外文翻譯--基于物理實(shí)驗(yàn)Simatic® PLC運(yùn)行的實(shí)時(shí)顯示測(cè)量 中文版

附件 1：外文資料翻譯譯文 基于物理實(shí)驗(yàn) Simatic PLC 運(yùn)行的實(shí)時(shí)顯示測(cè)量 摘要： 當(dāng)今，在 Forschungszentrum Jlich，大部分適合于物理實(shí)驗(yàn)的低速控制系統(tǒng)是由 PLC技術(shù)和場(chǎng)線系統(tǒng)完成的。在多數(shù)情況下，需要通過 PLCs 得到確定性的答案。這就提出期望從PLC 得到精確的、關(guān)于實(shí)時(shí)性能的問題。 Simatic PLCs 是主導(dǎo)全球市場(chǎng)的西門子公司制造的。我們將介紹它的響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，還將討論程序結(jié)構(gòu)和硬件配置對(duì) PLC 運(yùn)行情況和確定性行為的影響。 I. 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中的 PLC 當(dāng)今，工業(yè)自 動(dòng)化技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)各分系統(tǒng)內(nèi)得到了很好的應(yīng)用，例如水或氣的供給系統(tǒng)。這導(dǎo)致了 PLC 的大量應(yīng)用，尤其是智能自動(dòng)控制部位已成了工業(yè)系統(tǒng)的核心。這其中主要的原因有： 1、 大量市場(chǎng)導(dǎo)致的價(jià)格低廉； 2、 堅(jiān)固耐用； 3、 來自制造商的長期有效的技術(shù)支持； 4、 專業(yè)化（編譯器，順應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化）； 除了單純的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)范圍， PLC 漸漸成為實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)的重要組成部分，代替以 VME 或 PC 為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。這取決于現(xiàn)代 PLC 系列產(chǎn)品的以下特性： 1、 高度可測(cè)量性：現(xiàn)代 PLC 系列產(chǎn)品有大量的 CPU 類型，不僅性能而且功能和結(jié)構(gòu)都可升級(jí)。為滿足戶外使用或 容錯(cuò)要求，還可提供特殊版本。 2、 可擴(kuò)展性： PLC 的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使其能通過一系列數(shù)字或模擬輸入 /輸出模塊擴(kuò)展。并且，集成工藝塊可用在不同領(lǐng)域，如：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器，飼服電動(dòng)機(jī)控制器和 PID 控制器。 3、 較強(qiáng)的通信能力：現(xiàn)代 PLC 至少有一個(gè)集成的通信端口，并且針對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)和進(jìn)程總線系統(tǒng)，通過多種通信控制器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)和其它工業(yè)設(shè)備的連接。一個(gè)重要的應(yīng)用就是，通過專用場(chǎng)線（如 PROFIBUS DP）把中央 PLC 系統(tǒng)擴(kuò)展到分散外設(shè)間，實(shí)現(xiàn)了與非智能的 I/O 模塊間的透明連接。這樣一個(gè) PLC 不僅能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，還可以 用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。 4、 有利的發(fā)展環(huán)境：現(xiàn)代 PLC 系列產(chǎn)品有一個(gè)和諧交互的發(fā)展環(huán)境，支持主要的IEC1311 編程語言。典型的，指令表、功能塊圖和梯形圖的表示能動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)換。發(fā)展工具允許半圖解式的硬件結(jié)構(gòu)，提供強(qiáng)勁的編譯機(jī)制，而且，在運(yùn)行期間允許區(qū)段的交換逐漸增加發(fā)展。 今天，在 FZ Juelich ，全新先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)在很大程度上依賴 PLC。如圖 1 中，中子譜儀（分光計(jì)）控制系統(tǒng)體系機(jī)構(gòu)所闡明。 