（计算机应用技术专业论文）基于图形语言编程的工业测控集成开发环境研究与设计.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 可编程控制器技术是目前工业控制和遥感测控领域应用最为广泛的技术之 一，许多公司和研究机构都在开发和研制着各种各样的可编程控制器产品，并为 其产品开发了各自的应用软件平台。 在分析传统可编程控制器的软硬件构成基础上，根据应用需求，针对自行设 计的可编程控制器，进行了图形化编程软件集成环境的研究与设计。既借鉴和利 用了现有的基本技术，在遵循国际标准的前提下，研制和开发出一个既有针对性， 又具有通用性，既符合目前图形语言编程规范，又从功能和应用上进行了优化的 图形化语言集成开发环境。 文章首先阐述了相关的背景知识及p l c 系统开发的基础理论知识，接下来详 细介绍本课题硬件使用m s p 4 3 0 系列单片机作为核心芯片的可编程控制器， 提出了集成开发环境设计实现的思想。随后描述了设计与实现的完整过程，包括 图形化语言编程、程序的优化与调试及利用p c 机i o 接口实现的通讯等内容。 在文章最后，给出了总结与展望，提出了对本课题的实现结果做进一步研究和完 善的希望。 关键词：可编程逻辑控制器，m s p 4 3 0 系列单片机，图形化编程平台，梯形图 j t a g 河海大学硕士学位论文基于图形语言编程的工业测控集成开发环境研究与设计 a b s t r a c t p r e s e n t ly ，t h ep r o g r 猢a b l ec o n 仃0 1 1 e rt e c l l i l o l o g yi so n eo fm o s t 晰d e l y 印p l i e d t e c h n o l o g yi nt h ed o m a i no fi n d u s t r yc h e c ka i l dr e 】肿t es e n s i n ga i l dc o n t r 0 1 m a n y c o m p a n i e sa f l d r e s e a r c hf a c i l i t i e sa r ew o r k i n go nt h ed e v e l o p m e n ta n ds t l l d yo f v a r i o u sp r o g r a m m a b l ec o m r o l l e rp r o d u c t s ，a 1 1 dh a sd e v e l o p e dr e s p e c t i v e 印p l i c a t i o n s o r w a r ep l a t f o r mf o rt h e i rp r o d u c t s a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o nd e n l a n d ，a n di nv i e wo ft h ei n d e p e n d e n t l yd e s i g n e d p r o g r 籼a b l ec o n t r o l l er ，t h i st h e s i sa i m st od or e s e a r c ho na n dd e s i g nm eg m p h i c a l p r o g r a l l l m i n gs o n w a r ei n t e g r a t i o nc o n d i t i o n s ，b a s e do nt h ea n a l y s i s o ft r a d i t i o n a l p r o g r 猢a b l ec o n 拄0 1 1 e rs o f h v a r ea i l dh a r d w a r e n a m e ly ，f o l l o w i n gt h e 血t e m a t i o n a l s t a n d a r d ，a n du s i n g 廿1 ee x i s t i n gt e c h n 0 1 0 9 y ，i th a sd e v e i o p e dt h eo p t i m i z e dg r a p h i c a i l a n g u a g ei n t e 伊a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tw h i c hi so f 掣e a tv e r s a t i l i t y ，c o n f o h i l s t ot h ep r e s e n tg r 印h i c a l l a i l g u a g ep r o g r 舢i n gs t a l l d a r d ，a i l dh a sb e e ni m p r 0 v e di ni t s 缸l c t i o na 1 1 dt h ea p p l i c a t i o n f i r s t ，“e 】a b o r a t st h er e j a t e db a c k g r o u n di n f o m l a t i o na n dt h eb a s i c 山e o r y k n o w l e d g eo fp l cs y s t e md e v e l o p m e n t s e c o n d l y ，i ti n t r o d u c e st h i s h a r d w a r ei n d e t a i l ，t h a ti s ，m ep l c w h i c ht a k e st h em s p 4 3 0s e r i e sm o n o