基于 VxWorks 的分布式软 PLC 平台研究与实现.pdf

第 l期 6 - 第 1 8 2期 2 01 4年 O 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAI ENGI NEERI NG AUT MATI N No ．1 Fe b． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 1 0 1 4 4 0 3 基于 Vx Wo r k s的分布式软 P L C平台研 究与实现米 詹 俊 ，龙 辛。 ，黄 波。 ，中 超 ，庞 伟 1 ． 湘潭大学 信息工程 学 院 电气 工程 系．湖 南 湘潭 4 l l 1 0 5 ；2 ． 湘 电风 能 有 限公 司，湖南 湘潭 4 1 l 1 0 5 ；3 ． 长沙金博联信息技术有限公司，湖南 长 沙4 1 0 0 0 0 摘 要 为 了提高 Mw 级风力发 电机组 的国产 化率 ，节 约 生产成本 ，方便 后 期维护 ，增强其 市场 竞 争能 力， 在遵循软 P I c国际标准 的基础 上设计 了一种 Mw 级风力发 电机组 主控 P I C系统。系统 以基 于 MP C 8 2 8 0处 理器和 Vx Wo r k s实时操作系统的嵌入式计算机平 台为运行环境 ．以 C o d e S y s软件为 其开发环 境；采用分 布 式硬件结 构，通 过 以太 网 总 线 实 现 I ／ t 模 块 间数 据 实 时 交 互， 系统 支持 多 级 互 联。详 细 描述 了基 干 Vx Wo r k s的软 P l c 系统软硬件结构及实现方法、系统运行 流程及 以太网总线 的实现。最后通过 实验，表 明 其实时性、稳定性都满足实 际控制需求。该系统同时具有性价 比高、维护方便 等优点。 关键词 分布式控制 ；软 P L C ；Vx Wo r k s 中图分 类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 基于嵌入式系统的软 P L C系统 ， 在继承了传统硬 P L C系统实时性强 、 系统稳定等优点 的基础上 ， 同时 具备了极强的网络通信能力、 运用统一的编程语言等 特点 ， 使其逐渐成 为了控制器中的主力军。对于近年 来 发展 迅速 的大 型 风力 发 电机 组 ， 其 呈 现 出控 制对 象 分散 、 控制复杂、 实时性及稳定性要求高等特点 。针对 这一问题， 结合软 P L C的优点 ， 本 文设计并实现了一 种 可用 于 Mw 级 风机控 制 系统 的软 P I C平 台。 1基于 V x Wo r k s 的 软 P L C 系统 如图 1所示 为 基 于 以 太 网 的分 布式 P L C风 机控 制系统框图。为 了保 障系统的可靠性 及实时性能 ， 选 用了风河公司的 Vx Wo r k s 嵌入式实时操作系统与 3 s 公 司 的 C o d e S y s编 程 环 境 相 结 合 的 软 P I C 构 架 。 Vx Wo r k s 系统实 时性 及 可靠性 强 ， 能够 很好 地 满足 大 部分控制系统的需求， 并且由风河公 司提供 了功能完 善 的集 成 开发环 境 ， 为 P I C函数库 开发 提供 了很 多 方 便 。C o d e S y s 编程系统完全支持 I E C 6 1 1 3 1 3标准的 5种编 程语 言， 具 有离 线调 试功 能 ， 可 以大大 缩 短用 户 的应 用 程 序 开 发 周 期 。 所 以 基 于 二 者 Vx Wo r k s ， C o d e S y s 的 P I c系统 ， 无论是在实时性能还是可操作 性 能上都 能满 足绝 大 多数工 业 自动化 控制需 求 。 2 硬 件结 构 图 2为 P L C硬件系统图。系统硬件结构采用分 布式 数 据 采 集 与 集 中 处 理 的 理 念 ， 主 要 包 括 底 板 、 C P U模块 、 [ ／ O模块 、 通信模块 。C P U模块与 I ／ O模 块通过以太网进行通信 ， 除 C P U 模块外每个模 块都 根据 所处 的底 板 及 槽 号 分 配 了 固 定 的 I P地 址 ， 格 式 为 1 9 2 ． 1 6 8 ． 0 ． X。X的计算法则如公式 1 所示 。 X一 1 O 0 l 6* s t a i d*l 6 roo d i d ． 1 其 中 s t a i d为站 I D； roo d i d为模块 I D。 图 1 分布式嵌入式软 P I C控 制系统框 图 图 2 P I C硬件系统图 图 2中， 底板 用来安 插 所有模 块 ， 用 于各 模块 之间 通信的以太网总线即位于底板上。