硕士论文-可视化梯形图集成开发环境的设计与实现.pdf

上海师范大学 硕士学位论文 可视化梯形图集成开发环境的设计与实现 姓名 林立春 申请学位级别 硕士 专业 计算机应用技术 指导教师 张功镀 20080401 摘要 R T U R e m o t eT e r m i n a lU n i t 远程终端单元 是构成S C A D A S u p e r v i s e rC o n t r 0 1 A n dD a t aA c q u i s i t i o n 数据采集与监控 系统的核心设备 它的作用是能对现场各 种信号进行数据采集 数据预处理和控制输出 并将数据传给S C A D A 系统的调度中心 我校计算机应用技术研究所立项研发自主知识产权的R T U 并命名为U P R T U 该项目 得到上海市高校科技发展基金项目 储罐远程监控单元 R T U 上海师范大学科研 成果产业化 中试 项目和上海师大青年基金项目 新型S C A D A 系统的研制和应用 的资助 本课题 F 是基于这一立项和资助而开展的 是该项目的一个子课题 作者完成的课题是开发基于个人普通计算机的可视化梯形图集成开发环境 在开 发过程中 应用软件工程的设计思想作为指导 采用面向对象的设计方法 把梯形图 集成开发环境的设计分解成梯形图语言与指令表语言转换模块 实时监控模块 编辑 模块和程序上传 下载模块等分别进行设计和实现 联机调试结果表明 作者设计并实现的梯形图集成开发环境能够正确地进行符合 I E C 6 1 1 3 卜3 标准的梯形图程序的编制 能够正确地将梯形图语言与指令表语言互相 转换 能够正确地对程序进行编译 并能币确地与R T U 虚拟机系统完成程序文件的上 传 下载 同时能够对R T U 的运行进行实时监控 本课题成果在以下几个方面有一定新意 1 突破了传统梯形图与指令表的互译算法 传统的梯形图与指令表互译算法是 构造A O V 网 通过A O V 网的拓扑排序生成指令表 设计出了一种数据结构作为中间 结构同时描述两种语言 实现了快速转换 2 以中间数据结构为中心实现了对 二维 图形语言的编译 3 把程序文件的上传 下载协议作为M O D B U S 子集实现 M o D B U S 标准协议并未提 供文件传输功能 本文通过扩展M O D B U S 协议实现该功能 本文实现的可视化梯形图集成开发环境己在U P R T U 中得到应用 U P R T U 课题成果 经产品化后 将成为一套新型S C A D A 系统 首先应用于产品化企业传统的应用领域油 品储运自动化 以后再拓展应用领域 可以取得更好的经济及社会效益 关键词 P L C R T U I E C 6 1 1 3 卜3 软件集成开发环境 语言转换 编译器 论文类型 软件开发 本课题得到上海市高校科技发展基金项目 储罐远程监控单元 R T U 上海 师范大学科研成果产业化 中试 项目和上海师大青年基金项目 新型S C A D A 系统 的研制和应用 的立项和资助 A b s t r a c t R T Uf A b b r e v i a t i o nf o rR e m o t eT e m i n a lU n i t c o n s t i t u t e s t h ec o r eo fS C A D A A b b r e v i a t i o nf o rS u p e i s e rC o n t r o lA n d D a t aA c q u i s i t i o n s y s t e m I ti su s e df o rt h ef i e l d s i g n a ld a t aa c q u i s i t i o n d a t ap r e p r o c e s s i n g c o n t r o l l i n go u t p u t a n dt r a n s m i t t i n gd a t at ot h e d i s p a t c h i n gc e n t e r o fS C A D As y s t e m C o m p u t e rA p p l i c a t i o nT e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t eo fo u rs c h o o ld e v e l o p e di t so w ni n t e l l e c t u a lp r o p e n y 曲t sp r 蜘e c tR T U n a m e d u P R T U 1 1 1 i sp r I 巧e c tw a sg r a n t e db yS h a n g h a ic o u e g e sa n du n i V e r s i t ys c i e n c ea n d t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tf u n dp r o j e c t R e m o t eM o n i t o n gu n i tT I a n k R T U s h a n 曲a i N o 珊a lu n i v e r s i t vp r o j e c t t