基于嵌入式PLC的集成组态开发平台体系研究.docx

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基于嵌入式PLC的集成组态开发平台体系研究

“基于嵌入式PLC的集成组态开发平台体系研究”课题研究规划

一、课题介绍

1、研究背景、意义与主要研究内容

可编程控制器产生于本世纪60年代，是微电子技术和计算机技术相结合的新型自动化控制装置。

它具有可靠性高、环境适应性好等特点，在单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化中，都起到关键作用。

随着技术的进步，可编程控制器也不断得到发展。

最新的产品，普遍采用高档微处理器芯片或专用芯片，开发有灵活而强大的软件。

从目前的发展趋势看，可编程控制器向大型化和小型化两个极端发展。

小型PLC由于技术相对简单，适应性好，可以作为大型控制系统的现场单元，因而得到了迅速发展。

我国对PLC的研究与生产起步晚，从80年代开始引进技术、合作生产到目前，主要还是国外独资企业和国内合资企业的形式。

国内生产厂商独立开发生产的PLC产品还不到国内市场10％的市场份额。

然而，我国的PLC市场正处于快速发展的阶段，每年的增长率达到8％－12％，市场前景仍十分看好，预计今年的销售可达到人民币50亿元的市场规模。

如此庞大的市场规模，国外厂商和合资企业的销售额却占有了90％以上，这种局面主要在于PLC的核心技术牢牢掌握在欧洲、美国、日本等工业发达国家。

可编程控制器应用的情况往往体现着一个国家工业自动化水平，开发具有自主知识产权的PLC对我国来说具有战略意义，不但能够摆脱PLC技术和市场为发达国家垄断地被动局面，而且对于提高我国的自动化整体水平等都有深远意思。

传统的PLC其硬件体系结构是封闭的，绝大多数PLC具有自己的专用总线、专用通信网络及协议;编程方法虽多为梯形图，但其寻址方式和语法结构也不一致，这些导致PLC产品软硬件系统互不兼容。

IEC61131-3《可编程序控制器的编程软件标准》的颁布为PLC产品编程的标准化奠定了基础。

同时，也为我们自己研究开发PLC系统提供了难得的机会。

近年来，遵循IEC61131-3标准的新一代开放体系结构的PLC产品已经出现，但在国内，形成影响的产品还比较少见。

因此，在这样的国内外背景下研制基于IEC61131-3标准的PLC系统具有重大的意义。

针对PLC的编程软件而言，现有的这些系统只是提供了控制策略编程（采用梯形图语言、IL指令语言等）部分的组态软件（编程环境），没有完善的监控组态的编程环境。

而市面上通用的组态软件又只是解决监控组态的问题，在关键的控制策略组态上没有很好的解决方案，仅仅采用纯粹的脚本编程方式作为控制功能的补充。

因此，集成控制策略组态功能（符合IEC61131-3标准的软PLC）和监控画面组态功能的通用型PLC组态软件必然会成为主流发展方向。

传统的控制组态策略在生成时，不能自动产生完整的数据源文件，因此在根据控制策略产生监控画面以及各种实时控制数据记录时，必须再次进行繁复的数据组合。

控制组态策略与监控画面组态之间的衔接技术，也即监控组态数据源的驱动问题成为组态软件中无缝集成控制策略组态功能和监控画面组态功能的关键问题。

本项目寻求解决这一问题的一种方法，在控制策略组态时，能够根据策略文件自动产生数据文件，数据包括功能块的参数数据、控制回路的输出数据、报警数据及故障数据等。

基于这个数据文件，采用符合标准的编程方法编写画面驱动功能块、报警功能块、数据记录功能块等监控功能，从而形成完整的控制组态集成软件平台。

“嵌入式系统”一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。

它是以应用为中心，软硬件可缩扩的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统；主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。

与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、性能价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根据需要灵活定制。

