中小规模可编程逻辑控制器的研制硕士学位论文.doc

分类号： 密级： 硕 士 研 究 生 学 位 论 文中小规模可编程逻辑控制器的研制 分类号： 密级： 硕 士 研 究 生 学 位 论 文中小规模可编程逻辑控制器的研制 专 业： 信号与信息处理 研究方向： 信号获取与处理 研 究 生： 指导教师： 论文起止日期：2011年4月至2012年5月Development of Small and Medium-scale Programmable Logic Controller Major： Signal and Information ProcessingDirection of Study：Signal acquisition and processing Graduate Student： Kan WeiSupervisor： Prof. Weng HuihuiSchool of Electronics & Information Yangtze UniversityApril ,2011 to May,2012学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要可编程逻辑控制器（PLC），是一种为工业控制特别设计的专用计算机。因为它易于设置和编程，运行可预估，甚至在恶劣的生产环境下还可以保持正常工作，所以广泛应用于工业控制。本课题设计了一个基于dsPIC30F4013单片机的小型通用控制器，目的是在小型控制系统中能够替代PLC，实现更加灵活的应用方案并在保证可靠性的基础上大大降低成本。本课题所设计的系统在硬件上参照PLC 的体系结构，在dsPIC30F4013单片机的基础上扩展了丰富的外围设备，实现了PLC 的大部分功能，包括中央处理器（CPU）、数字量I/O、高速脉冲HSC、模拟量I/O、串口及以太网通信等，并设计了专门的输入输出点处理电路，使系统具有良好的抗干扰特性和驱动能力。在软件设计上针对MODBUS通讯协议的特点，采用C函数编程实现了通信数据的提取、解析和发送。采用CRC校验方法，保证了通信数据的准确性。基于dsPIC30F4013的中小规模可编程逻辑控制器的研制，适应了工业控制机向嵌入式发展的趋势，提供了更灵活的软、硬件方案，并大大降低了控制系统的成本13，具有较高的实用价值。本控制器是集远程数据采集、计量与自动控制于一体的PLC。主要市场定位于天然气长输管道的各个阀室中，阀室一般只有阀门和管道，而没有计量调压设备，因此I/O点数相对较少，工艺流程相对简单。以往用户都是选用进口的PLC控制器来对阀室进行数据采集和监控，一定程度上造成了PLC系统资源的浪费，且其高昂的成本也使用户较难接受。针对这种情况，我们研制出一款基于MODBUS协议的中小型PLC系统来满足这种特定的市场需求。 系统采用一体化结构并集成了AI、AO、DI、DO和HSC五类信号输入输出通道。AI通道能采集现场仪器仪表的标准420mA信号，通过板内的跳线设置，能接受两线制或三线式仪器仪表；DI通道提供开关数据采集通道，输入信号类型为干触点输入；AO通道有两种可选择的输出信号类型，分别是420mA或者15V信号；DO通道提供开关数据输出通道，输出信号类型为干触点输出，且可通过板上的拨动开关选择常开触点输出或常闭触点输出两种方式；HSC通道能检测频率不超过15KHz的信号。现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场设备之间的联系。MODBUS作为一种有效支持分布式控制和实时控制的现场总线协议，以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低等优点越来越受到人们的重视，并被公认为最有前途的现场总线之一。很多工业设备，诸如PLC、DCS，智能仪表等都使用MODBUS协议作为它们之间的通信标准。因此，基于MODBUS协议的现场总线的研究与开发具有非常现实的意义。 本文在简要分析了当前最具影响的几种现场总线协议的基础上，对MODBUS总线协议进行了深入研究,主要包括MODBUS RTU和MODBUS TCP两种协议，设计了基于MODBUS协议的中小规模可编程逻辑控制器，同时对设计的系统的可行性在实际中的应用做了说明，并给出了本控制器在工业现场实际应用的例子，内容包括以下三个部分：1、研究并阐述了MODBUS协议的格式和定义及其体系结构，对该总线协议的各个部分，包括协议的传输方式、帧的构成、错误校验、功能码等给出了详尽的描述；2、研究了基于MODBUS协议的中小规模可编程逻辑控制器的设计思想和系统结构，并完成了控制器实物的设计。该控制器本质上是一种对生产现场进行控制和管理的网络，具有很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性，通过专门的接口和设备完成与上层工厂信息系统的数据交换和传递。3、通过文字、数据、图片等方式展示了该控制器在一个实际的工业工程控制领域的成功应用，体现了设计的基于MODBUS协议的中小规模可编程控制器的可行性。同时，简要说明了系统应用的情况和市场前景。通过实际应用表明，基于MODBUS总线协议设计的控制器在可靠性、容错处理、数据交换、系统管理、抗干扰等方面都比传统仪表组成的系统功能强。在控制系统领域将会有很大的发展空间和市场。关键词：PLC, dsPIC30F4013单片机, MODBUS协议, 控制器 IIIAbstractProgrammable logic controllers, also called programmable controllers or PLCs, are special-purpose computers used for industry control. They are easy to configure and program, foreseeable when running, and can keep working well even in tough industry environment. So PLCs are widely applied in industry control. A small general-purpose controller based on dsPIC30F4013 is designed in this paper, as a substitute for PLCs in some small control systems. This controller can be configured and program in a more flexible way, and reduces the cost