h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fr e s e a r c hr e s u l t s t e s t a n dS h a n g h a i N o 咖a lU n i v e r s i t yY o u t hF u n dp r o j e c t d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fn e wS C A D A S v s t e m B a s e do nt h i ss u b j e c t 柚dt h ef i n a n c i n go ft h i sp r o j e c t m yp r o j e c tw a s u n d e n a k e n a sas u b s e t A u t h o rc o m p l e t e dd e v e l o p m e n to nt h es u b j e c to fP e r S o n a lC o m p u t e rV i s u a l i z a t i o no f l a d d e rd i a g r 锄o ft h ei n t e g r a t e dd e V e l o p m e n te n V i r o 衄e n t I nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s u s i n gs o f t w a r ee n g i n e e r i n gd e s i g nt h i n k i n ga sag u i d e u s i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dd e s i g l l m e t h o d 0 1 0 9 y a u t h o rd e c O m p O s e dt h el a d d e rd i a 伊a mo ft h ei n t e 黟a t e dd e V e l o p m e n t e n v i r o n m e n t d e s i g n i n t ol a d d e rd i a 伊a ml a n g u a g ea n dl a n g u a g e i n s t r u c t i o nt a b l e c o n v e r s i o nm o d u l e r e a l t i m em o n i t o r i n gm o d u l e e d i t i n gm o d u l e s p m c e d u r e su p l O a da n d d O w n l O a dm o d u l e sa n dd e s i g n e da n dr e a l i z e dt h e mr e s p e c t i V e l y T h eo n 1 i n ed e b u g g i n gr e s u l t s s h o w e dt h a t t h el a d d e rd i a g r a mi n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i m n m e n tw h i c hi sd e s i 萨e da n di m p l e m e n t e db yt h ea u t h o rc 加d r a w 1 a d d e rd i a g f 锄m e e tt h es t 狮d a r do fI E C 6 1 1 3 1 3 e x c h a n g el a d d e rd i a g r a ml a n g l l a g ea n d i n s t f l l c t i o nt a b l el a n g u a g ec o r r e c t l y b u i l do nt h ep r o c e d u r e s c o m m u n i c a t ew i t ht h eR T U v i n u a lm a c h i n es y s t e mt ou p l o a dO rd o w n l o a dt h ep r O g r 锄f i l ec o e c t l y 姐dm o n i t o r t h e O p e r a t i o n0 fR T Ui n s t a n t l ya tt h es a m et i m e T h i si s s u ef e s u l t sh a v es o m en e wi d e a si nt h ef o l l o w i n ga r e a s F i r s t b r e a k t h r o u 曲i nt h et r a d i t i o n a l l a d d e rd i a 铲a ma n di n s t l l l c t i o n st a b l et r a n s l a t i 伽 a l g o r i t h m t r a d i t i o n a ll a d d e rd i a 伊锄 