西门子6GK7343-1CX10-0XE0功能介绍

 在目前，国内用户选用的可编程控制器(PLC)仍以国外产品为主，造成这种局面的一个重要原因是欧、美、日等发达工业国家掌握了PLC的技术，其硬软件技术对应用者来说是封闭的，使用者只能从应用的角度学习PLC，而不能参与PLC的开发[1-2]。近年来，IEC61131-3标准的颁布和实施为各PLC生产厂家提供了统一的软件开发准则，开放的单片机技术的发展，为硬件开发提供了有效的物质基础[3]。在这样的背景下，研制开放的PLC系统无论对于科学研究还是促进PLC行业的发展都有积的现实意义。

PLC是一种于工业控制的计算机，其硬件主要由处理器、存储器、输入/输出接口等组成[4]。

 

1 开放式可编程控制器

开放式PLC硬件结构采用CPU+外围模块+接口构成，各个接口都按标准设计，大大提高了PLC的开放性，使其能方便地与大系统连接。编程语言遵循标准IEC61131-3，并将基于PC的编程软件作为PLC编程工具。系统硬件部分采用51内核处理器STC89C51，其为模块化设计，采用滤波、隔离电路，以降。主要电路有：微控制器STC89C51RC、开关量输入电路、继电器输出电路、晶体管输出电路、RS232通信接口电路、电源电路、时钟复位电路和USB通信接口电路等，PLC硬件系统框图如图2所示，软件采用Borland公司集成开发软件C++ Builder，通过集成平台对51内核处理器指令集进行解释、编译，使梯形图语言转换为能被51内核处理器识别的代码。

 

2 系统硬件设计

USB通信部分选择Philips公司的PDIUSBD12[5]芯片作为系统的USB接口器件，片内集成了USB接口电路、SIE、FIFO存储器、收发器以及电压调整器等，可与任何外部控制器或微处理器实现高速并行通信，其速率为2 Mb/s，能够满足设计所要求的速度。

 

3 系统软件设计

系统编辑模块为用户提供编辑环境，接收用户的梯形图程序输入，并将其存储为相应的文件。梯形图语言为一种图形语言，要直接对其进行编译十分困难，因此并不是直接对梯形图程序进行编译，而是先将其翻译成指令语言的文本形式，再对指令语言进行编译。图形语言编译问题的解决，提高了代码的利用率[6-7]。通过提取数据结构中的数据，形成C语言程序文件，经过C51编译器、连接器、转换器的编译、连接、转换过程，生成能够在PLC硬件上运行的可执行文件。

 

3.1 用户界面

PLC用户界面是实现可编程人机交互的重要部分，它以梯形图语言的形式录入用户控制程序，以二进制形式通过串口下载到PLC硬件。

 

PLC在进行逻辑运算之前，对外部信号进行采样[8]，若要实现指令的功能，要设置外部I/O在梯形图中的地址，系统才能够对用户程序中所使用的I/O地址与单片机的引脚地址相匹配。本设计在I/O设置对话框底层设计了如表1所示的数据处理函数。

3.2 USB通信

PDIUSBD12的固件设计成的中断驱动，当CPU处理前台任务时，USB的传输可在后台进行；后台中断服务程序和前台主程序循环之间的数据交换可以通过事件标志和数据缓冲区来实现。当PDIUSBD12从USB收到一个数据包，即对CPU产生一个中断请求，CPU立刻响应中断。在中断服务程序中，固件将数据包从PDIUSBD12内部缓冲区移到循环数据缓冲区，并将PDIUSBD12的内部缓冲区清零，以便接收新的数据包，使CPU可以继续执行当前的前台任务直到完成。本文利用PDIUSBD12的端点1进行命令的传输和应答，端点1每次接收计算机发送过来的8 B指令，其指令格式如表2所示。例如，接收到十六进制码52 01 00 03 00 07 00 50，表示读24C01器件从03字节开始的7个字节的数据。52H为R的ASCII码，57H为W的ASCII码。端点2用于数据的传输。

