作 者：中國礦業(yè)大學信電學院 / 張志龍

1 引言

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器有了長足的發(fā)展。1968年，美國最大的汽車制造商gm公司為了自身汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展，提出新一代控制器應具備十大條件。這成為了當代可編程控制器的發(fā)展動向。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）成功研制世界第一臺可編程序控制器pdp-14，并在gm公司的汽車自動裝配線上首次使用并獲得成功。從此，這項新技術(shù)迅速在世界各國得到推廣應用。20世紀70年代，日本、西歐國家也相繼引進和研制出自己的第一臺可編程控制器。我國從1974年開始研制，1977年開始工業(yè)推廣應用?？删幊炭刂破鳜F(xiàn)在已經(jīng)成為我國工業(yè)設(shè)備控制使用增長速度最快的控制器。由于控制器出現(xiàn)以后，名稱混亂，功能也各不相同，因此美國電氣制造商協(xié)會（nema）和國際電工委員會（iec）分別于1980年和1985年對可編程控制器（pc）進行了定義。這就是后來說的“藍領(lǐng)計算機”。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、現(xiàn)代自動控制技術(shù)的高速發(fā)展，可編程控制器的數(shù)學處理能力、網(wǎng)絡(luò)通訊能力和智能控制能力等得到大大提高。在1994年可編程計算機控制器（programmable computer controller簡稱pcc）的概念被提出來，它代表了當今工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。奧地利貝加萊(b&r)工業(yè)自動化公司的pcc為其典型代表，其是集計算機技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)（3g技術(shù)）為一體的新型工業(yè)控制裝置。

2 pcc功能模塊構(gòu)成及其特點

pcc一種計算機控制系統(tǒng)，具有中央處理器（cpu），輸入/輸出（i/o）接口、電源等，其構(gòu)成如圖1所示。pcc實現(xiàn)了系列化、模塊化、標準化的設(shè)計，使得其設(shè)計、安裝比較容易，調(diào)試周期短、維護簡單等特點，其所有的輸入輸出接口電路均采用光電隔離，可有效抑制外部干擾源對pcc的影響。另外，pcc模塊品種豐富，通信接口完善，配置簡單，可較容易組網(wǎng)通信?，F(xiàn)代的pcc已經(jīng)從較小規(guī)模的單機順序控制發(fā)展到包括過程控制、運動控制、步序控制等，廣泛應用在塑料、包裝、印刷、造紙等許多行業(yè)中的控制，這些應用極大地提高了這些行業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。

程序執(zhí)行上，pcc采用分時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它可以很好地實現(xiàn)實施多任務(wù)，用戶可以根據(jù)自己的生產(chǎn)需要，編制自己的程序并設(shè)定循環(huán)時間。控制系統(tǒng)為用戶提供了八個不同循環(huán)時間和不同優(yōu)先級別的任務(wù)等級，同時它是一個可自定義、具有確定性的實施多任務(wù)操作系統(tǒng)。同時，為了能夠給技術(shù)人員和編程人員提供更多的服務(wù)，方便用戶得到自己關(guān)心的數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)狀態(tài)等情況，pcc編程系統(tǒng)為用戶提供了很多不同的診斷工具。這些工具可以顯示正在運行的概要，可以讀取、存儲和修改信息，可以深入系統(tǒng)并優(yōu)化它。

圖1 pcc模塊功能構(gòu)成

3 貝加萊2000系列pcc

b&r2000系列pcc有2003系列和2005系列。包括：cpu模塊、總線控制器模塊、通訊模塊、電源模塊、現(xiàn)場總線模塊、數(shù)字量、模擬量輸入、輸出模塊計數(shù)和定位模塊等。b&r2000系列pcc硬件具有如下特點[2]：①硬件模塊化；②網(wǎng)絡(luò)通信能力；③有與hmi通訊的接口；④有工業(yè)汁算機能力；⑤emc符合en61131—2；⑥可靠的i/o總線協(xié)議；⑦獨立的i/o總線和系統(tǒng)總線⑧具有工業(yè)強度的端子排；⑨多i/o總線系統(tǒng)的高性能。

