外文翻譯--基于物理實(shí)驗(yàn)simatic plc運(yùn)行的實(shí)時(shí)顯示測(cè)量 中文版

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　學(xué)院（系）： 機(jī)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(hào)：

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(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。</p><p>

3、;　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　基于物理實(shí)驗(yàn)Simatic® PLC運(yùn)行的實(shí)時(shí)顯示測(cè)量</p><p>　　摘要：當(dāng)今，在Forschungszentrum Jülich，大部分適合于物理實(shí)驗(yàn)的低速控制系統(tǒng)是由PLC技術(shù)和場(chǎng)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(shí)時(shí)性能的問題。Simati

4、c® PLCs是主導(dǎo)全球市場(chǎng)的西門子公司制造的。我們將介紹它的響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量，還將討論程序結(jié)構(gòu)和硬件配置對(duì)PLC運(yùn)行情況和確定性行為的影響。</p><p>　　I. 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中的PLC</p><p>　　當(dāng)今，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(chǎng)導(dǎo)致的價(jià)格低廉；</p><p><b>　　堅(jiān)固耐用；</b></p><p>　　來自制造商的長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)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(cè)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(jí)。為滿足戶外使用或容錯(cuò)要求，還可提供特殊版本。 </p><p>　　可擴(kuò)展性： PLC的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使其能通過一系列數(shù)字或模擬輸入/輸出模塊擴(kuò)展。并且，集成工藝塊可用在不同領(lǐng)域，如：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器，飼服電動(dòng)機(jī)控制器

7、和PID控制器。</p><p>　　較強(qiáng)的通信能力：現(xiàn)代PLC至少有一個(gè)集成的通信端口，并且針對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)和進(jìn)程總線系統(tǒng)，通過多種通信控制器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)和其它工業(yè)設(shè)備的連接。一個(gè)重要的應(yīng)用就是，通過專用場(chǎng)線（如PROFIBUS DP）把中央PLC系統(tǒng)擴(kuò)展到分散外設(shè)間，實(shí)現(xiàn)了與非智能的I/O模塊間的透明連接。這樣一個(gè)PLC不僅能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，還可以用于遠(yuǎn)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(gè)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(dòng)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(qiáng)勁的編譯機(jī)制，而且，在運(yùn)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(jìn)的實(shí)驗(yàn)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(jì)）控制系統(tǒng)體系機(jī)構(gòu)所闡明。</p>

9、<p>　　由于國(guó)際市場(chǎng)權(quán)威西門子控制著歐洲市場(chǎng)，Simatic® S7 PLCs幾乎獨(dú)家占領(lǐng)了 FZ Juelich市場(chǎng)，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(chǎng)合。微型PLC系列S7－200® 很少用，他被稱作S7系列純粹是市場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室得到測(cè)試。</p><p>　　以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)需要他們實(shí)時(shí)特征方面的知識(shí)。</p&g

11、t;<p>　　取決于PLC的類型，PLC響應(yīng)時(shí)間的數(shù)量級(jí)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(jì)規(guī)則是什么？</p><p>　　通過對(duì)Simatic® S7系列不同類型PLC作測(cè)試，本論文對(duì)這些問題發(fā)表觀點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)IEC 1311 對(duì)PLC功能和程序設(shè)計(jì)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(jì)模型</p><p>　　正如在POSIX中有詳細(xì)說明的，傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用研究是通過實(shí)時(shí)核心（如OS－9或Vx Works），伴隨異步并行的程序設(shè)計(jì)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(duì)各任務(wù)分配優(yōu)先權(quán)的同時(shí)，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(xì)節(jié)。另一方面，很難理解執(zhí)行順序以及判斷一個(gè)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(jī)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(shí)間觸發(fā)的，當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，程序員必須依照時(shí)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(shí)器溢出或出現(xiàn)錯(cuò)誤）時(shí)，PLC操作系統(tǒng)訪問這些OBs。這樣，OBs就成為了操作系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)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(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”的PLC程序儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)間，增加了協(xié)調(diào)性。</p><p>　　監(jiān)控

16、OBs的執(zhí)行時(shí)間，一旦超出了提前設(shè)定的最大時(shí)間，將調(diào)用時(shí)間錯(cuò)誤函數(shù)命令OB80。</p><p>　　對(duì)于S7-400® 和WinAC®，也可以設(shè)定OB1的最小周期時(shí)間。如果OB1的執(zhí)行時(shí)間少于最小時(shí)間，將調(diào)用優(yōu)先級(jí)最低的后臺(tái)命令OB90，其余所有OBs的優(yōu)先級(jí)依次加1。只有對(duì)于S7-400® 和WinAC®，可改動(dòng)這個(gè)默認(rèn)的優(yōu)先級(jí)。每個(gè)OB都能被優(yōu)先級(jí)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(gè)更好的CPU。</p><p>　　中斷命令OBs在預(yù)定時(shí)間啟動(dòng)，例如：一次移動(dòng)結(jié)束，盡管時(shí)間延遲，中斷命令在點(diǎn)計(jì)時(shí)器結(jié)束時(shí)啟動(dòng)。定時(shí)中斷按周期時(shí)間反復(fù)執(zhí)行。（循環(huán)中斷命令OBs以固定的頻率啟動(dòng)）。間隔時(shí)間和偏移相位可以設(shè)成1 ms。硬件中斷命令由一個(gè)輸入事件或功能模塊引起。例如：探測(cè)到一個(gè)數(shù)字信號(hào)的上升沿。這種功能僅對(duì)所謂的“

