（电路与系统专业论文）基于IEC611313标准的可编程控制器的设计与实现[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 可编程控制器在工业自动化领域应用广泛，但其编程语言不统一，为应用带来不便。 i e c 6 1 1 3 1 3 标准的颁布提供了标准化的编程方法。研究基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的可编程 控制器有着重要意义。 针对工业控制系统和现场总线的特点，结合可编程控制器的优势，开发了基于 i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准的可编程控制器p e c 3 0 0 0 。并以p e c 3 0 0 0 为主控制器构建了一种 基于r s 4 8 5 总线的现场总线控制系统。介绍了系统的通讯模型，其中物理层采用r s 4 8 5 总线接口，链路层采用m o d b u s 协议，应用层定义了通信服务、网桥服务和设备管理 服务，通过管理信息库协调网络设备统一工作，用户层支持i e c 6 1 1 3 1 3 标准编程语言， 为用户提供开放的编程环境 p e c 3 0 0 0 以a r m 7 内核的l p c 2 1 3 8 为核心处理器，具有4 路高速计数器、2 0 路普 通开关量输入、1 路p w m 高速输出、1 8 路普通开关量输出和2 路标准电流信号输出。 高速计数器输入端口经过高速光耦隔离后连接到l p c 2 1 3 8 的外部中断输入引脚，以中 断的方式统计脉冲个数并计算当前频率值。普通开关量输入采用双极性光耦实现无极性 隔离输入。开关量输出采用隔离晶体管输出，以提高输出驱动能力。模拟量输出由内部 定时器的定时和匹配功能输出频率为1 0 0 h z 、占空比可调的脉冲信号，经隔离、整形、 滤波、放大后输出0 s v 电压信号或通过电流串连负反馈，实现标准4 2 0 m a 电流信号 输出。经零点、满度校准后，输出精度达o ，l 。p e c 3 0 0 0 通过s p i 总线接口扩展了4 6 个u m 用来指示工作状态。 将p e c 3 0 0 0 应用于波峰焊机改造项目中，其下扩展一个t a c 6 0 0 0 温度控制器组成 一个小型控制系统，完成了温度，速度、喷雾、计数、波峰、状态等自动控制。证明了 基于m c 6 1 1 3 1 3 标准的可编程控制器的开放性和易用性。 关键词：可编程控制器；i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准；现场总线；r s 4 8 5 总线 大连理工大学硕士学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n to fp l c b a s e do ni e c 6 1 1 3 1 - 3s t a n d a r d a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fp l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n u o u e r ) i ni n d u s t r i a l c o n t r o lf i e l di s w i d e s p r e a d ；h o w e v e rt h ed i s u n i t y i np r o g r a m m i n gl a n g u a g ec a u f si n c o n v e n i e n c e t h e p u b l i c a t i o no fi e c 6 1 1 3 1 - 3p r o v i d e s s t a n d a r d i z a t i o np r o g r a m m i n gm e t h o d s i t s v e r y i m p o r t a n tt or e s e a r c hp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rb a s e do ni e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r d a i m i n ga tt h e f e a t u r e so 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 db u sa sw e l la st h e a d v a n t a g e so fp l c ，t h i sp a p e rd e s i g n sp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rn a m e dp e c 3 0 0 0b a s e d o ni e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r d , m o r e o v e rf o r m st h ed i s t r i b u t e df i e l db u sc o n t r o ls y s