a n di n s t m c t i o n st a b l et r 柚s l a t i o na l g o r i t l l I I l i s c o n s t n l c t e dA O Vn e t w o r kt h r o u g hA O Vn e t w o r kt o p o l o g yg e n e m t l o ns e q u e n c m g i n s t l l l c t i o n sT a b l e d e s i g l l e dad a t as t r u c t u r ea s 觚i n t e 彻e d i a r ys t m c t u r ed e s c r i p t i o no f t v I r ol a n g I l a g e sa tt h es a m et i I l l e a c h i e v i n gar a p i dc o n v e r s i o n S e c o n d a c h i e v ec o m p i l e ro ft h e 觚o d i m e n s i o n a l g r a p h i cl a n g u a g eb ym a l i n g i n t e m e d i a t ed a t as t l l l c t u r ec e n t e r e d F i n a l l y a c h i e v et h ep r o t o c o l0 fp r o g r a mf i l eu p l o a d sa n dd o w n l o a d sa s 0 D B U S s u b s e t M O D B U Ss t a n d a r dp r o t O c o ld i dn o tp r o v i d ef i l et r a n s f e rf I l n c t i o n s t h ep a p e r r e a l i z et h ef u n c t i o nt h r o u 曲t h ee x p a l l s i o nf u n c t i o no ft h eM O D B U Sp r o t o c 0 L 1 1 1t h i sp a p e r t h eV i s u a l l a d d e rd i a g r 锄i 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 t r e a l i z e d h a sb e e na p p l i e di nU P R T U U P R T Ua c h i e V e m e n t s i nt h ei s s u eo ft h e p r o d u c t sw i U b e c o m ean e wS C 久D As y s t e m f i r s tu s e di nt h ee n t e r p r i s et r a d i t i o n a lo i l s t o r a g ea n d t r a n s p o n a t i o na u t o m a t i o na p p l i c a t i o n s a f t e rf u n h e re 叩a n dt h ef i e l do fa p p l i c a t i o nw i Ub e a c h i e v eb e t t e re c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s K e y w o r d s P L C R T U I E C 6 1 1 3 1 3 i l l t e 铲a t e ds o 腑a r ed e v e l o p m e n te n v i r o 咖e n t l a n g u a g ec O n V e r s i O n c o m p i l e r P a p e rt y p e S o f t w a r eD e V e l o p m e n t 缩略语列表 序号缩略语英文全称 中文全称 1R T U R e m o t eT e m i n a lU n i t 远程终端单元 2P L C P r o g r a m m a b l eL o g i cC o n t r 0 1 l e r 可编程逻辑控制器 3I o l n p u t O u t P u t 输出 输出 S u p e r V i s e r C o n t r o lA n d D a t a 数据采集与监视控制系 4S C A D A A c q u i s i t i o n 统 5 I D E I n t e g r a t e dD e V e l o p m e n tE n V i r o n m e n t 集成开发环境 6U IU s e rI n t e r f a c e 用户界面 7M F CM i c r o s o f tF o u n d a t i o nC l a s s e s 微软基础类库 8L Dh d d e rD i a g r 锄 梯形图 9I LI