（计算机应用技术专业论文）工程机械智能控制器设计与研究.pdf

妒“ p 、_ - ， ! - 虽 1 1 一】 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 ， 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。 论文作者签名：奎薹亟日期： 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 二一 膏 - 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 现有工程机械控制器普遍采用传统p l c 技术，由于传统p l c 技术不仅自身存在弊端， 而且没有强大的数据处理和网络通信能力，无法提供工程机械设备性能状态监测和故障诊 断功能，无法支撑远程监控及维护系统开发，因此无法实现工程机械智能化控制，导致工 程机械维修率高、维修时间长、工作效率低，严重阻碍工程项目建设进度。 新型工程机械控制器开始采用软p l c 技术，软p l c 技术是基于i e c 6 11 3 1 3 标准、现代 计算机软硬件资源、现场总线技术以及网络通信技术，通过软件技术实现传统p l c 控制功 能的新兴技术。基于软p l c 技术的新型工程机械智能控制器不仅具备传统p l c 控制器的控 制功能，而且具备强大的数据处理和网络通信能力，它可以满足工程机械智能化控制发展 需要并逐渐成为高端控制器市场主流产品。 本文针对现有工程机械控制器不能满足设备性能状态监测与故障诊断的问题，研究基 于软p l c 技术的工程机械智能控制器。该控制器主要基于嵌入式系统硬件平台，以嵌入式 实时操作系统g c o s i i 为系统调度核心，以符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软p l c 运行系统和 c a n o p e n 协议栈为软件系统主要模块。该控制器不仅实现传统p l c 控制器的控制功能，而 且具备强大的数据处理和网络通信能力，可以满足设备性能状态监测与故障诊断的要求。 本文详细介绍了基于软p l c 技术的工程机械智能控制器的实现方法。 关键词：工程机械；软p l c ；i e c 6 1 1 3 1 - 3 ；c a n o p e n 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o s to fn o r m a lc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yc o n t r o l l e r sa r eb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f t r a d i t i o n a lp l c t h et e c h n o l o g yo ft r a d i t i o n a lp l cn o to n l yh a si t so w nf a u l t s ，b u ta l s od on o t h a v eag o o da b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n ga n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , a n di tc a nn o tp r o v i d e f u n c t i o no fp e r f o r m a n c es t a t u sm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ，a n di tc a nn o tp r o v i d es u p p o r t f o rd e v e l o p i n gt h es y s t e mo fr e m o t em o n i t o r i n ga n dm a i n t e n a n c e ，s ot r a d i t i o n a lc o n t r o l l e rc a n n o tr e a l i z ei n t e l l i g e n tc o n t r o l ，a n di tl e a d sc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yt oh a v eh i g hm a i n t e n a n c e r a t e ，l o