l i m i ci m e g r a t e dc i r c u i ta s t h ec o r ec h e c kc h i p ，a n dp r o p o s e st h ed e s i g ni m p l e m e m a t i o nt h o u g h to fi n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h e ni td e s c r i b e st h e p r o c e s s o fi t s d e s i g n a 1 1 d i m p l e m e n t a t i o n ，i n c l u d i n g t h e 伊a p l l i c a ll a n g u a g ep r o g r 帅m i n 岛 t h e p r o 掣a n l o p t i m i z a t i o na i l dd e b u g s ，a 1 1 dt h ec o m m u n i c a t i o n 、v h i c hu s e sp ci oi 1 1 t e r f a c e t h e f i n a lp a no ft h et h e s i si n c l u d e st h es u m m a f o r e c a s ta n dt h ew i s ht of h n h e rr e s e a r c h a n di m d r o v e m e n to ft h ea c h i e v e m e m k e yw o r d s ：p l c ，m s p 4 3 0 ，g p p ，l a d d e rd i a g r 锄，j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我个人在导师的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。与我一同工作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：三垒趔 咖拧6 月je 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊电子杂志 社有权保留本人所送交的学位论文复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存沧文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅或借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括 刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签孙歪叠均游6 月c 6 日 河海大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 可编程逻辑控制器( p l c ) 在工业控制领域的应用越来越广泛，既有单机作 为继电器逻辑电路的替代品，又有作为设备控制的核心部件。随着自动化程度的 提高，可编程逻辑控制器既可作为现场控制的部件，又可作为更高一级的管理控 制部件。伴随网络技术的发展，它又衍生出了网络功能。所有这些，不仅要求可 编程逻辑控制器具有相应的硬件功能，而且要求它的软件技术电要获得相应的发 展。 本课题的研究和设计主要是对特定领域和用途的可编程控制器进行相应的 软件平台开发，实现对控制器硬件的软件编程与仿真。对于本课题而言，常见 p l c 及其编程软件环境提供了相对过多的功能和控制，操作较为繁琐，具体分析 在以下章节详细介绍。 1 2 课题分析与设计 1 2 1 课题分析 在工业自动化控制领域，我们都了解并熟悉的一种通用控制设备是可编程逻 辑控制器p l c ( p m 掣猢a b l el o 西cc o n t r 0 1 1 e r ) 。它以微处理器为核心，将 传统的继电器控制与计算机技术结合起来，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、 使用方便的特点。p l c 的编程原理基本相同，多采用梯形图语言编程。在实际系 统的应用和开发中，梯形图的设计也是最主要的环节之一。梯形图不但沿用和发 展了电气控制流程的表示技术，而且其功能和控制指令己远远超过电气控制范 畴。由于梯形图的设计是计算机程序设计与电气控制设计思想结合的产物，所以 在殴计方法上与计算机设计和电气控制设计既具有相同点，也具有不同点 ”。当 前有许多已经较为成熟的系统被开发和使用，其基础设计虽然也是使用的图形方 法，但是它们解决的大都是程序的逻辑设计问题，应用的人员也要有一定的程序 设计基础。这一点对于工程人员来讲就会存在一定难度或问题，从而导致问题的 河海大学硕士学位论文 基于图形语言编程的工业测控集成开发环境研究与设计 不能解决或解决的不彻底。另外，目前虽然有着众多编辑器系统，但是大多数对 硬件依赖性高，多使用的是c 语言或某种汇编语言实现，而且应用较为单一， 灵活性和可移植性都不是很强。 随着电子技术和计算机应用技术的不断发展，水利和电力系统的许多专用化 设备出现了向通用化设计发展的趋势。具体表现为：水利、电力设备的硬件核心 部件、接口资源等目前也多采用了通用化和标准化设计，以此来减少应用设备的 品种，同时强调提高设备的兼容性。调查和研究表明，现在水利、电力设备的应 用多依靠不同的软件配置以达到不同的应用。例如：p l c 是现在水利设备中应用 较多的一种通用平台，尽管p l c 开发和应用的初衷也是为了面向工程人员，但 是实际使用仍然是由研发人员进行各种配置；组态软件在实际的配置使用中也存 在类似的问题。