n s t 门J c t i o n s t 指令表 I n t e r n a t i o n a lE l e c t r o t e c h n i c a l国际电工协会6 1 1 3 卜3 10 I E C 6 1 1 3 1 3 C o m m i s s i O n6 11 3 1 3 标准 论文独创性声明 本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 论文中除了特 别加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究成果 其 他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意 储签名唰岔衢嗍渺 z 弓 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其它手段保存论文 保密的论文在解密后遵守此规定 名喇蜘燧名伽雅期 加夙 乃 上海师范人学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1P L C 的发展历程和趋势 1 1 1P L C 简介 可编程逻辑控制器 P r o g r a 姗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雹 其定义是 专门为在工业环境应用而设 计的一种数字运算操作的电子系统 它采用一类可编程的存储器 用于其内部存储程 序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向用户的指令 并通过数 字或模拟式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 现代P L C 是以微处理器为基 础 综合了计算机技术 自动控制技术和通讯技术发展起来的一种通用的工业自动控 制装置 发展十分迅速 它具有体积小 功能强 灵活通用和维护方便等一系列优点 特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力受到自动化领域的欢迎并被广泛 采用 在制造加工业 冶金 化工 电力等领域获得广泛的应用 成为现代工业控制 的三大支柱之一 P L C 吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果 它以其高可靠性 较强的工作 环境适应性 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 均承 担着重要的角色 1 1 2 我国P L C 的发展状况 我国对P L C 的研究与生产起步较晚 但通过技术引进 消化吸收 仿制和国产化 等工作 我国的P L C 产品在近几年来有了一定的发展 中国国内的P L C 的发展大致经历 了以下三个发展阶段口儿驯 第一个发展阶段为八十年代 P L C 生产技术及发展方向尚未走向成熟 我国对P L C 的发展前景看好 政府部门在外汇方面给P L C 产品的技术引进 合作生产项目以支持 但是由于对P L C 的发展技术趋势未能判断明确 引进P L C 技术以大型P L C 为主 而大型 P L C 设备在八十年代的应用数量有限 引进的P L C 的生产设备 如贴片机等 受当时的 设备所局限 无法保障产品的可靠性 所以八十年代引进P L C 生产技术的厂家现在己 基本停止生产 第二阶段为九十年代 中国国内在八十年代进行技术引进的生产厂家已基本停止 生产 但中国日渐扩大的P L C 市场已充分引起国外生产厂家的注目 九十年代初期 第一章引言上海师范大学硕士学位论文 部分国外主要P L C 生产厂家在中国投资建厂 P L C 走向合资生产阶段 到1 9 9 8 年1 2 月止 合资生产P L C 的企业 如上海欧姆龙公司 上海松下电工自动化控制有限公司 无锡 华光公司等销售成绩较好 处于良性循环中 第三阶段为九十年代术期 中国国内企业再度进入P L C 行业 中国国内的P L C 市场 正处于上升趋势 并且在工程项目上的应用 给P L C 生产厂商的软服务 如设计 安 装等带来效益 国内生产P L C 的厂家主要有江苏嘉华实业公司 天津诺迪亚公司 目 前 中国国内的P L C 市场基本分为三部分 国外P L C 生产厂商 国内P L C 合资企业 国 内生产厂商 其中 国外P L C 生产厂商及国内合资企业占主导地位 占去中国市场的 9 0 以上 4 从整体上看 我国的P L C 市场正处于发展阶段 现在每年增长率达到6 1 0 1 9 9 8 年以来 国内P L C 的销售量始终保持高增长率 市场前景十分看好 预计到2 0 0 8 年全 国销售的P L C 装置3 6 万台套 约合人民币4 0 5 0 亿元 儿引 1 2P L C 的编程工具和编程语言 1 2 1 编程工具 编程工具是开发应用和检查维护P L C 以及监控系统运行不可缺少的外部设备 编 程工具的主要作用是用来编辑程序 调试程序和监控程序的执行 还可以在线测试P L C 的内部状态的参数 与P L C 进行人机对话等 编程工具可以是专用编程器 也可以是 配有专用编程软件包的通用计算机 1 专用编程器 专用编程器是厂家提供的与本公司P L C 配套的编程工具 