为了保证模块问能 * “卜 一在”罔家科技支撑 计划项 日 2 0 0 6 B AA0 1 A0 6 收稿 } { 期 2 0 l 3 0 ,t 2 8 ；修明 日期 2 0 1 3 0 8 一 】 5 作者简介 詹俊 1 9 8 8 一 ，男 ，湖南孺m人 ，在读硕士研究， } ，主要研究力 ’ 向 新能源 发电系统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 l期 詹俊 ， 等 基 于 V x wo r k s 的分布式软 P I C平 台研 究与 实现 1 4 5 稳定通信 ， 底板配备 了交换机芯片， 目前同一 C P U模 块最多可以同时支持 1 6个 I ／ O模块 ， 而这 1 6个模块 的类型可以由用户 自由选取 ， 现有的模块包括数字量 输入输 出模块 、 模拟 量输入输 出模块、 温度模 块、 编码 器模块 、 P WM 输 出模块及 网络和光纤通信模块。 模块化的 I ／ O是为了解决 C P U模块对外接 口有 限而用户希 望可以 自由组合配置设计 的。各 I ／ O模 块 统 一 配 置 了 Xi l i n x高 性 能 F P GA 芯 片做 为 主 控 芯 片， 通过在 F P GA上构建软核实现各 I ／ 0通道的数据 输入输出以及模块与 C P U模块之间的数据通信 。 图 3为 C P U 模 块 ， 它 由 核 心 板 及 接 口扩 展 板 组 成， 核心处理器采用 Mo t o r o l a 公司推 出的 P OWE R P C 系列微处 理器 MP C 8 2 8 0 ， 它采 用 双 核结 构， 主 频达 1 6 6 MHz 4 5 0 MHz ， 片内集成 了高性能的 C 2 一 L E嵌 人式实时处理内核和高效 的通信处理模块 c P M ， 以 及功能强大的外设接 口管理单元 s I U 。设计中通过 芯片 6 0 X总线扩展了 6 4 MB频率达 i 0 0 MHz的 S D R AN 存 储 器 ， 5 1 2 k B 的 B O OTR OM 及 1 6 MB 的 F L AS H存储器 。整个 C P U核心模块布局紧凑 、 接 口 丰富， 为整个 P L C系统的稳定性能提供了必要的硬件 保证 。 接 口扩 板 图 3 C PU 模 块 图 3 软 件结 构 软件 为 整个 系统 的灵 魂 ， 图 4为 系统 中运 行 的软 件逻辑结构 图， 它 主要分为 5个部分 风机控制程序 AP P 、 P L C实时运行系统 C o d e S y s Ru n t i me 、 功能 函数库 、 Vx Wo r k s 操作系统、 模块服务程序。 I E C 611 3 1 - 3 AP P R U N TI ME S YS 通 R d C o n f i g 信 S h a r e I ／ O ff C P ／ I P 管 M e m e r y H M I 理 V x W o r k s 一一一～一 塑 一一一一一 圭 一一一 一 图 4软件逻辑 结构 图 位于 软件 最顶 层 的为用 户 定 制 的满 足 I E 6 l l 3 l ～ 3 标 准 的控 制 程 序 ， 经 C o d e S y s软 件 编 译 后 生 成 相应 的． a p p文件供 r u n t i me系统调用。当然， 用户程序需 要的库函数必须首先利用 Vx wo r k s开发工具开发出 来， 在 P L C启动过程 中加载到内存 中供控制 程序 调 用。这两部分构成了整个软件系统的应用层程序 H 。 在系统层程序 I 中， 构建 Rd C o n f i g进程 ， 用来管 理整个 P L C工作流程， 包括系统初始化及系统 I ／ O模 块配置等。R d C o n f i g函数原型如以下 C代码所示 Vo id Rd Co n f i g ma i n { J b l i n i t S h a r e Me mo r y Ma n a g e r g Bu f ； Rd c_Lo a d Co nfi g ； Rd c _p l c _M a i n 图 5为 P L C启动任务 流程， 在系统启 动后 ， 通过 调取 R d C o n f i g主程序完成三个步骤的操作 首先初始 化数据共享 区， 创建共享数据区定时更新进程 ， 此内存 区域用于 C o d e S y s 上层应用程序 ， 在运行过程中系统 程序共 享 I ／ O数 据 ； 在此 之后 调取 Rd c L o a d C o n f i g 函数读取 P L C配置文件 ， 该文件 由 P L C用户 自行配 置， 位于 P L C启 动根 目录 一般为 r o o t目录 下， 协处 理器在收到 I ／ 0模块配置请求后根据站 I D及模块 I D 确认将哪一部分配置信息发送给请求的 I ／ O模块 ； 最 后当所有 任务 创建 完成， 即启 动 P L C主任务 ， 上层 P L C应用程序被循环执行 ， 完成输入扫描输出刷新工 作 。 