本文在了解PLC国内外研究状况以及其市场需求的基础上，提出了研发开放式PLC的概念，完成了PLC集成开发系统的C51模块实现方案的设计，将USB通信方式引入PLC领域，所设计的梯形图编辑器提供了梯形图编辑平台，实现了PLC的基本逻辑指令，完成计算机与控制器的USB通信。

培养学生掌握一定的操作技能，是各类职业技术教育的一项重要任务。目前，我国职业技术技能人才的紧缺已制约了快速向前发展，大力发展职业技术教育，加强中、技术技能人才的培养已成为当务之急。因此，职业技术学校作为培养合格技术技能人才的基地之一，理应承担起这一社会责任。从另一个角度来讲职业技术教育要提高自身的社会竞争能力，就要提高办学质量和水平，教学特色，适应当前社会的经济发展和科技进步，培养学生具有较强的实践操作能力和一定的能力、创业能力；特别是培养学生解决生产企业中实际问题的能力，以满足市场经济条件下的社会和企业的发展需求已经刻不容缓。目前，实用型技术人才有着较为广阔的市场需求，所以“维修电工”的含义已不仅仅是传统上的操作和维修了，在内容的设置方面充实新的知识和内容。电气维修如果还只是单纯停留在继电器、接触器控制上就不能满足企业的技术要求。为此，除了要求学生掌握基本的理论知识外，要学生的实践技能和水平。让学生在校学习期间就能在实际操作技术方面达到符合生产实际需要的标准，否则就会被市场需求所淘汰。因此，在维修电工教学中充实可编程控制器及其应用的课题势在必行。那么能否舍弃基础教学环节而急于求成呢？我作为一名职业技术学校电气技术的实习指导教师，经过多年的生产实习教学和实践，有如下一些体会：

一、        欲速则不达。培养学生水平和实践能力要耐心引导，抓好教学的基础训练和学习。

技术学校的学生学习基础参差不齐，在教学上必然存在困难，这就要求我们指导教师基本功要扎实，理论水平要高，因地制宜的安排好教学内容的顺序；才能发挥这些学生的长处并增强其信心，提高他们克服学习困难的勇气，从而让学生由简到繁的掌握各个课题的控制原理和工艺要求。可以说所有的技工学校都是根据国家劳动和社会部技工学校电工类的教学大纲，并结合各自的实际情况各自的教学计划。我校也有自己的模式和特色，且在教学实践中不断的探索和完善。例如二年级的实习课程已涉及机床控制电路的学习，如何使学生领会控制原理，提高学生立安装、维修操作的水平是本实习教学的。为了解决这些问题，一些教师只强调多学多练，这固然重要。然而电器电路的安装及，不是单纯强调多练就能从根本上解决问题的。因为控制电路是多种多样的，不同的控制对象有不同的控制电路且方法、元件亦有多种，故接线方式方法就会各不相同；造成的故障现象也是多种多样、意想不到的。因此，只有利用控制原理去分析其原因，确定、缩小故障可能出现的范围，才能快捷地查找出故障点。如果不用电工理论去深刻领会控制原理，只凭多做多练是难以安装出高质量的电路控制板的，谈不上电路维修了。所以没有一定的电工控制理论基础是学不好维修电工实习课程的，于是我翻阅了实习用的相关教科书，发现机床控制电路不外乎是基本逻辑控制电路。为此，我把学生可以理解和接受的逻辑代数中的逻辑与、逻辑或、和逻辑非的控制关系介绍给同学们，让他们在学习中具备基本的控制理论。而这些知识恰恰与工教学中的数字电路知识和可编程控制器应用技术是紧密联系的。这样既使学生掌握电路的基本分析方法、了解简单机床控制电路的设计技巧，增加了学生的学习兴趣；又为将来步入工学习PLC、复杂设备的维修奠定了基础。

