外文翻譯--基于物理實驗simatic plc運行的實時顯示測量 中文版

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　學(xué)院（系）： 機械工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 武器系統(tǒng)與工程 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號：

2、 </p><p>　　外文出處： IEEE TRANSACTIONS ON </p><p>　　NUCLEAR SCIENCE </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　注：請將該封面與附件裝訂成冊。</p><p>

3、;　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　基于物理實驗Simatic® PLC運行的實時顯示測量</p><p>　　摘要：當(dāng)今，在Forschungszentrum Jülich，大部分適合于物理實驗的低速控制系統(tǒng)是由PLC技術(shù)和場線系統(tǒng)完成的。在多數(shù)情況下，需要通過PLCs 得到確定性的答案。這就提出期望從PLC得到精確的、關(guān)于實時性能的問題。Simati

4、c® PLCs是主導(dǎo)全球市場的西門子公司制造的。我們將介紹它的響應(yīng)時間的測量，還將討論程序結(jié)構(gòu)和硬件配置對PLC運行情況和確定性行為的影響。</p><p>　　I. 實驗控制系統(tǒng)中的PLC</p><p>　　當(dāng)今，工業(yè)自動化技術(shù)在物理實驗各分系統(tǒng)內(nèi)得到了很好的應(yīng)用，例如水或氣的供給系統(tǒng)。這導(dǎo)致了PLC的大量應(yīng)用，尤其是智能自動控制部位已成了工業(yè)系統(tǒng)的核心。這其中主要的原因有：

5、</p><p>　　大量市場導(dǎo)致的價格低廉；</p><p><b>　　堅固耐用；</b></p><p>　　來自制造商的長期有效的技術(shù)支持；</p><p>　　專業(yè)化（編譯器，順應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化）；</p><p>　　除了單純的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)范圍，PLC漸漸成為實驗控制系統(tǒng)的重要組成部分，代替以

6、VME 或PC為基礎(chǔ)的實時系統(tǒng)。這取決于現(xiàn)代PLC系列產(chǎn)品的以下特性：</p><p>　　高度可測量性：現(xiàn)代PLC系列產(chǎn)品有大量的CPU類型，不僅性能而且功能和結(jié)構(gòu)都可升級。為滿足戶外使用或容錯要求，還可提供特殊版本。 </p><p>　　可擴展性： PLC的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計使其能通過一系列數(shù)字或模擬輸入/輸出模塊擴展。并且，集成工藝塊可用在不同領(lǐng)域，如：步進電動機控制器，飼服電動機控制器

7、和PID控制器。</p><p>　　較強的通信能力：現(xiàn)代PLC至少有一個集成的通信端口，并且針對不同現(xiàn)場和進程總線系統(tǒng)，通過多種通信控制器實現(xiàn)擴展，以實現(xiàn)和其它工業(yè)設(shè)備的連接。一個重要的應(yīng)用就是，通過專用場線（如PROFIBUS DP）把中央PLC系統(tǒng)擴展到分散外設(shè)間，實現(xiàn)了與非智能的I/O模塊間的透明連接。這樣一個PLC不僅能進行現(xiàn)場控制，還可以用于遠程監(jiān)控。</p><p>　　有利

8、的發(fā)展環(huán)境：現(xiàn)代PLC系列產(chǎn)品有一個和諧交互的發(fā)展環(huán)境，支持主要的IEC1311編程語言。典型的，指令表、功能塊圖和梯形圖的表示能動態(tài)的轉(zhuǎn)換。發(fā)展工具允許半圖解式的硬件結(jié)構(gòu)，提供強勁的編譯機制，而且，在運行期間允許區(qū)段的交換逐漸增加發(fā)展。 </p><p>　　今天，在FZ Juelich ，全新先進的實驗控制系統(tǒng)在很大程度上依賴PLC。如圖1中，中子譜儀（分光計）控制系統(tǒng)體系機構(gòu)所闡明。</p>

9、<p>　　由于國際市場權(quán)威西門子控制著歐洲市場，Simatic® S7 PLCs幾乎獨家占領(lǐng)了 FZ Juelich市場，最流行的是中范圍系列S7-300®，高端系列S7-400® 的目標(biāo)是應(yīng)用在有極端表現(xiàn)需求和支持多處理器配置的場合。微型PLC系列S7－200® 很少用，他被稱作S7系列純粹是市場的原因，并且，他的執(zhí)行環(huán)境與其他S7系列產(chǎn)品不兼容。IM151/CPU 可代替S7-20