因此，从用户方着眼，迫切需要统一的、独立于制造商语言概念 的高级编程语言和开发工具。基于此思想，本文在原有应用的基础之上，对功能 配置的方法和实现上进行更深入的研究，开发出更为完善和实用的基于图形语言 编程集成开发环境。 1 2 2 、课题设计开发的相关背景 在工业自动化控制和遥感测控领域，常借助p c 机的图形处理能力、数值运 算能力和文件处理能力，建立图形化的“虚拟”仪器面板，完成对仪器的控制、数 据分析与显示等操作。这种与p c 机结合构成、包含实际仪器使用与操作信息软 件的仪器，被我们称为“虚拟仪器”。早期的控制软件通常是针对特定的硬件以传 统的程序设计语言( 文本语言) 开发的。对工程人员而言，用文本语言实现系统 构成需要耗费大量时间和精力，其结果有时并不能满足所需。而图形化的描述方 法更易于理解，许多复杂的问题在使用多于一维的描述方法表达时，会变得相对 简单。 图形化编程平台( g r a p l l i c a lp m f 猢i n gp 1 a t f o n n ，简称g p p ) 是基于图形 开发、调试和运行的集成开发环境【2 】。它利用g p p 中预定义的元件库，函数扩展 库以及图形化语法，把复杂、繁琐、费时费力的文本语言编程简化为一种通过定 义和连接代表各种功能模块的图标来建立的应用程序，是组建总线式自动测试系 统提供快速、简单、开放的应用软件开发环境和工具。g p p 的研发工作有许多公 司和研究单位在进行，真正成为产品的主要有n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司的 v e e 。我国现在也有许多科研机构正在进行全中文界面软件平台g p p 的研究与 开发。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 下图是典型的图形化编程软件平台结构框架图( 图1 1 ) 。 核心模块 编辑模块 图形 运行模块 化编设备 接口 驱动程软 、一 调试模块 模块 件元 模块 件库 i i 函数扩展库 图1 1 图形化编程软件平台结构框架图 梯形图编程语言的研究和仿真现在也有人在做，但多是对整个流程的某个环 节进行的，且多依赖特定厂商的p l c 产品，这也是本课题得以提出的原因之一。 本课题实现过程中，对g p p 构成的某些思想和方法进行了有选择的借鉴。由 于本设计针对的硬件仍是编程控制器范畴，故和g p p 开发有着极大的区别，本 文将在后面章节做详细说明。 1 2 3 、课题设计开发的目的 本课题是在周金陵老师的指导下选择的。在参考查阅了大量文献和书籍的基 础上，基于图形语言编程集成开发环境的研究和设计，无论是在理论上，还是在 实际应用方面都是很有必要的。可以从以下几方面分析： ( 1 ) 研究和开发目前主要是针对水利和其他工程工控应用的。现有的开发 环境尽管有些功能很强，但是在相对较为专业的水利和测控应用中，有些是用不 到的，有些想用的功能又没给出。 ( 2 ) 本研究与实现尽管也是属于程序设计和开发的概念范畴，但又不完全 等同于常规概念上的设计。传统程序开发是基于逻辑实现和算法的，即便是梯形 图与组态软件，工程人员也很难透彻的掌握，本开发环境是将工程人员所熟悉的 电路控制图形在不需要他们掌握太多、太烦琐的计算机编程技术的基础上，利用 其已有的知识就可以完成其想得到的设计结果的集成系统。 ( 3 ) 本研究和实现对所设计程序的灵活性和可移植性要求较高。这主要是 针对不同厂商p l c 产品编程语言的符号和规则存在较大差异提出的。 河海大学硕士学位论文基于图形语言编程的工业测控集成开发环境研究与设计 ( 4 ) 传统p l c 语言编写的程序可复用性较差，其编写的程序很难通过程序 调用来实现复用。 ( 5 ) 封装能力和底层设计所支持数据结构的能力都应该得到增强。以便完 成对复杂应用程序的编制。 ( 6 ) 利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机本身的硬件特点来实现p c 机与控制器件间的 实时通信。 1 2 4 、课题开发设计的目标 本集成开发环境的操作平台是w i n d o w s 操作系统，开发工具主要是 v c + + ，还需要内嵌汇编编译链接程序生成目标程序。研究所用的编程控制器硬 件平台使用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作为核心控制芯片，主要应用于现场测控r t u 、 p l c 等。实现内容包括：友好的人机交互界面，使用v c 实现；梯形图数据库( 可 扩展) ；图形到代码的转换过程( 对工程人员透明) ，中间语言可以是汇编或c 语言：多模块的联接；结果程序的下载。其中需要解决的重点和难点是梯形图的 绘制和，多个功能模块的联接问题以及图形到代码的转换过程，还有如何利用通 讯端口实现下载等。最终设计的开发环境要通过一系列的功能测试、应用测试， 以便实际应用于工程中。在此基础上，还拟对该开发环境做些功能和执行效率方 面的优化工作以及实现完全软件仿真。 1 3 论文内容和组织结构 第一章绪论。概括叙述了本课题的研究背景、研究目的和目标。 第二章可编程逻辑控制器系统分析和研究。叙述了本课题的硬件基础，包括其 结构和主要功能；针对p l c 的编程方法和实现。 第三章集成开发环境的硬件与软件。 第四章图形语言集成开发环境的设计与实现。详细介绍了利用v c + + 进行系统 的分析、开发和调试过程以及所用到的一些关键技术等。 第五章计算机与工控设备之间通讯的实现。 第六章总结和展望。 致谢。 河海大学硕士学位论文第一章绪论 参考文献。 附录。主要将关键代码附上。 1 4 本章小结 在本章中介绍了本课题开发的背景、意义及课题所要实现的具体目标，并对 课题的可行性及可用性进行了分析，为课题的立论做了详细的说明。