面向工业机器人控制器的软PLC系统软件开发

摘要

目前工业机器人控制器正向标准化、模块化、开放式和嵌入式方向发展。软PLC系统作为工业机器人控制器的重要组成部分之一，主要负责逻辑控制和总线通信功能，与机器人运动控制系统协同工作，实现对机器人运动控制和外围过程控制的结合。本文以开发具有自主知识产权的软PLC系统软件为目标，深入研究了面向工业机器人控制器的、支持IEC61131-3标准的软PLC系统软件的相关技术与开发实现。
　　所开发的软PLC系统软件由编程系统和运行系统两部分组成，软PLC目标文件作为连接二者的桥梁。软PLC编程系统支持IEC61131-3标准编程语言，提供良好的软PLC应用程序的编辑、编译、工程配置环境;软PLC运行系统基于嵌入式Xenomai+Linux双内核实时操作系统，完成软PLC目标文件解释执行、I/O和伺服数据刷新、人机交互等任务，并配合机器人运动控制任务，实现对工业机器人和外围I/O设备的控制。
　　本文首先阐述了软PLC技术在国内外发展现状，分析了面向工业机器人控制器的软PLC系统软件的设计需求，提出了一套完整的包含软PLC编程和运行的设计方案;然后叙述了自主设计的软PLC目标文件格式规范，详细阐述了基于flex和bison工具的ST语言编译器的设计方案，实现了软PLC目标文件的编译生成、I/O和伺服参数配置等功能;接着详细叙述了软PLC嵌入式运行平台的搭建过程，包括嵌入式实时操作系统Xenomai和嵌入式图形库Qt/Embedded在目标板上的移植过程;最后讨论了软PLC运行系统在Xenomai+Linux双内核系统下的任务划分和通信接口设计，重点论述了运行管理任务和寄存器式软PLC虚拟机任务的设计与实现，实现了系统运行时管理、软PLC目标文件解释执行、人机交互等功能。模拟测试结果表明本文设计的软PLC系统软件具有良好的可行性，支持标准化、模块化、开放式和嵌入式的工业机器人新型控制器的需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外发展现状

1．2．1 国外软PLC发展现状

1．2．2 国内软PLC发展现状

1．3 论文主要工作及章节安排

第二章 软PLC系统需求分析及总体设计

2．1 软PLC系统需求分析

2．2 软PLC系统总体设计

2．3 IEC61131-3标准简介

2．3．1 基本数据类型

2．3．2 直接表示变量

2．3．3 程序组织单元

2．3．4 ST编程语言

2．4 本章小结

第三章 软PLC编程系统软件设计

3．1 软PLC编程系统总体设计

3．2 软PLC目标文件格式设计

3．2．1 软PLC目标文件头

3．2．2 I/O配置段设计

3．2．3 伺服配置段设计

3．2．4 软PLC任务表段设计

3．2．5 软PLC虚拟机指令设计

3．3 ST语言编译器设计

3．3．1 flex和bison工具软件

3．3．2 ST语言词法分析器

3．3．3 ST语言语法分析器

3．3．4 软PLC目标代码生成器

3．4 本章小结

第四章 软PLC嵌入式运行平台搭建

4．1 Xenomai嵌入式实时操作系统搭建

4．1．1 Linux内核的不足

4．1．2 Xenomai工作原理

4．1．3 Xenomai移植过程

4．2 Qt/Embedded嵌入式图形库搭建

4．2．1 Qt/Embedded图形库

4．2．2 Qt/Embedded移植过程

4．3 本章小结

第五章 软PLC运行系统软件设计

5．1 软PLC运行系统任务模块划分

5．1．1 非实时任务模块划分

5．1．2 实时任务模块划分

5．2 任务问通信接口设计

5．3 运行管理任务设计

5．3．1 任务管理模块设计

5．3．2 软PLC目标文件加载器设计

5．4 软PLC虚拟机任务设计

5．4．1 软PLC虚拟机内部数据表示

5．4．2 软PLC虚拟机总体运行过程

5．4．3 用户级POU调用指令

5．4．4 I/O数据传送指令

5．4．5 软PLC系统运行库

5．5 本章小结

第六章 软PLC系统运行及功能测试

6．1 模拟测试环境搭建

6．1．1 远程I/O和伺服模拟软件

6．1．2 运行监控人机界面

6．2 系统功能测试

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文