[工业控制] 嵌入式PLC集成软件开发环境[附程序]

1、摘要可编程序控制器作为一种工业控制计算机，其最大特点是“可编程”， 即突出了软件的柔性控制思想。与其它控制设备相比较，它具有功能完善、扩展灵活和可靠性高等明显优势，目前已成为工业生产控制领域中最常见最重要的核心装置。 本文结合可遍程序控制器的应用现状，分析了它的基本原理与实现方式，提出了一种基于通用微机（工控pc机）isa总线技术开发的智能化嵌入式可编程序控制器系统设计方案，并且详细说明了组成系统的硬件电路设计；同时针对梯形图编辑软件专用性太强的现况，顺应控制领域开发化的潮流，设计了梯形图集成开发环境，着重论述了梯形图程序的编辑、编译部分。在嵌入式plc软件开发及实现过程中所解决的主要问题有：

2、1 编制了梯形图集成开发环境。采用模块化设计思想，逐一编写了文件、编辑、编译、通讯和监控模块，实现了梯形图程序的建立、存储、打印、编辑、编译和传输，并且可以监控程序的运行状态。在编译模块中留有接口，用户可根据可编程控制器的cpu类型编写相应编译程序。该软件经实例验证表明能较好地完成上述模块的基本功能。2 正向深度优先单趟扫描算法。该算法把把梯形图看成由功能元件和连接元件组成的稀疏网络矩阵，利用连接元件间的不同组合表示功能元件间不同的逻辑关系，并据此对程序逻辑行中的所有路径进行单趟扫描编译，编译结果与手工翻译一致。嵌入式有效地解决了plc与主机通讯和协调工作的问题，可满足控制系统实时性的要求，同

3、时性价比优越，无疑是可编程序控制器今后一个极具有研发价值的发展方向；以编程语言的开放化为出发点而设计的梯形图集成开发环境。关键词：嵌入式、梯形图编辑、梯形图编译原理abstractprogrammable logic controller(plc) is a kind of industrial control computer, the most important feature is “programmable”, which gives prominence to the idea of softwares flexible control. compared with other c

4、ontrol equipment, plc possesses many advantages such as perfect function, convenient expand and high reliability etc, and at present becomes the most important and the widely used center device. combined with application actuality, the elemental principle and effectuation mode of plc are analyzed in

5、 details in this thesis, and based on isa technique of microcomputer or industrial control pc a design plan of intelligent embedded plc system is presented as well. the author also explains the system hardware circuit design in detail. at the same time, in order to conform the opening tendency of co

6、ntrol filed and solve the problem that ladder diagram software is narrowly limited to special purpose, in this thesis the edit, compile part of ladder program are emphatically discussed. the main problems solved in the development and complete process of embedded plc software and hardware are introd

7、uced as follows:1. composition of ladder diagram program ide. based on the modularization design idea, this software is compose of modules of file, edit, compile, communicate and monitor etc, can composed of modules of file, edit, compile, communicate and monitor etc, can complete many functions for

8、 ladder diagram file: new, open, save, print, edit, compile, communication, and monitor the running status of program. it is possible for user to develop and write his own compile subprogram according to the cpu type of plc through interface set into the compile module in advance. it is verified in

9、practice that the software can fulfil the basic functions of each module mentioned above. 2. forward depth-first one-way scanning arithmetic. in this arithmetic ladder diagram is looked upon as a loose matrix network composed of function elements and link ones, the logic relation between the former

10、is expressed by the way of combination of the latter, and according to this expression all paths of the logic row in program is scanned in single pass, the compiled result consistent with hand interpretation. the embedded mode of plc effectively solved the problem of communication and coordination b

11、etween master and slave computers, can meet the requirement of real-time control of the system require, and the cost performance ratio is also superior to the others. thus it is no doubt that this mode is a valuable developing orientation. beginning with opening program language, the design of ladde

12、r diagram ide is a valuable try and exploration for improving the generalization and standardization of ladder diagram software.keyword: embedded plc；edit of ladder program; thesis compile of ladder program目录1可编程序控制器的基本知识.81.1可编程序控制器的发展.81.2可编程序控制器的原理及应用111.2.1可编程序控制器的硬件原理.111.2.2可编程序控制器的工作原理.121.2.