在此基础上，把学生熟悉控制电路、巩固控制理论知识和工艺安装训练依据他们接受的顺序按照步骤安排学生们进行练习。要求学生不考虑配线工艺，根据电气控制原理图在电器安装板上用BVR软导线和实际器件装接。完成后在不通电情况下，组织学生利用万用表进行自查和互查，进一步使学生熟悉所学电路、提高自主学习的兴趣和信心，后老师检查无误再通电试车。由于没有配线工艺的要求，学生可以集中精力掌握和熟悉控制电路，由简到繁、由浅入深、多学多练，使学生学到的控制理论知识马上得到运用和验证，既节省了大量用于安装工艺训练的时间，又大大提高了学生掌握和熟悉控制电路的接受效率。接下来在学生已经掌握控制电路的基础上，再要求学生注重安装工艺技能的练习和掌握，包括电器元件在安装板上的位置要与布线要求、维修方便、美观合理等因素综合考虑。此时的学生已经对电路的器件构成、电路形式、工作原理有了较深刻和直观的认识，接受上述装配工艺要求自然就不困难了。通过实践，这样安排教学便于学生接受机床配电这一单元的知识，并能使学生做到知识上的融会贯通，从而有效的提高了教学效率的同时，提高了学生的技术理论知识和分析解决实际问题的操作技能水平与能力。

二、    以市场导向为根本立足点，注重学生能力的培养。

随着经济的发展和科技的进步，机械行业已经从机械化向智能化方向发展，加工手段已经由技术型向智能型转化。原来有继电器控制的生产设备，因其控制装置体积大、耗电多、性差、改变生产程序不方便等缺点已不能满足产品多元化生产方式的需要。而可编程控制器正是综合计算机技术、自动控制技术以及通讯技术发展起来的新一代工业自动化控制装置。它以其控制能力强、改变生产程序灵活方便、性高等特点，在工业自动化控制中显示出较大的优越性。因此它在自动化控制中得到了广泛应用，使自动化设备不断优化、升级，因而具有广阔的培训前景。目前可编程控制器的应用在我国有了很大的发展，并了良好的经济效益，但由于企业现有技术工人在这方面知识欠缺，难以承担设备维修、程序调整等任务，故在一定程度上影响了企业生产的正常运行。所以我认为技术学校教学内容的设置一定要放宽眼界，瞄准市场的要求，以培养生产所需的劳动者为突破口。为此，我校在完成了电力拖动单元电路和机床控制电路的教学内容基础上，紧随其后安排了可编程控制器这一内容；既使继电器控制的教学内容得到合理的延伸，又降低了教学上的难度便于学生理解和掌握，收到了较好的教学效果。因为学生在学习继电接触器控制课题上有了较扎实的基础，况且可编程控制器又与以往的接触器控制有相同和相似之处，故学生学习起来感觉知识内容既连贯又易于掌握和接受。事实明，这样做还是符合教学规律的。可编程控制器是按照用户的控制要求编写程序来进行的，而程序的编制就是用一定的编程语言把一个控制任务描述出来。我们在教学中采用的是梯形图这种图形语言，因为它沿用了传统的继电接触器控制中的继电器触点、线圈、串并联等术语和图形符号，而且还加进了许多功能强而又使用灵活的指令，将微机的特点结合进去，似的编程容易。梯形图比较形象、直观，对于熟悉继电接触器控制系统的学生来说也易于接受。这种编写程序的语言表达方式，使学生们在学习进程中也很感兴趣。但教学中模拟实验设备的选择会在一定程度上影响教学效果。所以，在模拟实验编程程序时，对于可编程控制器各种输入输出来讲既形象又直观，并且可以根据教学、考核需要，将设备各立的控制环节结合，精心编排，设计例题。例如：在基本指令和梯形图设计的课题中，可以结合所学的电力拖动单元控制电路或机床控制电路进行编程练习和程序的相互修改练习，也可以分别利用1—3台电动机的简单运动进行编程练习。以此来充分发挥设备各控制环节与教学、考核内容之间的联系，较好的完成教学、考核任务，达到一机多用的目的。值得一提的是，可编程控制器技术是一门建立在微机技术及电气自动化控制基础上的学科。实习指导教师和理论课教师应积地通过自学、培训等方式尽快掌握熟悉它，以好的胜任不断发展的教学工作。

