基于软PLC的高精密圆度仪设计.pdf

9 2 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1年第 6期 基 于软 P L C 的高精 密 圆度仪 设计 时永刚， 郝伟伟 ， 马琰 ， 牛云 西北工业大学 航 海学院， 西安 7 1 0 0 7 2 摘要 提 出了基 于嵌入式软 P L C的高精密圆度仪的设计。它使用 P C机作为上位机 ， L P C 2 4 7 8 作为下位机 ， 构建整个嵌入式 系统。该文集中讨论 了上位机开发 系统编辑器的设计和运行 系统的 设计。它集合了传统圆度仪快速、 精确、 实时的特点， 同时叉具备 了传统 P L C的高可靠性， 价格合 理 ， 具有非常大的应用前景。 关键词 圆度仪 ； 嵌入式软 P L C； L P C 2 4 7 8 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 6 0 0 9 2 0 4 De s i g n o f hi g h- p r e c i s i o n r o u nd ne s s b a s e d o n s o f t PLC S HI Yo n g g a n g， HAO W e i w e i ，MA Ya n，NI U Yu n N o r t h w e s t e r n P o ly t e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 7 2， C h i n a Abs t r ac t Th i s pa p e r p r o p o s e a d e s i g n o f hi g h p r e c i s i o n r o un d n e s s b a s e d o n e mb e d d e d s o f t PL C． I t u s e s t h e P C a s t h e h o s t c o mp u t e r ，L P C 2 4 7 8 a s t h e l o w e r c o mp u t e r ，t o c o mp o n e n t t h e w h o l e e mb e d d e d s y s t e m． Th i s a r t i c l e f o c u s e s o n t he de v e l o pme n t o f t h e h o s t c o mp u t e r s y s t e m d e s i g n a n d o p e r a t i o n o f t h e e d i t o r s y s t e m d e s i g n ． I t n o t o n l y c o mb i n e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f f a s t， a c c u r a t e a n d r e a l - t i me f r o m t h e t r a - d i t i o n a l r o u n d n e s s ，b u t a l s o h a s t h e h i g h r e l i a b i l i t y o f t h e t r a d i t i o n a l P L C ． S o t h i s d e s i g n o f h i g h p r e c i s i o n r o u n d ne s s h a s r e a s o n a b l e p r i c e a n d v e r y l a r g e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s ． Ke y w o r d s r o u n d n e s s t e s t e r ； e mb e d d e d s o ft P L C； L P C 2 4 7 8 0 引言 圆度仪是集机、 电、 液、 气一体化的技术密集的高 科技产品， 广泛用于工厂车间和计量部门， 可测各种 规则、 不规则的环形工件 的圆度 、 同心度、 同轴度、 平 面度、 平行度、 垂直度、 表面波纹度 、 、 、 、 、 、 频谱分析、 波高分析、 偏心、 轴弯曲度及跳动 量等 J 。