（计算机应用技术专业论文）plc在线调试与监控方法的研究与实现.pdf

i 1 1 11 1i i ii iii ir lli ii ii 19 0 913 5 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no n t h e p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ro n l i n e d e b u g a n dm o n i t o r c a n d i d a t e ：y ul e q i n s u p e r v i s o r ：p r o f b a o j i a n d e c e m b e r ，2 0 1 0 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。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：乃刁刁、辱 日期：加，年；月彳日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭少 i 电子科技 大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 锄矫孙 日期：z 刀，年岁月日 指导教师签名：舌夕他 日期：声u 年；月百日 l 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 可编程逻辑控制器作为现代工业控制四大支柱之一，在各种工业过程控制 及各类机电一体化设备控制中发挥着越来越重要的作用。随着计算机技术的发 展，i e c 6 1 1 3 1 3 标准的日益推广，以及软硬件结合方式的普遍使用，p l c 编程 成为p l c 技术开发过程中必不可少的部分，而越来越多的工程项目需要对编程 后的p l c 硬件进行在线调试和状态的监视，对与嵌入式硬件配套使用的人机界 面的监控系统等应用软件的需求也在增加。研究一种高效率的实时p l c 在线调 试和监控实现方法，对p l c 技术的发展具有现实的使用价值。 本文对可编程逻辑控制器在线调试的关键技术进行研究的基础上，基于p l c 算法生成平台，使用n e t 设计框架，完成了p l c 在线调试与监控系统的设计与 研究。 ( 1 ) 通过比较当前各类不同的p l c 在线调试软件，设计了在线调试功能，实 现了对p l c 进行实时控制程序运行。梯形图在整个设计过程中是以梯级的形式 存在，在线调试分为：程序控制，包括的主要操作有：连续运行，暂停，停止， 断点，软复位，硬复位；梯级的控制，包括的主要操作为：进入梯级，下一梯 级，跳出题解，单指令执行等操作。 ( 2 ) 为了更好的实时查看p l c 的内部运行状态，设计了p l c 在线监控界面， 其主要分为窗体监控和逻辑监控，窗体监控是根据当前监控窗口来反映数据， 其包含实时监控和自定义监控，同时自定义监控又分为手动自定义监控和自动 自定义监控。逻辑监控通过逻辑命令来实现对地址的操作。两者通过串口通信， 在p l c 和p c 之间进行读写数据，变化数据形式，打开保存监控表等多种用户操 作，提高了用户的使用方便性。 ( 3 ) 上位机界面设计完成后，在底层提出了一种新的基于在线调试与监控的 使用静态地址动态分配的p l c 内核运行方式，在传统的p l c 运行模式中加入了 在线调试模块，以增强数据的实时通信。由于在线监控的提出，导致了通信任 务的繁重，在此提出了基于时间片轮转的p l c 通信。在不影响各自运行的情况 下，提高了整体的数据通信速度。 关键词：在线调试与监控，内部运行状态，读写数据，地址动态分配，时间片 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l ci sk n o w na so n eo ff o u rp i l l a r si nt h ea r e ao fm o d e r ni n d u s t r yc o n t r o l ，w h i c h p l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a l p r o c e s sc o n t r o la n d t h ei n t e g r a t i o no f e l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o le q u i p m e n td e v e l o p m e n ta r e a a st h ef a s td e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di e c 6 1131 3s t a n d a r da r eg e n e r a l i