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1、分类号：U D C：密级：武易蔫利 拨夫哮学位论文基于软P L C 技术的工程机械智能控制器C o n s t r u c t i o nM a c h i n e r yI n t e l l i g e n tC o n t r o l l e rB a s e do nS o f t P L C胥贵萍指导教师姓名：申请学位级别：论文定稿日期：学位授予单位：学位授予日期：闵华松教授武汉科技大学黄家湖校区计算机科学与技术学院硕士2 0 1 1 5 1 5专业名称：计算机软件及理论论文答辩日期：2 0 1 1 6 2武汉科技大学计算机科学与技术学院答辩委员会主席：评阅人：陈和平教授气簟，逢窖罨
2、基鼍吗萝菇鲺争室3詈l妻7爹，0，J逸穹0交q淀“叠弋一。葛一望避_oq0毒罐警孓，l“Xo孓ffffJfJfl-1 l n-F，“ib4I武汉科技大学研究生学位论文创新性声明I I I I I I II Ir fI f l lIrF I l lI rf Y 19 4 3 9 4 6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
3、：刀啐日期：上业且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：盈整聋：指导教师签名：咝日期：垫!：墨tI。每tIl-母飞0武汉科技大学硕士学位论文第1 页摘要传统P L C 控制和计算机控制长久以来一直是工业控制领域的两种主要控制方法。传统P L C 控制系统对工
4、程机械的状态监测分析过程复杂，耗时较长，导致工程机械的工作效率低下、维修率高，无法满足日益增长的工程机械智能化控制需求。基于软P L C 技术的新型工程机械智能控制器，由于可以满足工程机械智能化控制需要而逐渐成为工业自动化控制领域的核心产品。软P L C 技术是工业自动化控制领域基于I E C 6 1 1 3 1 3 标准，计算机的软硬件资源及网络通信技术，利用软件技术实现传统P L C 控制功能的一门新兴技术。本文针对起重车状态检测、系统控制与数据传输等方面的需求，研究起重车的数据采集、数据保存及运动控制等问题，采用基于软P L C 的技术，模块化的设计理念，实现了起重车应用软件通用开发平台
5、，主要工作如下：1、5 2 路传统电气接口及2 路C A N 总线接口的实现：满足了各种起重车的不同采集和控制需求；2、参数保存功能块的实现：使内存中的数据保存在F L A S H 存储器中，对于比较重要的信息，可以实现数据的掉电保持，起到黑匣子的作用；3、工程机械运动控制中常见算法的封装：将电控手柄的标定模块J o y F i l t e r、比例电磁阀的P I D 控制等编写成功能块的形式，使编程人员在编写控制程序时更加便捷高效。最后，在控制器研制完成后，将4 套控制器产品在Q Y 9 0 V、Q Y l l o v、Q Y l 3 0 v 和Q Y l 5 0 v四种型号的起重车上进行了
6、实验验证，结果表明控制器能够满足起重车系统的应用需求，具有较强的实用性和可靠性，并且国家电子计算机质量监督检验中心的报告表明，该控制器的各项状态指标均达到较优标准。关键词：软P L C；I E C 6 1 1 3 1-3；控制算法；工程机械A b s t r a c tT r a d i t i o n a lP L Cc o n t r o la n dc o m p u t e rc o n t r o la r ea l w a y sb e i n gt w o m a i nc o n t r o lm e t h o di ni n d u s t r i a lc o n t r
7、 o la r e a s B e c a u s et h es t a t em o n i t o r i n ga n a l y s i sp r o c e s so ft r a d i t i o n a lP L Cc o n t r o ls y s t e mf o rc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi sc o m p l e xa n dt i m e-c o n s u m i n gl o n g e r,a n dt h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yh a sl
8、 o w e rw o r ke f f i c i e n c y,h i g h e rm a i n t e n a n c er a t e，S Oi ti su n a b l et om e e tt h ei n c r e a s i n gd e m a n do fi n t e l l i g e n tc o n t r o lo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y F o rn e wc 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 rw h i c hb