对设计时所 用到的软件平台和工具进行了选择，最后概括了整个论文的结构安排。 河海大学硕士学位论文基于图形语言编程的工业测控集成开发环境研究与设计 第二章可编程逻辑控制器系统分析和研究 2 1 可编程逻辑控制器基础 2 1 1 概念及控制原理 工业控制计算机是阻计算机技术为基础的新型工业控制装置，目前已成为工 业控制的标准设备，被广泛地应用于各行各业，工控机是实现生产自动化的最佳 配套产品，而工业p l c 则在工控领域中占有主要的地位。p l c 具有通用性强、 使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点【3 1 。 p l c 的定义有许多种。国际电工委员会( i e c ) 对p l c 的定义是：可编程逻 辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采 用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数 和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各利，类型的 机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按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【4 】。 从结构上分，p l c 可分为固定式和组合式( 模块式) 两种。固定式p l c 包 括c p u 板、l 板、显示面板、内存块、电源块等，这些元素组合成一个不可拆 卸的整体。模块式p l c 包括c p u 模块、i o 模块、内存、电源模块、底板或机 架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 可编程控制器的工作原理可概括为： 可编程控制器采用循环扫描工作方式，包含输入点扫描、用户程序执行、输 出点刷新、内部处理和通讯处理几个部分，通过反复的执行输入点扫描、用户程 序执行、输出点刷新工作达到接收控制并操作设备的目的。 在运行可编程控制器前，可以使用编程软件编写输入点和输出点间的控制逻 辑并下载到可编程控制器中，在可编程控制器运行过程中，首先会扫描输入点信 号，将之读取到可编程控制器中，然后根据控制程序完成运算和逻辑处理，运算 和逻辑处理结果将输出点的值改变，最后将输出点中的值转换为电信号输出并控 制各种机械设备的运行。 扫描过程如图2 1 所示： 河海大学硕士学位论文第二章可编程逻辑控制器系统分析与研究 读取输入 执行用户程序 智能模块通讯 通讯信息处理 自诊断检查 修改输出 运行状态停止状态 圈2 1 扫描过程 用户程序控制原理： 在用户程序中，可编程控制器的输入点被称为触点，它的功能和工业设备中 的开关触点是一样的，代表能流的导通或者关断。在可编程控制器中，输入点存 储为一个软元件，当输入点为高电平时，对应的软元件为导通状态，在用户程序 中参与逻辑运算并影响输出点的值；输出点称为线圈，代表输出能流的导通或者 关断，输出点对应软元件的值由输入点和控制逻辑计算结果决定。在输出刷新时， 软元件的值被转换为电信号在输出点的晶体管或者继电器输出，从而完成对设备 的控制。 2 1 2 可编程逻辑控制器的发展 在现代制造工业( 以改变几何形状和机械性能为特征) 和过程工业( 以物理 变化和化学变化将原料转化成产品为特征) 中，常用大量的开关量进行顺序控制， 它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大 量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。 1 9 6 8 年美国g m ( 通用汽车) 公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美 国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实 现的程序化，这就是第一代可编程序控制器( p r o 茚a m m a b l ec o n t r o l l e r ) ，简称p c 。 上世纪8 0 年代，个人计算机发展起来，电简称为p c ，为了方便，也为了反 映或可编程控制器的功能特点，美国a b 公司将可编程序控制器定名为可编程 序逻辑控制器p r o 掣黜a b l el o 百cc o n 缸0 1 1 e r ( p l c ) ，并将“p l c ”作为其产品的 注册商标。 上世纪8 0 年代至9 0 年代中期，是p l c 发展最快的时期，年增长率一直保 持为3 0 4 0 。在这时期，p l c 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能 河海大学硕士学位论文基于图形语言编程的工业测控集成开发环境研究与设计 力和网络能力得到大幅度提高，p l c 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代 了在过程控制领域处于统治地位的d c s 系统。 近年，工业计算机技术( i p c ) 和现场总线技术( f c s ) 发展迅速，挤占了 一部分p l c 市场，p l c 增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别 是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 2 0 世纪4 0 年代末5 0 年代初，我国的流程工业规模很小，设备陈旧，必要的 调节主要靠最简单的测量仪表由人工操作运行。