n gm a i n t e n a n c et i m ea n dl o we f f i c i e n c y , a n di ts e r i o u s l yb l o c kp r o j e c tp r o g r e s s n e wc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yb e g i n st ou s es o f f - p l ct e c h n o l o g y a san e wt e c h n o l o g yt h a t u s e ss o f t w a r et e c h n o l o g yt or e a l i z et h ec o n t r o lf u n c t i o n so ft r a d i t i o n a lp l c ，s o f t - p l ci sb a s e d o ni e c 61131 - 3s t a n d a r d ，m o d e r nc o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e ，f i e l db u s t e c h n o l o g ya n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h en e wc o n t r o l l e r , w h i c hb a s e do n s o f t p l ct e c h n o l o g y , n o to n l yc a nr e a l i z et h ec o n t r o lf u n c t i o n so ft r a d i t i o n a lp l cc o n t r o l l e r , b u ta l s oh a sag o o da b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n ga n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n i tc a nm e e tt h en e e d o fi n t e l l i g e n td e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya n dn o wb e c o m e sm a i n s t r e a mp r o d u c ti n h i g hl e v e lm a r k e to fc o n t r o l l e r f o re x i s t i n gc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yc o n t r o l l e r sc a nn o tm e e tt h en e e do fp e r f o r m a n c e s t a t u sm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ，t h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro fc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r yb a s e do ns o f t - p l ct e c h n o l o g yi sn e c e s s a r y t h ec o n t r o l l e ri sb a s e do np l a t f o r mo f h a r d w a r eo fe m b e d d e ds y s t e m ，a n da d o p t sr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi t c o s i ia s t h e s c h e d u l i n gc o r e ，a n di e c 6 1131 3s t a n d a r ds o f t - p l cr u n - t i m es y s t e ma n dc a n o p e np r o t o c o l s t a c ka st h em a j o rm o d u l e so fs o f t w a r es y s t e m t h ec o n t r o l l e rn o