z e da n di m p l e m e n t e d ， p l cp r o g r a mw i l lb ean e c e s s a r yc o m p o n e n to ft h i sd e v e l o p m e n tp r o c e s sw i t hs o f t a n dh a r d w a r e m o r ea n dm o r ep r o j e c t sn e e dt oo n l i n ed e b u ga n ds t a t u sm o n i t o ra t l a t e r s t a g e sa f t e rt h ep r o g r a mh a sb e e nw r i t t e n a tt h es a m et i m e , t h en e e do f h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ( h m i ) a n dm o n i t o rm a n a g e m e n ts y s t e mw h i c hc a nb e c o m b i n e dw i t he m b e d d e dh a r d w a r ei s i n c r e a s i n g e f f i c i e n ta n dr e a l - t i m ep l c d e s i g nh a v ep r o f o u n di n f l u e n c et ot h ed e v e l o p m e n to fi t st e c h n o l o g y r e s e a r c h i n go nk e yt e c h n o l o g i e so fp l c a n dm o n i t o r , t h ep l a t f o r mb a s e do np l c a l g o r i t h mh a sb e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hu s e s n e tf r a m e w o r k a tl a s t ，t h e d e s i g no f p l co n l i n ed e b u ga n dm o n i t o rs y s t e mw a sf i n i s h e d ( 1 ) a c h i e v ef u n c t i o nf o ro n l i n ed e b u ga f t e rc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n td e b u gs o f t w a r e i ta l s oa c h i e v e st h er e a l - t i m ec o n t r o lf e a t u r e t h ew h o l ep r o g r a mi s c o m p i l e d 谢n l l a d d e rd i a g r a ml a n g u a g e ，w h i c hc a nb ec l a s s i f i e di n t ot w os t e p s ：p r o g r a mc o n t r o l ， c a s c a dc o n t r 0 1 p r o g r a mc o n t r o li n c l u d e sc o n t i n u o u so p e r a t i o n ，p a u s e ，s t o p ，b r e a k p o 血，s o f tr e s e t , h a r dr e s e t c a s c a dc o n t r o li n c l u d ee n t e r i n gs t e p ，n e x ts t e p ，j u m po u t o f p r o b l e m ，s i n g l ei n s t r u c t i o ne x e c u t e ( 2 ) o n l i n em o n i t o rs y s t e mi sd e s i g n e dt ow a t c h i n gt h ei n t e r n a lo p e r a t i n gs i t u a t i o n o fp l c ni n c l u d e sw i n d o wm o n i t o ra n dl o g i cm o n i t o r w i n d o wm o n i t o rp o r t i o n r e f l e c t e sd a t ac u r r e n t l y , w h i c hd i v i d e