一种高性能计算机可编程控制器（PCC）

作 者：中国矿业大学信电学院 / 张志龙

1 引言

随着现代计算机技术的发展，可编程控制器有了长足的发展。1968年，美国最大的汽车制造商gm公司为了自身汽车工业的跨越式发展，提出新一代控制器应具备十大条件。这成为了当代可编程控制器的发展动向。1969年，美国数字设备公司（dec）成功研制世界第一台可编程序控制器pdp-14，并在gm公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。20世纪70年代，日本、西欧国家也相继引进和研制出自己的第一台可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。可编程控制器现在已经成为我国工业设备控制使用增长速度最快的控制器。由于控制器出现以后，名称混乱，功能也各不相同，因此美国电气制造商协会（nema）和国际电工委员会（iec）分别于1980年和1985年对可编程控制器（pc）进行了定义。这就是后来说的“蓝领计算机”。随着现代计算机技术、网络通信技术、现代自动控制技术的高速发展，可编程控制器的数学处理能力、网络通讯能力和智能控制能力等得到大大提高。在1994年可编程计算机控制器（programmable computer controller简称pcc）的概念被提出来，它代表了当今工业控制技术的发展趋势。奥地利贝加莱(b&r)工业自动化公司的pcc为其典型代表，其是集计算机技术、通信技术、控制技术（3g技术）为一体的新型工业控制装置。

2 pcc功能模块构成及其特点

pcc一种计算机控制系统，具有中央处理器（cpu），输入/输出（i/o）接口、电源等，其构成如图1所示。pcc实现了系列化、模块化、标准化的设计，使得其设计、安装比较容易，调试周期短、维护简单等特点，其所有的输入输出接口电路均采用光电隔离，可有效抑制外部干扰源对pcc的影响。另外，pcc模块品种丰富，通信接口完善，配置简单，可较容易组网通信。现代的pcc已经从较小规模的单机顺序控制发展到包括过程控制、运动控制、步序控制等，广泛应用在塑料、包装、印刷、造纸等许多行业中的控制，这些应用极大地提高了这些行业的生产效率和产品的质量。

程序执行上，pcc采用分时多任务操作系统，它可以很好地实现实施多任务，用户可以根据自己的生产需要，编制自己的程序并设定循环时间。控制系统为用户提供了八个不同循环时间和不同优先级别的任务等级，同时它是一个可自定义、具有确定性的实施多任务操作系统。同时，为了能够给技术人员和编程人员提供更多的服务，方便用户得到自己关心的数据和控制系统状态等情况，pcc编程系统为用户提供了很多不同的诊断工具。这些工具可以显示正在运行的概要，可以读取、存储和修改信息，可以深入系统并优化它。

图1 pcc模块功能构成

3 贝加莱2000系列pcc

b&r2000系列pcc有2003系列和2005系列。包括：cpu模块、总线控制器模块、通讯模块、电源模块、现场总线模块、数字量、模拟量输入、输出模块计数和定位模块等。b&r2000系列pcc硬件具有如下特点[2]：①硬件模块化；②网络通信能力；③有与hmi通讯的接口；④有工业汁算机能力；⑤emc符合en61131—2；⑥可靠的i/o总线协议；⑦独立的i/o总线和系统总线⑧具有工业强度的端子排；⑨多i/o总线系统的高性能。

图2 2003系列pcc

（1）2003系列小型pcc（见图2）

2003系列属于小型pcc，其特点为：2003系列采用了极高性价比的紧凑型设计，节省了装备的空间；can总线网络实现了操作面板、显示单元、驱动以及其他外围设备直接的连接；远程i/o系统实现了通过can进行远程控制的可能；大量的旋入式模块也确保了任何传感器和执行器信号的连接；实现机器或系统中分布式或集成单元，单元间的主干通信通过标准的以太网tco/ip网络或现场总线实现，在每个单元中，2003系列可通过驱动操作面板和外围设备进行扩展，依据机器单元所需的计算能力选择合适的cpu模块；2003系列的紧凑型控制器也适用于大型系统，如果带本地i/o的cpu通过ethernet powerlink与各个分布式组件连接，便可创建一个用于高动态运动任务

（2）2005系列中型pcc（见图3）

2005系列属于中型pcc，是贝加莱(b&r)出品的高性能可编程计算机控制器(pcc)，其不仅具有2003系类的特点外，还有以下优点：支持嵌入式pc-based技术，同时具有很强的分析计算能力，其外围信号输入输出的巨大带宽可满足机械制造、工厂自动化及过程自动化的所有要求，配合贝加莱(b&r)的其它产品，如i/o系统，工业pc及控制器等，可创建满足最高要求的自动化方案；依靠先进的接口、现场总线系统，网络及外围设备，可完成最佳的数据传输任务；最新的2005系列基于intel兼容处理器，具备最先进的构架，创造性的pc技术如compact flash存贮，以太网连接以及apci扩展插槽等的使用使得it世界中高性能产品在自动化领域也得以应用；编程采用全兼容、格式统一的b&r automationstudiotm；为了减少接线，2005系列的i/o模块可以实现远程操作，总线控制器摆脱了位置限制，并使连接端子更接近于机器，通过ethernet powerlink传输数据也是分布式系统实现最高性能的保障。

