嵌入式PLC系统开发

摘要

　　可编程逻辑控制器（简称 PLC），通俗来说就是通过处理器对工业设备加以控制的装置，它实现了三位一体，即工业自动化技术、通信技术和计算机技术于一体，这种技术在控制领域内，拥有及其广泛的应用。我国的 PLC 发展目前仍处于起步阶段，国产 PLC 的国际市场占有量仅为 10%，作为一个庞大的市场量，开发具新型的、技术领先的国产 PLC 对于走进国际化市场十分重要。然而开发 PLC 系统最困难的部分是对于 PLC 上位机编程软件与下位机的统一结构化的编程，这也是为什么 PLC在国内无法进一步推动的原因。为了提高执行效率，方便设计的统一性，国际电工委员会（简称 IEC）正式颁布了 PLC 编程语言的国际标准 IEC61131-3，有了该标准， PLC 编程软件的开发走入了新的次序，编程设计变得相对简单，方便维护。

　　本次课题的主要任务是开发一套基于 IEC61131-3 标准的 PLC 上位机软件及采用 STC89C52RC 单片机作为控制芯片的嵌入式 PLC 系统。参考国外 PLC 软件软件编程布局，结构化设计的相关思想，本次设计的上位机软件平台选择梯形图和指令表作为编程语言，采用分块设计方法，整个系统分为梯形图和指令表编辑器模块、梯形图与指令表的转换模块、指令表到 C 语言转换模块、通信模块、错误处理模块、以及仿真监测模块。

　　在整个 PLC 软件的开发中，采用 VC++的 MFC 封装类库作为开发工具。系统也基本实现了 PLC 语言编译器的设计，整个 PLC 编程软件平台界面友好，操作简单方便。下位机采用光耦抗干扰设计，多路输入输出。通过联机实例测试，运行结果表明，编程软件各项功能符合设计要求，程序下载到下位机运行正确，反馈信息正常，系统设计方案切实可行。

　　关键词: 可编程控制器 IEC61131-3 梯形图 指令表 编译器

Abstract

　　Programmable logic controller (PLC) is one of the industrial equipment devices controlled by the processor. It realizes trinity, moving industrial automation, communication technology and computer technology into one body. Whenever, This technology owns wide application in the control field. However, The development of our country is still in the start stage. The domestic PLC shared only 10% of international market in our country. As a huge market capacity, It becomes very important to design a PLC with leading technology and new types. Our domestic PLC can not go further for the low machine structuring software programming, which is the most difficult part of the development of the PLC system. In order to improve the execution efficiency and convenience of design, The international electrotechnical commission(IEC) formally introduced the PLC programming language with the standard of IEC61131-3. It indicates that the PLC programming software will develop into a new order. The programming design will become relatively simple and conveniently maintenance.

　　The main task of this subject is to design a set of PLC based on the IEC61131-3 standarded of PC software and using STC89C52RC MCU as the chip embedded PLC system. Reference of foreigner PLC software and structured method, The design of upper software platform selects the ladder diagram and instruction list as the programming language. The whole system is devided into ladder diagram module , instruction list editor module, ladder diagram instruction list table conversion module, C language conversion module, communication module, error processing module and monitoring module by using block design method.

　　In the whole proceeding of PLC software, We use VC++ MFC wrapper class library as a tool. System has basically achieved the design of the PLC language compiler. The PLC software owns the characteristics of friendly interface, simply operation and convenience. The machine adopts light coupling design, multiple input and output. The results show that the programming software functions meet the design requirements through an example tested online. As the result, We found that the program downloaded to the next bit machine run correctly. The feedback is correct. system design scheme is feasible.