si n t or e a l - t i m em o n i t o ra n dc u s t o mm o n i t o r c u s t o mm o n i t o ri sc o n s i s t e do fm a n u a lm o d ea n da u t o m a t i cm o d e l o g i cm o n i t o r o p e r a t e st h ea d d r e s st h r o u g hl o g i cc o m m a n d t h ec o m m u n i c a t i o nt h r o u g ht h es e r i a l p o r t ，i n c l u d sm a do rw r i t ed a t ab e t w e e np ca n dp l ct oc h a n g et h ef o r mo fd a t aa n d o p e no rs a v et h em o n i t o rt a b l e ( 3 ) a f t e rt h ef i n i s ho f m o n i t o rs 0 1 a r e , an o wm e t h o dt oa l l o c a t et h es t a t i ca d d r e s s t h r o u g hd y n a m i ca l l o c a t i n gi sp r e s e n t e d t h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o nh a sb e e n i m p r o v e db ya d d i n gan o wm o d u l ef o ro n l i n ed e b u gt ot r a d i t i o n a lp l co p e r a t i n g m o d e s t h ep r o p o s a lo fo n l i n ed e b u gw o u l da d dt ot h ec o m m u n i c a t i o n s ot h e 杭州电子科技大学硕士学位论文 t i m e s l i c e do nar o u n d - r o b i nb a s i si sp r e s e n t e dw h i c hw o u l dn o ti m p a c tt h eo t h e r m i s s i o n ，a n dt h a tc a ni m p r o v et h ec o m m u n i c a t i o nr a t e k e y w o r d s ：o n l i n ed e b u ga n dm o n i t o r , i n t e r n a lo p e r a t i n gs i t u a t i o n ，r e a do r w r i t ed a t a , a d d r e s sd y n a m i ca l l o c a t e ，t i m e - s l i c e d i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c r i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1p l c 编程环境1 1 1 2p l c 在线调试与监控概述2 1 2 论文研究内容6 1 3 论文组织结构7 第二章p l c 在线调试实现的相关技术8 2 1p l c 的工作原理8 2 1 1p l c 的内核引擎工作8 2 1 2p l c 的程序执行9 2 2p l c 通信的研究l0 2 2 1p l c 通信协议1 0 2 2 2p l c 通信方式1 1 2 3 相关算法和内容1 2 2 3 1x m l 技术概要1 2 2 3 2 聚类分析的研究1 2 2 3 3 地址动态映射1 4 2 3 4 时间片轮转15 2 4 本章小结1 6 第三章p l c 在线调试与监控系统的设计。1 7 3 1 系统需求分析1 7 3 2 总体设计1 7 3 3d m o 上位机界面设计18 3 3 1d m o 与p l c 的连接1 9 3 3 2d m o 通信协议的设计2 0 3 3 2 在线调试2 3 3 3 3 在线监控2 5 3 4p l c 下位机内核设计。3 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 4 1 基于时间片轮转的内核通信3 7 3 4 2 在线调试与监控的效率优化4 l 3 5 本章小结4 4 第四章p l c 在线调试与监控系统的实现与应用4 5 4 1 主框架的实现4 5 4 2d m o 系统设置4 6 4 3 在线调试4 8 4 4 在线监控4 9 4 5 本章小结5 3 第五章总结与展望5 5 5 1 总结。