to n l yh a st h ec o n t r o lf u n c t i o n s o ft h et r a d i t i o n a lp l cc o n t r o l l e r , b u ta l s oh a sag o o da b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n ga n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，a n di tc a nm e e tt h en e e do fp e r f o r m a n c es t a t u sm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ar e a l i z a t i o nm e t h o do fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rf o rc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yb a s e do ns o f t p l c t e c h n o l o g yi 8d e t a i l e dd e s c r i b e d k e yw o r d s ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ；s o f t p l c ；i e c 61131 - 3 ：c a n o p e n 武汉科技大学硕士学位论文 第l i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 国内外研究概况2 1 3 研究目的和意义3 1 4 本文研究内容4 1 5 本文组织结构4 第二章软p l c 技术介绍6 2 1 传统p l c 技术6 2 1 1 传统p l c 简介6 2 1 2 传统p l c 工作原理6 2 1 3 传统p l c 特点7 2 2 软p l c 技术7 2 2 1 软p l c 技术国外研究现状8 2 2 2 软p l c 技术国内研究现状9 2 2 3 软p l c 技术实现方案1o 2 2 4 软p l c 技术特点12 2 2 5 软p l c 技术发展趋势。13 2 3 本章小结13 第三章i e c 6 1 1 3 1 3 标准介绍1 4 3 1i e c 6 11 3 1 3 标准简介1 4 3 2i e c 6 1 1 3 1 3 标准公共元素1 4 3 2 1i e c 6 11 3 1 3 标准数据类型1 4 3 2 2i e c 6l131 - 3 标准变量类型l5 3 2 3i e c 61131 3 标准软件模型l5 3 2 4i e c 61131 3 标准通信模型l6 3 2 5i e c 61131 3 标准程序组织单元l6 3 2 6i e c 6 11 3 1 3 标准顺序功能图1 7 3 3i e c 6 11 3 1 - 3 标准编程语言1 7 3 4i e c 6 1 1 3 1 3 标准特点1 7 第页武汉科技大学硕士学位论文 3 5 本章小结18 第四章工程机械智能控制器硬件设计1 9 4 1 系统设计要求1 9 4 2 嵌入式系统结构1 9 4 3 嵌入式硬件系统2 0 4 3 1 微处理器介绍2 0 4 3 2 硬件模块介绍2 l 4 4 嵌入式软件系统2 2 4 4 1 应用层2 2 4 4 2 操作系统层2 3 4 4 3 驱动层。2 4 4 5 本章小结一2 4 第五章工程机械智能控制器软件设计2 5 5 1 软件系统开发环境2 5 5 2 软件总体结构2 5 5 3i e c 6 11 3 1 3 标准p l c 程序开发系统2 7 5 3 1 开发系统介绍2 7 5 3 2 开发系统功能。2 7 5 4i e c 6 11 3 1 - 3 标准p l c 程序运行系统2 8 5 4 1 运行系统介绍2 8 5 4 2 运行系统工作原理2 9 5 4 3 运行系统功能2 9 5 5c a n o p 肌协议栈3 2 5 5 1c a n o p e i l 协议栈介绍3 2 5 5 2c a n o p e n 通信模式3 3 5 6 文件系统3 4 5 6 1p c f s 介绍3 4 5 6 2 “c f s 驱动结构3 5 5 6 3 肛c f s 特点3 5 5 7t c p i p 协议栈3 5 5 7 1 嵌入式t c p i p 3 5 5 7 2g c 厂r c p i p 介绍3 6 5 7 3 肛c t c p i p 特点3 7 5 8 底层f o 驱动程序3 8 5 9 系统配置程序3 8 武汉科技大学硕士学位论文 第v 页 5 9 1 系统重构设计思想3 8 5 9 2 硬件i o 结构3 8 5 9 3 系统配置程序4 0 5 1 0 本章小结4 0 第六章系统性能以及测试分析4 1 6 1 硬件性能4 1 6 2 软件性能。