t e mb a s e do n r s 4 8 5b u sa r o u n dp e c 3 0 0 0c o n t r o l l e r t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e mi s a l s oi n t r o d u c e d , t h ep h y s i c a ll a y e ra d o p t sr s 4 8 5i n t e r f a c e ，t h ed a t al i n kl a y e ra d o p t sm o d b u s p r o t o c o l ，t h ea p p l i c a t i o nl a y e rs p e c i f i e sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ，b r i d g es e r v i c e sa n dd e v i c e m a n a g e m e n ts e r v i c e s ，t h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s ec o r r e s p o n d sn e t w o r kd e v i c e st o w o r ki nu n i t y t h eu s e rl a y e rs u p p o r t si e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r dp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n d p r o v i d e so p e nd e v e l o p m e n te n v i r o m e n tf o ru s e r s p e c 3 0 0 0a d o p t sa r m 7 t d m i sc p ul p c 2 1 3 8 t h ec o n t r o l l e rc 姐r e a l i z e4 - c h a u n e l h i g hs p e e dc o u n t e r , 2 0 - c h u n n e ld i g i t a li n p u t ，1 - c h a n n e lp w mo u t p u l1 8 - c h a n n e ld i g i t a l o u t p u ta n d2 - c h a u n e la n a l o go u t p u t i no r d e rt om e a s u r et h ep u l s en u m b e r i ni n t e r r u p tm e t h o d a n dc o u n ta c t i v es i g m af r e q u e n c e ，e a c hh i g hs p e e dc o u n t e rc h a n n e li sc o n n e c t e dt ot h e i n t e r r u p tp i no fc p u n o n p o l a rs w i t c hs t a t ei si m p o r t e dt h r o u g hb i p o l a ro p t o e o u p l e ri nd i # t a l i n p u t , a n dd a r l i n g t o nt r a n s i s t o ra r r a y sw i t ho p e nc o n n e c t o ra r eu t i l i z e dt oe n h a n c eo u t p u t d r i v ea b i l i t yw h i l eo u t p u t t i n gd a t a t h ei n t e r n a lt i m e ro u t p u tp u l s es i g n a lw h i c hf r e q u e n c yi s 1 0 0 h za n dt h ed u t yc y c l ei sm o d u l a t a b l e ，t h r o u g hs e g r e g a t i n g ，f i l t e r i n ga n da m p l i f y i n g , t h e s i g n a li sc o n v e r t e dt oo 6 vv o l t a g es i g n a l ，t h r o u g hs e r i e sn e g a t i v ef e e d b a c kc i r c u i to fc u r r e n t ， t h ec o n t r o l l e rc a l lo u t p u ts t a n d a r d4 2 0 m ac u r f e u ts i g n a l t h ea c c u r a c yo f a n a l o go u t p u tc a n r e a c h0 1 b ys o f t w a r ec a l i