三、可编程控制器的教学体会和探讨。

可编程控制器虽然型号、系列、厂家多种多样，但是它们都是采用逻辑指令、梯形图的编程方式。可以通过对某一可编程控制器编程的学习，达到触类旁通的目的。例如我校采用的就是松下FP1系列C16和C24两种型号的可编程控制器。它的编程设备有两种：即便携式编程器和利用编程软件在计算机上编程。考虑到便携式编程器的编程功能所限：体积小、不占空间、但显示屏幕只能显示当前的一条程序指令、前后指令语句只能逐条翻滚显示、一旦输入错误指令不便于操作者对整个程序的检查和修改且无法在bbbbbbs界面下直接利用梯形图编程显示。而利用已经淘汰的IBM80386以上兼容机配以NPST-编程软件来取而带之，可以改善上述不足，且在编程过程中大的方便了操作者对所编程序随时进行检查和修改，使用效果便携式编程器。与此同时还节省了每台可编程控制器另外配备一台便携式编程器所带来的不必要的开支。我校所建的PLC机房共投资了25台可编程控制器，编程器全部采用IBM80386计算机配备编程软件，这样算下来可省去25台便携式编程器的额外开销。同时，使用计算机编程软件进行教学，不但克服了编程器的局限性，还有许多优点：诸如易实现网络化教学、脱机编程减少教学设备投入、学生上机实习或考核的时间不再受PLC机器数量的限制等。

通过一段时间的教学实践，使我感到可编程控制器技术是一门理论性、趣味性、实践性都很强的课程，而它又与机床电器控制电路有着密不可分的紧密联系。只要我们从教学实践出发，抓好教学的基础训练，以市场需求和导向为根本立足点，合理安排好教学内容的先后顺序，注重学生学习兴趣和能力的培养，就一定能确保教学质量，在教学中很好的社会效益和经济效益的。也只有这样，我们的职业技术教育才能在激烈的市场竞争中求得发展，焕发出勃勃的生机与活力。 

数控机床中,通常用可编程控制器(PLC)对机床开关量信号进行控制。PLC性高,使用方便。但在大多数数控机床,特别是经济型数控机床中,要求的输入输出点数并不多,通常在60点以下,因此,为了降低数控机床成本,在基于工业PC机的数控系统中,可以采用开关量I/O板加外接继电器,配合主机的软件对机床开关进行控制。但如果PC机采用单任务操作系统(如DOS),数控系统的所有任务运行都置于一个总体的消息循环中,软件的模块化和可维护性较差,系统故障的风险相对集中,而且不能充分利用PC机系统资源。而采用非实时多任务操作系统(如bbbbbbs)时,Win32API的设计没有考虑到实时环境的开发用途,其系统调用的效率不高,不能满足数控系统PLC控制的实时性要求。

 

    为此,本文提出一种基于RT-Linux操作系统的嵌入式PLC,利用RT-Linux的开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性和多线程/多任务的系统环境,在保证实时性的同时,使故障风险相对分散。

 

    数控系统嵌入式PLC的硬件结构

 

    数控系统硬件建立在通用工业PC的开放体系之上,数控系统嵌入式PLC硬件包括:工控机及其外围设备,基于ISA总线的开关量输入输出接口卡,光电隔离模块,继电器输出模块。其结构如图1所示。    

 

    工控机采用RedHatLinux810+RTLinux311操作系统,数控系统的人机界面、数控代码处理、轨迹规划、参数管理以及PLC控制都通过工控机由软件来实现,不需要立的PLC控制器,减少了数控系统对硬件的依赖,有利于提高系统的开放性。

 

    I/O输入输出信息通过PC机I/O接口卡实现主机与伺服接口模块和I/O接口模块之间的信息交换,PC机I/O接口卡基于ISA或者PCI总线。

 

 

    RT-Linux的体系结构

 

    RT-Linux是基于Linux系统并可运行于多种硬件平台的32位硬实时操作系统(hardreal-timeoperatingsystem)。

 

    它继承了MERT系统的设计思想,即以通用操作系统为基础,在同一操作系统中既提供严格意义上的实时服务,又提供所有的标准POSIX服务。RT-Linux源代码公开,易于修改,使系统成本降低,源代码的公开使数控系统的开发摆脱了对国外软件公司的依赖,有利于提高数控软件国产化程度。