启动V x W o r k s 操作系统， 硬件初始化并加载库文件 I 初始化 共享数据 区． 启动 w r i t e s h a r e M e m o r y 、r e a d s h a r e M e m 0 r y 任务 』 读 取P L C 配 置文件配 置P L C J 启动实时运行系统 J { 动M a i n L o o p 任 务， 输入采集 、程序执 行、输 出刷新 图 5 P LC届 动 任 务 流 程 在系统运行过程 中， 所有模块 同时与 C P U 模块 通信 ， 如果通过主控芯片直接来管理数据包必然给控 制器增加意想不到的负担 ， 甚至导致系统瘫痪， 针对这 个问题 ， 增 加了 由 F P G A 构建 的协 处理器专 门用 于 C P U模块数据包 的管理。以下程序段为 C P U模块协 处理器 接 收数据 处理 进程 s t a t i c v o i d I n p u t Pr o c e s s S t a c k c h a r* b u f {⋯ me mc p y c h a r *＆c md h， b u r ，s i z c o f J B LTPH COM M H EAD ； mT y p c一 c md h ． TY P E ； f ／ 镪橱乜头信 怠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机 械工 程 与自 动 化 2 O l 4年 第 1期 a d d r g e t F P GAAd d r F r o mTy p e s i d ，mi d ，mT y p e ； ／ ／ 计 算包 存储 的偏 移地址 b u f _ wr i t e a d d r ，b u r ，MS G ～ MA X I E N } 4实验 及结 果分析 系统测试过程中， 通过 C o d e S y s 提供 的 ] r a c e 变 量跟踪 功能将采集 的温度值绘制成如图 6所示的曲 线。图 6中的曲线为本 P L C测试曲线 ， 与表 1所示标 准温度测量仪测量的温度值进行对 比， 结果表 明无数 据遗漏现象， 且滞后真实值时间在 1 0 0 ms以内。 4 0 3 O 遗2 0 赠 1 0 O l 0 2 0 t ／ s 图 6热敏 电阻接触热源温度变化 曲线 表 1 标准温度计温度表 时间 s 温度 ℃ 时问 S 温度 ℃ 0 2 3 ．0 9 9 6 29 ． 5 6 4 1 2 4 ． 0 9 9 7 2 9 ． 6 4 4 2 2 5 ．1 9 8 8 3 0 ． 7 1 7 3 2 6 ．2 9 5 9 31 ．7 8 3 4 2 6 ．3 8 9 1 0 3 2 ． 8 4 1 5 2 7 ．4 7 9 】1 3 4 ． 8 9 1 为 了验证 系统 在 紧 急情 况 下 的 响应 速 度 ， 利 用 示 波 器监视 紧 急数 字量 输 人 的情 况 下 相 应输 出 的 曲线 ， 如图 7所示。图 7中曲线 c代表 DI O检测 的紧急 1 0 输入， 曲线 D代表定义的 DI O输 出通道 l的紧急输 出 曲线 。测 试结 果显 示 ， 当检 测到 数字量 紧急输 入 时 ， 输 出及 时做 出相应， 且 △ 小于等于 2 O I n s ， 满足风机控 制 的要 求 。 图 7 紧急输入下 的输 出曲线 5 结束 语 本 文描 述 了基 于 以太 网 的分 布 式 P L C设计 及 实 现方法 ， 系统 编程完全兼容 I E C 6 l l 3 l 一3标准， 硬件 系统采用模块化的设计 ， 满足不同用户 的不 同控制需 求 ， 通用性强。目前系统已经在湘 电 2 Mw 风机工厂 测 试 ， 连续稳 定运 行 1个 月 以 上 。证 明 了 系统 的 正确 性 及稳 定性 ， 在 风 电控 制及 其 他 工 业控 制 领 域 都 有着 很 强 的应用 价值 。 参考文献 [ 1 ] 吴玉香． 嵌入式软 P L C系统 的研究与 实现[ J ] ． 计算机 工 程 ， 2 0 0 9 1 0 2 3 5 2 3 7 ． [ 2 ] 王丽丽 ． 康 存锋 ， 马春 敏 ， 等． 基 于 C o De S y s的嵌 入式 软 P I C系统 的设计与实现[ J ] ． 现代 制造工程 ． 2 O O 7 3 5 4 5 6． [ 3 ] 郑文龙 。 石广 田． 软 P L C在 风力 发 电机控 制系 统中 的应 用[ J ] ． 常熟理工学院学报 ， 2 0 0 7 1 0 8 8 9 1 ． [ 4 ] D o n g Y u l i n ，Z h e n g C h u n j i a o ．D e s i g n a n d r e s e a r c h o f e mb e d d e d P L C d e v e l o p me n t s y s t e m[ c ] ／ ／ ／1 C C RI ， 2 O l l 3 r d I n t e r n a t i o n a l C g n f e r e n c e ． r s ． 