largely on the premise of good reliability.In respect of hardware design, the system in this paper designed plenty of peripheral equipment based on dsPIC30F4013 according to the architecture of PLCs, realizes most of the necessary modules of PLCs, including CPU(Central Process Unit), digital I/O,HSC(high-speed pulse), analog I/O, serial port communication, human-machine-interface, and so on. Special process circuits are designed for I/O device, which enhance the systems ability for anti-interference and drive. As to software, according to the characteristic of MODBUS information frame, the system achieves the function of capturing，analyzing and sending information data by the program compiled in C function programming language. The application adopts CRC checksum method to ensure the accuracy of communication dataThe design of this embedded controller based on dsPIC30F4013 complies with the trend of the development of industry control, and provides a more flexible way to develop control system, and reduces the cost largely, but possessed high practical value.This controller is a set of remote data acquisition, measurement and automatic control in one PLC. The major market position is in the valve chambers of long gas pipeline. Valve chambers, generally only have valves and pipes, and no measurement of pressure control equipment, so the number of I/O points is relatively small and the process is relatively simple. In the past, the users adopt the imported PLC controllers to data collection and monitoring for the valve chambers, to some extent it is a waste of resources for the PLC system, and it is difficult for users to accept the high cost. In view of this situation, we develop a small and medium-sized PLC systems based on MODBUS protocol to meet the market demand.The system uses the integrated structure and the integration of AI, AO, DI, DO, and HSC five types of signals which are input and output channels. The channels of AI can capture the standard 4-20mA signal of field instrumentation, and they can acquire the signal of two-wire or three-wire instrumentation through board jumper settings. The channels of DI provide switch data acquisition channels, and the type of the input signal is dry contact input. The channels of AO have two selectable output signal types, namely, 4-20mA or 1-5V signals. The channels of DO provide switch data output channels, and the type of the output signal is dry contact output, besides, we can select normally opened contact output or normally closed contact output by the panel toggle switch. The channels of HSC can detect the frequency which is no more than 15KHz signal.Field bus is one of the hotspot in automation development，and which is regarded as a computer LAN in automation areaAs a foundation of industrial communication network, field bus links up the field equipments of production