　　Key words: Programmable Controller IEC61131-3 Ladder diagram Instruction list Compiler

　　PLC（Programmable Logical Controller）我们称为可编程逻辑控制器，它是一种以微处理器为基础的工业自动控制器，是继电器控制系统的发展[1]。PLC 采用计算机设计的类似思路，拥有可编程的外部 ROM 和内部 RAM，其中内部 RAM 可以存放执行的逻辑运算结果，同时可以存放计数\定时的相关指令，通过 PUSH 功能可以实现相关的随机控制、定点控制、逆序控制和顺序控制。其输出是两排模拟开关，它可以实现数字量和模拟量的输出操作，通过数字量和模拟量控制继电器实现开关操作，这样就可以实现工业继电控制。PLC 作为科技发展的新型继电器工控装置，它拥有的优势非常多，其中包括简化了电气接线。解决了传统继电器接线复杂的问题，同时由于微处理器的应用，它变得灵动，体积小。如今，随着工艺的进步，处理器无论是运算速度和效能都体现出无比巨大的优势，对比机械接线实现的逻辑运算，真正意义上实现了快、准、狠。采用微处理器的继电器控制其性能稳定、通过微控制器的反馈控制可以获得实时监测，方便维护，尤其是它能在广泛极端恶劣的工业环境下获得足够的工作可靠性，所以被越来越广泛的应用在各个行业，成为工业自动化的主要应用工具[1]。

　　当前市场对生产设备和自动化生产线的控制系统要求能够对制造业需求做出迅速的反应，生产出质量符合规格的产品，生产出规格众多的符合生产工艺的产品，可编程逻辑控制器正是顺应这一趋势而出现的，它的出现加快了自动化前进的速度。早期的工业控制中，设备的控制是通过传统继电器接线得到的，尤其是开关量顺序控制应用普遍，这些控制具有逻辑上的连续性，因此可以采用连锁保护动作实现控制，这种早期的电气控制成为了发展的基础。相对来说，这种传统的控制很难实现离散的精确控制。相对于后期所需要的采集功能，需要的电气接线数目庞大。

　　进入 20 世纪中期，汽车的保有量开始增多，汽车的生产采用人工方式无法继续，汽车生产线基本由自动化生产装置构成。这些数目庞大的自动化装置需要按照一定的顺序流程进行，对于当时的电气控制而言，这是一件很困难的事情。不光如此，对于美国通用这样的大公司而言，小轿车或者跑车的每一次换代升级都需要在内部重新设计电气控制走线，和重新考虑继电器的设计和安装，这不仅费时费力，而且人工费高昂，这也是为什么当时汽车价格居高不下的原因。同时，这也阻碍了汽车工业的向前发展[2]。为了改变现状，美国通用公司进行了公开招标，希望相关的公司能够尽快设计出全新的智能化继电器工控装置。正是基于此，20 世纪 60 年代末，Digital Equipment Corporation（即美国 DEC 公司）研发出了第一台可编程逻辑控制器（PLC），在美国 GM（通用汽车）的自动化装配线上试用，效果良好。新型的PLC 控制器可以自定义内部矫正循环序列，可以进行随机线性控制，内部集成充足的 RAM 运算包，受干扰小，稳定等一系列优点。

　　在国外，PLC 的研发起步时间较早，因此工业化城镇化的进程中普及率很高，到目前为止，欧美日制造厂家超过 200 家，产品系列有几百种。大型生产厂家主要有日本的三菱、OMRON(欧姆龙)公司；德国的 SIEMENS(西门子)公司，法国的 TE公司等。这些公司在全球具有垄断地位。

　　这些国外大型的 PLC厂家拥有共同的特点是产品线丰富,在拥有大型 PLC的同时，拥有很多小型的 PLC , 他们能够为客户提供完整的配套服务，从上位机软甲到下位机的硬件平台采用一体化设计，编程软件统一为 IEC61131-3 标准，通常采用梯形图和指令表进行设计，这些大型厂家的 PLC 可以采用多种方式连接和扩展，多用于运动控制和 DCS 系统，可以构成完整的工业控制系统[9]。当然，这些大型 PLC厂家之间是无法做到互通的，即彼此软件和下位机定向产品是不兼容的[3]。