圖2 2003系列pcc

（1）2003系列小型pcc（見圖2）

2003系列屬于小型pcc，其特點為：2003系列采用了極高性價比的緊湊型設(shè)計，節(jié)省了裝備的空間；can總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了操作面板、顯示單元、驅(qū)動以及其他外圍設(shè)備直接的連接；遠程i/o系統(tǒng)實現(xiàn)了通過can進行遠程控制的可能；大量的旋入式模塊也確保了任何傳感器和執(zhí)行器信號的連接；實現(xiàn)機器或系統(tǒng)中分布式或集成單元，單元間的主干通信通過標準的以太網(wǎng)tco/ip網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線實現(xiàn)，在每個單元中，2003系列可通過驅(qū)動操作面板和外圍設(shè)備進行擴展，依據(jù)機器單元所需的計算能力選擇合適的cpu模塊；2003系列的緊湊型控制器也適用于大型系統(tǒng)，如果帶本地i/o的cpu通過ethernet powerlink與各個分布式組件連接，便可創(chuàng)建一個用于高動態(tài)運動任務(wù)

（2）2005系列中型pcc（見圖3）

2005系列屬于中型pcc，是貝加萊(b&r)出品的高性能可編程計算機控制器(pcc)，其不僅具有2003系類的特點外，還有以下優(yōu)點：支持嵌入式pc-based技術(shù)，同時具有很強的分析計算能力，其外圍信號輸入輸出的巨大帶寬可滿足機械制造、工廠自動化及過程自動化的所有要求，配合貝加萊(b&r)的其它產(chǎn)品，如i/o系統(tǒng)，工業(yè)pc及控制器等，可創(chuàng)建滿足最高要求的自動化方案；依靠先進的接口、現(xiàn)場總線系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)及外圍設(shè)備，可完成最佳的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)；最新的2005系列基于intel兼容處理器，具備最先進的構(gòu)架，創(chuàng)造性的pc技術(shù)如compact flash存貯，以太網(wǎng)連接以及apci擴展插槽等的使用使得it世界中高性能產(chǎn)品在自動化領(lǐng)域也得以應用；編程采用全兼容、格式統(tǒng)一的b&r automationstudiotm；為了減少接線，2005系列的i/o模塊可以實現(xiàn)遠程操作，總線控制器擺脫了位置限制，并使連接端子更接近于機器，通過ethernet powerlink傳輸數(shù)據(jù)也是分布式系統(tǒng)實現(xiàn)最高性能的保障。

2005模塊安裝于底板上，底板又安裝于配電柜中的導軌上，傳感器和執(zhí)行器信號的連接都預配置于插入式端子排上，這也就將配電柜中的工作減至最少，2005系列的電源也安裝于底板上，并且有各種電源電壓值可選。每個從邏輯上相獨立的機器單元或產(chǎn)品單元都配備獨立的控制器，用于控制本地驅(qū)動及i/o系統(tǒng)，對這些相互獨立的單元進行的配置、編程及測試工作在發(fā)貨之前就能輕易完成，單元之間對時間要求不是很高的通信以及其間的操作乃至顯示站點以及工廠網(wǎng)絡(luò)都可架構(gòu)于以太網(wǎng)tcp/ip和opc之上。

圖3 2005系列pcc

4 pcc編程系統(tǒng)

4.1編程語言

眾所周知，傳統(tǒng)的工業(yè)可編程控制器編程語言為梯形圖，與大多數(shù)可編程控制器一樣，pcc也采用面向控制過程、面向問題的簡單而直觀的控制型語句，直接表達被控對象的動作及輸入輸出關(guān)系，直接表達被控對象的動作及輸入輸出關(guān)系。常見的編程語言有：梯形圖lad(ladder diagram)、指令表il(instruction list)、結(jié)構(gòu)文本st(structured text)、順序功能圖sfc(sequential function chart)、b&r automation studio，以及標準c語言(ansic)等，其中梯形圖lad和指令表il(instruction list)語言目前仍在pcc的使用中很流行，而b&r automation studio和標準c語言(ansic)由于其強大的功能，得到了越來越廣泛的應用。

圖4 automation studio編程界面

4.2開發(fā)環(huán)境

目前使用的貝加萊編程軟件為automation studio。圖4為編程軟件的用戶界，automation studiotm用戶界面包括以下內(nèi)容：

主菜單：b&r automation studiotm的主菜單可進入所有功能。

工具條：工具條中的按紐可快速運行多個命令和功能。

工作區(qū)：打開項目時在這里顯示，項目窗口可調(diào)節(jié)到最大或合適的窗口大小。

信息窗體：信息窗體位于編程窗體的下方，顯示編譯信息，調(diào)試信息等。此外，還顯示搜索功能“find in files”的結(jié)果。

狀態(tài)條：狀態(tài)條位于整個窗體的下方，顯示以下信息：關(guān)于菜單命令或工具條圖標的簡短幫助；編譯步驟的簡短信息；編程設(shè)備和目標系統(tǒng)的在線連接狀態(tài)；當前活動窗體的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（1）狀態(tài)欄（見圖5）

