外文翻譯--基于物理實驗Simatic® PLC運行的實時顯示測量 中文版

附件 1：外文資料翻譯譯文 基于物理實驗 Simatic PLC 運行的實時顯示測量 摘要： 當今，在 Forschungszentrum Jlich，大部分適合于物理實驗的低速控制系統(tǒng)是由 PLC技術和場線系統(tǒng)完成的。在多數情況下，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、關于實時性能的問題。 Simatic PLCs 是主導全球市場的西門子公司制造的。我們將介紹它的響應時間的測量，還將討論程序結構和硬件配置對 PLC 運行情況和確定性行為的影響。 I. 實驗控制系統(tǒng)中的 PLC 當今，工業(yè)自 動化技術在物理實驗各分系統(tǒng)內得到了很好的應用，例如水或氣的供給系統(tǒng)。這導致了 PLC 的大量應用，尤其是智能自動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、 大量市場導致的價格低廉； 2、 堅固耐用； 3、 來自制造商的長期有效的技術支持； 4、 專業(yè)化（編譯器，順應標準化）； 除了單純的基礎設施系統(tǒng)范圍， PLC 漸漸成為實驗控制系統(tǒng)的重要組成部分，代替以 VME 或 PC 為基礎的實時系統(tǒng)。這取決于現代 PLC 系列產品的以下特性： 1、 高度可測量性：現代 PLC 系列產品有大量的 CPU 類型，不僅性能而且功能和結構都可升級。為滿足戶外使用或 容錯要求，還可提供特殊版本。 2、 可擴展性： PLC 的標準化設計使其能通過一系列數字或模擬輸入 /輸出模塊擴展。并且，集成工藝塊可用在不同領域，如：步進電動機控制器，飼服電動機控制器和 PID 控制器。 3、 較強的通信能力：現代 PLC 至少有一個集成的通信端口，并且針對不同現場和進程總線系統(tǒng)，通過多種通信控制器實現擴展，以實現和其它工業(yè)設備的連接。一個重要的應用就是，通過專用場線（如 PROFIBUS DP）把中央 PLC 系統(tǒng)擴展到分散外設間，實現了與非智能的 I/O 模塊間的透明連接。這樣一個 PLC 不僅能進行現場控制，還可以 用于遠程監(jiān)控。 4、 有利的發(fā)展環(huán)境：現代 PLC 系列產品有一個和諧交互的發(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態(tài)的轉換。發(fā)展工具允許半圖解式的硬件結構，提供強勁的編譯機制，而且，在運行期間允許區(qū)段的交換逐漸增加發(fā)展。 今天，在 FZ Juelich ，全新先進的實驗控制系統(tǒng)在很大程度上依賴 PLC。如圖 1 中，中子譜儀（分光計）控制系統(tǒng)體系機構所闡明。 由于國際市場權威西門子控制著歐洲市場， Simatic S7 PLCs 幾乎獨家占領了 FZ Juelich 市場，最流行 的是中范圍系列 S7-300，高端系列 S7-400 的目標是應用在有極端表現需求和支持多處理器配置的場合。微型 PLC 系列 S7 200 很少用，他被稱作 S7 系列純粹是市場的原因，并且，他的執(zhí)行環(huán)境與其他 S7 系列產品不兼容。 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備 ET200S 系列的智能控制器。同樣，分散外圍設備系統(tǒng) ET200L 和 ET200M 在 Jlich 的使用也很普遍。迄今為止，僅 SoftPLC WinAC 這一軟件在實驗室得到測 試。 以 PLC 為基礎的控制系統(tǒng)的可靠設計需要他們實時特征方面的知識。 1、 取決于 PLC 的類型， PLC 響應時間的數量級是多少？ 2、 能保證截止期限嗎？ 3、 必須遵守的設計規(guī)則是什么？ 通過對 Simatic S7 系列不同類型 PLC 作測試，本論文對這些問題發(fā)表觀點。標準 IEC 1311 對 PLC 功能和程序設計語言定義了參考標準，專業(yè)的 PLC 制造商必須遵守。如此普遍的結果也能推廣到他們的 PLC 系列產品中。 II. SIMATIC S7 設計模型 正如在 POSIX 中有詳細說明的，傳統(tǒng)的實時應用研究是通過實時核心（如 OS 9 或 Vx Works），伴隨異步并行的程序設計方法完成的。