9、 a s e do ns o f t-P L Ct e c h n o l o g yC a nm e e tt h en e e do 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 y,i tb e c o m e st h ec o r ep r o d u c ti ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nc o n t r o lf i e l dn o w S o f t P L Ci san e wt e c h n o
10、l o g yw h i c hb a s e do nI E C 61131 3s t a n d a r d,c o m p u t e rs o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c ea 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 yi ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nc o n t r o lf i e l d F o rt h eV a n Sn e e do fs t a t ed e t e c t i o
11、n，s y s t e mc o n t r o la n dd a t at r a n s m i s s i o n，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h eV a n Sd a t aa c q u i s i t i o n，t h ed a t as t o r a g ea n dt h em o t i o nc o n t r o la n ds oo n W i t ht h eS o f t-P L Ct e c h n o l o g y,m o d u l a rd e s i g nc o n c e p t，t h i sp
12、 a p e rr e a l i z e st h eV a n t Sa p p l i c a t i o ns o f t w a r eg e n e r a ld e v e l o p m e n tp l a t f o r m M a j o rw o r ka sf o l l o w s：1 T h i sp a p e rd e s i g n e d5 2t r a d i t i o n a le l e c t r i ci n t e r f a c ea n d2C a l lb u si n t e r f a c ei no r d e rt om e e
13、 tt h ev a r i o u sv a i l sd i f f e r e n tn e e d so fg a t h e r i n ga n dc o n t r 0 1 2 T I l i sp a p e ri m p l e m e n t e dt h ep a r a m e t e r sp r e s e r v a t i o nf u n c t i o nb l o c kt om a k ed a t ai nm e m o r ys t o r e di nF L A S Hm e m o r y F o rm o r ei m p o r t a n
14、ti n f o r m a t i o n,i tp l a y st h er o l eo fb l a c ka n di tC a nr e a l i z e t h ed a t ak e e pi nc a s eo fe l e c t r i c i t yo 危3 T I l i sP a p e ri m p l e m e n t e dt h ee n c a p s u l a t i o nf o rt h ec o n l m o na l g o r i t h mi nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ym o
15、t i o nc o n t r 0 1 W em a k eJ o y F i l t e rw h i c hi st h ec a l i b r a t i n gm o d u l eo ft h ee l e c t r i cc o n t r o lh a n d l e，a n dt h eP I Dc o n t r o lm o d u l eo fp r o p o r t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ct ob et h eb l o c kf o r m I nt h i sw a y,p r o g r a m m i