嵌入式系统主要有4个发展趋势：

（1）开放式平台架构，易于与其他系统整合；

（2）体积越来越小，性能要求更稳定，成本更低廉；（3）应用趋向多元化，需要小批量、快速客制化的服务；（4）功能趋向单一，集成的功能与一般PC不同。

结合国内PLC开发技术实际，研制基于嵌入式体系结构的PLC软硬件系统具有现实意思。

这样的PLC具有面向小型控制应用，实时性好、控制策略相对简单等特点，在单机控制系统、智能化仪器以及智能家居系统中有广泛应用前景。

结合嵌入式测控系统在工业控制、仪器仪表等行业的不断推广应用，嵌入式编程所需的组态软件的作用日益显现，它可大大缩短嵌入式产品投放市场的时间，而且使产品具有丰富的人机界面、嵌入式Web功能及符合IEC61131-3标准的控制逻辑功能，并且可以存储相当数量的历史资料，部分完成现场工作站级计算机的功能。

其体系结构如图1描述。

整个嵌入式通用控制系统分成硬件层运行系统和组态集成开发系统两个部分。

硬件层运行系统由一块扩展了CAN总线的嵌入式主板构成，主要应具有CAN总线驱动功能、RJ45网络连接功能、多个数字输入输出端口、模拟量输入输出及模数转换与数模转换功能、LCD显示驱动功能。

组态集成开发系统是集成了控制策略组态功能和监控画面组态功能的软件系统，在这个组态平台上，我们可以用组态的方式设计基于硬件层运行系统的控制系统。

采用符合IEC61131-3标准的编程方式，编写控制策略，系统能够更具用户产生的控制策略自动的生成监控策略的模型。

运行组态集成系统的PC机与硬件层运行系统之间的通讯方式是一个关键技术点，为了能够实现基本的控制功能和便于实际的开发，选择功能强大的ARM芯片作为硬件层运行系统主板的主控芯片。

采用JTAG的编程调试方式也为控制策略及监控策略目标文件的下载与调试带来方便。

硬件平台的设计采用符合IEC61131-3标准的方式，各个接口按照标准设计，符合开放标准，能够容易的接入大的控制系统，使其成为大型控制系统中的环节控制部分。

硬件部分采用CPU＋接口构成，与传统PLC硬件相比，具有明显得性价比优势，稳定性也能得到保证。

其结构如图2所示。

组态控制技术是计算机控制技术发展的深化，包括控制策略组态、监控画面组态和监控系统运行三个主要系统，采用组态控制技术的嵌入式控制系统最大的特点就是从硬件设计到软件开发都具有组态性，因此系统的可靠性和开发速度提高了，开发难度却下降了。

采用组态技术构成的控制系统在硬件设计上，大量采用各种成熟通用的I/O接口设备和现场设备，基本不再需要单独进行具体电路设计。

这不仅节约了硬件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。

组态软件即是为工业控制开发的专用工具软件，它能为用户提供多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术，就能很好的完成一个复杂工程所要求的所有功能。

组态软件通常包括数据库生成，历史库生成、画面及趋势图生成，抄表生成以及控制回路组态等内容。

组态软件的性能，反映了控制系统的性能，是控制系统与用户进行交互的窗口，组态软件的可视性和图形化管理功能也为生产管理和运行提供了方便。

微处理器技术的发展带动了控制技术和组态软件的发展。

目前嵌入式控制系统的发展速度极为迅猛，但相应的软件尤其是组态软件滞后严重。

现有的嵌入式组态软件产品主要解决监控组态的问题，在关键的控制策略组态上没有很好的解决方案；控制策略组态和监控组态往往是分开的两个软件，在监控组态中只是采用纯粹的脚本编程方式作为控制功能的补充。

控制策略编辑/生成组件是嵌入式组态软件中实现低成本监控的核心软件，它以IEC-1131-3标准为使用者提供标准的编程环境，具有很强的逻辑、算术运算能力和丰富的控制算法。

随着自动控制集成系统技术以及嵌入式控制技术的日趋完善，随着工程技术人员使用组态软件水平的不断提高，用户也对组态软件提出了更高的要求，已不再像过去那样主要侧重画面，而是要考虑一些实质性的应用功能，例如软PLC、过程控制策略、远程联网、冗余等，而且要求组态操作更加简便易行。

基于前述原因，作为整个基于嵌入式PLC控制系统核心部分的集成开发软件系统采用组态模式，主要由控制策略组态环境和监控组态环境两个部分组成，并且监控策略具有更具控制策略自动生成的机制。