专用编程器分为简易编 程器和图形编程器两种 简易编程器不能直接输入梯形图程序 只能输入语句表程序 用简易编程器编程 时 编程器必须与P L C 相连接 简易编程器的优点是价格低 体积小 重要轻 方便 携带 有的简易编程器可以直接插在P L C 主机的编程器插座上 如0 M R O N 公司的P 型机 等 有的简易编程器要用专用电缆与P L C 相连哺1 图形编程器可直接输入梯形图程序 图形编程器分手持式和台式 台式编程器具 有用户程序存储器的功能 它可以把用户输入的程序存放在自己的存储器中 也能将 用户程序转存到磁带上或打印出来 有的带有磁盘驱动器 可将程序转存到磁盘上 图形编程器的优点是屏幕大 显示功能强 但是其价格昂贵 2 用通用计算机作辅助编程 当前P L C 的更新换代速度很快 因此专用编程器的使用寿命有限 价格一般也比 2 上海师范人学硕士学位论文第一章引言 较高 现在的发展趋势是使用个人计算机为基础的编程系统 P L C 厂家向用户提供在 P C 机上使用的编程软件 采用通用计算机作为编程器的主要优势是使用了价格便宜 功能很强 通用的个 人计算机 因此 用户可以使用已有的个人计算机 用最少的投资 得到高性能的P L C 程序开发系统 对于不同型号 不同厂家的P L C 只需要重换编程软件就可以了 它 的另一个优点是可以用一台个人计算机为所有的智能控制设备编程随3 现在世界上各主要P L C 厂家都提供了使用个人计算机的程序开发软件 这一软件 的功能是相当强的 它可以编制 修改P L C 的用户程序 监视系统运行 打印文件 采集和分析数据 作为实时图形操作器和文字处理机 对工业现场和系统仿真 将程 序存储在磁盘上 实现计算机和P L C 之间的程序相互传送等 利用它的网络软件 还 可以作为网络管理器或通用的网络节点工作站 1 2 2 编程语言 对于P L C 的编程语言 最早采用的是广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制 线路的方式 梯形图 梯形图方便直观 在计算机上和控制技术上被叫做 面向生 产过程的语言 P L C 虽然历经了许多重大发展 但它却一直沿用至今 而且仍然是 编程人员的首选语言n 驯 1 2 2 1I E C 6 1 1 3 l 国际标准简介网 1 2 l 传统P L C 的一大缺陷是 世界上各大P L C 厂家的产品的硬件 软件的体系结构都是 封闭的而不是开放的 彼此互不兼容 有的差异还非常大 绝大多数的P L C 都有自己 的专用总线 专用通信网络及协议 编程虽多为梯形图 但各公司的组态 寻址 语 法结构又不一致 这给用户带来了诸多不便 也不利于P L C 程序的移植 为了解决这 一问题 国际电工协会 I n t e r n a t i o n a lE 1 e c t r o t e c h n i c a lC o m m i s s i o n 以下简称 I E C 在1 9 9 2 年颁布了I E C 6 1 1 3 1 1 9 9 8 年之前称为 I E C l l 3 1 这为各P L C 厂家编 程的标准化铺平了道路 I E C 6 1 1 3 1 国际标准的制订是软P L C 技术发展的一个重要基础 为了规范工业控制 领域的编程语言 2 0 世纪9 0 年代初 I E C 颁布了I E C 6 1 1 3 1 国际标准 该标准共分八个 部分 依次包括 基本概念 硬件装置和测试 编程语言标准 用户指南 通信服务 规范 现场总线通信 未公布 模糊控制语言和编程实施方针 其中I E C 6 1 1 3 卜3 是P L C 编程语言标准 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 t 顺序功能图 S e q u e n t i a l F u n c t i o nD i a g r a m 梯形l 蛩 L a d d e rD i a g r a m 功台皂块图 F u n c t i o nB 1 0 c kD i a g r a m 如图卜l 所示 3 第一章引言 上海师范大学硕十学位论文 图卜lI E C 6 1 1 3 1 3 标准结构不意图 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 5 种编程语言各有特长 顺序功能图是一个相对高层的图形语言 使用步 动作 转换 分支的状态语言 提供了总的结构并与状态定位处理或机器控制应用相互协调 它用图解的方法来定义 一个顺序 类似流程框图 功能块图包括数学运算 P I D 控制 双稳 比较 转换 计时附数 逻辑 通讯 诊断等功能 功能块图用来将功能块组成功能块网 网上的每一个功能块处理多个输 入变量 并提供一个或多个输出 因此功能块图类似信号流程图 它提供了一个有效 的开发环境 特别适合于模拟量过程控制的应用 用户还可用简单的功能块图自行构 成复杂的功能块 装入功能块扩充库 以扩充功能块图的编程功能梯形图类似使用继 电器时的电气原理图 不仅对开关量的顺序控制 逻辑控制特别适用 而且还具有把 功能块图指令载入梯形图的能力 结构文本是一种类似B a s i c 或P a s c a l 高级文本语言 它常用于那些原来在计算机 上用高级语言编写的程序 是高级语言向控制领域扩展的例子 最适合复杂算法和数 据处理 