4 l 6 3 测试分析4 1 6 3 1 测试过程4 l 6 3 2 测试结果分析4 2 6 4 本章小结4 2 第七章总结与展望4 3 6 1 论文工作总结4 3 6 2 论文尚待深入研究的内容4 3 参考文献4 5 致谢4 8 附录a 攻读硕士学位期间参与的科研项目与发表的科研论文4 9 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景 我国基础设施建设过程中，工程机械为各个项目建设提供了有力支持，已经成为保障 国民经济发展的重要力量。目前我国现役工程机械数量达3 0 0 万台，它们工作环境恶劣， 经常需要长时间、高负荷工作，使得工程机械会出现各种故障。工程机械系统组成非常复 杂，操作人员很难准确预测和排除故障，使得机毁人亡的事件时有发生，严重影响项目建 设进度和操作人员生命安全。目前，工程机械领域普遍采用的维修模式是“事后维修”， 即根据“出事后的检测信息来维修工程机械，经常出现小事故导致长时间、大范围维修。 “事后维修”模式导致工程机械的工作效率低，使得工程项目建设严重滞后。因此，如何 预测、预警故障，提高故障诊断和处理的快速性和准确性，变被“事后维修为“事前维 修”，降低工程机械故障的发生率，提高工程机械工作效率成为目前研究的重点课题。目 前，如图1 1 所示，基于工程机械运行状态远程监测、运行状态评估、故障预测、故障信 息提取、远程控制以及维护的工程机械远程监控与维护技术成为工程机械智能化发展的趋 势【1 1 。 图1 1 工程机械远程监控与维护系统 国内外工程机械总体发展趋势是功能集成化程度增强、机械自动化程度提高。目前主 要通过加快远程监控与维护系统建设，使得工程机械从“事后维修”模式向“事前维修” 模式转变，提高工程机械系统故障的早期预测、预警、诊断、远程控制和维护能力，从而 提高工程机械自动化程度【h 】。 工程机械远程监控与维护技术国内研究现状： ( 1 ) 工程机械自动化程度较低，无法实现远程监控与维护功能，并且在工程机械控制 器领域没有核心技术，绝大部分控制器依赖进口。 ( 2 ) 工程机械远程监控与维护技术研究缺乏针对性，在基于特征分析的维护模型策略 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 这部分核心技术上没有突破。 ( 3 ) 工程机械侧重于基础性研究，例如工程机械协调与合作，但是对于远程网络通信 方面没有进行深入研究，无法建立远程监控和维护系统，对于动态数据库、知识库以及决 策方面的研究也处于起步阶段【5 1 。 工程机械远程监控与维护技术国外研究现状： ( 1 ) 国外在工程机械领域开始采用和推广远程监控与维护系统，该系统主要基于g p s 定位技术、无线网络数据传送技术以及数据库技术。例如德国利勃海尔公司，它们开发出 基于无线电监控系统的l r l 6 0 0 2 履带式起重机；美国卡特皮勒公司，它们利用g p s 、g i s 和g s m 技术开发了采矿铲土运输技术系统( m e t s ) ，该系统已经局部实现了工况监测与 故障诊断；日本小松公司，它们利用g p r s 和g p s 开发了k o m t r a x j 叠控管理系统，该系统 已经实现工程机械的全球定位跟踪和信息服务；同立公司，它们已经开发出基于数据采集 和传输系统的挖掘机，该挖掘机实现了位置信息和运行信息传输功能。 ( 2 ) 国外虽然在工程机械远程定位和信息采集方面有初步应用，但是远程监控与维护 系统方面技术仍然不成熟。 工程机械远程监控与维护技术发展趋势： ( 1 ) 研发低成本、总线化及无线化智能传感技术，实现工程机械关键部件的状态信息 实时监控采集及智能化处理。 ( 2 ) 工程机械远程监控与维护系统研究仍然是主流，g p s g p r s g i s 无线网络技术将为 该系统提供支持。 工程机械的发展与控制器的发展紧密联系，它是支撑工程机械智能化发展的核心技 术。控制器是工程机械的核心部件，它通过采集工程机械内部各个部件信息检测工程机械 运行状态，并通过软件系统采用的控制算法实现工程机械运行状态控制，满足工程机械用 户操作需求【6 】。目前，工程机械控制器普遍采用传统p l c 技术，无法实现工程机械远程监 控与维护功能，阻碍了工程机械的智能化发展。