10、0® 作為微型PLC使用。IM151/CPU 是一適用于分散外圍設(shè)備ET200S® 系列的智能控制器。同樣，分散外圍設(shè)備系統(tǒng)ET200L® 和ET200M® 在Jülich的使用也很普遍。迄今為止，僅SoftPLC WinAC® 這一軟件在實驗室得到測試。</p><p>　　以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的可靠設(shè)計需要他們實時特征方面的知識。</p&g

11、t;<p>　　取決于PLC的類型，PLC響應(yīng)時間的數(shù)量級是多少？</p><p><b>　　能保證截止期限嗎？</b></p><p>　　必須遵守的設(shè)計規(guī)則是什么？</p><p>　　通過對Simatic® S7系列不同類型PLC作測試，本論文對這些問題發(fā)表觀點。標(biāo)準(zhǔn)IEC 1311 對PLC功能和程序設(shè)計語言定

12、義了參考標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)的PLC制造商必須遵守。如此普遍的結(jié)果也能推廣到他們的PLC系列產(chǎn)品中。</p><p>　　II. SIMATIC® S7設(shè)計模型</p><p>　　正如在POSIX中有詳細說明的，傳統(tǒng)的實時應(yīng)用研究是通過實時核心（如OS－9或Vx Works），伴隨異步并行的程序設(shè)計方法完成的。軟件開發(fā)者依據(jù)要解決問題的邏輯結(jié)構(gòu)來組織它的程序結(jié)構(gòu)。這些任務(wù)被操作系統(tǒng)準(zhǔn)并行

13、執(zhí)行，并且，這些執(zhí)行基本上是事件觸發(fā)的。程序員對各任務(wù)分配優(yōu)先權(quán)的同時，把待執(zhí)行命令的指針?biāo)徒o操作系統(tǒng)。因此，程序員沒必要規(guī)劃程序執(zhí)行順序的細節(jié)。另一方面，很難理解執(zhí)行順序以及判斷一個特定的任務(wù)是否能趕上它的截止期限。</p><p>　　PLC系統(tǒng)中的程序機制就完全不同了，他們采用同步的命令方式。在這里，任務(wù)的執(zhí)行完全是時間觸發(fā)的，當(dāng)一個任務(wù)需要執(zhí)行時，程序員必須依照時序把它組織到原任務(wù)中去。因此，他必須親自安

14、排執(zhí)行順序，這不僅增大了復(fù)雜度而且有了更多的限制。</p><p>　　如IEC1131中定義的S7的發(fā)展環(huán)境，在Step7中 ，所有的代碼存在塊中。由組織塊送出各任務(wù)。OBs是預(yù)設(shè)的操作，在出現(xiàn)特定事件（如定時器溢出或出現(xiàn)錯誤）時，PLC操作系統(tǒng)訪問這些OBs。這樣，OBs就成為了操作系統(tǒng)對項目使用者的接口。如圖2指出，OBs能調(diào)用函數(shù)（符合程序語言功能的函數(shù)塊）。OBs可以調(diào)用其它函數(shù)，或在POSIX環(huán)境中符

15、合操作系統(tǒng)要求的系統(tǒng)函數(shù)。功能塊/系統(tǒng)功能塊是為靜態(tài)函數(shù)分配了數(shù)據(jù)塊的函數(shù)類/系統(tǒng)函數(shù)類。</p><p>　　如圖3所示，一個“標(biāo)準(zhǔn)”的PLC程序儲于OB1中，被操作系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用。在調(diào)用OB1前，操作系統(tǒng)把數(shù)據(jù)從輸入模塊調(diào)入存儲區(qū)（過程映象區(qū)）。調(diào)用OB1后，數(shù)據(jù)從過程映象區(qū)復(fù)制到輸出模塊。這種經(jīng)過程映象區(qū)而間接存取的輸入/輸出模塊減少了存取時間，增加了協(xié)調(diào)性。</p><p>　　監(jiān)控

