[工業(yè)控制] 嵌入式PLC集成軟件開發(fā)環(huán)境[附程序]

1、摘要可編程序控制器作為一種工業(yè)控制計算機，其最大特點是“可編程”， 即突出了軟件的柔性控制思想。與其它控制設(shè)備相比較，它具有功能完善、擴展靈活和可靠性高等明顯優(yōu)勢，目前已成為工業(yè)生產(chǎn)控制領(lǐng)域中最常見最重要的核心裝置。 本文結(jié)合可遍程序控制器的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了它的基本原理與實現(xiàn)方式，提出了一種基于通用微機（工控pc機）isa總線技術(shù)開發(fā)的智能化嵌入式可編程序控制器系統(tǒng)設(shè)計方案，并且詳細說明了組成系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計；同時針對梯形圖編輯軟件專用性太強的現(xiàn)況，順應(yīng)控制領(lǐng)域開發(fā)化的潮流，設(shè)計了梯形圖集成開發(fā)環(huán)境，著重論述了梯形圖程序的編輯、編譯部分。在嵌入式plc軟件開發(fā)及實現(xiàn)過程中所解決的主要問題有：

2、1 編制了梯形圖集成開發(fā)環(huán)境。采用模塊化設(shè)計思想，逐一編寫了文件、編輯、編譯、通訊和監(jiān)控模塊，實現(xiàn)了梯形圖程序的建立、存儲、打印、編輯、編譯和傳輸，并且可以監(jiān)控程序的運行狀態(tài)。在編譯模塊中留有接口，用戶可根據(jù)可編程控制器的cpu類型編寫相應(yīng)編譯程序。該軟件經(jīng)實例驗證表明能較好地完成上述模塊的基本功能。2 正向深度優(yōu)先單趟掃描算法。該算法把把梯形圖看成由功能元件和連接元件組成的稀疏網(wǎng)絡(luò)矩陣，利用連接元件間的不同組合表示功能元件間不同的邏輯關(guān)系，并據(jù)此對程序邏輯行中的所有路徑進行單趟掃描編譯，編譯結(jié)果與手工翻譯一致。嵌入式有效地解決了plc與主機通訊和協(xié)調(diào)工作的問題，可滿足控制系統(tǒng)實時性的要求，同

3、時性價比優(yōu)越，無疑是可編程序控制器今后一個極具有研發(fā)價值的發(fā)展方向；以編程語言的開放化為出發(fā)點而設(shè)計的梯形圖集成開發(fā)環(huán)境。關(guān)鍵詞：嵌入式、梯形圖編輯、梯形圖編譯原理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目錄1可編程序控制器的基本知識.81.1可編程序控制器的發(fā)展.81.2可編程序控制器的原理及應(yīng)用111.2.1可編程序控制器的硬件原理.111.2.2可編程序控制器的工作原理.121.2.

13、3可編程序控制器的特點、分類與應(yīng)用.131.2.4可編程序控制器的實現(xiàn)方法及其現(xiàn)狀.152硬件電路描述.172.1中央處理器.182.2通訊模塊.192.3存儲器模塊.192.4輸入/輸出模塊.202.5硬件總體結(jié)構(gòu)框圖.213梯形圖語言的編輯.213.1梯形圖的格式223.2梯形圖編程元件233.2.1編程元件的分類.233.2.2編程元件的定義.243.2.3編程元件的顯示.263.2.4編程元件的存儲格式.283.3梯形圖網(wǎng)絡(luò)293.3.1網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu).293.3.2網(wǎng)絡(luò)的存儲.303.4梯形圖集成開發(fā)環(huán)境323.4.1全屏幕編輯.323.4.2梯形圖集成開發(fā)環(huán)境.353.4.3菜單技術(shù)和

14、狀態(tài)欄.373.4.4文件模塊.383.4.5編輯模塊.393.4.6集成環(huán)境的使用.393.5小結(jié)404梯形圖編譯.424.1梯形圖功能元件間的邏輯關(guān)系.434.2連接元件的相互組合464.3正向深度優(yōu)先單趟掃描算法514.3.1 連接元件組合的掃描處理.534.3.2 算法詳述及框圖.544.3.3編譯指令594.4小結(jié).61致謝.62參考文獻.63附錄.641 可編程序控制器的基本知識1.1 可編程序控制器的發(fā)展 隨著計算技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制理論、精密測量技術(shù)等先進科學技術(shù)的快速發(fā)展和融合應(yīng)用，電氣自動控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備不可或缺的重要組成部分。它使得傳統(tǒng)的工作機構(gòu)、傳動機構(gòu)

