作 者：中國礦業大學信電學院 / 張志龍

1  引言

隨著現代計算機技術的發展，可編程控制器有了長足的發展。1968年，美國最大的汽車制造商gm公司為了自身汽車工業的跨越式發展，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展動向。1969年，美國數字設備公司（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年開始工業推廣應用。可編程控制器現在已經成為我國工業設備控制使用增長速度最快的控制器。由于控制器出現以后，名稱混亂，功能也各不相同，因此美國電氣制造商協會（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“藍領計算機”。隨著現代計算機技術、網絡通信技術、現代自動控制技術的高速發展，可編程控制器的數學處理能力、網絡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，它代表了當今工業控制技術的發展趨勢。奧地利貝加萊(b&r)工業自動化公司的pcc為其典型代表，其是集計算機技術、通信技術、控制技術（3g技術）為一體的新型工業控制裝置。

2  pcc功能模塊構成及其特點

pcc一種計算機控制系統，具有中央處理器（cpu），輸入/輸出（i/o）接口、電源等，其構成如圖1所示。pcc實現了系列化、模塊化、標準化的設計，使得其設計、安裝比較容易，調試周期短、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，可較容易組網通信?，F代的pcc已經從較小規模的單機順序控制發展到包括過程控制、運動控制、步序控制等，廣泛應用在塑料、包裝、印刷、造紙等許多行業中的控制，這些應用極大地提高了這些行業的生產效率和產品的質量。

程序執行上，pcc采用分時多任務操作系統，它可以很好地實現實施多任務，用戶可以根據自己的生產需要，編制自己的程序并設定循環時間?？刂葡到y為用戶提供了八個不同循環時間和不同優先級別的任務等級，同時它是一個可自定義、具有確定性的實施多任務操作系統。同時，為了能夠給技術人員和編程人員提供更多的服務，方便用戶得到自己關心的數據和控制系統狀態等情況，pcc編程系統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，可以深入系統并優化它。

圖1  pcc模塊功能構成

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、現場總線模塊、數字量、模擬量輸入、輸出模塊計數和定位模塊等。b&r2000系列pcc硬件具有如下特點[2]：①硬件模塊化；②網絡通信能力；③有與hmi通訊的接口；④有工業汁算機能力；⑤emc符合en61131—2；⑥可靠的i/o總線協議；⑦獨立的i/o總線和系統總線⑧具有工業強度的端子排；⑨多i/o總線系統的高性能。

 

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計，節省了裝備的空間；can總線網絡實現了操作面板、顯示單元、驅動以及其他外圍設備直接的連接；遠程i/o系統實現了通過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行器信號的連接；實現機器或系統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tco/ip網絡或現場總線實現，在每個單元中，2003系列可通過驅動操作面板和外圍設備進行擴展，依據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，如果帶本地i/o的cpu通過ethernet powerlink與各個分布式組件連接，便可創建一個用于高動態運動任務 

（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，還有以下優點：支持嵌入式pc-based技術，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)的其它產品，如i/o系統，工業pc及控制器等，可創建滿足最高要求的自動化方案；依靠先進的接口、現場總線系統，網絡及外圍設備，可完成最佳的數據傳輸任務；最新的2005系列基于intel兼容處理器，具備最先進的構架，創造性的pc技術如compact flash存貯，以太網連接以及apci擴展插槽等的使用使得it世界中高性能產品在自動化領域也得以應用；編程采用全兼容、格式統一的b&r automationstudiotm；為了減少接線，2005系列的i/o模塊可以實現遠程操作，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傳輸數據也是分布式系統實現最高性能的保障。

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品單元都配備獨立的控制器，用于控制本地驅動及i/o系統，對這些相互獨立的單元進行的配置、編程及測試工作在發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絡都可架構于以太網tcp/ip和opc之上。

 

圖3 2005系列pcc

4  pcc編程系統

4.1編程語言

眾所周知，傳統的工業可編程控制器編程語言為梯形圖，與大多數可編程控制器一樣，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系，直接表達被控對象的動作及輸入輸出關系。常見的編程語言有：梯形圖lad(ladder diagram)、指令表il(instruction list)、結構文本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開發環境

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：打開項目時在這里顯示，項目窗口可調節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，調試信息等。此外，還顯示搜索功能“find in files”的結果。

狀態條：狀態條位于整個窗體的下方，顯示以下信息：關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；編程設備和目標系統的在線連接狀態；當前活動窗體的狀態數據。

（1）狀態欄（見圖5）

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

a.offline（離線）－與目標系統沒有連接

b.連接到的目標系統

c.cpu 類型+控制器上的操作系統版本

d.控制器狀態。

 

 

圖5 狀態欄

（2）錯誤記錄本

操作系統會記錄應用程序中發生的所有致命錯誤、警告和信息。這些錯誤存儲在系統的錯誤記錄本中，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）監控窗口（watch）

監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（數據類型、范圍、i/o數據點等）。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（監視）窗口中添加所選任務的變量。在監視窗口中，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。當開啟強制狀態時，系統會將在監視窗口輸入的值會寫到軟件或硬件中，而與i/o數據點的狀態值無關。監控可以用來獲得目標系統的信息。

（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。圖表結果可以存儲起來作為以后的觀察和處理。當系統監控啟動時，可以通過點擊快捷菜單下的trace來打開它。

（5）調試器

調試器可以捕捉到在文本編程語言中隱藏的軟件錯誤。通過在源程序中設置斷點，使程序在設置斷點的代碼行停止執行。這就可以確定變量值和當前所執行的程序行的直接關系。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文件，比如：任務運行時間；堆棧利用率；系統利用率等。根據系統利用率（負載）來分析系統運行時間，這個信息可以幫助用戶如何使用資源來優化系統。

（7）pvi傳輸工具

pvi傳輸工具是一個多功能的診斷和服務工具，它不僅僅限于傳輸工程，還結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功能構成

5  總結

可編程計算機控制器pcc作為現代工業控制技術的發展趨勢，集合了傳統工業控制系統的優點和高性能，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，高可靠性和抗干擾能力。實施多任務處理系統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，能夠完成各種規模的現場控制任務，應用前景非常廣闊。

作者簡介

張志龍 (1985-) 男  碩士研究生，現就讀于中國礦業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）