16、OBs的執(zhí)行時間，一旦超出了提前設(shè)定的最大時間，將調(diào)用時間錯誤函數(shù)命令OB80。</p><p>　　對于S7-400® 和WinAC®，也可以設(shè)定OB1的最小周期時間。如果OB1的執(zhí)行時間少于最小時間，將調(diào)用優(yōu)先級最低的后臺命令OB90，其余所有OBs的優(yōu)先級依次加1。只有對于S7-400® 和WinAC®，可改動這個默認的優(yōu)先級。每個OB都能被優(yōu)先級更高的OB中斷。表I

17、列出了有可能的OBs。OBs的有效性取決于CPU類型。如需要較多類型的OBs，必須買個更好的CPU。</p><p>　　中斷命令OBs在預(yù)定時間啟動，例如：一次移動結(jié)束，盡管時間延遲，中斷命令在點計時器結(jié)束時啟動。定時中斷按周期時間反復(fù)執(zhí)行。（循環(huán)中斷命令OBs以固定的頻率啟動）。間隔時間和偏移相位可以設(shè)成1 ms。硬件中斷命令由一個輸入事件或功能模塊引起。例如：探測到一個數(shù)字信號的上升沿。這種功能僅對所謂的“

18、高性能”輸入模塊有效。異步錯誤由PLC的錯誤引起，反之同步錯誤由用戶程序出錯引起， 如電源失效，模塊失效，或時基出錯。當(dāng)OB無法滿足他的計劃啟動時間，就發(fā)生了時間錯誤，并且是PLCs的一個特點。</p><p>　　III. 實時性能測定</p><p><b>　　性能評估目的</b></p><p>　　實時性能的關(guān)鍵是它對外部事件的反應(yīng)時

19、間。PLC系統(tǒng)基本上遵循同步編程模型，這是由周期時間Tc直接決定的，空運行周期和循環(huán)中斷（如OB35）必須分析Tc。為確定不同種類PLC的應(yīng)用范圍，必須測定不同類型PLC的Tc最小值。當(dāng)然，在特定應(yīng)用場合中Tc的實際值取決于循環(huán)塊中的代碼數(shù)量。</p><p>　　Tc的波動是循環(huán)中斷的主要影響因素，它決定了PLC的確定表現(xiàn)。</p><p>　　雖有高性能的輸入模塊，也可能發(fā)生硬件中斷。

20、必須測量最小的響應(yīng)時間Tr，即激活OB40的時間，以及它的波動。</p><p>　　為了得到一完整圖片，必須對微型、中型、高端PLC分別進行測量。表II顯示的是本論文中為測量選用的CPU。為了表現(xiàn)出它們的相關(guān)性，對變化顯著的浮點增量重復(fù)測量106次。</p><p>　　鑒于以PLC為核心的系統(tǒng)的分布式特性，PROFIBUS 通訊對響應(yīng)時間的影響非常重要。因此必須分析由于通信導(dǎo)致的額外延

21、遲及波動。但是，與通信相關(guān)的測試內(nèi)容不在本論文討論范圍內(nèi)，將在以后文章中予以討論。</p><p>　　在像POSIX一樣的傳統(tǒng)的實時系統(tǒng)中，由硬盤啟動、通信及后臺運算引起系統(tǒng)運行響應(yīng)時間，對分析非常關(guān)鍵。由于PLC系統(tǒng)是同步循環(huán)操作，所以無需對響應(yīng)時間做特殊分析。甚至，像PROFIBUS DP V0 or AS－interface這樣場線的循環(huán)通信也只是引起恒負載。對于異步通信，如TCP/IP，使用智能通信控制

22、器，可以不使用CPU。CPU集成內(nèi)置的場線MPI（多點接口，專有場線）是一個例外。但在Jülich MPI僅用于編程。</p><p><b>　　測試方案</b></p><p>　　根據(jù)圖4，待測PLCs的輸入端連接到一個脈沖發(fā)生器。一個輸入信號的上升沿來到時，OB40起作用，輸出信號被鎖住。脈沖發(fā)生器和待測PLCs的輸出端接到NI6062E的電壓輸入端

23、。以100KHz的頻率對這些信號采樣。Matlab代碼已發(fā)展到能探測到采樣信號的上升沿，計算所需的時差，并據(jù)測量數(shù)據(jù)輸出柱狀圖。這樣就可以測量PLC響應(yīng)時間Tr的分布情況。周期時間Tc的分布可通過類似方法測量?？蛇x擇的，信號也可以從系統(tǒng)連接到TDC模塊SIS3400。這樣，測量數(shù)據(jù)的正確性和精確度可以得到驗證。</p><p>　　主程序掃描周期塊的測量</p><p>　　圖5－7是對表