15、等結(jié)構(gòu)大為簡化；并且進一步提高了生產(chǎn)設(shè)備的自動程度和加工效率，擴大了工藝范圍，縮短了新產(chǎn)品試制周期，加速產(chǎn)品更新?lián)Q代；同時可提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，減少工人勞動強度和降低產(chǎn)品成本；進而引發(fā)了生產(chǎn)加工技術(shù)和制造業(yè)質(zhì)和量的飛躍發(fā)展。 在現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備中，尤其是大型數(shù)控加工中心，其機械運動部件有主運動部件、進給運動執(zhí)行部件、交換刀具的機械手以及冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置。運動部件做為電氣自動控制系統(tǒng)的控制對象，它們的運動需要采集處理和控制大量的開關(guān)量、數(shù)字量、脈沖量以及模擬量信息。例如電機的啟動停止，電磁閥的開閉，產(chǎn)品的記數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等。這些均涉及到大量的繼電器線圈的得電與失電、

16、行程開關(guān)的受壓或未受壓、觸頭的吸合或釋放和開關(guān)的閉合或斷開。固定接線式的繼電器裝置體積龐大、可靠性差、特別是控制邏輯修改困難，顯然不能適應(yīng)這種要求，因此人們對電氣自動控制系統(tǒng)中的主體控制裝置提出了更通用、易變易修、可靠經(jīng)濟的要求。最有代表性的是1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司從用戶角度出發(fā)，提出了新一代控制器應(yīng)具備的十大條件，設(shè)想把計算機功能完備、靈活通用等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，制成一種通用控制裝置；并把計算機的編程方法和程序送入方式加以簡化，用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，使得對于不熟悉計算機的人也能方便地使用。 在世界

17、性技術(shù)改造浪潮的沖擊下，1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）首先研制成功第一臺可編程序控制器pdp-14，用于通用汽車公司的生產(chǎn)線，取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。1971年日本憑借本國集成電路技術(shù)的優(yōu)勢，進一步提高了可編程控制器的集成度，并開始成批生產(chǎn)可編程控制器。1973年歐洲各國也開始研制和生產(chǎn)可編程控制器。我國于1974年開始研制可編程控制器。從此這項技術(shù)就迅速發(fā)展起來，人們按照成熟而有效的繼電器控制概念和設(shè)計思想，利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子元件、逐步形成了具有特色的各種系列產(chǎn)品。 可編程控制器大致經(jīng)歷了實用化發(fā)展規(guī)律（七十年代中期）、成熟期（七十年代末期）和加速發(fā)展（九十年代）三個階

18、段。 早期的可編程控制器僅有邏輯運算、計時、計數(shù)等順序控制功能，用于開關(guān)量控制，所以將其稱為plc（programmable logic controller）即可編程序邏輯控制器。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的發(fā)展，plc采用通用微處理器之后，在概念、設(shè)計、性能價格比及應(yīng)用方面都有了新的突破。不僅控制功能增強，功耗、體積減小、成本下降，可靠性提高，編程和故障檢測更為靈活方便，而且在遠程i/o和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理以及圖象顯示方面有實質(zhì)性的發(fā)展。這使得plc正向電氣控制、儀表控制、計算機控制一體化方向發(fā)展，從而成為自動化控制系統(tǒng)的基本裝置和構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)（fms）、計算機集成制造系

19、統(tǒng)（cims）、工廠自動化（fa）的主控單元。1.2 可編程序控制器的原理及應(yīng)用1.2.1 可編程控制器的硬件原理 可編程控制器的種類很多，各種不同型號的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也各不相同，但就其基本組成原理而言，卻大致相同，可用圖1.1來表示。其主體由中央處理器cpu、輸入/輸出接口、存儲器系統(tǒng)（eprom/ram）及編程器和外圍部件等組成。 中央處理單元是整個系統(tǒng)的核心，負責協(xié)調(diào)各部分的工作，可接收并存儲從編程器送入的用戶程序和數(shù)據(jù)；可以掃描方式接受現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)或數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)內(nèi)；可進行必要的監(jiān)控和故障自診斷。存儲器系統(tǒng)分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器，分別存儲系統(tǒng)工作程序和用戶程序。輸入/輸出