在automation studio中，狀態(tài)欄位于窗口的底部。在窗體的右下方會顯示以下信息：

a.offline（離線）－與目標系統(tǒng)沒有連接

b.連接到的目標系統(tǒng)

c.cpu 類型+控制器上的操作系統(tǒng)版本

d.控制器狀態(tài)。

圖5 狀態(tài)欄

（2）錯誤記錄本

操作系統(tǒng)會記錄應用程序中發(fā)生的所有致命錯誤、警告和信息。這些錯誤存儲在系統(tǒng)的錯誤記錄本中，并且通過工程窗口可以瀏覽，錯誤記錄本也可以存為一個文件。錯誤記錄本位于控制器的存儲器中并可以從存儲器中上載。選擇軟件窗口中的log book 標簽打開錯誤記錄本。

（3）監(jiān)控窗口（watch）

監(jiān)視窗口的首要目的是觀察和修改控制器的變量。除了變量值，也可以顯示其它重要的信息（數(shù)據(jù)類型、范圍、i/o數(shù)據(jù)點等）。變量以列表的形式來管理，不同的配置（變量組）也可以存儲。通過點擊快捷菜單中insert variable，可以在watch（監(jiān)視）窗口中添加所選任務(wù)的變量。在監(jiān)視窗口中，紅色的燈表示輸出變量，綠色的燈表示輸入變量。雙擊變量的value框會彈出強制選項窗體，確認后就可以強制改變變量的值。當開啟強制狀態(tài)時，系統(tǒng)會將在監(jiān)視窗口輸入的值會寫到軟件或硬件中，而與i/o數(shù)據(jù)點的狀態(tài)值無關(guān)。監(jiān)控可以用來獲得目標系統(tǒng)的信息。

（4）軌跡跟蹤

在對變量進行檢測時，由于一些變量變化太快，而使watch窗口無法跟上它們的變化。因為這些變量的變化是隨機的，所以很難確切的說出它們的變化，于是就有了跟蹤器（tracer）。這個工具可以報告變量值隨時間的變化并以圖表的形式顯示出來。圖表結(jié)果可以存儲起來作為以后的觀察和處理。當系統(tǒng)監(jiān)控啟動時，可以通過點擊快捷菜單下的trace來打開它。

（5）調(diào)試器

調(diào)試器可以捕捉到在文本編程語言中隱藏的軟件錯誤。通過在源程序中設(shè)置斷點，使程序在設(shè)置斷點的代碼行停止執(zhí)行。這就可以確定變量值和當前所執(zhí)行的程序行的直接關(guān)系。當你想詳細了解正在運行的程序時，可以使用step into（進入）和step over（跳過）功能鍵完成這個程序段。

（6）profiler

profiler工具可以測量和顯示重要的系統(tǒng)文件，比如：任務(wù)運行時間；堆棧利用率；系統(tǒng)利用率等。根據(jù)系統(tǒng)利用率（負載）來分析系統(tǒng)運行時間，這個信息可以幫助用戶如何使用資源來優(yōu)化系統(tǒng)。

（7）pvi傳輸工具

pvi傳輸工具是一個多功能的診斷和服務(wù)工具，它不僅僅限于傳輸工程，還結(jié)合了幾個不同的診斷功能并且在安裝pvi runtime&server時可選擇安裝pvi傳輸工具。在automation studiotm中進入tools菜單后選擇pvi transfer tool來啟動pvi傳輸工具。如果沒安裝automation studiotm，也可以在windows start在菜單下直接啟動[6]。

圖6為pvi傳輸工具提供的功能圖。

圖6 pvi功能構(gòu)成

5 總結(jié)

可編程計算機控制器pcc作為現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，集合了傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的優(yōu)點和高性能，具有友好的編程平臺、編程語言應用廣泛，編程簡單易學。品種豐富pcc模塊，系列化、模塊化、標準化的設(shè)計使得它應用方便，通用性好，功能強大高速處理能力的cpu、先進的操作系統(tǒng)，高可靠性和抗干擾能力。實施多任務(wù)處理系統(tǒng)使得控制過程更加靈活。勝任大型的集散控制、復雜的過程控制和高精度的運動控制，能夠完成各種規(guī)模的現(xiàn)場控制任務(wù)，應用前景非常廣闊。

作者簡介

張志龍 (1985-) 男 碩士研究生，現(xiàn)就讀于中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，研究方向為電機控制與變頻器負面效應。

參考文獻(略）