24、I中前三個PLC 測量得到的OB1的Tc分布情況。模塊OB1包含鎖住不使用過程映象區(qū)而直接數(shù)字輸出的代碼，并且除了OB1沒有其它模塊起作用。</p><p>　　Tc的最小值和它的波動由操作系統(tǒng)的激活引起并隨待測PLC運行時間的增加而趨于穩(wěn)定。盡管S7-300® 的Tc值和變化好于IM151/CPU的，最壞的情況是可比擬的。CPU412-2幾乎是決定性的（determistic），基本上有兩個離散值。這

25、不是CPU行為引起的必要反應(yīng)，因為在這樣的頻率，數(shù)字輸出行為的影響也變得重要。這導(dǎo)致了CPU414-1的典型后果。在測量到0.2ms的最小周期時，在兩種輸出狀態(tài)之間的時間有幾毫秒的變化，并且伴隨著極高的波動。當(dāng)我們增加CPU414-1中OB1的最小期間值到1ms時，在輸出之間變化的時間將大幅降低，并CPU的周期與輸出速度一致。這個例子表明必須精心選擇I/O模塊。為了保護電路，增加電流以減少電磁噪音，過濾以穩(wěn)定開關(guān)讀取等，標(biāo)準(zhǔn)模塊有幾毫秒

26、的次序的延遲。</p><p>　　如預(yù)計的，圖8是對CPU412-2測量時得到的OB1中Tc的波動情況，每毫秒調(diào)用一次OB35引起后臺負荷，Tc隨后臺負荷的持續(xù)而增加。Tc的分布幾乎是離散的也表示一定存在約0.2ms的內(nèi)循環(huán)。由于PLC是同步操作的，只要知道了每個模塊的持續(xù)時間就可估計Tc的最大值。結(jié)果顯示,OB1需要一固定的掃描速率，不足以滿足所有應(yīng)用，例如在操縱系統(tǒng)中.III－D檢驗循環(huán)中斷塊OB是否能滿足

27、這些需求。</p><p>　　循環(huán)中斷塊OB35的測量</p><p>　　圖9、圖10表明：和OB1相比，循環(huán)中斷塊OB35的波動是非常小的。同樣，CPU412-2表現(xiàn)出幾乎離散分布的Tc。任務(wù)以1KHz的頻率被循環(huán)激活，它的精度要好于0.1ms，PLCs的這個特點甚至是基于Pentium II平臺的Lynx操作系統(tǒng)不可能實現(xiàn)的。IMI151/CPU的低性能決定它可能的最小的OB35周

28、期是2ms。</p><p><b>　　硬件響應(yīng)時間測量</b></p><p>　　圖11、12是分別使用CPU314C-2DP和IMI151/CPU測量時得到的Tr，Tr是輸入上升沿引起的OB40的激活時間，其中包含所有相關(guān)硬件時間部分。因為沒有符合S7-400® 的高性能輸入，所以無法對S7-400® 系列測量。即使對低檔PLC，在IMI1

29、51/CPU中測得的Tr平均值和方差值都不能令人滿意。雖然在CPU314C-2DP 上測得的Tr值比基于Pentium II 的Lynx操作系統(tǒng)的差五倍，但對于典型的PLC應(yīng)用場合已經(jīng)足夠了。</p><p><b>　　IV. 結(jié)論</b></p><p>　　如上所述，在物理實驗中，PLCs的使用提供了眾多有利條件。它們以同步循環(huán)方式工作并具有高度可預(yù)測性。結(jié)合它

30、們的實時特性，它們完全能夠應(yīng)用在需要達到毫秒級的確定響應(yīng)時間的場合。1ms甚至更短的響應(yīng)時間要求我們在選擇硬件時必須非常認真。PLCs不適合用在需要0.5ms或更短的響應(yīng)時間時。 由于它們的低波動性，循環(huán)中斷塊OBs最適合需要固定掃描速率的場合，然而可以通過硬件中斷塊來減少響應(yīng)時間。主循環(huán)塊OB1不適用于RT操作。</p><p>　　以后的工作將關(guān)注SoftPLC WinAC® ，它不僅可應(yīng)用在基于P