如何实现对大量监测信号的采集与分析、 运行状态远程监测、远程控制以及维护，开发新型控制器是工程机械智能化的核心技术难 题。 1 2 国内外研究概况 在工程建设领域，由于工程机械工作环境恶劣、控制功能复杂，因此工程机械控制器 硬件和软件设计难度比较大。目前，工程机械控制器核心技术被国外厂商掌握，如力士乐 ( 德国) 、e p e c ( 芬兰) 、西门子( 德国) ，国内在工程机械控制器领域没有掌握核心技术，绝大 部分控制器依赖进口软p l c 产品，这些进口控制器产品功能全面，但是价格非常昂贵。 力士乐公司，它们的主要产品是基于西门子1 6 位微处理器c 1 6 7 的m c 系列控制器，m c 系列控制器按照硬件可以划分成3 大类，包括m c 6 、m c 7 以及m c 8 ，这3 类控制器的主要区 别在于它的i o 数和控制器内部存储容量不同，但是通过安装力士乐公司提供的配套控制软 件，这3 类控制器可以用于履带式推土机、清洁车、挖掘机等大型工程机械设备，因此力 武汉科技大学硕士学位论文 一 第_ ；3 耍 士乐公司的m c 系统控制器在工程机械领域使用较为普遍【。7 1 。e p e c 公司，它们主要产品是 e p e c 2 0 0 0 系列控制器，e p e c 2 0 0 0 系列控制器是一种工程机械专用控制器，特别适合电液 控制系统。该控制器不但可以工作于恶劣环境，而且具备多路p w m 输出、良好的驱动和抗 电磁干扰能力、输出短路和过载保护功能以及c a n 现场总线通信接口【引。e p e c 2 0 0 0 系列控 制器采用软p l c 技术，使c o d e s y s 系统开发和调试p l c 控制程序，c o d e s y s 系统运行于 w i m o w s 操作系统，支持i e c 6 11 3 1 3 标准五种编程语言，经过c o d e s y s 系统开发的p l c 控制 程序通过c a n h 下载到控制器。西门子公司，它们的主要产品是s 7 2 0 0 系列控制器，s 7 2 0 0 系列控制器能够提供8 种不同型号的c p u ，满足多种工程机械智能化控制需求。 国内工程机械控制器产品中s y m c ( s a n ym o t i o nc o l l t r o l k ) 控制器是三一重工于 2 0 0 6 年推出的工程机械专用运动控制器。s y m c 控制器基于3 2 位嵌入式微处理器，应用于 三一重工的混泥土泵车、起重机、挖掘机等产品【9 1 。相对于进口控制器，s y m c 控制器具 备如下特点i l o 】： ( 1 ) 使用方便：s y m c 控制器专为三一重工工程机械设计，可以根据三一重工不同产 品来配置控制器参数。 ( 2 ) 硬件安全性高：s y m c 控制器在设计之初就全面考虑了硬件保护功能，针对电磁 干扰、输出短路以及电流过载等都设计了保护措施。 ( 3 ) 处理能力强：s y m c 控制器基于3 2 位a r m 微处理器，具备6 0 m h z 的主频。 ( 4 ) 性价比高：s y m c 控制器完全由三一重工自主化设计，拥有自己的知识产权，具 备明显的成本优势。 ( 5 ) 技术支持完善：三一重工为s y m c 控制器用户提供免费人员培训和售后技术支持。 目前国内科研院所以及部分高校也在进行控制器研究，但还没有推出与进口控制器性 能相当的产品，多数研究都是在进口产品基础上进行二次开发。 分析国内外控制器研究现状，可以看到国外控制器硬件平台大部分处于2 0 世纪9 0 年代 的1 6 位c p u 水平，软件平台没有实时操作系支持，大部分基于p l c 的开发模式( i n t e r c o n t r o l 的控制器可以采用c 语言编程) 。 1 0 研究目的和意义 现有工程机械控制器大部分基于传统p l c 技术，传统p l c 技术不仅自身存在弊端， 例如硬件体系结构无法开放、编程思想无法统一以及性价比增长缓慢等，而且基于传统 p l c 技术的工程机械控制器由于缺乏强大的数据处理和网络通信能力无法支撑工程机械 智能化发展，无法满足当代工程机械智能化控制的需求。目前，工程机械领域普遍采用的 维修模式是“事后维修”，“事后维修 模式导致工程机械的工作效率低，使得工程项目 建设进度严重滞后。因此，如何预测、预警故障，提高故障诊断和处理的快速性和准确性， 变“事后维修 为“事前维修，降低工程机械故障的发生率，提高工程机械工作效率成 为目前研究的重点课题。这也决定了基于i e c 6 11 3 1 3 标准软p l c 技术的新型智能控制器 将成为工程机械控制器发展的主涮1 1 1 引。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 新型工程机械智能控制器不仅能完成传统p l c 控制器的控制功能，而且具备强大的 数据处理和网络通信能力。