由于國際市場(chǎng)權(quán)威西門子控制著歐洲市場(chǎng)， Simatic S7 PLCs 幾乎獨(dú)家占領(lǐng)了 FZ Juelich 市場(chǎng)，最流行 的是中范圍系列 S7-300，高端系列 S7-400 的目標(biāo)是應(yīng)用在有極端表現(xiàn)需求和支持多處理器配置的場(chǎng)合。微型 PLC 系列 S7 200 很少用，他被稱作 S7 系列純粹是市場(chǎng)的原因，并且，他的執(zhí)行環(huán)境與其他 S7 系列產(chǎn)品不兼容。 IM151/CPU 可代替 S7-200 作為微型 PLC 使用。 IM151/CPU 是一適用于分散外圍設(shè)備 ET200S 系列的智能控制器。同樣，分散外圍設(shè)備系統(tǒng) ET200L 和 ET200M 在 Jlich 的使用也很普遍。迄今為止，僅 SoftPLC WinAC 這一軟件在實(shí)驗(yàn)室得到測(cè) 試。 以 PLC 為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)需要他們實(shí)時(shí)特征方面的知識(shí)。 1、 取決于 PLC 的類型， PLC 響應(yīng)時(shí)間的數(shù)量級(jí)是多少？ 2、 能保證截止期限嗎？ 3、 必須遵守的設(shè)計(jì)規(guī)則是什么？ 通過對(duì) Simatic S7 系列不同類型 PLC 作測(cè)試，本論文對(duì)這些問題發(fā)表觀點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn) IEC 1311 對(duì) PLC 功能和程序設(shè)計(jì)語言定義了參考標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)的 PLC 制造商必須遵守。如此普遍的結(jié)果也能推廣到他們的 PLC 系列產(chǎn)品中。 II. SIMATIC S7 設(shè)計(jì)模型 正如在 POSIX 中有詳細(xì)說明的，傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用研究是通過實(shí)時(shí)核心（如 OS 9 或 Vx Works），伴隨異步并行的程序設(shè)計(jì)方法完成的。軟件開發(fā)者依據(jù)要解決問題的邏輯結(jié)構(gòu)來組織它的程序結(jié)構(gòu)。這些任務(wù)被操作系統(tǒng)準(zhǔn)并行執(zhí)行，并且，這些執(zhí)行基本上是 事件觸發(fā) 的。程序員對(duì)各任務(wù)分配優(yōu)先權(quán)的同時(shí)，把待執(zhí)行命令的指針?biāo)徒o操作系統(tǒng)。因此，程序員沒必要規(guī)劃程序執(zhí)行順序的細(xì)節(jié)。另一方面，很難理解執(zhí)行順序以及判斷一個(gè)特定的任務(wù)是否能趕上它的截止期限。 PLC 系統(tǒng)中的程序機(jī)制就完全不同了，他們采用同步的命令方式。在這里，任務(wù)的執(zhí)行完全是時(shí)間觸發(fā)的，當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，程序員必須依照時(shí)序把它組織到原任務(wù)中去。因此 ，他必須親自安排執(zhí)行順序，這不僅增大了復(fù)雜度而且有了更多的限制。 如 IEC1131 中定義的 S7 的發(fā)展環(huán)境，在 Step7 中 ，所有的代碼存在塊中。由組織塊送出各任務(wù)。 OBs 是預(yù)設(shè)的操作，在出現(xiàn)特定事件（如定時(shí)器溢出或出現(xiàn)錯(cuò)誤）時(shí)， PLC 操作系統(tǒng)訪問這些 OBs。這樣， OBs 就成為了操作系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目使用者的接口。如圖 2 指出， OBs 能調(diào)用函數(shù)（符合程序語言功能的函數(shù)塊）。 OBs 可以調(diào)用其它函數(shù)，或在 POSIX 環(huán)境中符合操作系統(tǒng)要求的系統(tǒng)函數(shù)。功能塊 /系統(tǒng)功能塊是為靜態(tài)函數(shù)分配了數(shù)據(jù)塊的函數(shù)類 /系統(tǒng)函數(shù)類。 如圖 3 所示 ，一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”的 PLC 程序儲(chǔ)于 OB1 中，被操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用。在調(diào)用 OB1 前，操作系統(tǒng)把數(shù)據(jù)從輸入模塊調(diào)入存儲(chǔ)區(qū)（過程映象區(qū)）。調(diào)用 OB1 后，數(shù)據(jù)從過程映象區(qū)復(fù)制到輸出模塊。