軟件開發(fā)者依據要解決問題的邏輯結構來組織它的程序結構。這些任務被操作系統(tǒng)準并行執(zhí)行，并且，這些執(zhí)行基本上是 事件觸發(fā) 的。程序員對各任務分配優(yōu)先權的同時，把待執(zhí)行命令的指針送給操作系統(tǒng)。因此，程序員沒必要規(guī)劃程序執(zhí)行順序的細節(jié)。另一方面，很難理解執(zhí)行順序以及判斷一個特定的任務是否能趕上它的截止期限。 PLC 系統(tǒng)中的程序機制就完全不同了，他們采用同步的命令方式。在這里，任務的執(zhí)行完全是時間觸發(fā)的，當一個任務需要執(zhí)行時，程序員必須依照時序把它組織到原任務中去。因此 ，他必須親自安排執(zhí)行順序，這不僅增大了復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。 OBs 是預設的操作，在出現特定事件（如定時器溢出或出現錯誤）時， PLC 操作系統(tǒng)訪問這些 OBs。這樣， OBs 就成為了操作系統(tǒng)對項目使用者的接口。如圖 2 指出， OBs 能調用函數（符合程序語言功能的函數塊）。 OBs 可以調用其它函數，或在 POSIX 環(huán)境中符合操作系統(tǒng)要求的系統(tǒng)函數。功能塊 /系統(tǒng)功能塊是為靜態(tài)函數分配了數據塊的函數類 /系統(tǒng)函數類。 如圖 3 所示 ，一個“標準”的 PLC 程序儲于 OB1 中，被操作系統(tǒng)循環(huán)調用。在調用 OB1 前，操作系統(tǒng)把數據從輸入模塊調入存儲區(qū)（過程映象區(qū)）。調用 OB1 后，數據從過程映象區(qū)復制到輸出模塊。這種經過程映象區(qū)而間接存取的輸入 /輸出模塊減少了存取時間，增加了協(xié)調性。 監(jiān)控 OBs 的執(zhí)行時間，一旦超出了提前設定的最大時間，將調用時間錯誤函數命令 OB80。 對于 S7-400 和 WinAC，也可以設定 OB1 的最小周期時間。如果 OB1 的執(zhí)行時間少于最小時間，將調用優(yōu)先級最低的后臺命令 OB90，其余所有 OBs 的優(yōu)先級依次加 1。只有對于 S7-400 和 WinAC，可改動這個默認的優(yōu)先級。每個 OB 都能被優(yōu)先級更高的 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，必須買個更好的 CPU。 中斷命令 OBs 在預定時間啟動，例如：一次移動結束，盡管時間延遲，中斷命令在點計時器結束時啟動。定時中斷按周期時間反復執(zhí)行。（循環(huán)中斷命令 OBs 以固定的頻率啟動）。間隔時間和偏移相位可以設成 1 ms。硬件中斷命令由一個輸入事件或功能模塊引起。例如：探測到一個數字信號的上升沿。這種功能僅對所謂的“高性能”輸入模塊有效。 異步錯誤由 PLC 的錯誤引起，反之同步錯誤由用戶程序出錯引起， 如電源失效，模塊失效，或時基出錯。當 OB 無法滿足他的計劃啟動時間，就發(fā)生了時間錯誤，并且是 PLCs 的一個特點。 III. 實時性能測定 A. 性能評估目的 實時性能的關鍵是它對外部事件的反應時間。 PLC 系統(tǒng)基本上遵循同步編程模型，這是由周期時間 Tc 直接決定的，空運行周期和循環(huán)中斷（如 OB35）必須分析Tc。為確定不同種類 PLC 的應用范圍，必須測定不同類型 PLC 的 Tc 最小值。當然，在特定應用場合中 Tc 的實際值取決于循環(huán)塊中的代碼數量。 Tc 的波動是循環(huán) 中斷的主要影響因素，它決定了 PLC 的確定表現。 雖有高性能的輸入模塊，也可能發(fā)生硬件中斷。必須測量最小的響應時間 Tr，即激活 OB40 的時間，以及它的波動。 為了得到一完整圖片，必須對微型、中型、高端 PLC 分別進行測量。表 II 顯示的是本論文中為測量選用的 CPU。為了表現出它們的相關性，對變化顯著的浮點增量重復測量 106 次。 鑒于以 PLC 為核心的系統(tǒng)的分布式特性， PROFIBUS 通訊對響應時間的影響非常重要。因此必須分析由于通信導致的額外延遲及波動。但是，與通信相關的測試內容不在本論文討論范圍內，將在以后文章 中予以討論。 