强大的数据处理能力不仅可以实现大量监测信号的采集与分 析，而且能执行更强大、更先进的控制算法，实现复杂过程控制。同时强大的网络处理能 力，可以实现工程机械的远程监控和维护，从而有效降低工程机械的维护成本。目前工程 机械控制器的核心技术基本被国外控制器厂商掌握，国外产品占据了国内控制器绝大部分 市场，因此研究新型工程机械智能控制器可以打破国外厂商的垄断，形成自己的民族品牌 l - 4 本文研究内容 本文基于科技部8 6 3 重点项目子课题：工程机械远程维护及监控系统课题1 一远程监控 及维护关键技术及单元系统研究( 2 0 0 8 a a 0 4 2 8 0 1 2 ) ，研究基于工程机械运行状态远程监测、 运行状态评估、故障预测、故障信息提取、远程控制以及远程维护的工程机械远程监控与 维护技术，开发新型工程机械智能控制器。该控制器不仅需要完成工程机械现场数据的采 集、处理以及工程机械控制，而且需要完成现场与远程监控与维护中心的信息交互。 控制器系统采用了嵌入式操作系统p c o s i i 作支持，为控制器系统提供任务的创建、 调度以及管理、中断的处理、内存管理以及其它辅助资源的管理。采用c a n 网络通信方式 实现工程机械总线分布式控制，由于c a n 现场总线标准中只定义了物理层和数据链路层协 议，缺乏一个应用层的支持，因此引入c a n o p e n 通信协议栈：为c a n 现场总线网络提供应用 层支持。工程机械需要实现远程监控和维护，因此采用g p r s 无线网络完成现场与远程监 控与维护中心的信息交互。 工程机械智能控制器基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准软p l c 技术，因此i e c 6 1 1 3 1 3 标准软p l c 技 术是本文研究的重点。 ( 1 ) 深入分析软p l c 技术，掌握软p l c 技术产生背景、软p l c 技术研究现状、软p l c 技术实现方案以及软p l c 技术特点。 ( 2 ) 深入分析i e c 6 1 1 3 1 3 标准，掌握i e c 6 1 1 3 1 3 标准基本内容、编程结构和方法以及 i e c 6 1 1 3 1 3 标准特点。 ( 3 ) 深入分析嵌入式软p l c 技术，掌握嵌入式软p l c 控制器如何实现i e c 6 11 3 1 3 标准、 嵌入式软p l c 控制器硬件系统组成和软件系统组成。 1 5 本文组织结构 。 本文的组织结构安排如下。 第一章为绪论。绪论部分首先引入课题的研究背景，然后介绍课题国内外研究概况， 最后说明课题研究目的、意义以及内容。 第二章为软p l c 技术介绍。软p l c 技术介绍部分首先介绍传统p l c 技术的产生背景、 工作原理以及特点，最后介绍软p l c 技术的产生背景、国内研究现状、国外研究现状、 软p l c 技术的实现方案、软p l c 技术的特点以及软p l c 技术的发展趋势。 第三章为i e c 6 1 1 3 1 3 标准介绍。i e c 6 1 1 3 1 3 标准介绍部分首先介绍i e c 6 1 1 1 3 1 3 标 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 准的产生背景，然后全面的介绍i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的内容，包括公共元素和编程语言，最 后介绍i e c 6 1 1 3 1 3 标准的特点。 第四章为工程机械智能控制器系统硬件设计。工程机械智能控制器系统硬件设计部分 首先介绍控制器系统的设计要求，然后介绍嵌入式系统结构，最后根据嵌入式系统结构， 介绍本文设计的工程机械智能控制器系统的软硬件结构。 第五章为工程机械智能控制器系统软件设计。工程机械智能控制器系统软件设计部分 首先介绍控制器软件系统的开发环境，然后介绍控制器软件系统的总体结构和功能模块组 成，最后详细分析每个功能模块的作用、工作原理以及特点。 第六章为工程机械智能控制器系统性能以及测试分析。工程机械智能控制器系统性能 以及测试分析部分首先介绍目前设计出的第一版控制器所具备的硬件性能和软件性能，最 后根据实验室测试结果介绍第一版控制器的性能指标。 第七章为总结与展望。总结与展望部分首先总结个人所做的工作，最后提出课题尚待 深入研究的方向。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章软p l c 技术介绍 2 1 传统p l c 技术 2 1 1 传统p l c 简介 回顾工业控制发展过程，控制器技术可以总结为五个发展阶段：气动仪表控制、电 动仪表控制、计算机集中控制、集散控制系统以及现场总线控制系统【1 3 】。