5 0 年代末6 0 年代初，我国研制 生产的传感器、变送器、调节器、执行器等，基本上能显示过程状态，实现调节 意图，最终命令执行器完成对工艺流程的调节要求。7 0 年代初，我国自行研制 的工控机开始应用于工业过程控制，它部分地取代了原来控制室内的仪表。但由 于受当时电子器件性能的限制，工控机本身的可靠性远不如现在，工控机带来的 控制集中引起“危险”集中。7 0 年代末，分散型控制系统( d c s ) 进入工控领域， 解决了“危险”集中的问题，还解决了一些复杂的控制。d c s 可建立通信网络，为 大工厂生产带来许多方便，但其价格一直居高不下。8 0 年代初，适应性较强的 总线型工控机( s t d ) 应运而生，s t d 总线技术的推广和应用，使工控机的功能 更加强化。f 5 】 2 1 3 可编程逻辑控制器的应用 p l c 在6 0 年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能只是将操作接 到离散量输出的接触器等，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。新一代的 p l c 具有模拟量p d 调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领 域，扩展到航天、水利水电、冶金、轻工、建材等行业。目前，世界上有2 0 0 多 厂家生产3 0 0 多品种p l c 产品，主要应用在汽车( 2 3 ) 、粮食加工( 1 6 4 ) 、 化学制药( 1 4 6 ) 、金属，矿山( 1 1 5 ) 、纸浆造纸( 1 1 3 ) 等行业。虽然我 国在p l c 生产方面非常弱，但在p l c 应用方面，我国是很活跃的，近年来每年 约新投入1 0 万台套p l c 产品，年销售额3 0 亿人民币，应用的行业也很广。【6 j 2 1 4 可编程逻辑控制器发展的几个重点和趋势 1 、人机界面更加友好 p l c 制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其 软件水平，多数p l c 品牌拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的 结合，提高了系统的性能。同时，为用户的开发和维护降低了成本，使更易形成 人机友好的控制系统，目前，p l c + 网络+ i p c + c r t 的模式被广泛应用。 河海大学硕士学位论文第二章可编程逻辑控制器系统分析与研究 2 、网络通讯能力大大加强 p l c 厂家在原来c p u 模板上提供物理层r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口的基础上，逐渐 增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很 快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克 韦尔a b 公司主推的三层网络结构体系，即e t h e r n e t 、c o n t r o l n e t 、d e v i c i n e t ， 西门子公司在p r o 曲u s d p 及p m 胁u s f m s 网络等。 3 、开放性和互操作性大大发展 p l c 在发展过程中，各p l c 制造商为了垄断和扩大各自市场，处于群雄割 据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加 了维护成本。开放是发展的趋势，这己被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞 争的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，反映在三方面： 1 ) i e c 形成了现场总线标准，这一标准包含8 种标准。标准推出后，各厂 商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。 2 ) i e c 制订了基于w i n d o w s 的编程语言标准i e c 6 1 1 3 1 3 ，它规定了指令表 ( i l ) 、梯形图( l d ) 、顺序功能图( s f c ) 、功能块图( f b d ) 、结构化文本( s t ) 五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向 开放性的标准化文件。虽然p l c 开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开 发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地选用不同品牌的产品。 3 ) o p c 基金会推出了o p c ( o l ef o rp m c e s sc o n t r 0 1 ) 标准，这进一步增强 了软硬件的互操作性，通过o p c 一致性测试的产品，可以实现方便和无缝隙的 数据交换。目前，多数p l c 软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备 具有了o p c 功能。o p c 与现场总线技术的结合，是未来控制系统向f c s 技术发 展的趋势。 4 、p l c 的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。 p l c 的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大 增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面。