在像 POSIX 一樣的傳統(tǒng)的實時系統(tǒng)中，由硬盤啟動、通信及后臺運算引起系統(tǒng)運行響應時間，對分析非常關鍵。由于 PLC 系統(tǒng)是同步循環(huán)操作，所以無需對響應時間做特殊分析。甚至，像 PROFIBUS DP V0 or AS interface 這樣場線的循環(huán)通信也只是引起恒負載。對于異步通信，如 TCP/IP，使用智能通信控制器，可以不使用 CPU。 CPU 集成內置的場線 MPI（多點接口，專有場線）是一個例外。但在 Jlich MPI 僅用于編程。 B. 測試方案 根據圖 4，待測 PLCs 的輸入端連接到一個脈沖發(fā)生器。一個 輸入信號的上升沿來到時， OB40 起作用，輸出信號被鎖住。脈沖發(fā)生器和待測 PLCs 的輸出端接到NI6062E 的電壓輸入端。以 100KHz 的頻率對這些信號采樣。 Matlab 代碼已發(fā)展到能探測到采樣信號的上升沿，計算所需的時差，并據測量數據輸出柱狀圖。這樣就可以測量 PLC 響應時間 Tr 的分布情況。周期時間 Tc 的分布可通過類似方法測量。可選擇的，信號也可以從系統(tǒng)連接到 TDC 模塊 SIS3400。這樣，測量數據的正確性和精確度可以得到驗證。 C. 主程序掃描周期塊的測量 圖 5 7 是對表 I 中前三個 PLC 測量得到的 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由操作系統(tǒng)的激活引起并隨待測 PLC運行時間的增加而趨于穩(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） ，基本上有兩個離散值。這不是 CPU行為引起的必要反應，因為在這樣的頻率，數字輸出行為的影響也變得重要。這導致了 CPU414-1 的典型后果。在測量到 0.2ms 的最小周期時，在兩種輸出狀態(tài)之間的時 間有幾毫秒的變化，并且伴隨著極高的波動。當我們增加 CPU414-1 中 OB1 的最小期間值到 1ms 時，在輸出之間變化的時間將大幅降低，并 CPU 的周期與輸出速度一致。這個例子表明必須精心選擇 I/O 模塊。為了保護電路，增加電流以減少電磁噪音，過濾以穩(wěn)定開關讀取等，標準模塊有幾毫秒的次序的延遲。 如預計的，圖 8 是對 CPU412-2 測量時得到的 OB1 中 Tc 的波動情況，每毫秒調用一次 OB35 引起后臺負荷， Tc 隨后臺負荷的持續(xù)而增加。 Tc 的分布幾乎是離散的也表示一定存在約 0.2ms 的內循環(huán)。由于 PLC 是同步操作的，只要知 道了每個模塊的持續(xù)時間就可估計 Tc 的最大值。結果顯示 ,OB1 需要一固定的掃描速率，不足以滿足所有應用，例如在操縱系統(tǒng)中 .III D 檢驗循環(huán)中斷塊 OB 是否能滿足這些需求。 D. 循環(huán)中斷塊 OB35 的測量 圖 9、圖 10 表明：和 OB1 相比，循環(huán)中斷塊 OB35 的波動是非常小的。同樣，CPU412-2 表現出幾乎離散分布的 Tc。任務以 1KHz 的頻率被循環(huán)激活，它的精度要好于 0.1ms， PLCs 的這個特點甚至是基于 Pentium II 平臺的 Lynx 操作系統(tǒng)不可能實現的。 IMI151/CPU 的低性能決定它可能的最小的 OB35 周期 是 2ms。 E. 硬件響應時間測量 圖 11、 12 是分別使用 CPU314C-2DP 和 IMI151/CPU 測量時得到的 Tr， Tr 是輸入上升沿引起的 OB40 的激活時間，其中包含所有相關硬件時間部分。因為沒有符合 S7-400 的高性能輸入，所以無法對 S7-400 系列測量。即使對低檔 PLC，在IMI151/CPU 中測得的 Tr 平均值和方差值都不能令人滿意。雖然在 CPU314C-2DP 上測得的 Tr 值比基于 Pentium II 的 Lynx 操作系統(tǒng)的差五倍，但對于典型的 PLC 應用場合已經足夠了。 IV. 結論 如上所述，在 物理實驗中， 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測性。結合它們的實時特性，它們完全能夠應用在需要達到毫秒級的確定響應時間的場合。 1ms 甚至更短的響應時間要求我們在選擇硬件時必須非常認真。 PLCs 不適合用在需要