20、接口是cpu與現(xiàn)場i/o裝置或其他外部設(shè)備之間的連接部件，包括輸入隔離和輸入選擇器、輸出鎖存器和驅(qū)動電路，以及輸入/輸出顯示電路。編程器作為plc的重要外設(shè)，用于用戶程序的編制、編輯、調(diào)試檢查和監(jiān)視。電 源開關(guān)量crt輸出接口模擬量脈沖量c p u驅(qū)動電路光電隔離外部設(shè)備輸入接口eprom掃描程序i/o管理r a m用 戶 存 儲 器用戶邏輯i/o信息編 程 器磁 盤鍵 盤圖1.1 plc基本組成原理1.2.2可編程控制器的工作原理 plc工作過程是周期循環(huán)順序掃描的工作過程，即對輸入信號采集、執(zhí)行用戶程序和輸出控制都采用集中成批處理的工作方式，其信息流的空間關(guān)系和時間關(guān)系可分別用圖1.2和圖

21、1.3表示。由圖可見輸入部分收集、站存被控對象實際運行的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息；plc即邏輯部分處理輸入部分所得信息，并按被控對象實際動作要求產(chǎn)生輸出結(jié)果；輸出部分向被控設(shè)備提供實時操作與處理。所以由plc作為中間處理環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)可描述為：輸入變量plc輸出變量。輸入信號輸入端子光電隔離輸入映象區(qū)輸出映象區(qū)輸出鎖存輸出信號輸出端子 輸入刷新 程序執(zhí)行 輸出刷新 2ms 2ms 輸入采樣 輸出刷新圖1.2plc信息流的空間關(guān)系1.2.3可編程控制器的特點、分類與應(yīng)用 國際電工委員會（iec）于1987年2月頒布可編程控制器的標準草案第三稿，對可編程控制器的定義是：起動初始化公共處理i/o刷新運行用戶程

22、序“可編程控制器是一種數(shù)學運算操作系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機械的生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌渫鈬嘘P(guān)設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴充其功能的原則設(shè)計?！?圖1.3plc信息流時間關(guān)系該定義詳實地闡明了可編程控制器是一種工業(yè)控制計算機，其最大的特點就是“可編程”，即接受了計算機控制技術(shù)中突出軟件控制的思想，使得控制程序可變，具有良好柔性；同時采用面向過程語言編程，簡化編程，方便使用；采用冗余措施和容錯技術(shù)提高可靠性和保密性；系統(tǒng)構(gòu)成簡

23、單，安裝調(diào)試工作量少；有較強的存儲功能和輸入/輸出接口及智能外圍接口；功能完善，擴展靈活，便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化等都是它具有別于繼電器控制和通用微機的顯著特點。plc按i/o點數(shù)和為用戶程序提供的內(nèi)存容量大小規(guī)格可分為：小型（i/o點數(shù)128點，用戶程序的內(nèi)存容量為1kw）、中型（i/o點數(shù)func_name=xx;func-func_loc=xx;func-funcleft=linksheetlocate(l,r);func-funcright=linksheetlocate(l,r);連接元件執(zhí)行如下語句： 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;當刪除某元件時，可隨時放掉其占用的空間： free(funcsheetloc); fuee(linksheetloc); 經(jīng)過上述程序處理，便可對梯形圖程序中的任意編程元件進行訪問操作了梯形圖網(wǎng)絡(luò)也就真正建立起來了，因此梯形圖語言程序的磁盤存儲存儲格式借助網(wǎng)絡(luò)形式表示為圖，圖中真正存儲的是編程元件，并非指針數(shù)組元素，只不過是用fx和lx來分別表示以下功能元件和連接元件

25、，x表示編程元件在相應(yīng)指針數(shù)組中的邏輯位置。 f0l0f1l1l8f9f10l9f11l10l17f18f390l351f391l352l359f399圖3.5梯形圖程序磁盤存儲格式示意圖梯形圖程序的文件存儲形式與內(nèi)存表示大致相同，其區(qū)別在于文件在磁盤中是連續(xù)存放格式，而在內(nèi)存中連續(xù)存放的只是指向編程元件的指針數(shù)組，梯形圖程序本身是動態(tài)存儲的，這樣處理可以更有效地利用空間并提高處理上的靈活性。3.4梯形圖集成開發(fā)環(huán)境3.4.1 全屏幕編輯所謂全屏幕編輯就是指光標可以在整個編輯屏幕內(nèi)隨處移動，可以隨時隨處添加、刪除或修改編程元件，并且能夠自由進行上下頁的翻動等操作。通常情況下，一般顯示器的工作方式默認為字符方式，該方式可工作在不同的顯示模式，后者決定了屏幕上字符顯示的列數(shù)和行數(shù)以及顯示的顏色等，而且每個顯示單元一行、列編號，只能顯示一個字符。為了較好的實現(xiàn)梯形圖的編輯，決定采用c語言環(huán)境支持的c80顯示模式，該模式可顯示行數(shù)