具统计，除 石化过程等个别领域，p l c 均有成功的应用实例。p l c 在相当多的应用中取代 了昂贵的d c s ，从而使原来p l c ( 顺序控制) + d c s ( 过程控制) 的模式变成 p l c + i p c 模式。 5 、工业以太网的发展对p l c 有重要影响。 以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低。为此，人们致力于 将以太网引进控制领域。目前的挑战在于两个方面： ( 1 ) 硬件上如何适应工业恶劣环境； ( 2 ) 通讯机制如何提高其可靠。 以太网能否顺利进入工控领域并大力推广，还存在争论。但以太网在工控系 河海大学硕士学位论文基于图形语言编程的工业测控集成开发环境研究与设计 统的应用却日益增多，适应这一过程，各p l c 厂商纷纷推出适应以太网的产品 或中间产品。 6 、软p l c 控制技术的发展。 软p l c 控制技术也称s o f il o 西cp l c 和基于p c 的控制技术的结合引。采 用开放式体系结构，具有良好的网络通讯能力，能够完成比较复杂的控制任务， 可以满足和实现当前和今后工业自动化领域控制系统开放性和柔性的要求。软 p l c 系统由上位机和下位机两部分组成。上位机为一个软件系统，它的主要作用 是提供友好的编辑界面和多种编程语言环境，便于使用者在p c 机上进行p l c 程 序的编辑。同时它还能够对下位机的一些状态量进行监控并给下位机发送指令。 2 2 可编程逻辑控制器软硬件 2 2 1硬件部分 可编程序控制器硬件一般由四个模块构成 9 】( 如图2 2 ) ： 按钮 选择开关 限位开关 电源 接触器 电磁阀 指示灯 电源 图2 2 p l c 系统结构图 ( 1 ) 中央处理器( c e n t r a lp r o c e s s o ru n i t 简称c p u ) 模块：它是可编程序控 制器的心脏部分，通常由微处理器和存储器组成。c p u 由微处理器 ( m i c r o p r o c e s s o r ) 存储实际控制逻辑的程序存储器和存储数据、变量的数据储 器构成。 可编程控制器常使用的微处理器有三种，分别是： 1 ) 通用微处理器：如i n t e l 公司的8 0 8 6 到p e n _ i n m 系列芯片； 2 ) 单片微处理器：如i n t e l 公司的m c s 9 6 ，m s p 4 3 0 等； 3 ) 位片式微处理器：如a m d 2 9 0 0 系列。 河海大学硕士学位论文第二章可编程逻辑控制器系统分析与研究 存储器通常由只读存储器( r o m ) 、随机存取存储器( r f w ) 和可电擦除可 编程的只读存储器( e p r o m 或e e p r o m ) 。 ( 2 ) 电源( p o w e rs u p p l y ) 模块：给中央处理器提供必需的工作电源。可编 程逻辑控制器使用2 2 0 v 交流电源或2 4 v 直流电源，内部的开关电源为各种模块 提供d c 5 v ，士1 2 v ，2 4 v 等直流电源。 ( 3 ) i o 模块。由输入( i i l p u t ) 模块和输出( o u t p u t ) 模块组成，是联系外 部现场和c p u 模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，包括数字量和 模拟量输入模块。i ，o 模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 ( 4 ) 编程模块。用来生成用户程序，并对其进行编辑、检查和修改。通常 有手持式和p c 机编程软件两种方式来实现。 p l c 控制器本身的硬件采用积木式结构，多为总线模板框式结构，基本框架 ( c p u 母板) 上装有c p u 模板，其它槽位装有i o 模板；如果i o 模板多时， 可由c p u 母板经i o 扩展电缆连接l 扩展母板，在其上装i o 模板；另一种方 法是配备远程i o 从站等。其硬件配置的开放性，为制造商、分销商( 代理商) 、 系统集成商、最终用户带来很多方便，为营销供应链带来很大便利。 p l c 还发展了一系列特殊功能的i o 模板，这为p l c 用于各行各业打开了出 路，如用于条形码识别的a s c i i b a s i c 模板，用于反馈控制的p i d 模板等。另 外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面电 正在逐步完善。 2 2 2软件部分 为完成控制策略及替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯 形图，而编制的一套控制算法功能块( 或子程序) ，称为指令系统，固化在存贮 器r o m 中，用户在编制应用程序时可以调用，实现具体功能。指令系统大致可 以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般p l c 的指令系统有：基本指令、 定时器计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、b c d 运算指 令、二进制运算指令、增量减量指令、逻辑运算指令、特殊运算指令等，这些 指令多是类汇编语言。另外p l c 还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、 寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便【1 0 1 】。 