如过程的初始化或一些包括复杂数学运算的过程计算 指令表与汇编语言相似 是一个布尔指令集 为优化编程提供了一个环境 常用 于自行编制一些没有标准功能块的特殊算法 E E C 并不要求每个产品都运行上述全部5 种语言 可以只运行其中一种或几种 但这几种语言必须符合标准 4 上海师范大学硕士学位论文第一章引言 1 2 2 2I E C 6 1 1 3 1 3 国际标准的优点 I E C 6 1 1 3 卜3 是I E C 6 1 1 3 1 的编程语言部分 它将软件工程 结构化 模块化编程 面向对象的思想和网络通信等信息技术 引入工业控制领域 具有更强的开放性 兼 容性和可维护性 弥补了传统P L C 系统的弱点 与传统的P L C 编程语言相比较 前者具 有如下的优点 1 开放性 由于采用独立于制造商的一致性I E C 6 1 1 3 卜3 标准化编程语言 因而 应用系统能最大限度地运行于来自不同制造商的P L C 之上 2 可移植性 允许程序在I E C 6 1 1 3 卜3 兼容系统上移植 3 高水平软件的重复使用性和允许柔性地选择编程语言 一个程序的不同部分 可用任何一种语言编程 4 类似高级语言的先进语言结构 支持 自上而下 和 自下而上 的结构化 程序开发 支持复杂的控制过程 支持结构化数据 5 有很强的错误检测和纠错能力 能明显地提高程序数据和变量的可靠性 6 P L C 组态具有运行时行为特性 1 2 2 3 采用I E C 6 1 1 3 l 3 国际标准的必要性 从长远利益上来看 I E C 6 11 3 卜3 是目前唯一的关于工控编程语言的国际标准 虽然我们不能指望在可 预见的将来不同的P L C 系统之间能相互交换整个应用程序 但是在符合I E C 标准的不同 系统之间 其语言元素和程序结构是相似的 这个特点便于将程序移植到其它系统 对制造商而言 若其采用I E C 标准 就可以把人力 物力集中到P L C 的硬件 网络或其 他方面 P L C 软件编程语言采用I E C l l 3 卜3 标准应该是P L C 的发展方向之一 从我国国内发展情况来看 首先 国内市场规模虽然庞大 但国外厂商和合资企业的销售额占去了中国国内 P L C 市场9 0 以上的销售额 这种局面主要是由于P L C 的核心技术牢牢掌握在欧洲 美 国 日本等工业发达国家手中的状况造成的 可编程控制器P L C 应用的情况往往体现 着一个国家的工业自动化水平 大力发展P L C 对于我国来讲是很重要的 不但能够摆 脱P L C 技术和市场为发达国家所垄断的被动局面 而且对于提高我国的自动化整体水 平等都有深远的意义 第二 P L C 编程语言的标准化已经是当今P L C 发展的一大趋势 遵循I E C 6 1 1 3 卜3 显然是我们的首要选择 I E C 6 1 1 3 卜3 对多种P L C 语言进行了支持 而多语言支持的新 型P L C 能使广大的计算机工程人员 机械工程人员 电气工程人员能够较快地掌握P L C 的编程技术 这对推动P L C 在电气 机械工程中的应用 提高我国制造业的自动化水 平有着重要意义 5 第一章引言 上海师范大学硕十学位论文 1 3S C A D A 系统与R T U 简介 1 3 1S C A D A 系统概述 随着计算机 微电子和通信网络技术的飞速发展 自动控制系统正走着一条由集 中式控制向分散控制发展的道路 把自动控制系统和信息管理系统紧密结合的管控一 体化的新一代自动控制系统 将是今后自控系统发展的趋势 控制系统进一步趋向于分散和开放 出现了分布式控制系统 监测监控及数据采 集系统 S u p e r v i s o r yC o n t r 0 1A n dD a t aA c q u i s i t i o n 以下简称S C A D A 便是一类 用于地理域大 无人职守的工业环境 以进行远程监控的分布式控制系统 这类系统 主要由位于操作室或调度室的中心站计算机和位于各现场监控对象附近的远程终端 单元 R e m o t eT e r m i n a lU n i t 以下简称R T U 组成 计算机与各R T U 之间通过数字通 信网络连接 S C A D A 可以实时采集现场数据 对工业对象进行本地或远程控制 对工 业对象进行全面 实时监视 为生产 调度 管理提供必要的数据 S C A D A 主要用于 水利 自来水 供电 石油 天然气 煤气等行业 用于地理环境恶劣无人值守的环 境下进行远程监控 1 R T U 作为一种远程终端单元 主要作用是进行数据采集及本地控制 能对现场各 种信号进行数据采集 数据预处理和控制输出 由R T U 组成的S C A D A 系统构成如图卜2 所示 1 3 2l 汀U 简介 图卜2由R T U 组成的S C A D A 系统构成 远程终端单元 R e m o t eT e r m i n a lU n it 以下简称R T U 是一种远端测控单元装 置 能对现场各种信号进行数据采集 数据预处理 工业设备的监测和控制输出 与 6 上海师范人学硕 学位论文第一章引言 常用的可编程控制器P L C 相比 R T U 通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量 适 用于更恶劣的温度和湿度环境 提供更多的计算功能 R T U 系统是开放式的系统 其协议可以完全公开 R T U 