5 5 5 2 展望。5 6 致谢5 7 参考文献。5 8 附录6 1 v 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 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 ) 是以微处理器、电 子、网络通信、工业手段为基础，综合了计算机技术和自动控制技术的一种新型 通用自动控制装置，它与机器人技术、c a d c a m 技术和数控技术一起被人们称 为现代工业控制四大支柱。计算机通讯技术使得p l c 由单个控制方式变成了系统 管理。 p l c 的编程采用类似继电控制系统电气原理的梯形图，用串联、并联、定时、 计数等人们所熟悉的概念，使计算机语言大众化。p l c 的硬件采用模块化结构， 可以灵活地组态以适应不同的控制对象、控制规模和控制功能的要求，给组成各 种系统带来极大的方便。p l c 控制系统中的控制电路是由软件编程完成的，只要 对应用程序进行修改就可以满足不同的控制要求，因此p l c 具有在线修改能力， 功能易于扩展，给生产带来了“柔性，具有广泛的工业通用性。 1 1 1p l c 编程环境 目前，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。工业 控制自动化主要包含三个层次，从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理 自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。传统的自动化系统，基础自动化部 分基本被p l c 和d c s 所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的 过程计算机或小型机组成。2 0 世纪9 0 年代以来，由于基于p c 的工业计算机( 简 称工业p c ) 的发展，以工业p c 、i o 装置、监控装置、控制网络组成的自动化系 统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径f 1 3 】。 如今，国内外的p l c 一般都拥有相应的编程平台m ，调试软件 7 - 9 与监控软 件【l 叫2 1 ，因此软件硬件相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，更易形成友好的人机控制系统。而在p l c 编程环境功能不断壮大的情况 下，设计者一般只需了解目标控制器的结构和特性就能设计所需的控制算法，并 在无需掌握通信过程的情况下，在上位机上对目标板中程序进行运行情况的监视 【1 3 1 4 1 。 杭州电子科技大学硕士学位论文 但当前各种p l c 制造商为了扩大各自市场，都发展自己的标准，出现了局部 的垄断现象，导致了芯片品牌与种类的不断增多，工业控制设计人员需要学习使 用不同p l c 开发软件平台，并遵循它们既定的编程语言标准，这致使p l c 产品间 的兼容性很差，增加了维护成本，并给使用者带来不便。为了推动技术标准化的 进程，一些国际性组织如国际电工技术委员会，不断为p l c 的发展制定一些新的 标准，如i e c 6 11 3 1 3 标准，对各种类型的产品作一定的归纳和定义，为p l c 未来 的发展制定了方向。 在p l c 广泛应用的今天，通用平台【删的推出促进嵌入式p l c 在相关领域的继 续推广和使用。对于控制算法设计者来说，统一的设计标准和模式将给设计过程 带来便捷。软件设计中以加速构建控制算法程序为目标，既是用户的迫切需要， 也是p l c 开发平台的一大趋势。同时，软件的稳定性、可扩展性设计，将成功应 对工业控制灵活多变的新需求。 1 1 2p l 0 在线调试与监控概述 如今，工业控制的自动化普及使得越来越多的工程项目需要在上位机采用与 之相应的嵌入式人机界面，用户对于嵌入式硬件配套使用的人机界面的监控系统 等应用软件的需求也在增加【1 1 1 。它能够实时地显示p l c ，单片机等工业设备上的 运行状态，数据内容，功能强大且使用方便，成为p l c 等控制设备的上端设备在 用户和机器之间架设了一条桥梁。国内外对p l c 在线调试的研究也在逐步增加， 主要包括：( 1 ) 使用当前的p l c 在线调试执行某些特定控制任务【1 5 】：( 2 ) 使用专用 的监控模块对p l c 内部进行读写【1 6 】；( 3 ) 简单实现了对各种不同类型的p l c 地址数 据进行在线操作【1 7 。2 0 1 。以上这些都是建立在特定类型的p l c 上进行的数据检测， 在通用的p l c 编辑平台上开发通用的调试和在线监控( p l cd e b u ga n dm o n i t o r o n l i n e ，d m o ) 是当前国际上迫切需要的，能应对各种不同的p l c 芯片类型，是 p l c 调试和监控的一个前进方向。 