2005模块安装于底板上，底板又安装于配电柜中的导轨上，传感器和执行器信号的连接都预配置于插入式端子排上，这也就将配电柜中的工作减至最少，2005系列的电源也安装于底板上，并且有各种电源电压值可选。每个从逻辑上相独立的机器单元或产品单元都配备独立的控制器，用于控制本地驱动及i/o系统，对这些相互独立的单元进行的配置、编程及测试工作在发货之前就能轻易完成，单元之间对时间要求不是很高的通信以及其间的操作乃至显示站点以及工厂网络都可架构于以太网tcp/ip和opc之上。

图3 2005系列pcc

4 pcc编程系统

4.1编程语言

众所周知，传统的工业可编程控制器编程语言为梯形图，与大多数可编程控制器一样，pcc也采用面向控制过程、面向问题的简单而直观的控制型语句，直接表达被控对象的动作及输入输出关系，直接表达被控对象的动作及输入输出关系。常见的编程语言有：梯形图lad(ladder diagram)、指令表il(instruction list)、结构文本st(structured text)、顺序功能图sfc(sequential function chart)、b&r automation studio，以及标准c语言(ansic)等，其中梯形图lad和指令表il(instruction list)语言目前仍在pcc的使用中很流行，而b&r automation studio和标准c语言(ansic)由于其强大的功能，得到了越来越广泛的应用。

图4 automation studio编程界面

4.2开发环境

目前使用的贝加莱编程软件为automation studio。图4为编程软件的用户界，automation studiotm用户界面包括以下内容：

主菜单：b&r automation studiotm的主菜单可进入所有功能。

工具条：工具条中的按纽可快速运行多个命令和功能。

工作区：打开项目时在这里显示，项目窗口可调节到最大或合适的窗口大小。

信息窗体：信息窗体位于编程窗体的下方，显示编译信息，调试信息等。此外，还显示搜索功能“find in files”的结果。

状态条：状态条位于整个窗体的下方，显示以下信息：关于菜单命令或工具条图标的简短帮助；编译步骤的简短信息；编程设备和目标系统的在线连接状态；当前活动窗体的状态数据。

（1）状态栏（见图5）

在automation studio中，状态栏位于窗口的底部。在窗体的右下方会显示以下信息：

a.offline（离线）－与目标系统没有连接

b.连接到的目标系统

c.cpu 类型+控制器上的操作系统版本

d.控制器状态。

图5 状态栏

（2）错误记录本

操作系统会记录应用程序中发生的所有致命错误、警告和信息。这些错误存储在系统的错误记录本中，并且通过工程窗口可以浏览，错误记录本也可以存为一个文件。错误记录本位于控制器的存储器中并可以从存储器中上载。选择软件窗口中的log book 标签打开错误记录本。

（3）监控窗口（watch）

监视窗口的首要目的是观察和修改控制器的变量。除了变量值，也可以显示其它重要的信息（数据类型、范围、i/o数据点等）。变量以列表的形式来管理，不同的配置（变量组）也可以存储。通过点击快捷菜单中insert variable，可以在watch（监视）窗口中添加所选任务的变量。在监视窗口中，红色的灯表示输出变量，绿色的灯表示输入变量。双击变量的value框会弹出强制选项窗体，确认后就可以强制改变变量的值。当开启强制状态时，系统会将在监视窗口输入的值会写到软件或硬件中，而与i/o数据点的状态值无关。监控可以用来获得目标系统的信息。

（4）轨迹跟踪

在对变量进行检测时，由于一些变量变化太快，而使watch窗口无法跟上它们的变化。因为这些变量的变化是随机的，所以很难确切的说出它们的变化，于是就有了跟踪器（tracer）。这个工具可以报告变量值随时间的变化并以图表的形式显示出来。图表结果可以存储起来作为以后的观察和处理。当系统监控启动时，可以通过点击快捷菜单下的trace来打开它。

（5）调试器

调试器可以捕捉到在文本编程语言中隐藏的软件错误。通过在源程序中设置断点，使程序在设置断点的代码行停止执行。这就可以确定变量值和当前所执行的程序行的直接关系。当你想详细了解正在运行的程序时，可以使用step into（进入）和step over（跳过）功能键完成这个程序段。

（6）profiler

profiler工具可以测量和显示重要的系统文件，比如：任务运行时间；堆栈利用率；系统利用率等。根据系统利用率（负载）来分析系统运行时间，这个信息可以帮助用户如何使用资源来优化系统。

（7）pvi传输工具

pvi传输工具是一个多功能的诊断和服务工具，它不仅仅限于传输工程，还结合了几个不同的诊断功能并且在安装pvi runtime&server时可选择安装pvi传输工具。在automation studiotm中进入tools菜单后选择pvi transfer tool来启动pvi传输工具。如果没安装automation studiotm，也可以在windows start在菜单下直接启动[6]。

图6为pvi传输工具提供的功能图。

图6 pvi功能构成

5 总结

可编程计算机控制器pcc作为现代工业控制技术的发展趋势，集合了传统工业控制系统的优点和高性能，具有友好的编程平台、编程语言应用广泛，编程简单易学。品种丰富pcc模块，系列化、模块化、标准化的设计使得它应用方便，通用性好，功能强大高速处理能力的cpu、先进的操作系统，高可靠性和抗干扰能力。实施多任务处理系统使得控制过程更加灵活。胜任大型的集散控制、复杂的过程控制和高精度的运动控制，能够完成各种规模的现场控制任务，应用前景非常广阔。

作者简介

张志龙 (1985-) 男 硕士研究生，现就读于中国矿业大学信息与电气工程学院，研究方向为电机控制与变频器负面效应。

参考文献(略）