16、 n gb e c o m e sm o r ee f f i c i e n t F i n a l l y,w ef i n i s h e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o l l e r，a n df o u rc o n t r o l l e rp r o d u c t sw e r ee x p e r i m e n t e di nQ Y 9 0 V、Q Y l10 V、Q Y l3 0 va n dQ Y l5 0 V R e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l
17、 e rc a nm e e tt h ev a ns y s t e m Sa p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s，a n di th a ss t r o n gp r a c t i c a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y B e s i d e s，t h ed e t e c t i o no fn a t i o n a le l e c t r o n i cc o m p u t e rq u a l i t ys u p e r v i s i o na n di n s p e c
18、 t i o nc e n t e rs h o w e dt h a t，t h es o f t w a r e Ss t a t er e a c hs u p e r i o rs t a n d a r d K e yw o r d s：S o R P L C；I E C 6113l 一3；C o n t r o la l g o r i t h m；C o n s t r u c t i o nM a c h i n e r yJ 1 L“t I I I r，E r；f武汉科技大学硕士学位论文第1 I I 页目录摘要IA b s t r a c t I I目录I I第一章绪论。11
19、 1 研究背景11 2 国内外研究概况21 3 主要研究内容31 4 章节安排3第二章软P L C 技术介绍。42 1 传统P L C 技术42 1 1 传统P L C 技术概况42 1 2 传统P L C 的控制结构。42 1 3 传统P L C 的硬件组成。52 1 4 传统P L C 的特点52 2 软P L C 技术62 2 1 软P L C 技术的产生背景62 2 2 软P L C 技术的体系结构62 2 3 软P L C 技术的性能与特点72 2 4 软P L C(S o f l P L C)产品简介82 3 软P L C 技术的发展趋势82 4I E C 6 1 1 3 1 3
20、标准介绍92 4 1P O U 的基本概念92 4 2P O U 的调用1 02 4 3P O U 的组成1O2 4 4 主程序P L CP R G 一l02 4 5I E C 6 1 1 3 1 3 的软件模型1 l2 4 6I E C 6 1 1 3 1 3 的编程模型1 l2 4 7I E C 6 1 1 3 1 3 的通讯模型1 22 4 8I E C 6 1 1 3 1 3 的数据类型1 22 4 9I E C 6 1131 3 的变量类型1 22 5 本章小结1 2第三章工程机械智能控制器软件设计1 3、；，第页武汉科技大学硕士学位论文3 1 软件系统1 33 1 1 软件系统开发
21、环境1 33 1 2I E C 6 1 1 3 1 3 标准P L C 程序开发系统1 43 1 3I E C 6 1 1 3 1 3 标准P L C 程序运行系统1 43 2 控制器软件架构153 3 底层I o 驱动1 63 3 1D I 接口1 63 3 2A I D I 接口1 73 3 3F B 接口2 03 3 4P I D I 接口2 03 3 5D o D I 接口。2 23 3 6P 啪o D I 接口2 43 4 共享缓存设计2 83 5 本章小结一2 9第四章软P L C 库设计3 04 1C o n t r o l 库设计3 04 1 1J o y F i l t e
22、r 模块。3 04 1 2M o t i o n 模块一3 24 2H a r d w a r e 库设计3 54 3 本章小结。4 0第五章系统性能及测试分析4 l5 1 硬件性能4 15 2 软件性能4 35 3 软P L C 库测试分析4 35 3 1 测试信号D I 4 35 3 2 测试信号D O 4 45 3 3 测试信号P W M 4 65 3 4 测试J o y F i l t e r 功能模块4 75 3 5 测试M o t i o n 功能模块4 85 4 本章小结4 9第六章总结与展望5 06 1 总结5 06 2 展望51参考文献5 2致谢5 5。参I、0 t I V_