目前，现代工业控制领域的p c + p l c 控制模式非常普遍，作为上位机的p c 机与下位机的p l c 之间的通信模式显得尤为重要。因此常用的p l c 在线调试与监 控主要有两种【2 】，一种是采用上位机组态软件对p l c 进行监控，主要使用于一 些故障报警等的检测。当p l c 工作在监控方式时，在上位机的监控界面中，以p l c 既定各种指示来反映出当前的状况，监控者需要根据p l c 指示来推测故障环节， 再予以排除。西门子公司s i e m e n s 的w c c ，h o n e y w e l l 公司的组态软件、g e 公 司的c i m p l i c i t y 等，其使用方便，功能强大，而且画面丰富，但它需要购买相应 的液晶屏，控制功能价格昂贵且有些被国外垄断。另一种方法是使用计算机高级 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 语言自行编写监控软件。在上位机中以直观的的数据显示p l c 运行状态，数据信 息，同时可控制现场设备的工作。三菱的g xd e v e l o p e r 2 3 1 ，西门子s t e p 7 【2 4 】，欧 姆龙的c x 2 5 1 等，这些能实现对p l c 程序进行监控，数据访问效率太低，且数据 类型与指令绑定导致缺乏一定的灵活性和适用性。 表i ip l c 软件比较表 鬣黧褥麓震覆鬟缓霞缓酝缓缓缓糕溉缓滋磁溺沥篪灞潲 m i t s u b i s h g xd e v e l o p e r 支持不支持 * 争 s i e m e n s 善 s t e p 7 支持不支持 轳 ， 襄o m r o ni c x 支持 支持 赫。一，? 黝 目前国内外流行的p l c 软件及其比较见表1 1 。其中三菱的g x 软件在程序运 行时，该软件的在线监测【2 3 1 ，如图1 1 包括：( 1 ) 直接在程序中对各种地址数 据进行反映；( 2 ) 使用位软元件栏进行强制写入；( 3 ) 进入软件登陆页面进行 查看，只要点击监控开始，同时还可以在软元件测试对话框中对各元件进行赋值。 在图1 2 是对查看值的一个赋值情况反映。西门子的s t e p 7 软件【2 4 】，如图1 3 ，该 软件的在线监测包括：( 1 ) 直接在程序中显示了当前指令的通信数据；( 2 ) 通 过图中的表输入各种监控数据进行查询、强制写入；( 3 ) 通过调试菜单中的单 次读取、强制写入、全部写入等命令实现。在图1 4 是对查看值的一个赋值情况 反映。欧姆龙的c x 在线监控方面类似于三菱和西门子如图1 5 所示，在图1 6 是对 查看值的一个赋值情况反映。其在线调试具有断点调试，单步调试等，只适合与 特定的p l c 和特定，如图1 7 所示。 这些软件虽已在各自相应的p l c 产品中得到了很好的应用，但大部分是专用 的软件，而且价格昂贵，在控制程序设计便捷性和通用性上特别在线操作方面还 有不足，本文主要立足于这些方面，设计并实现一个设计效率高、扩展性好的 d m o 系统。 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 i歙元件o 翦i o f f i n 前僮设定僮触点线圈l 软元件注释 二”t c 设置值、甥 d 9 9 本地标号髻 d 2 ；参考程序 i ! “ 9 1 4 0 ； l m a 1 ；n - d 2 3 g l _ ，j d n i 龆骈始l d 1 3 6 啊l l鼹绕静止l x o l l； 1 0 4 5 l7 软元件登录l h 2 3 h 4 6 臌燃元件l d t 8 d 3 2 0 l 艄撕膂好擀l b ? 8 h i 9 i 软元件测试7l h 3 4 h 4 5 ； 关闭 l t 5 i 镕z ? 7 i ，。、如 图1 1三菱j i ；控表 6 8 5 j 6 fl ( r o f i r 。 6 8 7 i ij 署 、 6 9 d l _ j _辱 f r z 6 9 4 -li ( 6 9 6 il艮5 t c l ，0 0 ii-rrm iii_j一 、。 7 0 5 ii-，r ，个4 i l 一 周，_ 、 图1 2 三菱梯形图显示 地址格j 瓮，兰；前值额值7 镬 11 1 0 位 2 # 1 21 2 1 位 2 # 0 3m 1 6 0 位 2 嚣0 4m 8 5位2 # 0 5口0 6 位 2 # 0 6v d 2 3 7 5有符号 + 0 7v d 2 3 7 9有符号+ 0 8v d 2 3 8 3 有符号 + 0 9v d 3 1 2 浑占独6 3 0 3 6 0 1 0v d 3 1 6浮点数7 1 2 5 1 8 5 1 1v d 3 2 0潭占豹6 0 17 5 3 2 1 2v d 5 6 7有符号 + 15 0 9 9 4 9 4 4 1 3v d 6 5 0 0 淬占数 5 8 3 1 4v d 7 有符号jm ， 图1 3 西门子监控表 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 图1 4 西门子梯形图显示 符号毫址盛 赢性7 高性 格矗l l _ 0 0 0 f f 5 0 0 蛄秒位 l 23 00 f f 5 0 0 毫秒位 l 33 1o f f 5 0 0 毫秒 。