持续性发展的需要。借助软件建模，我们从用户需求出发追踪到最后 的编码实现。这样通过观察每一次的用户需求变化，我们便可以清楚地确定受影 响的代码。 软件建模首先需要一套标准通用的符号，即建模语言，就如同我们写程序都 要一种编程语言一样另外，还需要建模工具在这里我们选用统一建模语言 第二章基于p c 的软p l c 体系结构 ( u m l ) ，采用著名m mr a t i o n a lr o s e 建模工具【1 - q 。因为统一建模语言是一种统一 了多种建模方法的可视化建模语言。可以对软件产品的需求、分析、设计、实现、 部署等全部生命周期建模。u m l 本身是独立于平台和编程语言的。它既适用于c 以 c + + 等面向对象的编程语言，也适用于c 等面向过程的编程语言，便于实现。 2 5 2 基于统一建模语言的眦c 软p l c 体系结构分析 2 5 2 1u m l 的有关概念 ( 1 ) u m l 定义 在o m g 发布的白皮书中，u m l 的定义【1 8 1 1 9 l 为：u m l 是一种用于对软件密 集型系统制品进行可视化、详述、构造和文档化的可视化建模语言，主要适用于 软件开发的分析和设计阶段，主要特点是表达能力丰富。标准建模语言u m l 的定 义包括u m l 语义和u m l 表示法两个部分。 ( 2 ) u m l 语义 u m l 语义主要描述基于u m l 的精确元模型。元模型为u m l 的所有元素在语 法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使开发者在语义上取得了一 致，消除了各种因人而异的表达方法所造成的不良影响。此外，u m