23、l武汉科技大学硕士学位论文第V 页附录A 攻读学位期间发表的论文和参加的主要科研项目5 6t l l l r武汉科技大学硕士学位论文第1 页第一章绪论1 1 研究背景随着国家对基础建设的大力投入，重型机械设备的应用越来越广泛，但对于建筑公司、工程机械制造商等来说，对这些重型机械设备的管理也越来越难，成为管理盲区；随着机械设备的数量不断增加以及竞争的日益升级，机械设备制造商亦被迫不断升级服务，然而传统的人工现场维护高昂的人工成本及维护成本逐步成为企业的发展瓶颈，因此他们对设备的远程监控管理需求显得尤为迫切。工程机械远程监控与维护系统，是数据采集、数据处理和实时数据分析的系统。如图1 1 所示，工
24、程机械远程监控及维护系统的三层结构：数据采集层、数据中心层和应用层【1 1。W e b-B a s e d 故障诊断及性能预测系统介W e b B a s e d系统整体故障诊断、远程实时监控性能寿命预测系统、彳、数据中心管理系统(应用服务器群)S A N存储管理灾备管理Z 现场信息处理I E E ES T D1 2 3 2彳产十千千现场信息采集现场信息采集现场信息采集I E E ES T D l 4 5 lI E E ES T D l 4 5 1I E E ES T D l 4 5 l盾构机数据混凝土泵车数起重车数据采集系统据采集系统采集系统应用层数据中心数据采集层图1 1 系统总体结构随着
25、市场的进一步扩大，国内工程机械行业正日益快速地发展，在未来一段时间内，传统工程机械控制设备由于价格因素，仍然会占据工程机械控制设备的主要市圳2 1。然而由于这类产品的技术含量相对较低，厂商之间的竞争愈演愈烈，市场必将很快趋于饱和。企业在这样的情况下就只能依靠研发微型化、网络化、智能化的先进工程机械设备产品来提高自我的竞争力【3 1。因此，新一代工程机械监控系统需要能够实现本地集中监视、控制与维护，通过I n t e m e t 或无线网络实现远程的监测、诊断、控制、维护、调度及管理等功能。第2 页武汉科技大学硕士学位论文1 2 国内外研究概况国外的工程机械设备在9 0 年代以来，进入了新的发展
26、时期【4】。近年来，随着建筑施工规模的扩大，对工程机械的需求量亦迅速增加，因而对其在可靠性、安全性、维修性及经济性等方面也提出了更高的要求【5】。国外一些著名的工程机械公司在整机智能控制、远程监控系统及故障诊断方面取得了较大的进展嘲。2 0 世纪8 0 9 0 年代，P L 卜可编程逻辑控制器，因其体积小、软硬件开发周期短、成本较低、安装维护简便、通用性强、抗干扰能力强、可靠性高等特点而逐渐成为国外工程机械控制器的主流【J 7 1。然而由于对工程机械的要求越来越复杂，因此仅具备顺序控制能力的P L C 已不能适应同益复杂的需求，只能应用于低中端产品，而专用的工程机械控制器由于可满足日益增强的智
27、能化需求而逐渐成为工程机械控制器的主流【8 q。目前工程机械控制器的市场几乎被德国的西门子和力士乐、日本的三菱、芬兰的E P E C等国外产品所占据【l 列。力士乐公司的工程机械P L C 控制器，采用1 6 位嵌入式微处理器，具4 路开关量输入，2 路频率输入，2 路比例输出，2 路开关量输出，2 路比例输入，R S 2 3 2 接口和C A N 现场总线。E P E C 公司生产的E P E CO y 控制器的处理器相当于4 8 6 微机的水平，有5 2 个I O 接口，2 个C A N 和2 个R S 2 3 2 R$4 8 5，5 1 2 KS R A M，8 M 闪存，8 MD R
28、A M。可驱动1 2 片电液比例阀，有专门的显示屏，具备防水、抗冲击、防电磁干扰等功能。E P E CO y 获得了较广泛的认可，因其具有人性化的界面和丰富的接口，成为新一代控制器的典型代表。我国近几年来对智能控制及监控的研究较为活跃，除了召开一些智能控制的学术会议外，清华大学、浙江大学、上海交通大学、西北工业大学、华东化工学院等取得了一批重要研究成果，智能控制已成为我国的工程机械控制领域一门独立的新兴的学科【1 3 1。2 0 0 6 年，三一重工推出了工程机械专用运动控制器S Y M C(S A N YM o t i o nC o n t r o l l e r)。S Y M C 应用于三
29、一重工的起重机、泵车、摊铺机等产品【1 4 1。常林L T U 7 5 多功能沥青混凝土摊铺机采用微电脑控制，摊铺速度采用恒速自动控制技术。行驶时其左右独立驱动，可实现更利于弯道作业的无滑移转向。主要应用于高速公路上面层和基层各种材料的摊铺作业【1 5】，它是摊铺基础稳定材料和路面沥青混凝土材料的理想设备，采用力士乐公司的M C 6 控制器、电子自动找平、超声波料位传感等当今世界上最先进的技术【1 6 J。国内科研院所及高校在工程机械智能控制器及其自主产权方面也做了不懈的努力，然而大多数都是在国外产品的基础上进行二次开发。本课题项目亦借鉴国外先进的工程机械控制器，研究国产起重车新型控制器，解决