13、3可编程序控制器的特点、分类与应用.131.2.4可编程序控制器的实现方法及其现状.152硬件电路描述.172.1中央处理器.182.2通讯模块.192.3存储器模块.192.4输入/输出模块.202.5硬件总体结构框图.213梯形图语言的编辑.213.1梯形图的格式223.2梯形图编程元件233.2.1编程元件的分类.233.2.2编程元件的定义.243.2.3编程元件的显示.263.2.4编程元件的存储格式.283.3梯形图网络293.3.1网络的结构.293.3.2网络的存储.303.4梯形图集成开发环境323.4.1全屏幕编辑.323.4.2梯形图集成开发环境.353.4.3菜单技术和

14、状态栏.373.4.4文件模块.383.4.5编辑模块.393.4.6集成环境的使用.393.5小结404梯形图编译.424.1梯形图功能元件间的逻辑关系.434.2连接元件的相互组合464.3正向深度优先单趟扫描算法514.3.1 连接元件组合的扫描处理.534.3.2 算法详述及框图.544.3.3编译指令594.4小结.61致谢.62参考文献.63附录.641 可编程序控制器的基本知识1.1 可编程序控制器的发展 随着计算技术、电子技术、自动控制理论、精密测量技术等先进科学技术的快速发展和融合应用，电气自动控制系统已成为现代化生产设备不可或缺的重要组成部分。它使得传统的工作机构、传动机构

15、等结构大为简化；并且进一步提高了生产设备的自动程度和加工效率，扩大了工艺范围，缩短了新产品试制周期，加速产品更新换代；同时可提高产品加工质量，减少工人劳动强度和降低产品成本；进而引发了生产加工技术和制造业质和量的飞跃发展。 在现代化生产设备中，尤其是大型数控加工中心，其机械运动部件有主运动部件、进给运动执行部件、交换刀具的机械手以及冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。运动部件做为电气自动控制系统的控制对象，它们的运动需要采集处理和控制大量的开关量、数字量、脉冲量以及模拟量信息。例如电机的启动停止，电磁阀的开闭，产品的记数，温度、压力、流量的设定与控制等。这些均涉及到大量的继电器线圈的得电与失电、

16、行程开关的受压或未受压、触头的吸合或释放和开关的闭合或断开。固定接线式的继电器装置体积庞大、可靠性差、特别是控制逻辑修改困难，显然不能适应这种要求，因此人们对电气自动控制系统中的主体控制装置提出了更通用、易变易修、可靠经济的要求。最有代表性的是1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司从用户角度出发，提出了新一代控制器应具备的十大条件，设想把计算机功能完备、灵活通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置；并把计算机的编程方法和程序送入方式加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使得对于不熟悉计算机的人也能方便地使用。 在世界

17、性技术改造浪潮的冲击下，1969年，美国数字设备公司（dec）首先研制成功第一台可编程序控制器pdp-14，用于通用汽车公司的生产线，取代了传统的继电器控制系统。1971年日本凭借本国集成电路技术的优势，进一步提高了可编程控制器的集成度，并开始成批生产可编程控制器。1973年欧洲各国也开始研制和生产可编程控制器。我国于1974年开始研制可编程控制器。从此这项技术就迅速发展起来，人们按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子元件、逐步形成了具有特色的各种系列产品。 可编程控制器大致经历了实用化发展规律（七十年代中期）、成熟期（七十年代末期）和加速发展（九十年代）三个阶

18、段。 早期的可编程控制器仅有逻辑运算、计时、计数等顺序控制功能，用于开关量控制，所以将其称为plc（programmable logic controller）即可编程序逻辑控制器。随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，plc采用通用微处理器之后，在概念、设计、性能价格比及应用方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗、体积减小、成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且在远程i/o和通信网络、数据处理以及图象显示方面有实质性的发展。这使得plc正向电气控制、仪表控制、计算机控制一体化方向发展，从而成为自动化控制系统的基本装置和构成柔性制造系统（fms）、计算机集成制造系

19、统（cims）、工厂自动化（fa）的主控单元。1.2 可编程序控制器的原理及应用1.2.1 可编程控制器的硬件原理 可编程控制器的种类很多，各种不同型号的产品结构也各不相同，但就其基本组成原理而言，却大致相同，可用图1.1来表示。其主体由中央处理器cpu、输入/输出接口、存储器系统（eprom/ram）及编程器和外围部件等组成。 中央处理单元是整个系统的核心，负责协调各部分的工作，可接收并存储从编程器送入的用户程序和数据；可以扫描方式接受现场输入装置的状态或数据并存入缓冲区内；可进行必要的监控和故障自诊断。存储器系统分为系统程序存储器和用户程序存储器，分别存储系统工作程序和用户程序。输入/输出