1 ． ] I E E E。 2 0 0 6 2 2 6 2 2 8 ． [ 5 ] Y e Y i n ， Wa n g J i n ． Re s e a r c h a n d i n l p l e n 1 e n t a t i o n o f e mb e d d e d s o f t P L C s y s t e mV C ／ ／2 O l 2 F i f t h I n t e r n a t i o n a l Conf e r e nc e o n I nt e l l i ge nt Ne t wor ks a nd I nt e l l i ge nt S y s t e ms ．s ． I ． ] s ． n ． ] ． 2 0 1 2 l l 6 一 l 1 9 ． Re s e a r c h a n d I mp l e me nt a t i o n o f Vx W o r k s b a s e d Di s t r i b u t e d S o f t PLC Pl a t f o r m ZHAN Ju n ．LONG Xi n。，HUANG Be ，S HEN Ch a o ，PANG W e i 1 ． Co l l e g e Of I nf o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Xi a n g t a n Un i v e r s i t y，Xi a n gt a n 4 1 1 l 0 5，Ch i n a ；2 ． XEM C W i n d p o we r Co ．，I t d ．，Xi a n gt a n 4l 1 1 0 5，Ch i n a； 3 ． Ch a n g s h a J i nb o l i a n I n f or ma t i o n Te c hn ol o g y Co ．．I t d ．，Ch a n g s h a 4 1 0 0 0 0，Chi n a Ab s t r a c t I n o r d e r t O i rep r o v e t h e l o c a l i z a t i o n r a t e o f t h e MW c l a s s wi n d t u r b i n e ．r e d u c e t h e p r o d u c t i o n C O S T S ． a n d e n h a n c e t h e c a p a b i l i t y o f i n d e p e n d e n t i n n o v a t i o n o f Ch i n a ．t h i s p a p e r d e s i g n e d a n e mb e d d e d s o f t P I C s y s t e m wh i c h wa s o n t h e b a s i s o f Vx W o r k s a n d 3 S ’ S Co d e S v s ． Th e s o f t wa r e a n d } t a r d wa r e s t r u c t u r e o f t h e s o f t P I C b a s e d o n Vx W o r k s a n d i t S r e a l i z a t i o n me t h o d we r e d e s c r i b e d ．a n d t h e s y s t e m r u n n i n g p r o c e s s e s a n d t h e r e a l i z a t i o n o f Et h e r n e t b u s we r e i n t r o du c c d i n d e t a i l ． Fi n a l l y．t h e s o f t I ’ I C s y s t e m wa s a p pl i e d t O a 2MW wi nd t ur bi ne i n XEM C． The r e s ul t of e xp e r i me nt ha s v er i f i e d t i l e r e l i ab i l i t y a nd c or r e c t ne s s of t he s ys t e m ． Ke y wo r d s d i s t r i b u t e d c e n t r e l ；s o f t P I C；Vx W o r k s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m