河海大学硕士学位论文基于图形语言编程的工业测控集成开发环境研究与设计 2 3 可编程逻辑控制器编程 2 3 1i e c 6 1 1 3 1 3 i e c l l 3 1 标准共分为5 个部分： ( 1 ) i e c l l 3 卜1 为一般信息，即对通用逻辑编程作了一般性介绍并讨论了逻 辑编程的基本概念、术语和定义； ( 2 ) i e c l l 3 1 2 为装配和测试需要，从机械和电气两部分介绍了逻辑编程对 硬件设备的要求和测试需要； ( 3 ) i e c 6 1 1 3 1 3 为编程语言的标准，它吸取了多种编程语言的长处，并制 定了5 种标准语言； ( 4 ) i e c l l 3 1 - 4 为用户指导，提供了有关选择、安装、维护的信息资料和用 户指导手册； ( 5 ) i e c l l 3 卜5 为通信规范，规定了逻辑控制设备与其他装置的通信联系规 范。 i e c 6 1 1 3 1 3 标准是定义文字的和图形的编程语言。这些系统的特点在于：编 程语言的国际标准化，学习费用较低，独立于控制硬件，软件可重复使用且可移 植支持结构编程等。i l 副 该标准是由来自欧洲、北美以及日本的工业界和学术界的专家通力合作的产 物，在i e c l l 3 1 3 中，专家们首先规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示， 然后从现有编程语言中挑选了5 种，并对其进行了部分修改，使其成为目前通用 的语言。在这5 种语言中，有三种是图形化语言，两种是文本化语言，而顺序功 能图( s f c ) 是一种结构块控制流程图。图形化语言有：梯形图( l a d d e r d i a 灯a m ) 、 顺序功能图( s e q u c n 石a lf 1 1 n c t i o nc h a n ) 、功能块图( f u n c t i o nb 1 0 c kd i a 鲜l i n ) ， 文本化语言有：指令表( h l s t m c “o n “s t ) 和结构文本( s 仃u c t u r e dt c x t ) 。i e c 并 不要求每种产品都运行这5 种语言，可以只运行其中的一种或几种，但均必须符 合标准。在实际组态时，可以在同一项目中运用多种编程语言、相互嵌套，以供 用户选择最简单的方式生成控制策略。 此外i e c 6 1 1 3 1 3 将标准编程技术和当代编程语言的优点结合起来。 i e c 6 1 1 3 1 3 定义了不同的数据类型和标准的功能和或功能模块，能够更快和更 方便地写出自己的应用程序。通过使用标准的功能和或功能模块，缩短了编程 时间，使用自由定义的变量( 不限标志的数量) ，结构编程以及面向目标的功能 和功能块。 本课题所设计的集成编程环境就是遵从i e c 6 1 1 3 1 3 的，它统一了重要的工 具，如编辑器、编译器、调试器、配置工具、离线模拟器等，是为了制作小型结 河海大学硕士学位论文第二章可编程逻辑控制器系统分析与研究 构的标准控制或模块设备以及用户专用控制，特别是应用与本课题相关的硬件平 台。p l c 程序通过r s 2 3 2 接口、c a n o p e n 现场总线、t c p i p 或其他方法下载到 目标硬件。作为运行环境，提供了一个能够使用不同硬件平台的解释程序解决方 案，也可以选择为所选定的处理器系列产生目标代码。 2 3 2 编程语言 可编程控制器的编程语言也从早期的一两种简单语言发展到现在的多种语 言并存的局面。既有类似汇编语言的编程语言，又有类似p a s c a l 的高级语言。 如前述，可编程控制器的编程语言按i e c 6 1 1 3 1 3 国际标准来分有5 种，即 l d ，f b d ，s f c ，i l 和s t 。这些语言是基于w i n d o w s 操作系统的编程语言， 而s f c 编程语言则在两类编程语言中均可使用【l ”，下面将详细介绍前3 种语言。 2 3 2 1 指令表编程语言( i l i n s t r u c t i o nl i s t ) 指令表编程语言又称为语句表或布尔助记符，它是一种类似汇编语言的低级 语言，属于传统的编程语言，用布尔助记符表示的指令来描述程序。是在借鉴、 吸收世界范围的p l c 厂商的指令表语言的基础上形成的一种标准语言，可以用 来描述功能，功能块和程序的行为，还可以在顺序功能流程图中描述动作和转变 的行为。 指令表编程语言具有以下特点： ( 1 ) 用布尔助记符表示操作功能，容易记忆，便于掌握； ( 2 ) 适合于有经验的程序员； ( 3 ) 有时能够让你解决利用梯形图等其他语言不容易解决的问题； ( 4 ) 在编程器的键盘上直接采用助记符表示，便于操作； ( 5 ) 与梯形图语言一一对应； ( 6 ) 以复杂控制系统用其编程时描述不够清晰。， 指令表编程语言是一种通用的编程语言，所有的p l c 都支持，并且其它的 编程语言都可以转达换为指令表形式。尽管各p l c 的指令表均有助记的特点， 但它们并不完全一致，大同小异。比如l d 表示装入，是l o a d 的缩写等等。本 课题所用到的指令表助记符如下： 装入指令( l d ，l d i ) ；逻辑指令( o r o r i 和a n d a n d i ) ；算术指令 ( a d d s u b ) ；置位复位指令( s e t 瓜s e t ) ；输出指令( o u t ) 等。 2 3 2 2 梯形图编程语言( l d l a d d e rd i a 鲈a m ) 1 、梯形图的概念 梯形图来源于继电器逻辑控制系统的描述，是p l c 编程中被最广泛使用的 一种图形化语言，由于梯形图类似于继电器控制的电气接线图，便于理解，因此 河海大学硕士学位论文基于图形语言编程的工业测控集成开发环境研究与设计 许多编程人员和维护人员都选择了这一编程方式。而且其图形结构类似于登高用 的梯子，故名梯形图。 