這種經(jīng)過程映象區(qū)而間接存取的輸入 /輸出模塊減少了存取時(shí)間，增加了協(xié)調(diào)性。 監(jiān)控 OBs 的執(zhí)行時(shí)間，一旦超出了提前設(shè)定的最大時(shí)間，將調(diào)用時(shí)間錯(cuò)誤函數(shù)命令 OB80。 對(duì)于 S7-400 和 WinAC，也可以設(shè)定 OB1 的最小周期時(shí)間。如果 OB1 的執(zhí)行時(shí)間少于最小時(shí)間，將調(diào)用優(yōu)先級(jí)最低的后臺(tái)命令 OB90，其余所有 OBs 的優(yōu)先級(jí)依次加 1。只有對(duì)于 S7-400 和 WinAC，可改動(dòng)這個(gè)默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)。每個(gè) OB 都能被優(yōu)先級(jí)更高的 OB 中斷。表 I 列出了有可能的 OBs。 OBs 的有效性取決于 CPU 類型。如需要較多類型的 OBs，必須買個(gè)更好的 CPU。 中斷命令 OBs 在預(yù)定時(shí)間啟動(dòng)，例如：一次移動(dòng)結(jié)束，盡管時(shí)間延遲，中斷命令在點(diǎn)計(jì)時(shí)器結(jié)束時(shí)啟動(dòng)。定時(shí)中斷按周期時(shí)間反復(fù)執(zhí)行。（循環(huán)中斷命令 OBs 以固定的頻率啟動(dòng)）。間隔時(shí)間和偏移相位可以設(shè)成 1 ms。硬件中斷命令由一個(gè)輸入事件或功能模塊引起。例如：探測(cè)到一個(gè)數(shù)字信號(hào)的上升沿。這種功能僅對(duì)所謂的“高性能”輸入模塊有效。 異步錯(cuò)誤由 PLC 的錯(cuò)誤引起，反之同步錯(cuò)誤由用戶程序出錯(cuò)引起， 如電源失效，模塊失效，或時(shí)基出錯(cuò)。當(dāng) OB 無法滿足他的計(jì)劃啟動(dòng)時(shí)間，就發(fā)生了時(shí)間錯(cuò)誤，并且是 PLCs 的一個(gè)特點(diǎn)。 III. 實(shí)時(shí)性能測(cè)定 A. 性能評(píng)估目的 實(shí)時(shí)性能的關(guān)鍵是它對(duì)外部事件的反應(yīng)時(shí)間。 PLC 系統(tǒng)基本上遵循同步編程模型，這是由周期時(shí)間 Tc 直接決定的，空運(yùn)行周期和循環(huán)中斷（如 OB35）必須分析Tc。為確定不同種類 PLC 的應(yīng)用范圍，必須測(cè)定不同類型 PLC 的 Tc 最小值。當(dāng)然，在特定應(yīng)用場(chǎng)合中 Tc 的實(shí)際值取決于循環(huán)塊中的代碼數(shù)量。 Tc 的波動(dòng)是循環(huán) 中斷的主要影響因素，它決定了 PLC 的確定表現(xiàn)。 雖有高性能的輸入模塊，也可能發(fā)生硬件中斷。必須測(cè)量最小的響應(yīng)時(shí)間 Tr，即激活 OB40 的時(shí)間，以及它的波動(dòng)。 為了得到一完整圖片，必須對(duì)微型、中型、高端 PLC 分別進(jìn)行測(cè)量。表 II 顯示的是本論文中為測(cè)量選用的 CPU。為了表現(xiàn)出它們的相關(guān)性，對(duì)變化顯著的浮點(diǎn)增量重復(fù)測(cè)量 106 次。 鑒于以 PLC 為核心的系統(tǒng)的分布式特性， PROFIBUS 通訊對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響非常重要。因此必須分析由于通信導(dǎo)致的額外延遲及波動(dòng)。但是，與通信相關(guān)的測(cè)試內(nèi)容不在本論文討論范圍內(nèi)，將在以后文章 中予以討論。 在像 POSIX 一樣的傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，由硬盤啟動(dòng)、通信及后臺(tái)運(yùn)算引起系統(tǒng)運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間，對(duì)分析非常關(guān)鍵。由于 PLC 系統(tǒng)是同步循環(huán)操作，所以無需對(duì)響應(yīng)時(shí)間做特殊分析。甚至，像 PROFIBUS DP V0 or AS interface 這樣場(chǎng)線的循環(huán)通信也只是引起恒負(fù)載。對(duì)于異步通信，如 TCP/IP，使用智能通信控制器，可以不使用 CPU。 CPU 集成內(nèi)置的場(chǎng)線 MPI（多點(diǎn)接口，專有場(chǎng)線）是一個(gè)例外。但在 Jlich MPI 僅用于編程。 B. 測(cè)試方案 根據(jù)圖 4，待測(cè) PLCs 的輸入端連接到一個(gè)脈沖發(fā)生器。一個(gè) 輸入信號(hào)的上升沿來到時(shí)， OB40 起作用，輸出信號(hào)被鎖住。