processMODBUS field bus is a technology which efficiently supports distributed real time with a very high level of security. It attracts attention with a very high level of capability and a very high level of security and a very better of anti-jamming and a very fast of communication speed and a very low of maintenance cost and a particular design. It is regarded as one of field bus with expansibility. Many industrial equipments，such as PLC，DCS and intelligent instruments use MODBUS as their communication standards. It is realistic meaning to research and develop instrument based on field bus.In this dissertation, the most popular MODBUS techniques currently used are reviewed briefly, a systematic analysis on the MODBUS based field bus control system is presentedA General-Purpose Controller based on MODBUS is designed while its feasibility and potential applications is demonstratedThe main work of this dissertation is listed below：First, the format and then definition of the system structure of MODBUS protocol are introduced briefly. This part in detail described the different parts of the bus protocol，which include the transmission method, the frame structure, error verification, function code, and so onSecond, the design theory and system structure based on the MODBUS protocol in the field bus control system are investigatedThe General-Purpose Controller is constructed according to this protocolThis system basically is a control and manage network, which has high real-time，high reliability, data integrality, and usabilityThe data exchange and transfer between this system and the company information system are realized by the special interfaces and equipmentThird, a successful application of the General-Purpose Controller is demonstrated in the area of the industrial engineering, by text, data and figuresThe General-Purpose Controller is proved by this applicationThe potential system applications and market forecast are introduced as well in this partThrough the application in the real world，comparing with the traditional control system, the system proposed in this paper has been found that the MODBUS control system shows great advantages in terms of reliability, error-handling, data exchange，system management, as well as anti-interruption for environmentalTherefore, it will have a great future and market in instrument control areaKeywords: PLC, dsPIC30F4013 Microcontroller, MODBUS Protocol, ControllerVI目 录摘 要IAbstractIII目 录V第1章 绪论11.1 课题的研究背景11.2 可编程逻辑控制器概述11.3 现场总线51.4 课题研究的意义101.5 基于MODBUS协议的控制器的发展现状121.6论文的主要研究内容131.7 本章小结13第2章 MODBUS通讯协议研究142.1 MODBUS协议标准142.3 MODBUS协议在串行链路上的实现202.4 MODBUS协议在TCP/IP上的实现232.5 本章小结28第3章 中小规模可编程逻辑控制器的方案设计293.1 系统设计要求293.2 总体方案设计293.3 dsPIC30F4013单片机简介303.4 CPU资源分配323.5 本章小结34第4章 中小规模可编程逻辑控制器的硬件设计354.1 基于dsPIC30F4013的最小系统设计354.2 通信接口电路设计384.3 系统电源设计424.4 系统I/O接口电路设计444.5 本章小结52第5章 中小规模可编程逻辑控制器的软件设计535.1 开发环境介绍535.2 总体软件设计535.3 主站系统软件设计555.4 从站系统软件设计575.5 模拟量输入通道接口程序设计635.6 开关量输入通道接口程序设计645.7 模拟量输出通道接口程序设计655.8 开关量输出通道接口程序设计665.9 高速脉冲计数通道接口程序设计666.0 本章小结67第6章 系统调试及应用686.1 上位机软件开发686.2 系统I/O通道调试696.3 系统通讯调试696.3 调试结论706.4 实际应用706.5 本章小结73第7章 总结和展望747.1 全文总结747.2 展望74致 谢76参 考 文 献77个 人 简 介79第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题的研究背景可编程逻辑控制器（PLC），又称为可编程控制器（PC）1，是一种为工业控制特别设计的专用计算机。