 

    RT-Linux是基于Linux并可运行于多种硬件平台的多实时操作系统。通过修改Linux内核的硬件层,采用中断技术,在内核和硬件之间实现了一个小而的实时内核,并在实时内核的基础上形成了小型的实时系统,而Linux内核仅作为实时系统级的任务运行。对于普通X86的硬件结构,RT-Linux拥有出色的实时性和稳定性,其大中断延迟时间不过15μs,大任务切换误差不过35μs。这些实时参数与系统负载无关,而取决于计算机的硬件,如在PII350,64M内存的普通PC机上,系统大延迟时间不过1μs。RT-Linux按实时性不同分为实时域和非实时域,其结构如图2所示。  

 

实时域在设计上遵循实时操作系统的设计原则,即系统具有透明性、模块化和可扩展性。RT-Linux的实时内核由一个部分和多个可选部分组成,部分只负责高速中断处理,支持SMP操作且不会被底层同步或中断例程延迟或重入。其它功能则由可动态加载的模块扩充。RT-Linux把不影响系统实时性的操作(即非实时域的操作)都留给了非实时的Linux系统完成。基于多任务环境的Linux为软件开发提供了丰富的系统资源,如多种进程间通讯机制,灵活的内存管理机制。

 

    嵌入式PLC的设计及实现

 

    嵌入式PLC的模块组成

 

    数控系统的PLC控制模块实时性要求较高,因而在系统的实时域内运行。根据通用数控系统的PLC控制以及数控系统软件模块化设计的要求,将数控系统的PLC控制模块作为RT-Linux系统的实时任务之一,其级和调用周期取决于数控系统各任务的实时性要求   以及控制要求的响应时间。PLC控制模块主要完成数控系统的逻辑控制,而被控制的输入输出也就是I/O的输入输出由PC机I/O接口卡输入输出模块来完成,即完成数控系统的PLC控制需要两个RT-Linux实时任务,如图3所示,这两个任务分别为RT-Task1(以下称“适配卡输入输出”)、RT-Ta(以下称“PLC控制”)。

 

    基于RT-Linux系统的嵌入式PLC实时任务关系图,其中适配卡输入输出主要是完成数控系统的输入输出,即各轴位置控制命令的输出、I/O的输出、I/O输入以及位置反馈输入,它实际上是数控系统控制卡的设备驱动模块,其级在数控系统的各实时任务中为。根据其硬件特征以及运动控制要求,其响应周期为100μs,响应时钟周期由PC机I/O接口卡上的硬件定时器产生。根据RT-Linux系统对硬件中断的响应机制,输入输出控制任务的实时性是可以保证的,这一点在我们的数控系统已经得到验证。

 

    PLC控制主要是完成数控系统的PLC控制功能,其任务级适配卡输入输出,同时也数控系统的精插补实时任务和位置伺服实时任务。根据通用数控系统的PLC控制要求,确定其响应周期为5ms,响应周期由RT-Linux的软件定时器产生,根据RT-Linux系统的实时多任务调度机制,PLC控制任务的实时性是可以保证的。在实际应用中也得到验证。

 

    嵌入式PLC的实时任务模块数据通讯

 

    完成数控系统PLC控制的两个实时任务之间由于需要输入输出的数据量(一般情况下为64输入,64输出,但输入输出根据需要还可以扩展)不太大,因而采用共享内存的通讯方式,在适配卡输入输出和PLC控制

 

    两个实时任务之间开两块共享内存,一块用于适配卡向PLC控制传输I/O口状态信息,另一块用于PLC控制向适配卡输入输出任务传输经PLC逻辑处理后的控制信息。

 

    在这里,两个实时任务间不采用RT-FIFO进行通讯的原因在于这两个实时任务间通讯的数据量不是很大,而这两个实时任务运行周期差别较大,采用RT-FIFO传输数据,为了避免FIFO的阻塞,相应地要增加两个任务间的协调机制,这样的通讯效果未必比采用共享内存好,而且共享内存的读写速度比FIFO相对较快。