磺 4 3 20 f f 5 0 0 毫秒 53 30 f f 。5 0 0 毫秒 喜 1 610 0 开5 0 0 毫秒 f | | | ：”l 了l 噩30 0 2 0 5 0 0 毫秒 十六逃制l， 。千天谶剥l 8珏4 0 0 5 05 0 0 毫秒 3d x 00 0 3 0 5 0 0 碹 秒千夭渊l 图1 5 欧姆龙监控表 图1 6 欧姆龙梯形图显示 5 1 m - 黼i 葛澍量b 号 设，t l a 薯。 计数器： 汁鬻蜒罟暮i 量写 设，t 值i 匕较 匕较数量孽l 嘲二| 扼臻电豫摇 书嘴 8 i 臻事i 目标 健谊7 。? 携牢。? 目撼童 班：纠暾 ；兹 妒嫩，缸暑，o，。尹，蓼k，叶|漕，y“、|，”；，争；。，：，一。协m 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 论文研究内容 图1 7 欧姆龙在线调试 本课题是省重大科技攻关项目“基于嵌入式的计算机辅助专用控制系统开发 平台的研究( c a s s ) 的一部分，其总体目标为设计一套操作便捷、稳定高效的 p l c d m o 系统，包括人机界面，引擎执行，通信程序等，使得在p l c 运行时在 线监视p l c 中的数据，控f l ；l j p l c 程序的运行，达到控制现场设备的目的。在满足 现有工业控制的需求和性价比的优化，实时性强，效率高，最终于实际工程实践 中得到了应用。 论文的主要工作与创新点如下： ( 1 ) 适用于多类嵌入式芯片 当前国内外p l c 调试和监控都针对其自行开发的可编程逻辑控制器，并且都 有对应的通信协议，通信方式，用户如需使用它们的控制器必须学习并使用所配 套的平台。论文所设计的d m o 集a v r 、a r m 、c o r t e x等嵌入式芯片为一体， 选用任何一款或多款芯片都可在同一平台进行实验，并_ 具m 有3 较强的稳定性和可扩 展性。 ( 2 ) p l c 在线调试 提供控制器中程序运行情况，包括单步调试，逐级调试，连续运行等调试操 作，显示当前梯形图单步运行的状态。 ( 3 ) p l c 在线监控 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 d m o 根据用户需求对l d p 进行在线监控，通过查看和检测p l c 内部状态，梯 形图编辑器的数据反映完成系统功能。 ( 4 ) 利用时间片轮转的理论，并论文立足于在线调试的运行模式，根据调 试表的地址分布情况，动态更改地址映射关系，达至u p l c 逻辑地址到物理地址的 动态分配，并且提出一种新型的d m o 内核实现方式。 1 3 论文组织结构 论文共分五章，内容包含p l c 的工作原理、在线调试的理论基础、系统分析、 平台设计与实现等。 第1 章为绪论，简述p l c 编程环境的研究背景，p l c 在线调试的概论，提出 本文的所要做的主要工作和创新点，并给出全文的组织结构。 第2 章为p l c 在线调试的相关技术，主要介绍了可编程p l c 的工作原理，相 关的通信协议，通信方式，并阐述了聚类算法，列举了地址自动生成方式的理论 和应用。 第3 章为p l c 在线调试与监控的总体设计，给出了系统的需求分析和总体设 计。总体设计中上位机和下位机分离，分为上位机的在线调试的界面设计和下位 机的内核执行方式，并从这两个层次出发，具体描述了设计思想和关键技术，实 现d m o 系统。 第4 章为d m o 系统的实现及其应用实例，并通过与三菱，西门子进行效率比 较，在一定程度上功能更加晚上，效率更加显著。 第5 章为总结与展望，概述了所做工作，并讨论了可编程逻辑控制器在线调 试方法后续待研究的问题。 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章p l c 在线调试实现的相关技术 2 1p l c 的工作原理 p l c 一般被使用与工业控制中，由于其的开发是以计算机为基础的，内部功 过执行相应的梯形图程序( l a d d e rg r a p h i c sp r o g r a m ，l d p ) ( 携带控制功能) 来实 现基本原理的。因此也被称为工业控制计算机。在它执行l d p 的过程前，用户必 须先设定两个寄存器映像区，包括输入区和输出区，然后再开辟一片内存区用存 放程序执行前的各种输入输出状态值。