因为它易于设置和编程，运行可预估，甚至在恶劣的生产环境下还可以保持正常工作，所以广泛应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，成为工业自动化领域强有力的工具，并且与机器人、CAD/CAM 并称为工业生产自动化的三大支柱。在所有的PLC种类中，微型PLC是占有市场份额最大的一种。微型PLC是指I/O点数少于64点的PLC，这一类PLC主要应用于单台设备的控制，在纺织机械、数控机床、塑料加工机械、小型包装机械和小型疲劳试验机等设备上运用广泛。微型PLC 的应用比例占到所有PLC 产品的40%以上。我国PLC市场绝大部分被国外的产品所占领，主要是欧美，日韩等发达国家，国产化率很低，国内PLC的制造厂家基本上以合资企业为主，拥有自主知识产权的国内厂家很少。这主要是由于PLC的核心技术被发达国家垄断，尤其是CPU模块，而CPU又是PLC工作的核心部件。近几年来，随着微控制器技术的发展，高性能单片机层出不穷，功能日益强大，由于产量的大幅增加成本也不断降低，使我们可以考虑使用现成的高性能单片机作为CPU模块来研发具有自主知识产权的PLC。由于微型PLC的研发相对比较容易，且应用最为广泛，因此我们可以考虑从微型PLC入手，设计一个基于单片机的通用控制器，实现微型PLC的精简控制功能。另一方面，现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场设备之间的联系。MODBUS作为一种有效支持分布式控制和实时控制的现场总线协议，以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低及其独特的设计越来越受到人们的重视，并被公认为最有前途的现场总线之一。很多工业设备，诸如PLC、DCS，智能仪表等都使用MODBUS协议作为它们之间的通信标准。因此，基于MODBUS协议的中小规模可编程控制器的研究与开发具有非常现实的意义。1.2 可编程逻辑控制器概述1.2.1 可编程序控制器的产生可编程序控制器因早期主要应用于开关量的逻辑控制,故其最初被称为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC。在20世纪60年代初期,顺序控制器还主要是由继电器组成,由此构成的控制系统都是按预先规定的时间或条件顺序地工作,若要改变控制顺序就必须改变控制器的硬件接线,这不仅阻碍了产品更新换代的周期,而且对于比较复杂的控制来说,不但设计制造困难,其可靠性不高,查找和排除故障也往往是费时和困难的。1968年,美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为了适宜汽车型号的不断翻新,想寻求一种新方法,以便尽可能地减少重新设计和重新接线的工作,从而降低成本、缩短周期。为了用新的控制装置取代继电器控制装置,通用汽车公司在公开招标中提出了十项招标指标,即:(1)编程方便,现场可修改程序。(2)维修方便,采用模块化结构。(3)可靠性高于继电器控制装置。(4)体积小于继电器控制装置。(5)数据可直接送入管理计算机。(6)成本可与继电器控制装置竞争。(7)可直接用115V交流输入。(8)输出为115V、2A以上,能直接驱动电磁阀、接触器等。(9)通用性强,要能扩展。(10)用户程序存储器容量可扩展到4KB1969年,美国数字设备公司(DEC)研制成功第一台PLC,应用于美国通用汽车自动装配线上,取得了极大的成功。这种新型的工业控制装置以简单易懂、操作方便、可靠性高、体积小、适于在工业化的环境下运行、使用寿命长等一系列优点,迅速地在各工业领域广泛使用。1971年,日本从美国引进了这项新技术。1973年,西欧国家也相继研制成功了可编程控制器。我国从1974年开始研制、引进,1977年开始生产并使用。目前,可编程控制器已成为增长速度最快的工业控制设备。国际电工委员会(IEC)于1985年在其颁布的可编程控制器标准草案第二稿中,给出了PLC的定义:“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计,它采用可编程序的存储器,用于其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字式、模拟式的输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。”这就是说,PLC是一种特别适合于工业环境的,面向工程技术人员的“蓝领计算机”。有人甚至说,未来的现代化工厂将是这样一幅情景,工人左腰别着螺丝刀,右腰别着编程器。1.2.2 可编程序控制器的主要功能随着PLC的不断发展,它与3C技术(Computer,Control,Communication)逐渐融为一体。目前PLC已从小规模的单机顺序控制,发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域,能组成工厂自动化的PLC综合控制系统1。PLC的主要功能如下。（1）开关量的逻辑控制。这是PLC最常用的功能,PLC设置了“与”(AND)、“或”（OR）、“非”（NOT）等逻辑指令，能取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制。可用于单机控制、多机群控、自动化生产线的控制。（2）定时控制。PLC能为用户提供几十个甚至几千个计时器。计时器的计时值既可由用户在编制程序时设定，也可由操作人员在工业现场通过人机对话装置实时地设定。计时器的实际计时值也可通过人机对话装置实时地读出和修改。可用于电动机空载启动运行数秒后再加入额定负载；注朔机合模后经数分钟再开模等按时间顺序控制的工业生产过程。