 

    嵌入式PLC的实时任务的实现

 

    适配卡输入输出为动态可加载模块,适配卡输入输出模块(任务)以100μs为周期的硬件定时中断,完成各轴位置控制指令和I/O的输出、各轴位置反馈值和I/O的输入,适配卡输出值来自于位置伺服任务和PLC控制任务,输入值来自于适配卡的输入接口。PLC控制模块(任务)同样也是一个动态可加载模块,它以5ms的软定时,周期性地从它与总控模块通讯的RT-FIFO读取控制信息(如M指令,S指令及T指令),同时从它与适配卡输入输出模块通讯的共享内存中读取I/O信息,然后进行逻辑处理,后将写入共享内存供适配卡输入输出模块读取并输出。

 

    结论

 

    目前该嵌入式PLC模块已成功应用于清华大学精仪系制造工程研究所THHP-III数控系统(基于RedHatLinux8.0+RTLinux3.1)中,该模块可以满足对普通数控系统和加工PLC控制要求。

 

     到了现场后，进行系统安装前，需要考虑安装环境是否满足PLC的使用环境要求，这一点可以参考各类产品的使用手册。但无论什么PLC，不都能装设在下列场所：含有腐蚀性气体之场所，阳光直接照射到的地方，温度上下值在短时间内变化急遽的地方，油、水、化学物质容易侵入的地方，有大量灰尘的地方，振动大且会造成安装件移位的地方。

         如果要在上面的环境使用，则要为PLC制作合适的控制箱，采用规范和必要的防护措施。如果需要在野外低温度下使用，可以使用有加热功能的控制箱。如何做这些防护箱或控制箱，各制造商和和资格的系统集成商将会为客户提供相应的供应和设计。

         在使用控制箱时，在控制箱内OpenPLC安装的位置要注意如下事项：控制箱内空气流通是否顺畅（各装置间须保持适当的距离），变压器、马达控制器、变频器等是否与PLC保持适当距离，动力线与信号控制线是否分离配置，组件装设之位置是否利于日后之检修，是否需预留空间，供日后系统扩充使用。

         除了上述注意事项之外，还有其它注意事项要留意。

          比较重要的是静电的隔离。静电是无形的，但可能因为不会对人造成生命危险，所以许多人常常忽视它。在中国的北方、干燥的场所，人体身上的静电都是造成静电损坏电子组件的因素。虽然你被静电打到的话，只不过是轻微的酥麻，但这对PLC和其它任何电子器件就足以致命了。

         要避免静电的冲击有下列三种方式：在进行维修或换组件时，请先碰触接地的金属，以去除身上的静电；不要碰触电路板上的接头或是IC接脚；电子组件不使用时，请用有隔离静电的包装物，将组件放置在里面。想象PLC里的元器件是一个娇嫩的婴儿，而那些静电会导致这个婴儿死亡，你就会容易以正确的态度对待这个问题了。

         基座安装（RACK）时，在决定控制箱内各种控制组件及线槽位置后，要依照图纸所示尺寸，标定孔位，钻孔后将固定螺丝旋紧到基座牢固为止。在装上电源供应模块前，同时注意电源线上的接地端有无与金属机壳连结，若无则须接上。接地不好的话，会导致一系列的问题，静电、浪涌、外干扰，等等。由于不接地，往往PLC也能够工作，因此，不少经验不足的工程师就误以为接地不那么重要了。这就像登山的时候，没有系上保护缆绳一样，虽然你正常前进的时候，保护缆绳没有任何作用，但一旦你失足的时候，没有那根绳子，你的生命就完结了。PLC的接地，就相当于给PLC系上保护缆绳。

          在I/O模块安装时，须注意如下事项：I/O模块插入机架上的槽位前，要先确认模块是否为自己所预先设计的模块；I/O模块在插入机架上的导槽时，务必插到底，以确保各接触点是紧密结合的；模块固定螺丝务必锁紧；接线端子排插入后，其上下螺丝旋紧。由于现场的变压器、电机等影响，多少会有振动，如果这些螺丝钉松动了，会导致模块从机架中松开。