30、起重车控制器国产化，为起重车新型控制器开发提供软硬件技术支撑，打破国外控制器对市场的垄断，形成自主民族品牌。武汉科技大学硕士学位论文第3 页1 3 主要研究内容首先，在对传统信息的采集和控制方面，本课题所设计的控制器，应当具有丰富的信号接口，尽可能的满足各种工程机械的不同需求，这些信号接口包括，开关量输入(D I)、模拟量输入(A I)、脉冲量输入(P I)等信号输入接口，以及开关量输出(D O)、脉宽调制输出(P w M)等控制信号输出接口。其次，为满足控制器的实时性要求，本课题设计的控制器采用了高性能A R M 处理器作为主处理器，主频达到1 2 0 M H z，并且在其上移植u C O
31、S I I 操作系统，对系统的资源进行统一管理，提高了系统的实时性。最后，控制器的编程环境方面，目前国外控制器普遍采用符合I E C 6 1 1 3 1 3 标准的P L C语言作为编程语言，可以同时支持梯形图、功能模块图、S T 语言等多种P L C 语言，可以兼顾具有不同编程习惯的开发人员。因此在本课题设计的控制器上也移植了符合I E C 6 1 1 3 1 3 标准的人机编程环境，可以使用户以控制器为平台，方便的开发自己的控制系统。1 4 章节安排本论文共分为六章，介绍了工程机械智能新型控制器及信息采集处理传输系统的设计和实现的具体过程。各章节的具体内容安排如下：第一章绪论，简要介绍了工
32、程机械智能新型控制器的研究背景以及其在国内外的研究概况，并说明了本文的主要研究内容。第二章软P L C 技术介绍，分析和比较了传统P L C 技术与现代软P L C 技术，并介绍了软P L C 技术的发展趋势，并对软P L C 领域的I E C 6 1 1 3 1 3 标准进行了重点的介绍。第三章工程机械智能控制器软件设计，介绍了该课题的软件系统开发环境，给出了控制器的软件架构。重点介绍了底层I O 驱动的实现以及共享缓存的设计。第四章软P L C 库设计，重点介绍了本课题的核心内容工程机械控制算法。细节地介绍了软P L C 库当中的两个重要的库：C o n t r o l 库及H a r d
33、 w a r e 库的设计。第五章系统性能及测试分析，从硬件和软件性能两个方面测试了该课题所研发的控制器的性能状况。并重点介绍了控制器各个信号的测试结果以及其中的重点控制算法的测试结果。第六章总结与展望，对本课题和系统作出总结，提出了该课题取得的一些成果以及存在的一些不足之处，为今后的研发工作指明了方向。第4 页武汉科技大学硕士学位论文2 1 传统P L C 技术2 1 1 传统P L C 技术概况第二章软P L C 技术介绍在工业生产过程中，大量的开关量，按照逻辑条件，进行顺序动作来控制机器的运行【1 7 1。传统上，都是通过电气控制系统或气动来实现。1 9 6 8 年，美国G M 公司提出
34、了取代继电气控制装置的要求。次年，美国D E C 公司，首次在电气控制中采用程序化的手段，研制出了基于电子技术和集成电的控制装置，即世界上公认的第一台P L C。早期的P L C，局限于当时的计算机和元器件的发展水平，主要由中小规模集成电路及单独的元器件组成，因此仅可以完成计数定时等简单的逻辑控制功能。可编程控制器在2 0世纪7 0 年代中末期逐步进入了实用化的阶段，此时计算机技术已被全面地引入到其中【I 引。体积小、运算速度高、模拟量运算、P I D 功能、可靠的工业抗干扰能力及极高的性价比奠定了它在现代工程机械控制领域中的地位【1 9 1。P L C 在上世纪8 0 年代至9 0 年代中期
35、，进入了发展最快的时期，年增长率一直为3 0 到4 0。P L C 在这段时期内，在数字运算、模拟量处理、人机接口和网络通信等方面的能力有了大幅度提高【2 0】，P L C 逐渐进入过程控制领域。可编程控制器在2 0 世纪末期，更加适应了现代工程机械的控制需要【2 1 1。从P L C 控制能力方面看，用于温度、位移、压力等各种控制场合的特殊功能单元产生了【2 2】；从P L C控制规模方面看，大型机和超小型机也在这个时期产生了瞄】；从P L C 产品的配套功能看，各种通信单元及人机界面，使得可编程控制器的工业控制设备的配套应用更加容易1 2 4 J。目前，P L C 在汽车、机械制造、轻工业
36、、冶金钢铁、石油化工等领域的应用都得到了长足的发展【2 5 1。2 1 2 传统P L C 的控制结构传统P L C 控制技术，通过现场总线将所有的P L C 设备连接起来，然后通过上位机监控和分析各个P L C 设备的状态，最后再将信息反馈到管理层，整个过程耗时较长，通信相当不便【2 6 1。传统P L C 控制结构如图2 1 所示。传统P L C现功管理上位机总线通CI，o工厂信息人机讯P模设备系统界面接U块口图2 1 传统P L C 控制结构；：争iI-h，武汉科技大学硕士学位论文第5 页2 1 3 传统P L C 的硬件组成P L C 的组成与微型计算机基本相同，它是一种工业控制用计算