b r a t i o n i na d d i t i o n p e c 3 0 0 0e x t c n d s4 6 - c h a n n e ll e dt h r o u g h s p ii n t e f f a e et oi n d i c a t ew o r ks l a t e a p p l i c a t i o no fp e c 3 0 0 0i nt h ep r 嘶e e to fw a v ec r e s ts o l d e rw h i c he x t e n d st a c 6 ( ) 0 0 t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r 笛s l a v ed e v i c ea n ds u c c e s s f u l l yc o m p l e t e st h ec o n t r o lo ft e m p e r a t u r e s p e e d ，s p r a y ，c o u n t e r ，w a v ec r e s ta n ds t a t ，p r o v e st h eo p e n i n ga n du s a b i l i t yo fp r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e rb a s e do ni e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r d k e yw o r d s ：p r o g r a m m a b l elo g i cc o n t r o l l e r ；i e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r d ；f i e l d b u s ；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i 正- t ；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： 盔垩男 日期：幽二丝二行 大连理工大学硕士研究生学位论文 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： 盔亚男 导师签名 2 砬年也月丝曰 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1工业控制系统和现场总线技术 在工业化初始阶段，人们就开始用导线把各种继电器、定时器、计数器及其接点连 接起来，并按一定的逻辑关系连锁控制各种生产机械的运行。这种以硬接线方式构成的 继电器控制系统，至今仍有使用。2 0 世纪7 0 年代初期，出现了微处理器，于是人们用 软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，即 出现了p l c ( p r o g r a m m a b l el o g j c a lc o n t r o l l e r ) 控制系统。作为传统继电接触控制装置的 替代产品，p i c 逐步发展成为一种新型自动控制装置，广泛应用于工业领域i l j 。 传统p l c 属于集中控制、集中管理的大规模的控制装置，随着生产装置和生产规 模的不断扩大已经不适应现代化的大规模的装置的控制要求。由于通讯技术与网络技术 的发展，使得自动化系统的结构发生了变革。性能不断完善的小型机p l c 和远程带通 讯功能的i o 为控制系统的分布、分散处理成为发展趋势。它们将信号并行处理、分散 处理，实现危险的彻底分散。过去由大型集中控制变为由小型的、分散在现场的p l c 控制站和远程带通讯功能的智能i o 组件来实现。分散在现场的p l c 控制站和智能远程 p l c 的加组件可以直接对工业生产过程中各个参数进行测量、控制，实现对生产过程 的自动监测、自动调节、顺序控制和自我保护。各个分散在现场的p l c 控制站、远程 智能f o 组件与控制室的p l c 主控制站( 有时控制室不设p l c 主控制站，仅有操作站， 利用现场的p l c 控制站) 通过网络( 传统的现场总线) 构成一种开放的、数字化、双向、 多站的通信系统。主控制室的操作站对采集的过程参数集中监视管理、报警、打印报表、 编程组态、允许操作人员对过程进行干预。分散的p l c 控制站和智能i o 组件通过网络 技术构成了早期的分散控制系统。 所以，当今的p l c 与d c s 实质已经不能从字面的意义理解为两种控制系统，如 s m e n s 的p c s 7 系统就是d c s 系统。它们的集成发展互为因果、互相补充和促进、 互相融合和渗透。d c s 原用于过程控制，p l c 原用于离散控制，但一个控制系统中往往 既有过程控制又有离散控制【2 】。为了竞争，p l c 制造商研发扩展其过程控制功能，促使 了过程控制和离散控制融合地发展，满足了数字化、模块化和网络化的发展需要，使其 既是性能优异的d c s 系统，又是灵活善变的p l c 系统，能实现电气控制、过程控制和 计算机控制的三电一体化系统的功能，同时也是优秀的管理系统1 3 】。 