　　目前为止，国外的 PLC 开发周期越来越快，更新频率越来越高，新的软件更加贴合用户实际，界面更加人性化，编程软件可以支持更多的编程方式，并且不同编程软件的转换方式更加智能，现在国外的 PLC 编程软件都拥有强大的调试功能，可以很方便的让我们获得错误信息，而且高度集成了仿真，实时传输功能，可以让我们在电脑上模拟各种工控的实际情况，使得开发工作具有良好的预见性。现阶段大型 PLC 厂家的主要工作在于完善编程软件的可移植性开发，在可预见的未来，随着Windows 10 的出现，平板、手机、电脑统一开发将无疑变成了一种新的趋势。下面介绍下三菱变成软件和西门子的编程软件。

　　嵌入式PLC系统测试：

系统电源转换模块

继电器驱动电路

继电器工作电路

光耦隔离电路

Altium Designer 生成 PCB 版图

PLC 软件弹出界面

新建工程

梯形图编辑界面

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　第 1 章 绪 论
　　　　1.1 可编程逻辑控制器（PLC）的历史
　　　　1.2 可编程控制器(PLC）国内外的发展状况
　　　　　　1.2.1 国外 PLC 的发展状况
　　　　　　1.2.2 国内 PLC 的发展状况
　　　　1.3 课题研究意义和内容
　　　　　　1.3.1 课题研究的意义
　　　　　　1.3.2 本文主要工作内容
　　　　1.4 本章小结
　　第 2 章 嵌入式 PLC 系统总体设计方案
　　　　2.1 软件总体设
　　　　　　2.1.1 设计需求
　　　　　　2.1.2 嵌入式 PLC 软件设计方案
　　　　　　2.1.3 研发工具的选择
　　　　2.2 IEC61131-3 标准
　　　　　　2.2.1 概述
　　　　　　2.2.2 IEC61131 标准的构成
　　　　　　2.2.3 IEC61131-3 的编程语言
　　　　2.3 硬件设计架构
　　　　2.4 本章小结
　　第 3 章 嵌入式 PLC 软件系统设计
　　　　3.1 梯形图编辑器的设计
　　　　　　3.1.1 梯形图语言介绍
　　　　　　3.1.2 梯形图编辑器的设计
　　　　　　3.1.3 梯形图的表示
　　　　　　3.1.4 梯形图的存储
　　　　　　3.1.5 梯形图的绘制区设计
　　　　3.2 指令表编辑模块的实现
　　　　3.3 梯形图转换为指令表语言
　　　　　　3.3.1 数据结构
　　　　　　3.3.2 梯形图错误处理部分
　　　　　　3.3.3 梯形图转化为指令表算法
　　　　3.4 指令表转换为梯形图
　　　　　　3.4.1 转换思想
　　　　　　3.4.2 具体实现过程
　　　　3.5 指令表到 C 语言的转换
　　　　3.6 动态库链接的使用
　　　　　　3.6.1 动态链接库的访问和调用
　　　　　　3.6.2 C 语言转换为 16 进制的实现
　　　　3.7 编程界面设计
　　　　　　3.7.1 主框架设计
　　　　　　3.7.2 菜单设计
　　　　　　3.7.3 工具栏设计
　　　　　　3.7.4 状态栏的设计
　　　　3.8 本章小结
　　第 4 章 嵌入式 PLC 串口通讯设计
　　　　4.1 RS-232 串口通讯简介
　　　　4.2 PLC 串口开发
　　　　　　4.2.1 创建多线程
　　　　　　4.2.2 通信协议的制定
　　　　　　4.2.3 串口通讯代码
　　　　4.3 监视功能
　　　　4.4 本章小节
　　第 5 章 嵌入式 PLC 硬件电路与系统测试
　　　　5.1 硬件模块介绍
　　　　　　5.1.1 电源稳压电路模块
　　　　　　5.1.2 继电器工作电路模块
　　　　　　5.1.3 硬件电路 PCB 板
　　　　5.2 联机测试
　　　　5.3 本章小结
　　第 6 章 总结与展望
　　　　6.1 研究总结
　　　　6.2 研究展望
　　致 谢
　　参考文献

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