由于工业控制 规模和复杂程度的提高，工业控制领域对自动化控制需求日益增强，基于计算机技术、现 状总线技术的可编程逻辑控制器( 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 l c ) ( 传统p l c ，即 硬p l c ) 技术应运而生。 可编程逻辑控制器是专用计算机系统，根据用户实际需求量身定制，通过将可编程 逻辑控制器安装到工业现场，可以快速实现工业自动化控制。如图2 1 所示，可编程逻辑 控制器采用计算机系统架构，即采用微控制器( c p u ) 作为系统核心，采用可编程程序存 储器为辅助模块，同时采用输入输出模块实现工业现场信息采集和控制信息输出。可编程 逻辑控制器系统通过执行各种用户操作指令，实现用户操作需求。 受 控 设 备 图2 1 传统p l c 控制系统组成结构图 2 1 2 传统p l c 工作原理 可编程逻辑控制器软件系统由两部分组成，包括：系统程序和用户程序。系统程序主 要由可编程逻辑控制器提供商开发，提供商会将系统程序固化在可编程逻辑控制器内部的 e p r o m 中，用户无法改变。系统程序主要完成可编程逻辑控制器管理功能，系统程序包 括：系统核心程序、系统管理程序、p l c 指令解析程序以及系统标准程序( 主要给系统 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 程序和用户程序提供功能调用) 。用户程序主要是用户自己根据实际控制需要、利用可编 程逻辑控制器编程语言开发的p l c 应用程序。 可编程逻辑控制器启动后，系统核心程序管理并循环调用用户程序，通过执行用户程 序实现用户操作需求。可编程逻辑控制器用户程序的执行分为三个步骤，如图2 2 所示， 包括：程序输入变量刷新、程序执行以及程序输出变量刷新。 p l c 第n 1 个 。 p l c 第u 个工作周期 -。p l c 第n 1 个 工作周期 77 工作周期 执行用户。 卜剧新输出- - p4 - - 刷新输入 -尉新输出- - p4 - 尉新输入1 程序 7 图2 2 传统p l c 的工作原理 可编程逻辑控制器完成工业现场信息采集，根据信息采集结果刷新程序输入变量；通 过执行用户程序完成现场信息处理；根据现场信息处理结果刷新程序输出变量，完成现场 控制信号的输出；可编程逻辑控制器会不断重复执行三个步骤。 2 1 3 传统p l c 特点 可编程逻辑控制器在工业自动化控制领域应用非常广泛，它具有如下特点【1 4 】： ( 1 ) 可编程逻辑控制器采用无触点半导体电路实现开关动作，使得它具备很高的可靠 性，非常适合工业控制领域。 ( 2 ) 可编程逻辑控制器采用滤波和隔离等措施实现抗干扰功能，使得它具备很强的抗 干扰能力。 ( 3 ) 可编程逻辑控制器采用面向工业现场控制过程的编程语言，使得它具备很简单的 程序开发过程，利于开发人员掌握可编程逻辑控制器编程方法。 ( 4 ) 可编程逻辑控制器采用模块化设计思想实现硬件结构，使得它具备很强的系统扩 展功能，同时开发人员可以根据实际需求组合模块。模块的设计思想可以使得开发人员轻 松完成控制器故障检查和故障维修。 ( 5 ) 可编程逻辑控制器采用灵活的设计思想，方便开发人员改进设计方案。 可编程逻辑控制器在工业控制领域占有非常大的市场，它具有其它控制器无法具备的 特点，例如质量和体积小、功耗低以及抗震能力强等，正是这些特点使得可编程逻辑控制 器可以方便的安装到工业现场，实现工业控制过程的自动化。 2 2 软p l c 技术 分析当代工业控制领域现状，工业控制技术j 下向高实时性，高复杂性以及高智能性发 展。可编程逻辑控制器在满足工业自动化控制，同时它也存在部分弊端l i 列： ( 1 ) 可编程逻辑控制器硬件体系结构无法丌放。 ( 2 ) 可编程逻辑控制器没有统一的编程语言，每次更换控制器( 不同提供商生产的可 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 编程逻辑控制器) ，开发人员都需要经过一段时间培训才能掌握该控制器的编程方法。 ( 3 ) 可编程逻辑控制器技术掌握在少数国际厂商手里，使得可编程逻辑控制器市场出 现垄断状态，这严重制约可编程逻辑控制器性价比的增长。 ( 4 ) 可编程逻辑控制器没有很强的数据处理和网络通信能力，使得可编程逻辑控制器 无法满足工业控制高实时性，高复杂性以及高智能性发展趋势。 这些弊端严重制约了可编程逻辑控制器自身进一步发展。