f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是以现场总线为基础贯穿于生产现场，在测量、执行 机构( 过程控制现场仪表) 和控制设备( 控制室操作站) 之间实现双向、串行、多节点数字 基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的可编程控制器的设计与实现 通信的控制系统。实质上它是将d e s 、p l c 控制系统的远程分散在现场的控制器( 控制 站) 和i o 的现场总线功能延伸到现场的测量控制仪表、执行器i “。现场总线控制系统主 要由现场总线仪表( 智能仪表) 、控制器，现场总线线路，监控、组态计算机( 管理级的 操作站) 组成，具有全数字化、全分布、双向传输自诊断、节省布线及控制室空间、多 功能仪表、智能化与自治性、开放性等特点【”。 将总线送到远程到现场控制站和；o 组件是d e s 、p l c 技术早己解决的问题，有些 现场总线本身就是由p l c 控制系统发展而来，是以远程控制站和i ，o 组件总线技术为基 础的。总线系统并不排斥远程i o ，但远程i o 绝不等于“现场总线”。现场总线系统的 本质特征是使用有现场总线通信能力的智能现场设备，这些可通信智能现场设备所构成 的网络节点，不仅具有竖向( 与系统) 通信也具有横向( 节点之间) 通信的能力。“现场”的 概念不仅指距离，更重要的是指可通信的智能化设备。如果仅用远程f o 转换，那就失 去了现场总线多信息和丰富诊断管理控制功能的灵魂1 6 j 。 1 2p l c 的产生及发展趋势 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它 采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算 术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生 产过程1 7 - a l 。可编程控制器及其有关外部设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整 体，易于扩充其功能的原则设计i 埘。p l c 就是使用一系列指令构成的程序来操作、控制 相关工业控制机械，使其形成一个完整的工业控制系统，以完成各种各样的控制功能。 2 0 世纪6 0 年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾 经试图用小型计算机来实现工业控制，代替传统的继电接触器控制m 。一方面，传统的 继电接触器控制采用的是固定接线方式，一旦生产过程有所变动，就必须重新设计线路 连线安装，不利于产品的更新换代。另一方面，采用小型计算机实现工业制价格昂贵 输入、输出电路不匹配，编程技术复杂。因而没能得到推广和应用。2 0 世纪6 0 年代末 期，美国汽车制造工业竞争激烈，为了适应生产工艺不断更新的需要，在1 9 6 8 年美国 通用汽车公司( g m ) 首先公开招标，对控制系统提出的具体要求基本为：他的继电控制 系统设计周期短，更改容易，接线简单，低成本；他能把计算机的功能和继电控制系统 结合起来。但编程又比计算机简单学、操作方便、系统通用性强。 1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 根据上述要求，研制出世界上第一台可编程控制 器，并在g m 公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动化控制。其后日本、 大连理工大学硕士学位论文 德国等相继引入，可编程控制器迅速发展起来。但这一时期他主要用于顺序控制，虽然 也采用计算机的设计思想，但当时只有进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器。 2 0 世纪7 0 年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程逻辑控制 器更多的具有计算机功能，不仅用逻辑编程取代硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送 和处理等功能，真正成为一种电子计算机工业控制装置，而且做到了小型化和超小型化。 这种采用微电脑技术的工业控制装置的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，故称 为可编程控制器。 目前，p l c 技术发展的总趋势是系列化、通用化和高性能化，主要表现在以下方面： ( 1 ) 在系统构成规模上向大小两个方向发展 发展小型( 超小型) 化、专用化、模块化、低性能p l c ，以真正代替最小的继电控制 系统；发展大容量、高速度、多功能、高性价比的p u c ，以满足现代企业中那些大规模、 复杂系统自动化的需要。 ( 2 ) 功能不断增强，各种应用模块不断推出 大力加强过程控制和数据信息处理功能，提高组网和通信能力，开发多种高性能模 块，以使各种规模的自动控制系统功能更强大、更可靠、组成和维护更灵活方便，使 p i c 的应用范围更加广泛。 ( 3 ) 产品更加规范化、标准化 p l c 生产厂家在使用硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益 向m a p ( 制造自动化协议) 靠拢，并使p l c 基本部件，如输入输出模块、联网通信模块、 接线端子、通信协议、编程语言和工具方面和技术规格规范化、标准化，使不同的产品 问能够相互兼容、易于组网，以方便用户，扩大产品的应用领域。 1 3 国内外发展现状 p l c 诞生后，日本、德国、法国等国家相继开发了各自的p l c ，受到工业界的欢迎。 2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初p l c 已成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设 备。据有关资料报道1 “1 ，全世界目前约有p l c 生产厂1 8 0 多家，1 9 8 8 年全世界p l c 总 销售额达3 7 0 亿美元，年产量约1 5 0 万台。p l c 销售额的增长速度也是惊人的，据美国 商业调查机关p r e d i c a s c 公司统计，美国市场：1 9 7 2 年为2 千万美元，1 9 8 2 年增长 到6 2 亿美元，1 0 年间增长3 0 多倍。按日本n e c a 调查，1 9 8 5 年日本p l c 总销售量 为1 9 8 1 年的2 2 倍，销售额达8 2 7 亿日元。目前在世界先进工业国家p l c 已成为工业 控制的标准设备，它的应用几乎覆盖了所有工业企业。显然，应用p l c 技术已成为当 基于 e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的可编程控制器的设计与实现 今世界潮流，作为工业自动化的3 大支柱( p l c 技术、机器人、计算机辅助设计和制造) 之一的p l c 技术，将会跃居主导地位。 近1 0 年来，我国的p l c 研制、生产、应用也发展很快。特别是在应用方面，在引 进一些成套设备的同时，也配套引进了不少p l c 。如上海宝钢第一期工程，就采用了 2 5 0 台，第二期也采用了1 0 8 台。又如天津化纤厂、秦川电站、北京吉普车生产线、西 安的彩电和冰箱生产线都采用了p l c 控制。总之。我国的p l c 的应用已获得了令人瞩 目的经济效益和社会效益。我国在研制、生产自己的p l c 产品的同时，也引进国外的 p l c ，不少公司或替国外的公司推销质量与档次较高的p l c 产品，并负责售后服务，或 与国外公司合资，生产各种档次的p l c ，既返销国外，也向国内销售。可以预见，p l c 的应用将会越来越广泛，我国的工业自动化程度必将提高一个新水平。 近年来，国外p l c 发展的明显特征是产品的集成度越来越高，工作速度越来越快， 功能越来越强，使用越来越方便，工作可靠性越来越高。f l c 可进行模拟量控制、位置 控制。特别是远程通信功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统，使得p l c 如虎添 翼，为工业自动化提供了有力的工具，加速了机电一体化的进程。国外一些著名大公司 每年即可推出一种新产品。如各种紧凑型、微型p l c ，不仅体积小，功能大有提高( 其 将原来大、中型p l c 才有的功能移植n d , 型p i c 上，如模拟量处理、数据通信等) ，而 且价格不断下降，真正成为继电器的替代物【1 1 j 。大中型p l c 更是向大容量、增加新的 功能、提高运算速度发展，以适应不同控制系统的要求。此外，新型p l c 采用多种功 能的编程语言和先进的指令系统，实现p l c 之间和p l c 与管理计算枫之间的通信网络， 形成多层分布式控制系统，或整个工厂的自动化网络。 1 4i e c 6 1 1 3 卜3 标准 可编程控制器的早期阶段，由于没有一个统一的国际标准，各制造商根据自己的习 惯，使用自己的编程语言。这些编程语言从内容到形式都很不同，给用户带来极大的不 便，使用不同公司产品编制程序完全不通用，用户被迫要去熟悉不同公司的编程语言， 要额外的购置不同的编程工具，要想在一个大型的工程项目中使用多家公司的产品，几 乎是不可能的事。 i e c6 1 1 3 1 3 【协切是为可编程控制器( p l c ) 、相关的编程和调试工具和人机界面等制 定的国际标准，是统一p l c 编程的基础，它帮助用户在一次应用已有的测试和标准化 软件部件，适用于生成这些部件的软件工程方法，以一个复杂的观点考虑问题的解决， 以较小的模块结构构成一个复杂的任务，明确定义接口，更容易地将程序转移到其他系 统1 1 4 l 。 大连理工大学硕士学位论文 i e c 6 1 1 3 1 3 标准详细地说明了句法、语义和5 种编程语割1 5 】：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 t ) ，顺序功能图( s e q u e n t i a lf u n c t i o nd i a g r a m ) ，梯形图( l a d d e r d i a g r a m ) ，功能块图( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) 。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【1 6 1 。