P L C以其强大的功能体系， 高安全性， 非常 适合圆度仪控制 ， 但硬 P L C技术对外封闭 ， 各个生产 厂商的 P L C硬件平台各不相 同， 支持的 P L C语言也 不相同， 制约 了 P L C技术 在圆度 仪控制 中的应用。 该文的设计目 标是在借鉴传统硬 P L C体系结构及功 能的基础上开发软 P L C系统， 其 目的是在嵌入式硬 件平台上用软件实现对圆度仪的控制。 1 圆度仪系统简介 圆度仪采用半径法， 工件旋转式测量圆度， 旋转 收稿 日期 2 0 1 1 0 60 8 基金项 目 西北工业大学毕业设计 论 文 重点扶持项 目。 作者简介 时永刚 1 9 8 2 ， 男， 陕西咸阳人， 硕士研究生， 主要研 究方向为嵌入式操作系统， 自 动化控制工程。 轴 系采用高精度气浮主轴。该文以低速圆度仪为应 用对象， 主轴转速 5 r ／ m i n 。电气部分由计算机、 精 密电感位移传感器及驱动电路 、 采集 电路、 导轨控制 线路等组成。测量软件采用基于中文版 Wi n X P操 作系统平台的测量软件， 完成数据采集、 处理、 分析 及管理等工作 。使得圆度仪测量系统更加精确和稳 定 ， 能够满足现代工业对圆度仪测量系统的要求 。 基于嵌入 式软 P L C的圆度仪 系统 由开发系统 和运行系统两部分构成 ， 如图 1 所示。P c机为圆度 仪控制和评价的上位机 系统 ， 实现对 I E C 6 1 1 33标 准规定的编程语言的编辑、 编译 、 调试和下载 ， 并 负 责上位机与下位机的通信设置 ， 监视变量及 I ／ O模 块的配 置。线性 可 变差 动 L V D T 位 移传 感 器 、 A D 6 9 8调理 电路、 A D 7 6 9 1转换芯片、 L P C 2 4 7 8微处 理器构成的信号采集板卡构成 了下位机系统 ， 主要 完成输人处理、 程序执行、 输出处理等工作。线性可 变差动 L V D T 位移传感器对待测工件进行非电量 测量 ， A D 6 9 8调理 电路对 采集信 号进行 有效 的放 大、 滤波与调理， 使得微弱的信号转换成能被 A ／ D 转换 器 所 采 的直 流 放 大 信 号 ， 之 后 通 过 l 8位 A D 7 6 9 1 转换器和 L P C 2 4 7 8微处理器采集数据 ， 并 2 0 1 1 年第 6期 工业仪表与自动化装置 9 3 通过 R S 2 3 2串口向 P C机实时发送数据。 f 开 发 系 统 } 与 轮 廓 仪 评 价 系 统 I ⋯ ⋯ 电 源 线 f f 通 信 线 t ， I { R S 2 3 2 通信模块 ； 运行系统 电 源 线 I I 通 信 线． ⋯⋯ ， ． ； 【 }L P C 2 4 7 8 微 处 理 器 f． _ ． 1 A 柔 集 } -- 1 f f L V T D 差 动 变 压 器 式1 t J 位移传感器 I ’ 图 1 系统结 构图 2 基于软 P L C 圆度仪 执行 系统设计 2 ． 1 指令表编辑功能的设计与实现 编辑模块是开发系统 的核心 ， 对程序进行编辑 和连接 ， 经过词法分析 、 语法分析、 语义分析和 目标 代码生成 ， 控制运行过程 。把梯形图程序转化成 语句表格式 ， 然后再由语句表编译成 中间代码 ， 是软 P L C语言编辑功能中非常重要的一部分 。转换过程 分为以下几个阶段 1 采用 双 向链 表结构存储梯形 图图幅所含有 的数据信息 ， 进行有效信息检查。 2 在双向链 表的基础上将梯形 图划分成相对 独立的功能块 ， 然后 根据梯形 图扫描规则 ， 从左 至 右 ， 由上而下扫描 ， 生成图的邻接表。 3 对邻接表进行拓扑排序生成 的二叉树 。 4 遍历基于 X ML数据 的树型结构完 成 由数据 文件到语句表的转换 。 X ML 扩展标识语 言 的 自描述性 使其非常适 用于不 同应用问的数据交换 ， X M L描述 的是数据本 身 ， 它允许将数据组织成数据结构 J 。最有吸引力 的是在 X ML文档 中用户可以创建 自己的标记 ， 以 自 己的方式组织数据 。