p l c 的内核运转以不断循环的顺序扫描各 个任务的工作方式来执行，c p u 从第一条指令开始，在特殊指令或者无中断产生 的情况下，以顺序方式逐条扫描用户程序，直到程序全部结束，则就完成一个扫 描周期，接着再次返回第一条指令开始新的一轮扫描。即使p l c 就这样的方式周 而复始地重复进行上述的扫描任务，但是由于c p u 的运算处理速度很高，从而使 得用户从外观上看，似乎其内的程序是同时执行的【2 6 。 2 1 1p l c 的内核引擎工作 当前的p l c 的内核运行方式( 也称为p l c 引擎) ，一般包括以下几个方面内 容：初始化处理；通信服务；执行梯形图程序以及p l c 输入输出数据刷新。p l c 的整个工作流程如图2 1 表示【2 6 】。 图2 1p l c 内核运行 ( 1 ) 初始化处理：上电运行或复位时进行处理，首先进行硬件初始化，进 行清零或复位输入模块，清除各数据区信息，以及对电源、p l c 内部电路、用户 程序的检测其语法是否合法。 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 通信处理：p l c 与编程器、外设、网络等进行信息交换，特别是进行 p l c 与计算机之间的信息交换，p l c 与其他带微处理器的智能装置通信等。 ( 3 ) l d p 执行：p l c 在正常运行状态下，每一个扫描周期都要执行l d p 。 p l c 的梯形图程序由一些梯形图语言组成，翻译成汇编语言顺序存放在存储器 中。当梯形图执行时，在不存在特殊指令( 跳转，中断等指令) 的条件下，p l c 从第一条语句开始，一次执行程序，最后把运算结果放入输出映像区所对应位置 中。 ( 4 ) 输入和输出处理：p l c 在运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、 输出处理。输入处理就是对p l c 的输入进行一次读取，将输入端各变量的状态重 新读入p l c 中，存入输入映像区；输出处理就是将运算后的结果存入输出映像区， 直至传送到外部被控设备。 在整个内核执行过程中，当处于停止状态时，p l c 进行初始化和通信处理； 当处于运行状态时，除了上述两个操作以外，另外需要进行处理输入、执行用户 程序、处理输出等工作。 2 1 2p l c 的程序执行 p l c 的程序执行扫描过程如图2 2 ，包括三个基本的操作：p l c 的i n p u t 采样、 l d p 的执行和设置p l c 的o u t p u t j $ 1 新。如图所示。 梯形图执行 输输 输 输 入 一h ) 出 入 映 映 出 端 端 像像 区一h )区 图2 2p l c 的程序执行 ( 1 ) p l c 的i n p u t 采样 p l c 进行输入采样时，顺序扫描方式至所有的f o il 状态，并将i o 数据存入 输入映像区( i n p u tr e f l e c t i o na r e a ，i r a ) ，在执行l d p 时可以提取i r a 中的数据 进行程序的逻辑运算和控制。在执行l d p 期间，l d p 的数据一直保持不变，即使 当前输入端的信号状态发生变化，直到执行下一个扫描周期的i n p u t 采样才重新刷 新l d p 中的数据。 ( 2 ) l d p 的执行 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 u ) p 一般按照从左往右，从上到下的顺序执行的，所以第二部分的操作在没 有程序跳转、子程序调用和中断服务的条件下，对程序逐行进行边扫描边执行。 执行程序是，梯形图的输入继电器的状态取自于内部输入映像寄存器的状态，并 将运算的结果，即输出继电器的状态存放在内部输出映像寄存器中。输出映像区 的内容将随着程序执行的进程而变化。 ( 3 ) p l c 的o u t p u t 届l j 新 在l d p 执行完成一次后，根据输出映像区( o u tr e f l e c t i o na r e a ，o r a ) 的当 前数据信息存入输出锁存器中，刷新所有输出端的继电器状态，完成一次程序运 行。 2 2p l c 通信的研究 2 2 1p l c 通信协议 自从第一台p l c 在g m 公司生产线上首次应用成功以来，p l c 凭借其方便性、 可靠性以及低廉的价格得到了广泛的应用。单p l c 毕竟是一个黑盒子，不能实施 直观地观察控制过程。计算机技术的发展和普及，为p l c 又提供了新的技术手段， 通过计算机可以实施检测p l c 的控制过程和结果。 p l c 的通信机制和通信协议主要分为三大类：美系厂家，欧洲系类和日系 p l c 。美系厂家的为r o c k w e l l 的p l c ，主要包括p l c 2 ，p l c 3 ，c o n t r o l l o g i x 等型 号。d f l 协议时r o c k w e l l 各p l c 都支持的通信协议，d f l 协议可以通过2 3 2 进行数 据传送。