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。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。 功能块图是m c 6 1 1 3 1 3 中的核心元素，它体现了一种全新的面向对象程序设计理 念。功能块是一种类型，对应于经典面向对象语言中的类的概念。功能块的实例对应于 对象的概念。功能块把具体的操作和操作数据相分离。一个功能块的实例从系统的角度 看就是一片特定的内存。由于操作数据和具体的操作分离了，系统就能够完全的控制操 作数据的产生，消亡和各种中间状态。通过这种方法，软件平台就有可能对整个系统的 控制算法进行完全的控制，包括算法执行过程中对某个算法具体行为的在线更改。 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 5 本文主要工作 本文研究了工业控制系统和现场总线技术，p l c 的产生和发展趋势，提出了一种基 于r s 4 8 5 总线、以p e c 3 0 0 0 为主控制器的可编程控制系统的体系结构，将支持标准 m o d b u s 协议的i o 设备组成控制网络，实现了系统的全分布式控制。完成了其主控 制器的p e c 3 0 0 0 的硬件电路及驱动程序设计、p c b 设计、底层软件设计。硬件部分介 绍了高速计数模块、开关量输入模块、p w m 高速输出模块、普通开关量输出模块、模 拟量输出模块和串行通信模块硬件电路及驱动程序设计。软件部分介绍了主程序流程 图、程序初始化、功能块编程语言实现技术、功能块编码格式、从设备管理通信模型和 通信管理机制。最后，介绍了p e c 3 0 0 0 在波峰焊机改造项目中的应用实例。 基于m 0 6 1 1 3 1 3 标准的可编程控制器的设计与实现 2 现场总线系统构建 由于p l c 具有编程筒单、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 。将p e c 3 0 0 0 应用于工业现场时，由于其本 机具有丰富的开关量输入输出和模拟量输出功能，因此其既能采集现场离散点的状态， 根据控制逻辑控制离散点的输出，还能够根据计算结果或控制需要输出抛0 m a 标准电 流信号或o v 标准电压信号到执行机构完成控制动作。p e c 3 0 0 0 本机集成2 路r s 4 8 5 串行通信接口，用户可独立配置其主从属性( 至少有一路为从) 。p e c 3 0 0 0 的从口通过主 干r s 4 8 5 总线与工程师站、监控站进行数据信息交换，主口则通过扩展r s 4 8 5 总线连 接8 个从设备，采集现场i o 设备的实时数据和状态信息。另外，主控制器之间还可以 进行级连完成网关的功能，形成复杂的分布式控制系统。 2 1 系统方案 以r s 4 8 5 总线为控制网络，主控制器嬲o 一方面连接在主干r s 4 8 5 总线上， 可直接作为现场总线的应用层设备完成数据的采集和输出，也可通过扩展r s 4 8 5 总线与 现场m o d b u s 1 7 】设备进行实时数据交互1 1 & 1 9 1 。其中现场m o d b u s 2 0 - 2 1 l 设备为支持标准 m o d b u s 通讯协议的设备。工程师站可通过p e c 3 0 0 0 的组态软件p l c _ c o n f i g 2 2 j 软件对 主控制器进行编程和配置操作如果m o d b u s 设备为d u t 6 0 0 0 1 2 3 壕列( 温度采集模块) 或d 1 0 2 0 0 0 1 2 2 1 系列( 开关量模块) ，也可以直接在p l c软件中打开系conag d u t 6 0 0 0 列组态软件d u t _ c o n f i g 或d 1 0 2 0 0 0 系列组态软件d i o _ c o n f i g 来对其从设备进行编程 操作。主控制器可将从设备的可d 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。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， 很好的解决了系统应用过程中本地人机交互的问题。 由系统结构图可知，在控制系统中，p e c 3 0 0 0 可以与工程师站或监控站进行通讯， 完成数据传输；另外，p e c 3 0 0 0 可以实时采集从设备信息以及进行从设备管理。这样工 程师站或监控站仅仅需要接入主干r s 4 8 5 总线即可监控到所有现场设备的状态。例如： p e c 3 0 0 0 读取其从设备d 1 0 1 0 0 0 的信息，将其存储到本身的从设备映像寄存器中，工 程师站或监控站通过与p e c 3 0 0 0 通信就可读取p e c 3 0 0 0 本机状态以及所挂载的从设备 的状态。 大连理工大学硕士学位论文 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，很好的解决了系统应用过程中本地人机交互的问题。 每个主控制器下的r s 4 8 5 网络可以最多接入8 个从设备，完全可以满足当前工业控制系 统的需求。 