下面给 出一 个梯形 图转换 的 实例 H f ， 图2 梯形图 图 3是 图 2的有 向图 ， 图中最左 和最 后 的顶 点表示左右两母线 ， 中间的顶点代表梯形 图的各 个非空基本单元 ， 弧线则代表各个顶点之间的拓 扑关 系。 图3 有向图 经过对有 向图从左到右 的扫描 ， 对于每一个节 点 ， 将后续 的节点按照链表方式连接起来 ， 生成邻接 表结构 ， 如图4所示 。 O 1 Nu l 1 1 2 3 Nu l l Nu l l 3 4 Nu l l 4 5 Nu l l 5 6 6 7 Nu l l Nu l l 7 8 Nu l l 图4 邻接表 对邻接表进行拓扑排序 ， 再对排序后 的顶点进 行处理 ， 形成二叉树结构 ， 如图 5所示。 图 5二叉树 用 X ML表示二叉树 ， 程序如下 9 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1 年第 6期 2 ． 2 X ML和指令表的互换 采用 X ML作为梯形 图的数据文件 ， 可实现 由梯 形图图形到数据文件 的转换 J 。 遍历 X ML数据的 树型结构 ， 以一定规则将各个功能块和节点翻译成对 应的软 P L C编程语言 ， 即可完成由数据文件到软 P L C 可执行代码的转换 步骤。基于 X ML数据 的树型结 构 ， 通过遍历 由根节点出发的各个节点， 可 以提取软 P L C的编程逻辑同时转换成对应 的指令表。根据上 述 X ML数据文件 ， 由 X M L数据的根节点出发搜索到 编号为“ R P L C ” 的功能块 ， 搜索“ R P L C ” 的子节点中名 称为“ O u t l ” 的节点 ， 开始进行指令表语句的转换 ， 遍 历“ O u t l ” 节点的所有子节点 ， 节点和它前边的节点的 连接关系由它们的父节点所确定， 由此生成指令表代 码。例如对“ O u t l ” 的节点 ， 第一个节点为块是串联 块 ， 其子节点也为串联块。继续 向下搜索下一层子节 点， 其数据描述为“ E l e m e n t T y p e “ X” A d d r e s s “ 1 ” V i r t u a l “ F a l s e ” 即表示类型为输入节点 X地址 为 0 0 1的实际触点“ X 0 0 1 ” ， 相应 的指令码为 L D X 0 0 1 ， 依次遍历“ O u t l ” 节点的所有子节点即可生成指令表。 3 嵌入式软 P L C 圆度仪运行 系统设计 3 ． 1 运行系统 运行系统 即下位机 是整个软 P L C系统 的核 心 ， 运行系统中的通信接 口建立与开发系统的连 接 ， 完成上位机开发的应用控制程序的下载 ， 而 I ／ O 接 口与外 围 I ／ O模块相连 ， 负责现场数据采集和执 行输出控制过程 。运行 系统工作 流程如 图 6所示 ， 软 P L C运行系统执行周期包括 3个阶段_ 6 J 1 输人采集。读取外部 I ／ O口的输入端信号， 并写人输人映像区。保持输人映像区的数据不变， 直到下一周期的输入采集 。 2 执行代码 。根据输人映像 区信号 ， 顺序执行 目标代码， 并将运算结果写人输出映像区。 3 信号输 出。 目标代码执行结束后 ， 将输 出映 像区的数据输 出到 I ／ O 口输 出端 。软 P L C的一个 工作扫描周期主要分为上述 3个阶段。 图 6 运行 系统工作流程 图 但是严格来说 ， 还应当包括下述 3 个过程， 这 3 个过程都是在输人扫描过程之后进行 的 1 系统 自 检测。检查程序执行是否正确， 如果 超时则停止 C P U工作。 2 与上位机交换信息。在使 用编程器输人 和 调试程序时才执行这一过程。 3 网络通信。当P L C配置有网络通信模块时， 与通信对象进行数据交换 。运行 系统开始后 ， 首先 需要初始化寄存器、 定时器 、 硬件配置等各种信息。 然后进人主循环 ， 进行输人采样、 执行用户程序即进 行 I E C运算 、 输出刷新等 ， 以进行判断异常。表 1是 使用 圆度差为 4 ． 9 、 5 ． 9 2 9 、 7 ． 4 6 8 p ． m的椭 圆标准件 进行测量得到的数据。 表 1 测量数据 序号 p 准 ,m p 得 , m 枥 示值误差 堡 o o ％ ⋯ m 度 标准值 m ’ 杯准但 5． 9 2 9 5 ． 