（3）计数控制。PLC为用户提供了几十个甚至几千个计数器，其计数设定值的设定方式类似于计时器。一般计数器的计数频率较低，如需对频率较高的信号进行计数，则需选用高速计数模块，其最高计数频率可达50KHz，如贝加莱公司的高速计数模块；或者选用具有内部高速计数模块的PLC，如三菱公司的FX系列的PLC，它可提供计数频率达10kHz的内部高速计数器。（4）过程控制。有些PLC具有模/数（A/D）转换和数/模（D/A）转换功能，能完成对模拟量的检测、控制和调节。例如对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环PID控制。现代的大、中型可编程控制器都有PID控制模块，为了既能完成对模拟量的PID控制，又不加重可编程控制器内的CPU的负担，一般选用专门的PID模块。（5）位置控制。目前多数PLC制造商都提供拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴控制模块。可广泛地应用于各种机械，如金属切削机床、金属成型机床、装配机械、机器人和电梯等。（6）步序控制。PLC为用户提供了若干个移位寄存器，可用于步序控制，即一道工序完成后，再进行下一道工序。可用于高炉上料系统、供电保护系统、货物存放与提取等。（7）数据处理。现代的PLC具有数据处理功能。它能进行数学运算（矩阵运算、函数运算、逻辑运算等）、数据传递、数据转换、排序和查表、位操作等功能，还能完成数据采集、分析、处理。这些数据可通过通信接口传送到其他智能装置。（8）通信和联网。新一代的PLC都具有通信功能。PLC的通信包括PLC相互之间、PLC与上位计算机、PLC与其它只能设备间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转换器相连构成网络，从而实现信息的交换，并可构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，满足了工厂自动化系统的发展要求。（9）监控功能。PLC能对系统异常情况进行识别、记忆，或在发生异常情况时自动终止运行。操作员可以通过监控命令监视有关部分的运行状态，可以调整定时、定数等设定值。（10）其他功能。PLC还具有显示、打印、报警、对数据和程序硬拷贝。1.2.3 PLC的分类PLC的种类很多，其实现的功能，内存容量，控制规模，外形等方面均存在较大的差异。因此，PLC的分类没有一个严格的统一标准，一般是按照结构形式、控制规模、实现的功能进行大致的分类，PLC的分类如下1、按结构分类。（1）整体式。整体式PLC外观上是一个长方形箱体，又称箱体式PLC。如三菱的FX系列。（2）组合式。其模块可以象拼积木似的进行组合，构成具有不同控制规模和功能的PLC，因此这种PLC又称为模块式或积木式PLC。如西门子的S7系列。2、按控制规模分类（1）微型机。控制点数仅几十点，如OMRON公司的SR系列、松下电工的FP0系列。（2）小型机。控制点数100500点，如OMRON公司的CPM1A、CQM1、CQM1H系列、松下电工的FP1系列。（3）中型机。控制点数5001000点，如OMRON公司的C200H机，普通配置最多可达700多点。西门子公司的S7300机最多可达512点。（4）大型机。控制点数1000点以上，如OMRON公司的C1000H、CV1000本地配置可达1024点，C2000、CV2000本地配置可达1600点，FP3、FP10、FP10SH使用远程I/O可达2048点。（5）超大型机。控制点数可达上万点，甚至于几万点，如美国GE公司的90-70机，其点数可达24000点，另外还有8000路的模拟量。1.2.4 PLC的主要机型目前世界上能生产PLC的厂家较多，但大、中、小、微型均能生产的不算太多。在中国市场占有较大的份额，较有影响的公司和PLC系列机型如下1德国西门子公司。S5系列的PLC产品，如：S5-95U、100U、115U、135U及155U。135U、155U为大型机，控制点数可达6000多点，模拟量可达300多路。S7系列机，有S7-200（小型）、S7-300（中型）及S7-400（大型）。2日本OMRON公司。P、CPM1A、CPM2A、C200H、CQM1、CQM1H、CV、CS1等机型。3美国ROCKWELL公司。PS/5、SLC-500等4美国施耐得公司。984型PC在最大与最小之间共有20多个型号。5日本三菱公司。F1、F2、FX、FX2、FX2N、A等系列，A系列为中、大型机。6美国GE公司与日本FANAC合资的GEFANAC公司。如9070大型机、90-30中型机、90-20小型机。7日本松下电工公司。FP0系列微型机，FP1系列为箱体式小型机，FP2、FP3、PP10、PP10SH为模块式机。8日本日立公司。E系列箱体式机，EM系列模块式机。9日本东芝公司。EX及EX-PLUS小型机。10日本富士公司。NB系列箱体式小型机，NS系列为模块式机。1.3 现场总线1.3.1 现场总线概述现场总线（Fieldbus）就是应用在生产现场，在测量与控制设备之间实现双向、串行、多点通信的数字通信系统3。国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）对现场总线的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络。现场智能设备指智能压力变送器、智能差压变送器、智能温度变送器、智能调节阀等。对现场总线形象化的表述是现场总线是用全数字化的通信方式来代替模拟仪表的420mA 直流信号制。现场总线是工厂自动化计算机网络最低层的通信网络，它由微处理机、通信线路和通信设备互连起来组成系统，它是用于现场智能仪表、智能设备和过程自动化控制系统之间的一种全数字化、多变量、串行、双向、多站的通信系统。它既有软件，又有硬件作为总线支持结构，它的设计思想是使现场仪表体系结构一体化，用数字信号代替420mA 模拟信号制，它的模型是基于ISO 所制订的开放系统互连（OSI）模型来制订的。对应于OSI 七层模型，现场总线由第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层和附加层的用户层以及通信媒体所构成。现场总线通信示意图如图1-1所示。现场总线是实现不同工厂生产的不同智能设备间互相操作及数据共享的公共通信协议，控制室得到的是完整有效的现场信息。图1-1 现场总线通信示意图Fig 1-1 Skech map of communication based on field bus现场总线的分层现场总线是一种双向、数字、串行、多点的数据总线.它用于与低层次的工业控制计算机系