图2 1 现场总线系统拓扑图 h g 2 1 f i e l d b u ss y s t e m $ 1 1 1 c i l l l 2 2 现场总线系统通讯模型 为了保证现场总线系统的正常通讯，建立了如图2 2 所示的通讯模型，每一级的主 设备都运用了分层管理的思想。整个通讯模型分为四层：物理层、数据链路层、应用层 和用户层，各层之间相互独立、各自完成不同的任务，又互相联系。通过管理信息库 m i b 协调网络设备统一工作。 ( 1 ) 物理层 位于整个通信模型的最底层，主要负责物理链路的管理。物理层采用r s 4 8 5 总线， 平衡发送、差分接收。数据的内容对这一层来说是完全透明的，它只负责在r s 4 8 5 总线 上传输比特流。r s 4 8 5 采用半双工工作方式，在总线传输的数据采用平衡发送和差分接 收的方式，能检测低至2 0 0 m v 的电压。是目前使用最广泛的总线形式之一。 ( 2 ) 数据链路层 一7 一 基于i f c 6 1 1 3 1 - 3 标准的可编程控制器的设计与实现 二j 垂垂 二 用户层 设备管通讯 l 网桥l 理服务服务 二三口 至口 图2 2 通讯模型 f i g 2 2 c o m m u n i c a t i o nm o d e l 应用层 数据链路层 物理层 该层位于系统通信模型的中间层，对于接收到的报文，负责判断该报文的校验。如 果报文的属主和自己的参数相符且数据无误码就接收并向应用层传输；对于从应用层发 送过来的数据，则负责报文的打包和添加校验字节并向物理层传输。 ( 3 ) 应用层 应用层是整个通讯模型的核心，- 它承担了三个服务：设备管理服务，通讯服务和网 桥的功能。 设备管理器 负责与从设备通信报文的调度管理。它维护了两个优先级不同的循环缓冲队列，每 个队列都可以容纳多达3 2 组报文数据。设备需要与从设各通讯时不是直接发数据到数 据链路层，而是根据报文的优先级放到相应的缓冲队列中。模块根据用户配置的时间周 期定期扫描缓冲队列，优先级高的报文先发送。处理完后会自动清除队列中相应的数据 组为进一步接收其他数据包做好准备。在接收数据的过程中，也是根据用户配置的通讯 周期定期扫描接收缓冲区并进行数据解析，同时也能够自动做超时判断和错误诊断，及 时把发生通讯错误的数据组在数据接收层中删除。 通讯服务 通讯服务主要负责处理p e c 3 0 0 0 与其上层监控站或工程师站通信，完成程序上下 载、变量读写等服务。通讯格式基于m o d b u s 协议。当接收到上层的通信命令后，先对 命令报文进行解析，根据其报文属性，按照e p a 标准格式提取其中的信息并进行相应 的处理。如果是读请求，直接将数据打好包封装后送给链路层；如果是写请求，则根据 报文中的具体寄存器地址和相应数据完成写操作即可，并返回正响应报文。 网桥 当监控站或工程师站访问p e c 3 0 0 0 从设备的信息时，p e c 3 0 0 0 可以充当网桥的功 8 大连理工大学硕士学位论文 能。根据m o d b u s 协议的内容，寄存器地址为两个字节，最大为6 5 5 3 5 。我们规定，当 寄存器地址的最高位为o 时，此地址为读写p e c 3 0 0 0 本机的信息。则直接进入通信服 务进行相应的处理。如果寄存器地址的最高位为1 ，则表示此地址为p e c 3 0 0 0 下属从设 备的寄存器地址，此时，p e c 3 0 0 0 则充当网关的功能。其寄存器的实际意义如图2 3 所 示。第1 3 1 4 位两位决定了从设备索引，表示是要读哪个从设备的信息。0 1 2 位表示 从设备中的寄存器地址。由这两项信息，就可以定位到从设备的寄存器位置。打包后， 放入串行通信缓冲队列中，从p e c 3 0 0 0 的主口发给从设备。收到响应报文后，则把 p e c 3 0 0 0 本机的地址添充进响应报文里，按寄存器变换规则变回解析前的状态，再由从 口发往监控站或工程师站。 1 41 31 2l1 li1 0l9l8f7i654i32i110 h a n d l e从设备中的寄存器地址 0 p f _ l - 3 0 0 0 内部的寄存器地址 图2 3 地址解析方法 f i g 2 3w h ”o f a d d r e s sa n a l y s i s 管理信息库( m m ) 管理信息库主要存放系统的配置信息，供各个通讯层调用，保证整个通讯有条不紊 的进行。主要包括：设各地址，通讯协议，r s 4 8 5 通信口主从设置，通信扫描时间，通 信超时时间，串口主从设置及串口通讯参数等。 系统根据管理信息库里的配置信息，进行整个系统的通信管理调度，提高通信效率。 设备地址为其主设备寻址访问时所用，通讯协议用于m o d b u s r t u a s c i i 的选择。r s 4 8 5 通信口主从设置，作为p e c 3 0 0 0 的r s 4 8 5 接口主从选择( 主口用来连接从设备，从口用 来连接主设备) 。通讯扫描时间定义，主设备与其从设备通讯的时间间隔。通信超时时 间用于处理从设备意外掉线，它规定了确认设备掉线的无应答通信次数。串口通讯参数 设置了串口通信的校验方式、通信波特率、停止位、数据长度等信息。 ( 4 ) 用户层 主要完成用户程序的解析、执行。在功能块程序运行开始，先读取p e c 3 0 0 0 的开 关量输入状态，写入输入映像寄存器区。然后按顺序执行功能块完成一定的算术或逻辑 运算，并刷新相应的映像寄存器区。最后将输出映像区的值更新到p e c 3 0 0 0 真正的外 部输出。 