37、机【2 7 1。P L C 的硬件一般由主机、I O 扩展机及外部设备组成【冽，其简化框图如图2 2 所示。仅有主机没有扩展机的构成方式称为基本构成【2 9 1。带有扩展机的构成方式称为扩展构成方式。【外部设备j L图2 2 传统P L C 硬件简化框图2 1 4 传统P L C 的特点1)灵活通用。P L C 具有良好的通用性。相同硬件构成的P L C，可以利用不同软件来实现不同的控制任务【3 0 1。当出现新的控制要求时，利用一般的继电器控制线路很难予以实现，然而通过修改P L C 程序则可以很方便地实现新的控制要求。2)安全可靠。P L C 的自诊断功能相当完善，能对P L C 系统的软
38、硬件故障予以及时的发现并且诊断，因此可以较好地保证P L C 控制系统的工作安全性【3。3)环境适应性好。P L C 环境适应性强，可在较恶劣的工业现场得以使用【3 2 1。对环境湿度和温度的要求不高；具较强的抗电磁干扰力；具有良好的抗冲击能力。4)使用方便、维护简单。P L C 的友好界面，给使用者带来了很大的方便。P L C 提供标准的通信接口，可以容易地构成P L C P L C 网络或计算机P L C 网络【3 3 1。P L C 程序的编写调试很方便：P L C 可利用监视器对P L C 的运行状态监视；P L C 可利用其自身的自诊断功能和监控功能，迅速查找并排除故障点。5)速度较
39、慢、价格较高。P L C 的速度与单片机等计算机相比是相对较低的，单片机两次执行程序的时间间隔可以是毫秒级，而一般的P L C 两次执行程序的时间间隔是l O r e s级。P L C 的价格较高，是单片机的2 3 倍【3 4 1。但从整体上看，P L C 的性价比是较高的。第6 页武汉科技大学硕士学位论文2 2 软P L C 技术2 2 1 软P L C 技术的产生背景计算机控制和传统P L C 控制，长久以来一直是工业自动化控制领域的两种主要控制方法【3 5 1。1 9 6 9 年，美国数字设备公司在G M l 0 条提出后，用一年多时间的努力，研制出了世界上第一台可编程序控制器(P L
40、C)，并在美国G M 公司的装配线上成功使用。随着集成电路和计算机等技术的发展，P L C 在概念、设计、性价比等方面有了重大突破。在工业自动化控制领域，它以体积小、功能强大、稳定可靠等优点，得到了广泛的应用。然而传统P L C 的软硬件体系结构是封闭的，专用总线、通信网络协议不通用，机柜、电源模块亦各不相同【3 6 1。当用户选择了一种P L C 产品后，由于各个P L C 厂家的硬件互不兼容，编程语言及指令系统亦各不相同，因此用户必须选择与所买的P L C 相应的规程，学习特定的编程语言，综上均不利于用户对于功能扩展的需求【37 1。为了规范P L C 编程标准，I E C 于1 9 9
41、3 年发布了I E C 6 1 1 3 1 3 标准。随着I E C 6 1 1 3 1 3 标准的推广以及工程机械控制技术对于开放式结构的要求，该标准有力地推动了各种P L C 间的兼容，使得P C 发展成为新型的P L C 一软P L C 3 8】。软P L C(S o 卯L c)是基于I P C 或E P C 的开放结构的控制系统【3 9 1。软P L C 综合了计算机和P L C 的控制、数值运算处理及通信网络等功能【删，通过一个实时多任务控制内核实现了开放式结构。软P L C 不仅提供与传统硬P L C 同样的功能，并且同时具备了P C 环境的各种优点【4 1 1。因此，改革传统的P
42、 L C 控制技术，发展新型的基于软P L C 的自动化控制技术已成为当前工业控制领域迫切需要解决的技术难题。2 2 2 软P L C 技术的体系结构1、基于软P L C 的控制结构软P L C 控制技术，通过现代成熟的网络，建立管理层与工厂设备之间的直接通信，方便迅捷，成功地实现了信息企业管理与控制的无缝集成【4 2 1。S o R P L C 控制结构如图2 3 所示。S o f t P L C企业信息卜网络通C P UI 0管理一I n t e r n e t 卜信模块P L C模L一、JT C P，I P指令块系统F T P解析W e b图2 3 基于软P L C 控制结构2、软P L
43、 C 系统结构软P L C 体系结构由两部分构成开发系统和运行系统，如图2 4 所示。、i分；i10，武汉科技大学硕士学位论文第7 页图2 4 软P L C 系统结构图开发系统调试环境、编译器及编辑器等。调试环境提供I E C 6 11 3 1 3 标准P L C 程序的动态在线调试。为程序员寻找程序的逻辑错误，以便修改完善。编辑器提供I E C 6 11 3 1-3标准P L C 程序的编程环境。本文采用的I E C 6 11 3 1 3 标准P L C 程序开发系统不支持5 种编程语言的相互转换，仅支持I E C 6 1 1 3 1 3 标准5 种P L C 编程语言独立编程及3 种图形化