控制策略组态软件实际上是基于IEC61131-3标准的软PLC生成系统，它能够在传统PC平台上，通过组态编程方式生成PLC控制策略，这个控制策略组态软件模块应该包含控制策略编辑模块、调试模块、编译模块、连接模块、通信模块、运行虚拟机模块、数据驱动模块、I/O接口和设备驱动模块、仿真模块、项目管理模块以及其它的界面管理、帮助信息等组件。

通过控制策略组态软件生成的策略文件能够通过集成开发软件系统的目标程序下载机制传送到硬件层运行系统上，硬件层运行系统的嵌入式主板通过运行策略目标程序实现控制功能。

控制策略编辑/调试组件是组态软件中最基本的功能模块，它基于IEC61131-3标准为使用者提供标准的编程环境，主要有LD、IL、ST等6种编程语言，其中LD语言采用梯形图的编程方式完成控制策略的生成。

控制策略编辑模块的输入信息来自用户的控制应用编写，并最终生成专有格式的中间文件给编译模块。

编译与连接模块完成用户编写的程序代码的语法及语义检查，最终生成独立于运行环境的目标代码。

通讯模块在编辑环境与运行环境之间建立信息通道，完成代码下载、操作命令和硬件配置参数下达以及运行状态变量读取等功能。

运行虚拟机是整个组态软件的核心部分，它独立于控制组态编辑环境，其作用是执行编译连接产生的目标代码，完成相应的控制功能。

在运行虚拟机执行目标代码的过程中，不断地从I/O模块读取信息、运算及处理信息以及从I/O模块输出信息，从而实现控制功能。

仿真模块可以仿真接口硬件设备，从而在没有硬件的情况下仿真运行用户编制的程序，以便缩短开发周期。

项目管理模块的功能是保存用户编制的控制策略文件、打印文件以及权限管理等。

监控组态是指基于控制策略，根据控制流程和控制流程中的中间变量，用直观的编程方式（如动画、图形组合）完成相应的监控画面、报警信息以及历史数据存档等功能。

监控组态软件是实现监控组态功能的软件编辑环境，它为用户提供灵活多样的组态方式和良好的用户开发界面；其内置的软件模块可以方便的实现监控层的各种功能，并能向管理层提供决策数据信息。

监控组态软件主要由数据表、图形组态模块、实时数据库组态模块、项目管理模块以及图形运行组件、数据库运行组件等部分组成。

图形组态模块、实时数据库组态模块与项目管理模块组成监控组态软件的开发环境，图形运行组件以及数据库运行组件组成监控组态软件的运行环境。

组态后生成图形的数据驱动来源于控制策略组态过程中自动生成的数据表，数据表的生成是无缝集成控制策略组态和监控组态的关键技术。

图形组态模块提供操作界面和流程画面监控生成功能，是监控组态软件中的主要编程工具。

它依照操作系统的图形标准，采用面向对象的图形技术，提供强大的绘图编辑、动画连接和脚本工具。

在动画连接的过程中，从数据表中选择驱动动画的数据源，通过一系列的用户数据文件，最终生成图形目标应用系统供图形运行环境运行时使用。

实时数据库组态模块是建立实时数据库的组态工具，可以定义实时数据库的结构、数据连接、数据类型及相关的各种参数，其数据的主要来源为控制策略生成时自动产生的数据表。

2、目前的研究现状与研究发展趋势

目前，PLC已经发展到了第四代，出了具有更加强大的控制功能和联网功能外，其编程语言也扩展到高级语言领域。

长期以来，在工业自动化控制领域，PLC始终占据主导地位，最近两年，更是占到了一半的市场份额，从低端到高端，都能看到PLC的影子。

由于PLC可以集成到IPC或者DCS控制系统，因此，PLC必将具有更加广阔的发展前景。

嵌入式PLC作为PLC最新的一个发展分支，具有强大的生命力，在中小型控制领域具有不可替代的优越性。

我国的PLC生产研发也有一定发展，尤其在小型PLC领域，有较强的竞争力。

主要生产厂家有苏州机场电器厂、上海香岛机电制造有限公司、天津市自动化仪表厂、北京机械工业自动化所和杭州通灵控制电脑公司等30多家，但其产品