随着国际电工协会( i e c ) 颁布i e c 6 1 1 3 1 3 标准( 可编程逻辑控制器的软件编程标准) ，依托现代计算机软硬件资 源、现场总线技术以及网络通信技术，通过软件技术来实现硬件p l c 控制功能的工业控 制技术( 即软p l c 技术) 应运而生并得到快速发展和应用。 软p l c 技术是基于i e c 6 11 31 3 标准，依托现代计算机软硬件资源、现场总线技术 以及网络通信技术，通过软件技术实现传统p l c 控制功能的新兴技术【怕】。软p l c 技术 不仅具备传统p l c 技术功能特点，而且具备先进的系统结构、强大的数据处理和网络通 信能力，使得软p l c 技术可以满足工业控制高实时性、高复杂性以及高智能性发展趋势。 软p l c 系统由两部分组成，包括：软p l c 开发系统和软p l c 运行系统，如图2 3 所 示，软p l c 开发系统与软p l c 运行系统采用客户端服务器模式，即软p l c 开发系统作 为客户端通过标准接口访问软p l c 运行系统，完成p l c 程序下载、运行系统状态信息读 取等操作【1 7 1 。 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、t c p i p 等通信协议 r 。1 叫! 竺竺竺! 竺竺； 哐圃 图2 3 软p l c 系统模型 软p l c 技术一方面解决了硬件p l c 技术的弊端，另一方面满足了工业控制高实时性， 高复杂性以及高智能性的发展趋势。软p l c 技术使得开发新型工程机械智能控制器，建 立基于工程机械运行状态远程监测、运行状态评估、故障预测、故障信息提取、远程控制 以及远程维护的工程机械远程监控与维护系统成为可能。 2 2 1 软p l c 技术国外研究现状 目前，国外有很多公司在从事i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准软p l c 技术的研究，其中典型公司包 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 括德国3 s 公司、德国k w s o 脚a r e 公司以及德国i n f o t e 锄公司，它们已有非常成熟的 i e c 6 11 3 1 3 标准软p l c 产品推出。 德国3 s 公司，它的主要产品是开发系统c o d e s y s 以及运行系统c o d e s y ss p 。c o d e s y s 是完全符合i e c 6 113 3 标准的可视化p l c 程序集成开发环境，支持5 种p l c 编程语言， c o d e s y s 最大的优势在于它同时具备运动控制和逻辑控制【i 引。c o d e s y ss p 是基于 ， a n s i c 的单任务运行系统，可以适应几乎所有的微处理器；德国k w s o f t 、a r e 公司，它 的主要产品是开发系统m u l t i p r o g 叭3 2 以及运行系统e c l r 。m u l t i p r o g 、桕2 是完 全符合m c 6 11 3 1 3 标准的可视化p l c 集成开发环境，支持5 种p l c 编程语言，但不支 持5 种语言之间的相互转化。e c l r 是多任务运行系统，它采用m i c f o s o r n e tc l r ( c o m m o n l 锄g u a g er 眦l t i m e ) 技术，不同于m i 凹o s o f f i l e tc l r 采用j i t ( j u s ti nt i m e ) 编译器，e c l r 采用了a o t ( a h e a do f t i m e ) 编译器，将m p 生成的c i l ( c o m m o ni n t 黜e d i a t el 哪a g e ) 语 言转换成本地机器码。a o t 编译器有效的解决了j i ，r 编译器实时性不足的问题；德国 i i l f o t e 锄公司，它的主要产品是开发系统o p e i l p c s 以及运行系统s m a n p l c ，该产品完全 兼容i e c6 1 1 3 1 3 编程标准，o p e r a c s 不但集成对c a n o p e n 通讯的支持，同时还集成了 o p c s e r v e r ，能够和任何一款支持o p c 标准的组态软件互联。在一个o p e n p c s 项目中， 5 种编程语言可混合使用，并且o p e n p c s 集成了离线仿真器，可以在没有硬件环境的条 件下运行、调试程序。s m a n p l c 是基于a n s i c 的多任务运行系统，可以适应几乎所有 的微