的1 0 模块可以单独使用 用 作其他系统的扩展I O 模块 此种应用可以选择支持标准协议R T U 模块 也可以使用只 带R T U C A N B u s 协议的1 0 模块 后种情况用户可以使用我们提供的0 P C 驱动 或者根据 R T U C A N B u s 协议自行编写上位机通信程序 同时U P R T U 也支持其他公司的1 0 模块 用 各种I O 模块来扩充R T U 系统 但必须在C P U 模块安装相应协议 R T U 的系统结构简单 维护十分方便 用户只要掌握组态软件的组态方法和R T U 的基本知识 就可以得心应手地维护整个系统 R T U 逻辑结构大体如下 图卜3R T U 系统简图 1 3 3 我国R T U 现状以及存在问题 绔躺 R T U 的发展历程是与 三遥 工程技术相联系地 所谓 三遥 工程技术是指遥 测 遥控 遥调技术 是研究远处人们不易到达的地点 对物理变化过程 生产过程 进行检测 遥测 调节 遥调 控制 遥控 的一门学科 三遥 系统工程是 多学科 多专业的高新技术系统工程 涉及计算机 机械 无线电 自动控制等技术 还涉及传感器技术 仪器仪表技术 非电量测量技术 软件工程 条码技术 无线电 通讯技术 数据通讯技术 网络技术 信息处理技术等高新技术 因此 完全可以断 言 R T U 的发展将必然会随着 三遥 工程技术的发展而发展 在我国 随着国内工业企业S C A D A 系统的应用与发展 R T U 产品生产也受到了相应 地重视 但总的看来 还是采用国外R T U 产品居多 目前 在国内R T U 产品尚未形成应 有的市场 进入新世纪以来 由于一批新兴的高新技术产业的出现与发展 这种状况 正日益得到改善 目前 国内市场上有几款R T U 产品 但是还存在一些问题 特别是国内产品 归 纳如下 1 有适用工业环境的产品 能适用特殊环境的较少 如防爆 防水等 2 完成监测功能的多 具有可编程功能特别是支持图形化编程语言的少 3 基于单片机系统的偏多 基于3 2 位M C U 嵌入式实时操作系统的偏少 7 疑 薯 第一章引言 上海师范大学硕十学位论文 4 国产产品中模块化程度不高 智能化不够 鉴于S C A D A 系统以及R T U 在工控领域越来越重要的作用和市场对高品质 高性能 R T U 的迫切需求 我校计算机应用技术研究所立项进行自主知识产权的R T U 开发 并命 名该种R T U 为U P R T U 该项目得到上海市高校科技发展基金项目 储罐远程监控单元 R T U 上海师范大学科研成果产业化 中试 项目和上海师大青年基金项目 新 型S C A D A 系统的研制和应用 的立项和资助 本课题正是基于这一立项和资助而开展的 我校立项研制的R T U 是基于P L C 结构 的 它是P L C 的一种适应特殊应用的变种而已 而本课题开发的上位机软件 运行 于普通计算机的符合I E C 6 1 1 3 卜3 国际标准的可视化梯形图集成开发环境对该二种设 备是通用的 1 4 本课题所做的主要工作 由于P L C 和R T U 的编程语言都是基于I E C 6 1 1 3 卜3 标准 本文设计的可视化梯形图集 成开发环境既可用于P L C 又可用于R T U 的上位机编程软件 本文主要讲述了在上海师范 大学计算机应用技术研究所研发上海市高校科技发展基金项目 储罐远程监控单元 R T U 的梯形图集成开发环境 它包括梯形图的编辑 语法检查 语言互换 编 译等功能 同时集成了程序文件的上传 下载功能和实时地监控P L C 和R T U 的功能 传统手持编程器已经不适合于现代大规模 复杂的智能控制程序的编制 本课题 的主要任务是研发一个符合国际编程标准I E C 6 3 卜3 可编程序控制器的编程软件标 准 的可视化梯形图集成开发环境 为我们自行开发的可编程控制器提供一个友好 高效的编程环境 梯形图语言具有简单 形象直观 易学易用 易于查错 易于调试 效率高等特点 深受广大工程技术人员的青睐 但正因为梯形图语言作为一种 图形 语言 对于P L C 来说是不可执行代码 要直接对其编译是比较困难的 而指令表类似 于汇编语言 适合于作为中间代码 由这些指令构成的程序易于P L C 识别与执行 本课题的创新点之一就是采用了基于中间数据结构的算法来实现梯形图与指令 表语言的互相转换 同时还设计并实现了词法分析 语法分析 语义分析等功能 对 用户编制的梯形图进行检查 主要工作包括以下部分 1 项目的需求分析和总体设计 2 梯形图语言与指令表语言的互相转换 3 系统编译模块的设计与实现 4 通信及实时监控功能的设计与实现 5 程序上传 下载功能的设计与实现 6 用户界面的设计与实现 8 上海师范人学硕 学位论文 第一章引言 7 编辑器的设计与实现 8 集成测试 与硬件部分进行联机调试 在设计与实现过程中 采用面向对象及模块化分层设计的方法 使系统更容易升 级 维护 移植 是产品系列化的一个良好平台 需要说明的是本文所介绍的项目是整个研发小组一起协作丌发的 新型R T U 系统 的设计可分为三个部分 集成开发环境设计 编程软件 运行系统设计 I O 系统设 计 集成开发环境是给用户提供的上位机开发平台 用户可以利用这个开发平台编写 调试用户程序 运行系统和1 0 系统的设计由项目组其他同学进行 1 5 小结 本章首先概要地叙述了P L C 的发展历程与发展趋势 接着对P