一9 一 基于i e c 6 1 1 3 i - 3 标准的可编程控制器的设计与实现 2 3 本章小结 本章从系统的角度出发，介绍了p e c 3 0 0 0 在可编程控制系统中的典型应用，并介 绍了p e c 3 0 0 0 的通信模型。 大连理工大学硕士学位论文 3 硬件电路及驱动程序设计 p e c 3 0 0 0 以n x y 公司的基于a r m 7 内核的l p c 2 1 3 8 处理器为控制核心，完成4 路隔离高速计数器、2 0 路普通开关量隔离输入、1 路隔离p w m 高速输出、1 8 路普通开 关量隔离晶体管输出和2 路标准电流信号输出。2 路r s 4 8 5 串行通信接口，可自由配置 主从( 至少有一路为从口) 【冽。本章将详细说明其硬件电路及驱动程序设计 3 1l p c 2 1 3 8 核心控制器 l p c 2 1 3 8 衢- 2 r j 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的3 2 1 6 位a r m t t d m i s t m c p u 的微控制器，具有5 1 2 k 片上高速f l a s h 、3 2 k 片上r a m ，1 2 8 位宽度的存储器接口和 独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。通过片内p u 同实现最大为 6 0 m h z 的c p u 操作频率。a r m 结构是基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理设计的，指令 集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多。使用了流水线技术，处理和存储 系统的所有部分都可连续工作。l p c 2 1 3 8 微控制器内部资源丰富，功能强大，具有以下 特点。 ( 1 ) 单电源供电，电压范围为3 3 v ( + 1 0 ) 。芯片内部自带上电复位( p o r ) 和掉电 检测( b o d ) 电路，能够确保处理器在2 6 v 供电电压以下时被可靠复位。 ( 2 ) 多达4 7 个5 v 的通用帕口，可实现单独位的方向控制，可单独控制输出位的置 位和清零。 ( 3 ) 2 个3 2 位定时器，计数器，外带4 路多达3 2 位的输入捕获通道，可在输入信号跳变 时捕获定时器的瞬时值；4 路3 2 位匹配寄存器，可选择匹配时复位、停止或继续运行， 可选择中断；4 路匹配输出通道，可选择匹配时输出高电平、低电平、无动作或翻转。 ( 4 ) 1 路p w m 单元，该定时器基于标准的定时器并具有其所有的功能。包含6 路p w m 匹配输出。可实现6 个单边沿控制或3 个双边沿控制p w m 输出，或这两种类型的混合输 出。 ( 5 ) 内置看门狗模块，保证强干扰环境下，内部程序的可靠运行。 ( 6 ) 9 个边沿或电平触发的外部中断引脚，可编程为沿触发或电平触发，并可选择 触发极性。 ( 7 ) 2 路工业标准通用异步串行d ( t a r t ) ；2 路s p i 接口，速率可达6 m o p s ；2 路 高速1 2 c 接口，速度可达4 0 0 k b p s 。 ( 8 ) 中断向量控制器，3 2 个中断请求输入，可配置优先级，并支持软件中断。 ( 9 ) 片内b o o t 装载软件实现在系统在应用中编程( i s p i a p ) 。 基于i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的可编程控制器的设计与实现 ( 1 0 ) 具有标准j t a g 调试接口和嵌入式跟踪接口。对目标系统进行调试需要一个 主机来运行调试软件和e m b e d d e d i c e 协议转换器。e m b c d d e d l c e 协议转换器将远程调 试协议命令转换成所需要的j t a g 数据，从而对目标系统上的a r m 7 t d m i s 内核进行 访问。 ( 1 1 ) 内置电池供电的时间日期时钟部件，使用外置3 2 7 6 8 k h z 晶振，系统可轻松 获得当前时钟。 3 2 硬件电路总体设计 p e c 3 0 0 0 采用2 4 v 电源供电，p w m 调压后变为5 v ，经双推挽电路和变压器后在 变压器的次级耦合两组隔离电源，一路给数字部分供电，另一路给通信部分提供电源。 数字部分、通信部分、开关量输入输出部分和模拟量输出部分相互隔离。在硬件上充分 考虑了系统的稳定性和容错性，从而有效的避免了来自工业屏蔽地可直接接于现场。工 作原理如图3 1 所示。 图3 1p e c 3 0 0 0 工作原理图 f i g 3 1 t h es c h e m a t i co fp e c 3 0 0 0 x 0 x 1 高速计数器输入端口( d i x 0 d i x 3 ) 经高速光耦隔离后连接到l p c 2 1 3 8 的外部中断 输入引脚，内部寄存器设置为下降沿触发模式，输入脉冲频率范围为0 5 h z - - 4 k h z 。控 制器具有2 0 路普通开关量输入通道，输入电压范围为0 - - 3 0 v 。为防止输入电压受到干 扰后控制器产生误操作，输入端加有硬件滤波电路。输入信号经光电隔离后连接到 大魍工大学硕士学位论文 7 4 h c l 6 5 1