a b 的p l c 集成的软件中可以进行数据通讯，其中高档的p l c 可以实现用 户自己编程实现自己的通讯协议。 欧洲系列，主要包括西门子早期的3 9 6 4 r 协议，s 7 2 0 0 系列因其低廉的价 格在国内外得到了大规模的应用，支持m p i 、p p i 和自由通讯口协议，其3 0 0 的p l c 还可以通过p r o f i b u s 和工业以太网总线系统和计算机通讯。施耐德p l c 信号比 较多，在国内外应用也比较多，其通信主要支持m o d b u s ，m o d b u sp l u s 协 议。 日系p l c 有三大厂商，欧姆龙系列p l c 在中国推广的比较多，在通讯方式上， 采用两种h o s tl i n k 协议，一种基于串口方式进行数据传输的方式；另一种为 c o n t r o l l i n k ，通过板卡进行数据交换。三菱的小型p l c 在国内应用非常广泛，各 系列都有自己的协议，如f x 系列包括通过编程口或2 3 2 b d 通讯，也可通过4 8 5 b d 等方式，其a 和q 系列可以通过以太网或c c l i n k 通讯。松下的主要采用 m e 呵o c o l 协议。 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 除了以上介绍的国内外主流的p l c 通信协议外，还有很多p l c 厂家，表2 1 所表示。 表2 1p l c 各厂家通信协议 厂家型号协议 l gs t e r k 10 s 3 0 s 6 0 s 8 0 s k 2 0 0 sm a s t e r k 日立h 系列e h l 5 0 等h i 协议 光洋所有系列c c m 2 协议 信捷所有系列m o d b u s 凯迪恩所有系列m o d b u s 在p l c 通信协议中，最常使用的是m o b u s 协议暖丌。m o b u s 协议定义了控制器 能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过那种网络进行通信。m o d b u s 协 议包括a s c i i 、r t u 、t c p 等，没有规定物理层。其协议对应了消息、数据的结 构、命令和就答方式，数据通讯采用主从方式，主站发出数据请求消息，从站接 受真确消息后可以发送数据到主站以响应请求；主站也可以直接发消息修改从站 的数据，实现双向读写。m o b u s 协议需要对数据进行校验，串行协议中出了奇偶 校验外，a s c i i 模式采用l r c 校验，r t u 模式采用16 位c r c 校验。另外，m o d u s 采用定时收发数据，在实际使用中如果某从站断开后，主站端可以诊断出来，当 故障修复后，网络又可以自动接通，因此，m o b u s 协议的可靠性较好。当传输数 据量较小时可以考虑使用a s c i i 协议，其使用可见的a s c i i 字符；如果需传输数 据量较大，最好使用r t u 协议，传输数数据用两个字节来表示一个a s c i i 字节。 2 2 2p l _ c 通信方式 目前实现p l c 和p c 之间的通信，采用的方式主要有3 种【2 8 】： ( 1 ) 通过使用p l c 开发商提供的系统协议和网络适配器来实现p l c 与p c 机 的互联通信。但是其通信协议是不公开的，因此互联通信必须使用p l c 开发商提 供的上位机组态软件，并采用支持相应协议的外设。这种方式其实现的功能难以 满足不同用户的需求。 ( 2 ) 使用目前通用的上位机组态软件，如组态王、i n t o u c h 、w i n c c 及力控 等。这种方式除了需要增加系统投资外，其应用的灵活性也受到了一定的限制。 ( 3 ) 利用p l c 厂商所提供的标准通信端口和由用户自定义的自由口通信方 式来实现p l c 与上位机的互连通信，这种方式不需要增加投资，灵活性好，特别 适合于小规模的控制系统。在p l c 厂商所提供的标准通信端口中，串口通信由于 杭州电子科技大学硕士学位论文 具有连接简单、成本低、传输距离长及数据传递可靠等优点，故在数据采集、实 时监控和传输系统中得到了广泛应用。 2 3 相关算法和内容 2 3 1x 札技术概要 x m l 全称为可扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) ，是一套定义 语义标记的规则，这些标记将文档分成许多部件并对这些部件加以标识。它是 元标记语言，定义了用于定义其他与特定领域有关的、语义的、结构化的标记 语言的句法语剖刀】。x m l 具有以下优点： ( 1 ) 可扩展性，x m l 允许不同的组织和个人都能够建立适合自己需要的标 记集，并且该标记能迅速投入使用，克服了h t m l 不具有扩展性的缺点。 ( 2 ) 内容与结构的分离，x m l 文件中的样式与数据文档进行了分离，如果 需要改变数据的表现方式，只需要改变样式表单，而无需改动数据文档本身。 并且在x