L c 的主要编程工具和 语言作了简单介绍 并对I E C 6 1 1 3 卜3 可编程控制器的编程语言的国际标准作了介绍 强调了开发遵循I E C 6 1 1 3 1 标准的P L C 编程语言的重要性 最后介绍了由R T U 组成的 S C A D A 系统和本课题的来源与背景 研发新型的R T U 它是P L C 的一种适应特殊应用 的变种 二者均使用I E C 6 1 1 3 卜3 国际标准规定的编程语言进行编程 而本课题的任务 就是研发遵循I E C 6 1 1 3 卜3 标准的的可视化梯形图集成开发环境 9 第二章梯形图集成开发环境的概要设计上海师范人学硕十学位论文 第二章梯形图集成开发环境的概要设计 为了保证软件的开发质量 软件设计时应以软件工程中的规范为指导 对软件从 定义到开发的各个环节做出合理的规划 认真实施 很好地实现预定的功能 才能做 到运行可靠 便于维护 并让用户满意 2 1 软件工程基础 2 1 1 软件工程的定义 软件工程是指导计算机软件开发和维护的工程学科 它采用工程的概念 原理 技术和方法来丌发与维护软件 把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得 到的最好的技术方法结合起来n 3 2 1 2 软件的生存周期 软件工程强调使用生存周期的方法 在划分软件生存周期的阶段时应该遵循的一 条基本原则就是使各阶段的任务彼此间尽可能相对独立 同一阶段各项任务的性质尽 可能相同 从而降低每个阶段任务的复杂程度 简化不同阶段之间的联系 有利于软 件开发工程的组织管理 一般说来 软件的生存周期由软件定义 软件开发和软件维护三个时期组成 每 个时期又进一步划分为若干个阶段n 3 儿1 4 1 1 软件定义 软件定义阶段主要解决的问题是待开发的软件要做什么 要确定软件的处理对 象 软件与外界的接口 软件的功能和性能 软件的界面以及有关的约束和限制 它 可分为如下三个阶段 系统分析 系统分析的任务是确定待开发软件的总体要求和使用范围 以及与 之有关的硬件支撑软件的要求 软件项目计划 软件项目计划的任务是确定待开发软件的目标 对其进行可行 性分析 并对资源分配 进度安排等做出合理的计划 需求分析 需求分析的任务是确定待开发软件的功能 性能 数据 界面等要 求 从而确定系统的逻辑模型 2 软件开发 1 0 上海师范人学硕士学位论文第二章梯形图集成开发环境的概要设计 软件开发阶段主要解决的问题是该软件 怎么做 包括数据结构和软件结构的 设计 算法设计 编写程序 测试 最后得到可交付使用的软件 分为如下阶段 软件设计 软件设计分概要设计和详细设计 概要设计是模块分解 确定软件 的结构 模块的功能和模块间的接口 以及全局数据结构的设计 详细设计的任务是设计每个模块的实现细节和局部数据结构 编码 编码的任务是用某种程序语言为每个模块编写程序 软件测试 软件测试的任务是发现软件中的错误 并加以纠正 产生软件测试 报告 3 软件维护 在软件开发阶段结束后 软件交付使用 在整个使用期间 可能因为某种原因而 修改软件 这就是软件维护 它的任务就是为使软件适应外界环境的变化 实现功能 的扩充和质量的改善而对软件进行修改 2 2 项目概述 本项目来源于上海市高校科技发展基金项目 储罐远程监控单元 R T U 上 海师范大学科研成果产业化 中试 项目和上海师大青年基金项目 新型S C A D A 系统 的研制和应用 的资助 目标是研发新型的R T U 系统以及自动控制程序的编程环境 我们将R T U 研发工作分为三大部分 硬件设计与实现 软件集成开发环境设计与 实现 运行系统设计与实现 其中的软件开发环境的设计与实现J 下是本课题的任务所 在 基于实际需要 我们拟采用普通个人计算机P C 作为基本编程工具载体 编程语言 上遵循I E C 6 1 1 3 卜3 可编程序控制器的编程软件标准 2 3 软件需求分析 需求分析是软件生存周期中相当重要的一个阶段 其任务确定待开发软件的功 能 性能 数据 界面等要求 本课题有明确的任务目标 下面按照软件工程的要求 对P L C 的软件丌发环境作需求分析 得出软件的功能 数据以及界面等方面的要求 2 3 1 软件的综合要求 1 软件的界面要求 系统主要接收的外部输入数据有 用户的输入源程序和从P L C 硬件中读取的数据 第二章梯形图集成开发环境的概要设计 上海师范大学硕士学位论文 向外部输出的数据有 源程序的磁盘文件和发送给P L C 硬件的用户程序及命令 2 软件的功能要求 一个完整的 功能强大P L C 软件集成开发环境所涉及的功能非常之多 对于典型 的P L C 软件集成开发环境 按功能主要可分为编辑模块 翻译模块 编译模块 监控 模块 调试模块 通信模块 项目管理模块等七大功能模块 本课题完成了梯形图的 编辑模块 梯形图语言与指令表语言互译模块 通信模块 调试模块 实时监控模块 和项目管理模块等功能 以下列出本课题拟完成的功能 图2 2P L C 和R T U 软件集成开发环境构成 编辑模块 该模块是集成环境最基本的功能模块 主要为用户提供一个梯形图语言程序编辑 环境 对于梯形图语言来说 必须能够用鼠标绘制各种组件 功能块 连线 并且能 够接受键盘的输入 以对各组件 功能块进行标注 这里我们为用户提供功能强大的 按钮操作 既将各种元器件 分支 连线等做成工具按钮 以工具条形式展现给用户 以此提高