1 5 】 1 6 】 在梯形图编程中，用到了以下四个基本概念： ( 1 ) 软继电器 p l c 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出 继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单 元( 软继电器) ，每一软继电器与p l c 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对 应。该存储单元如果为“1 ”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”， 其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1 ”或“o n ”状态。 如果该存储单元为“0 ”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反， 称该软继电器为“o ”或“o f f ”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。 ( 2 ) 能流 当触点接通后，有一个假想的“概念电流”或“能流”( p o w e rf 1 0 w ) 从左向右 流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向 右流动。利用能流这概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图。 ( 3 ) 母线 梯形图两侧的垂直公共线称为母线( b u sb a r ) 。在分析梯形图的逻辑关系时， 为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线( 左母线和右母线) 之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动。右母线 可以不画出。 ( 4 ) 梯形图的逻辑解算 根据梯形图巾各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件 的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算通常是按从左至右、从上到 下的顺序迸行的。解算结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根 据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。 2 、梯形图的一般编程规则 ( 1 ) 每一逻辑行总是起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于线圈或 右母线( 右母线可以不画出) 。注意：左母线与线圈之问一定要有触点，而线圈 与右母线之间则不能有任何触点。】 ( 2 ) 梯形图中的触点可以任意串联或并联，但继电器线圈只能并联而不能 串联，即每一行逻辑中只能有一个输出。 ( 3 ) 触点的使用次数不受限制。 ( 4 ) 一般情况下，在梯形图中同一线圈只能出现一次。如果在程序中，同 一线圈使用了两次或多次，称为“双线圈输出”。对于“双线圈输出”，有些p l c 将其视为语法错误，绝对不允许；有些p l c 则将前面的输出视为无效，只有最 河海大学硕士学位论文第二章可编程逻辑控制器系统分析与研究 后一次输出有效；而有些p l c ，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线 圈输出。本课题所设计的开发环境根据硬件平台和应用特点，不允许有双输出。 ( 5 ) 对于不可编程梯形图必须经过等效变换变成可编程梯形图。 ( 6 ) 有几个串联电路相并联时，应将串联触点多的回路放在上方。在有几 个并联电路相串联时，应将并联触点多的回路放在左方。这样所编制的程序简洁 明了，语句较少。 3 、梯形图编程语言的优缺点 ( 1 ) 与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性； ( 2 ) 与原有继电器逻辑控制技术相一致，易于掌握和学习； ( 3 ) 对于复杂控制系统描述，仍不够清晰； ( 4 ) 可读性仍不够好。 几乎所有的p l c 厂商提供的p l c 都支持梯形图编程语言，而且都比较容易 理解，只是在梯形图结构上可能稍有变化。比如西门子的s 7 系列梯形图就没有 右边的母线。有时在有些参考书中右边的母线也常常被省略。 4 、分析梯形图的原则和设计方法 ( 1 ) 设计原则 1 ) 建立p l c 输入和输出量的接线图； 2 ) 建立p l c 存储器的分配表； 3 ) 推导每一个输出、中间量和指令的动作和停止条件； 4 ) 尽量减少扫描时间，方法是减少指令和存储器的使用； 5 ) 对每个梯形图给予必要的注释； 6 ) 要求逻辑关系明确，输出、中间量和指令的名字易懂好记。 ( 2 ) 梯形图设计方法 1 ) 经验设计法 需要多次反复地调试和修改梯形图，不断地增加中间编程元件和触点，最后 才能得到一个较为满意的结果。这种方法没有普遍的规律可以遵循，设计所用的 时间、设计的质量与编程者的经验有很大的关系。通常的处理步骤是：分析控制 要求、选择控制原则；设计主令元件和检测元件，确定输入输出设备；设计执行 元件的控制程序；检查修改和完善程序。 经验设计法对于一些比较简单程序设计是比较奏效的，快速而简单。但由于 这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计，所以对设计人员的要求也就比较 高，特别是要求设计者有一定的实践经验，对工业控制系统和工业上常用的各种 典型环节比较熟悉。经验设计法没有规律可遵循，具有很大的试探性和随意性， 往往需经多次反复修改和完善才能符合设