脈沖發(fā)生器和待測(cè) PLCs 的輸出端接到NI6062E 的電壓輸入端。以 100KHz 的頻率對(duì)這些信號(hào)采樣。 Matlab 代碼已發(fā)展到能探測(cè)到采樣信號(hào)的上升沿，計(jì)算所需的時(shí)差，并據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)輸出柱狀圖。這樣就可以測(cè)量 PLC 響應(yīng)時(shí)間 Tr 的分布情況。周期時(shí)間 Tc 的分布可通過類似方法測(cè)量?？蛇x擇的，信號(hào)也可以從系統(tǒng)連接到 TDC 模塊 SIS3400。這樣，測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性和精確度可以得到驗(yàn)證。 C. 主程序掃描周期塊的測(cè)量 圖 5 7 是對(duì)表 I 中前三個(gè) PLC 測(cè)量得到的 OB1 的 Tc 分 布情況。模塊 OB1 包含鎖住不使用過程映象區(qū)而直接數(shù)字輸出的代碼，并且除了 OB1沒有其它模塊起作用。 Tc的最小值和它的波動(dòng)由操作系統(tǒng)的激活引起并隨待測(cè) PLC運(yùn)行時(shí)間的增加而趨于穩(wěn)定。盡管 S7-300 的 Tc 值和變化好于 IM151/CPU 的，最壞的情況是可比擬的。 CPU412-2 幾乎是決定性的 （ determistic） ，基本上有兩個(gè)離散值。這不是 CPU行為引起的必要反應(yīng)，因?yàn)樵谶@樣的頻率，數(shù)字輸出行為的影響也變得重要。這導(dǎo)致了 CPU414-1 的典型后果。在測(cè)量到 0.2ms 的最小周期時(shí)，在兩種輸出狀態(tài)之間的時(shí) 間有幾毫秒的變化，并且伴隨著極高的波動(dòng)。當(dāng)我們?cè)黾?CPU414-1 中 OB1 的最小期間值到 1ms 時(shí)，在輸出之間變化的時(shí)間將大幅降低，并 CPU 的周期與輸出速度一致。這個(gè)例子表明必須精心選擇 I/O 模塊。為了保護(hù)電路，增加電流以減少電磁噪音，過濾以穩(wěn)定開關(guān)讀取等，標(biāo)準(zhǔn)模塊有幾毫秒的次序的延遲。 如預(yù)計(jì)的，圖 8 是對(duì) CPU412-2 測(cè)量時(shí)得到的 OB1 中 Tc 的波動(dòng)情況，每毫秒調(diào)用一次 OB35 引起后臺(tái)負(fù)荷， Tc 隨后臺(tái)負(fù)荷的持續(xù)而增加。 Tc 的分布幾乎是離散的也表示一定存在約 0.2ms 的內(nèi)循環(huán)。由于 PLC 是同步操作的，只要知 道了每個(gè)模塊的持續(xù)時(shí)間就可估計(jì) Tc 的最大值。結(jié)果顯示 ,OB1 需要一固定的掃描速率，不足以滿足所有應(yīng)用，例如在操縱系統(tǒng)中 .III D 檢驗(yàn)循環(huán)中斷塊 OB 是否能滿足這些需求。 D. 循環(huán)中斷塊 OB35 的測(cè)量 圖 9、圖 10 表明：和 OB1 相比，循環(huán)中斷塊 OB35 的波動(dòng)是非常小的。同樣，CPU412-2 表現(xiàn)出幾乎離散分布的 Tc。任務(wù)以 1KHz 的頻率被循環(huán)激活，它的精度要好于 0.1ms， PLCs 的這個(gè)特點(diǎn)甚至是基于 Pentium II 平臺(tái)的 Lynx 操作系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)的。 IMI151/CPU 的低性能決定它可能的最小的 OB35 周期 是 2ms。 E. 硬件響應(yīng)時(shí)間測(cè)量 圖 11、 12 是分別使用 CPU314C-2DP 和 IMI151/CPU 測(cè)量時(shí)得到的 Tr， Tr 是輸入上升沿引起的 OB40 的激活時(shí)間，其中包含所有相關(guān)硬件時(shí)間部分。因?yàn)闆]有符合 S7-400 的高性能輸入，所以無法對(duì) S7-400 系列測(cè)量。即使對(duì)低檔 PLC，在IMI151/CPU 中測(cè)得的 Tr 平均值和方差值都不能令人滿意。雖然在 CPU314C-2DP 上測(cè)得的 Tr 值比基于 Pentium II 的 Lynx 操作系統(tǒng)的差五倍，但對(duì)于典型的 PLC 應(yīng)用場(chǎng)合已經(jīng)足夠了。 IV. 結(jié)論 如上所述，在 物理實(shí)驗(yàn)中， PLCs 的使用提供了眾多有利條件。它們以同步循環(huán)方式工作并具有高度可預(yù)測(cè)性。結(jié)合它們的實(shí)時(shí)特性，它們完全能夠應(yīng)用在需要達(dá)到毫秒級(jí)的確定響應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)合。 1ms 甚至更短的響應(yīng)時(shí)間要求我們?cè)谶x擇硬件時(shí)必須非常認(rèn)真。 PLCs 不適合用在需要