9 2 9 5 ． 9 2 9 7． 4 6 8 7． 46 8 7． 46 8 0 ． 6 5 7 0 ． 6 6 0 0 ． 6 5 8 1 ． 81 2 1 ． 8 0 1 1 ． 7 9 2 1 8． 5 1 8 ． 6 1 9． 1 7 0 ． 3 7 0． 1 70． 2 5 ． 9 2 4 5 ． 9 2 7 5． 9 3 2 7 ． 4 5 9 7 ． 4 6 6 7． 471 0 ． 0 0 5 0 ． 0 0 2 0． 0 0 3 0． 0 0 9 0． 0 0 2 0． 0 03 0． 08 4％ 一 0． 0 3 3 ％ 0． 0 5 0 ％ 一 0 ． 1 2 1 ％ 一 0． 02 6 7％ 0． 0 41 2％ 2 0 1 1年第 6期 工业 仪表与 自动化装置 9 5 3 ． 2 软 P LC通信机制 通信系统包含与上位机的通信， 与 I／ O模块的 通信及与 C A N系统的通信 3 个方面， 其中与上位机 的通信采用 R S 2 3 2 ， 通过 L P C 2 4 7 8芯片的 U A R T进 行通信 ， 从上位机下载 目标代码 ， 给上位机提供变量 值、 控制信息和运行状态等信息。运行系统中通信 模块接收上位机的命令 、 数据 ， 解析并作出相应 的处 理 ， 最后给上位机发送应答。通信服务实现分为两 层 调用 U A R T驱动接收／ 发送数据与解析／ 组织通 信服务命令和数据 。读取到上位机发送下来的命令 后， 根据规定的应用层通信协议， 对结构体进行解 析， 分析得到具体的命令。 与 I／ O模块的通信通过 L P C 2 4 7 8的G P I O接口， 利用 S P I 协议首先建立与 A R M芯片的连接， 这样就 可以对 I ／ O接 口进行扩展 ， 直接在 C P U模块上 自带 1 6 个开关量接口， 包含各种中断、 控制信息。在每一 个主循环周期中， 都通过读写 I ／ O端 口信息， 从而控 制现场设备 。若需要更多的 I ／ O接 口， 可通过 自定义 的通信协议与其他 I ／ O扩展模块进行连接。 系统针对串口连接采用 C A N通信协议与现场设 备进行通信。L P C 2 4 7 8芯片 中集成了 C A N控制器与 收发器， 支持 C A N 2 ． 0 A与 C A N 2 ． 0 B， 且 可采用 F I F O 模式通信。系统采 用 中断 的方式 进行 通信。通 过 F I F O建立 R A M与C A N控制器之间的通信。在下位 机中实现了通过 C A N收发器接收与发送 消息的功 能。具体的实现包含 4个主要的函数 ， C A N i n i t 完 成对相关寄存器的设置 ， C A N s e n d 完成发送数据功 能 ， C A N R e e e i v e 完成接收功能， C A N S e t p r a m 设置 波特率。另外 ， 系统管脚 的配置在硬件初始化 时进 行。用户可以通过在上位机中调用相应功能块 ， 来使 能 C A N收发功能 ， 设定波特率等参数， 从而进行 C A N 通信。图7为4 ． 9 m标准件数据通信分析界面。 图7 数据通信预处理 4结束语 嵌入式软 P L C是未来 P L C研究与应用的主要 途径 之 一。该文 针 对 高 精 密 圆度 仪提 出 了基 于 A R M的嵌入式软 P L C设计方案。它集合了硬 P L C 安全可靠 的优 点 ， 同时兼具 A R M 的高精度和 高可 控性 ， 且价格合理 ， 极具市场竞争力 ， 拥有广泛的应 用前景。 参考文献 [ 1 ] 曹麟祥， 王丙甲．圆度检测技术[ M] ．北京 国防工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 黄延延 ， 林跃， 于海斌 ．软 P 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[ z]． P u b l i c a t i o n 4 2 0 E V 3 ． 0， i s s u e 0 1 ／ 0 5 ． [ 3 ] 王敦坤， 卢彬， 张立鹏， 等 ． s 73 0 0软冗余系统在锅炉 F S S S中的应用[ J ] ．电子设计工程， 2 0 1 1 0 1 1 51 9 ．