44、语言之间的相互转换。运行系统软P L C 的核心。其主要功能是完成网络通信、输入输出变量的刷新、程序调用及调试。运行系统可使I E C 6 1 1 3 1 3 标准P L C 程序的可重用性及开发效率得以提高。2 2 3 软P L C 技术的性能与特点软P L C 技术，利用软件技术实现传统P L C 的控制功能的技术，一方面解决了传统P L C的一些技术上的弊端，一方面满足了工程机械自动化控制的实时性、智能型的需求。软P L C技术具有如下优点【4 1 4 3】：1)软P L C 系统具有开放的体系结构【删。用户可以根据自身的实际需求，灵活地扩展系统的功能。2 1 软P L C 基于国际I
45、E C 6 11 3 1 3 标准【4 5 1。使得用户开发的应用程序具有较高地重用性，并与硬件平台无关，使得程序员编写应用程序迅速而快捷，有效地提高了开发效率。3)软P L C 系统具较强的数据处理能力【矧。软P L C 能够在短时间内处理大量数据，用户能够根据利用自己的需要利用P C 机的软件平台处理比较复杂控制算法，实现过程控制和运动控制等。4 1 具有强大的网络通信功能【4 刀。软P L C 日-利用成熟的网络技术，实现企业的整合、对设备的远程调试及监控等【4 引。5)节约成本和培训费用。用户可以根据需求，合理选择相应的软硬件资源，节约成本；由于软P L C 技术遵循许多工业标准，因此
46、其能够有效地节约培训费用。第8 页武汉科技大学硕士学位论文2 2 4 软P L C(S o f t P L C)产品简介1、国外S o 卯L C 产品软P L C 在欧美等国家的工业上已被投入使用，根据A R C 的调查和估计【4 9】，软P L C 所占市场份额呈逐年递增的趋势。19 9 7 年，全球的软P L O 市场份额占有3 千6 百万美元；2 0 0 0 年，软P L C 的市场份额为1 亿4 千5 百万美元，而至l J 2 0 0 1 年，其市场份额差不多增长了一倍。近年来，在欧美等国家的工程机械领域，软P L C H 成为一个重点的研发对象【5 0 1。典型的软P L C应用产品
47、有：1)德国K W 公司的M U L T I P R O G。K W 公司的主要产品是开发系统M U L T I P R O Gw t 3 2 及运行系统c C L R 5 1 1。M U L T I P R O Gw t 3 2 是完全符合I E C 6 1 1 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，但是不支持5 种语言之间的相互转化。c C L R 是多任务运行系统，它采用M i c r o s o f t n o tC L R 技术，与M i c r o s o f t n o tC L R 采用J r r 编译器不同，c C L R 采用了A
48、 O T 编译器，将M U L T I P R O G生成的C I L 语言转换成本地机器码。A O T 编译器有效的解决了J I T 编译器在实时性放慢不足的问题；2)德国3 S 公司的C o D e S y s。3 S 公司的主要产品是开发系统C o D e S y s,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 11 3 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，并同时具备运动控制和逻辑控制功能。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
49、。2、国内S o R P L C 产品1 9 9 6 年以后，软P L C 才引入到国内。目前，国内的一些工控方面的研究机构及公司对软P L C 技术进行了一些基础性的研究工作。但由于起步较晚，至今仍然没有完整的产品。1)数控系统的软P L C 技术。大连理工大学在这方面做了不少研究。D I G I T-0 3 M C 系列数控系统的内置P L C 模块，由现代制造研究所研制，已经在相关工程项目中得到了实际的应用。2)软P L C 编译系统。王新华等自行研制了软P L C 编辑系统，并在P C 机上运用改编辑系统实现了该编译系统。实验结果表明，研发成功的软P L C 编译系统，能够实现软P L
50、 C 程序的语法分析、指令表程序与梯形图的相互转换等软P L C 编译系统的基本功能。3)基于工业P C 的软P L C 设计方案。陈佳等采用面向对象的理念，基于I E C 6 1 1 3 1 3 国际标准，在软P L C 系统的组成、功能及编程方法的基础上，给出了改设计方案，并在V C 6 0环境下予以实现。最后，通过实验证明了该方案的可行性。2 3 软P L C 技术的发展趋势软P L C 产品还不够成熟，因此在今后若干年内，软P L C 产品需在以下四个方面得以完善：武汉科技大学硕士学位论文第9 页1)开放性。现在市场上的软P L C 产品多数是基于W i n d o w s 系统的；在