20、接口是cpu与现场i/o装置或其他外部设备之间的连接部件，包括输入隔离和输入选择器、输出锁存器和驱动电路，以及输入/输出显示电路。编程器作为plc的重要外设，用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视。电 源开关量crt输出接口模拟量脉冲量c p u驱动电路光电隔离外部设备输入接口eprom扫描程序i/o管理r a m用 户 存 储 器用户逻辑i/o信息编 程 器磁 盘键 盘图1.1 plc基本组成原理1.2.2可编程控制器的工作原理 plc工作过程是周期循环顺序扫描的工作过程，即对输入信号采集、执行用户程序和输出控制都采用集中成批处理的工作方式，其信息流的空间关系和时间关系可分别用图1.2和图

21、1.3表示。由图可见输入部分收集、站存被控对象实际运行的数据和状态信息；plc即逻辑部分处理输入部分所得信息，并按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出部分向被控设备提供实时操作与处理。所以由plc作为中间处理环节的控制系统可描述为：输入变量plc输出变量。输入信号输入端子光电隔离输入映象区输出映象区输出锁存输出信号输出端子 输入刷新 程序执行 输出刷新 2ms 2ms 输入采样 输出刷新图1.2plc信息流的空间关系1.2.3可编程控制器的特点、分类与应用 国际电工委员会（iec）于1987年2月颁布可编程控制器的标准草案第三稿，对可编程控制器的定义是：起动初始化公共处理i/o刷新运行用户程

22、序“可编程控制器是一种数学运算操作系统，专为工业环境下应用设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程控制器及其外围有关设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。” 图1.3plc信息流时间关系该定义详实地阐明了可编程控制器是一种工业控制计算机，其最大的特点就是“可编程”，即接受了计算机控制技术中突出软件控制的思想，使得控制程序可变，具有良好柔性；同时采用面向过程语言编程，简化编程，方便使用；采用冗余措施和容错技术提高可靠性和保密性；系统构成简

23、单，安装调试工作量少；有较强的存储功能和输入/输出接口及智能外围接口；功能完善，扩展灵活，便于实现网络化等都是它具有别于继电器控制和通用微机的显著特点。plc按i/o点数和为用户程序提供的内存容量大小规格可分为：小型（i/o点数128点，用户程序的内存容量为1kw）、中型（i/o点数func_name=xx;func-func_loc=xx;func-funcleft=linksheetlocate(l,r);func-funcright=linksheetlocate(l,r);连接元件执行如下语句： link-link_name=xx; link-linkup=linksheetlocat

24、e(l,r);link-.linkdown=linksheetlocate(l,r); link-linkleft=funcsheetlocate(l,r); link-linkright=funcsheetlocate9l,r;当删除某元件时，可随时放掉其占用的空间： free(funcsheetloc); fuee(linksheetloc); 经过上述程序处理，便可对梯形图程序中的任意编程元件进行访问操作了梯形图网络也就真正建立起来了，因此梯形图语言程序的磁盘存储存储格式借助网络形式表示为图，图中真正存储的是编程元件，并非指针数组元素，只不过是用fx和lx来分别表示以下功能元件和连接元件

25、，x表示编程元件在相应指针数组中的逻辑位置。 f0l0f1l1l8f9f10l9f11l10l17f18f390l351f391l352l359f399图3.5梯形图程序磁盘存储格式示意图梯形图程序的文件存储形式与内存表示大致相同，其区别在于文件在磁盘中是连续存放格式，而在内存中连续存放的只是指向编程元件的指针数组，梯形图程序本身是动态存储的，这样处理可以更有效地利用空间并提高处理上的灵活性。3.4梯形图集成开发环境3.4.1 全屏幕编辑所谓全屏幕编辑就是指光标可以在整个编辑屏幕内随处移动，可以随时随处添加、删除或修改编程元件，并且能够自由进行上下页的翻动等操作。通常情况下，一般显示器的工作方式默认为字符方式，该方式可工作在不同的显示模式，后者决定了屏幕上字符显示的列数和行数以及显示的颜色等，而且每个显示单元一行、列编号，只能显示一个字符。为了较好的实现梯形图的编辑，决定采用c语言环境支持的c80显示模式，该模式可显示行数2