18、高性能”輸入模塊有效。異步錯(cuò)誤由PLC的錯(cuò)誤引起，反之同步錯(cuò)誤由用戶程序出錯(cuò)引起， 如電源失效，模塊失效，或時(shí)基出錯(cuò)。當(dāng)OB無法滿足他的計(jì)劃啟動(dòng)時(shí)間，就發(fā)生了時(shí)間錯(cuò)誤，并且是PLCs的一個(gè)特點(diǎn)。</p><p>　　III. 實(shí)時(shí)性能測(cè)定</p><p><b>　　性能評(píng)估目的</b></p><p>　　實(shí)時(shí)性能的關(guān)鍵是它對(duì)外部事件的反應(yīng)時(shí)

19、間。PLC系統(tǒng)基本上遵循同步編程模型，這是由周期時(shí)間Tc直接決定的，空運(yùn)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(cè)定不同類型PLC的Tc最小值。當(dāng)然，在特定應(yīng)用場(chǎng)合中Tc的實(shí)際值取決于循環(huán)塊中的代碼數(shù)量。</p><p>　　Tc的波動(dòng)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(cè)量最小的響應(yīng)時(shí)間Tr，即激活OB40的時(shí)間，以及它的波動(dòng)。</p><p>　　為了得到一完整圖片，必須對(duì)微型、中型、高端PLC分別進(jìn)行測(cè)量。表II顯示的是本論文中為測(cè)量選用的CPU。為了表現(xiàn)出它們的相關(guān)性，對(duì)變化顯著的浮點(diǎn)增量重復(fù)測(cè)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(duì)響應(yīng)時(shí)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(dòng)。但是，與通信相關(guān)的測(cè)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(shí)時(shí)系統(tǒng)中，由硬盤啟動(dòng)、通信及后臺(tái)運(yùn)算引起系統(tǒng)運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間，對(duì)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(duì)響應(yīng)時(shí)間做特殊分析。甚至，像PROFIBUS DP V0 or AS－interface這樣場(chǎng)線的循環(huán)通信也只是引起恒負(fù)載。對(duì)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(chǎng)線MPI（多點(diǎn)接口，專有場(chǎng)線）是一個(gè)例外。但在Jülich MPI僅用于編程。</p><p><b>　　測(cè)試方案</b></p><p>　　根據(jù)圖4，待測(cè)PLCs的輸入端連接到一個(gè)脈沖發(fā)生器。一個(gè)輸入信號(hào)的上升沿來到時(shí)，OB40起作用，輸出信號(hào)被鎖住。脈沖發(fā)生器和待測(cè)PLCs的輸出端接到NI6062E的電壓輸入端

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

24、I中前三個(gè)PLC 測(cè)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(dòng)由操作系統(tǒng)的激活引起并隨待測(cè)PLC運(yùn)行時(shí)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(gè)離散值。這

25、不是CPU行為引起的必要反應(yīng)，因?yàn)樵谶@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(cè)量到0.2ms的最小周期時(shí)，在兩種輸出狀態(tài)之間的時(shí)間有幾毫秒的變化，并且伴隨著極高的波動(dòng)。當(dāng)我們?cè)黾覥PU414-1中OB1的最小期間值到1ms時(shí)，在輸出之間變化的時(shí)間將大幅降低，并CPU的周期與輸出速度一致。這個(gè)例子表明必須精心選擇I/O模塊。為了保護(hù)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(jì)的，圖8是對(duì)CPU412-2測(cè)量時(shí)得到的OB1中Tc的波動(dòng)情況，每毫秒調(diào)用一次OB35引起后臺(tái)負(fù)荷，Tc隨后臺(tái)負(fù)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(gè)模塊的持續(xù)時(shí)間就可估計(jì)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(yàn)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(cè)量</p><p>　　圖9、圖10表明：和OB1相比，循環(huán)中斷塊OB35的波動(dòng)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(gè)特點(diǎn)甚至是基于Pentium II平臺(tái)的Lynx操作系統(tǒng)不可能實(shí)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(shí)間測(cè)量</b></p><p>　　圖11、12是分別使用CPU314C-2DP和IMI151/CPU測(cè)量時(shí)得到的Tr，Tr是輸入上升沿引起的OB40的激活時(shí)間，其中包含所有相關(guān)硬件時(shí)間部分。因?yàn)闆]有符合S7-400® 的高性能輸入，所以無法對(duì)S7-400® 系列測(cè)量。即使對(duì)低檔PLC，在IMI1

29、51/CPU中測(cè)得的Tr平均值和方差值都不能令人滿意。雖然在CPU314C-2DP 上測(cè)得的Tr值比基于Pentium II 的Lynx操作系統(tǒng)的差五倍，但對(duì)于典型的PLC應(yīng)用場(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(cè)性。結(jié)合它

30、們的實(shí)時(shí)特性，它們完全能夠應(yīng)用在需要達(dá)到毫秒級(jí)的確定響應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)合。1ms甚至更短的響應(yīng)時(shí)間要求我們?cè)谶x擇硬件時(shí)必須非常認(rèn)真。PLCs不適合用在需要0.5ms或更短的響應(yīng)時(shí)間時(shí)。 由于它們的低波動(dòng)性，循環(huán)中斷塊OBs最適合需要固定掃描速率的場(chǎng)合，然而可以通過硬件中斷塊來減少響應(yīng)時(shí)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