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        一種工業(yè)控制器的組態(tài)調(diào)試器實(shí)現(xiàn)方法

        2017-09-25 02:10:39牛洪海盧海松
        自動(dòng)化儀表 2017年9期
        關(guān)鍵詞:斷點(diǎn)組態(tài)指令

        吳 波,牛洪海,盧海松

        (南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102)

        一種工業(yè)控制器的組態(tài)調(diào)試器實(shí)現(xiàn)方法

        吳 波,牛洪海,盧海松

        (南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102)

        在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域,常常需要對(duì)控制器內(nèi)的復(fù)雜控制邏輯進(jìn)行單步執(zhí)行、斷點(diǎn)調(diào)試,以便明確診斷邏輯的正確性和合理性,但目前各廠家的工業(yè)控制器并不具備該功能。為了解決該問(wèn)題,對(duì)高級(jí)編程語(yǔ)言C/C++的調(diào)試器功能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,包括其程序斷點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理和調(diào)試器的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。結(jié)合工業(yè)控制器算法組態(tài)的語(yǔ)言特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種面向算法組態(tài)的調(diào)試器,并將其運(yùn)用到工業(yè)控制器的嵌入式軟件系統(tǒng)中。通過(guò)與算法邏輯運(yùn)算單元的交互設(shè)計(jì),成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜控制邏輯的單步執(zhí)行、逐頁(yè)逐模塊以及斷點(diǎn)調(diào)試等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明,集成組態(tài)調(diào)試器功能的工業(yè)控制器,能夠極大地方便項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)和深入調(diào)試,有效降低組態(tài)算法的錯(cuò)誤率和提高工程調(diào)試的效率。該控制器為工業(yè)控制器的全方位診斷功能以及虛擬仿真的實(shí)現(xiàn)提供了一定的參考。

        工業(yè)控制器; 算法組態(tài); 調(diào)試器; 單步執(zhí)行; 斷點(diǎn)調(diào)試; 嵌入式開(kāi)發(fā); DCS; PLC

        0 引言

        為了便于編程開(kāi)發(fā)和調(diào)試,一般高級(jí)編程語(yǔ)言,如C/C++等,均提供了完備的調(diào)試器功能。調(diào)試器通過(guò)按照代碼行、函數(shù)、功能塊斷點(diǎn)等方式中斷程序執(zhí)行,輔助開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行逐步調(diào)試和分析,定位程序代碼的問(wèn)題和錯(cuò)誤所在。在工業(yè)控制領(lǐng)域,隨著各種算法組態(tài)語(yǔ)言越來(lái)越多地應(yīng)用于復(fù)雜對(duì)象和控制過(guò)程的組態(tài)[1],針對(duì)算法組態(tài)語(yǔ)言的調(diào)試器功能需求日益迫切。目前市面上的控制器產(chǎn)品尚不支持這方面的功能。本文設(shè)計(jì)了適用于工業(yè)控制器的組態(tài)調(diào)試器。

        1 組態(tài)調(diào)試器設(shè)計(jì)原理

        在工業(yè)控制領(lǐng)域,算法邏輯的組態(tài)語(yǔ)言有五種,分別是功能塊圖(function block diagram,F(xiàn)BD)、梯形圖(ladder diagram,LD)、指令表(instruction list,IL)、結(jié)構(gòu)文本(structured text,ST)、順序功能圖(sequential function chart,SFC)[2]。組態(tài)工具根據(jù)算法邏輯的組態(tài)內(nèi)容,生成一種中間產(chǎn)物或者目標(biāo)產(chǎn)物,下載到工業(yè)控制器內(nèi)執(zhí)行處理[3-4]。

        該流程和基于高級(jí)語(yǔ)言的程序開(kāi)發(fā)過(guò)程原理相同,所以有必要研究高級(jí)語(yǔ)言調(diào)試器的原理。通過(guò)借鑒分析,逐步得到組態(tài)調(diào)試器的設(shè)計(jì)原理和方法。

        1.1 常規(guī)調(diào)試器原理

        調(diào)試器原理主要包括兩個(gè)方面:一是斷點(diǎn)機(jī)制,二是變量監(jiān)視。實(shí)現(xiàn)兩者的首要問(wèn)題,就是源代碼和目標(biāo)產(chǎn)物之間的映射關(guān)系。

        基于高級(jí)語(yǔ)言的程序代碼,在開(kāi)發(fā)完成之后,經(jīng)由編譯器的分析、編譯、鏈接轉(zhuǎn)化成一長(zhǎng)串的比特流,即基于機(jī)器指令碼的目標(biāo)程序,方能在目標(biāo)CPU上正確執(zhí)行[5]。

        開(kāi)發(fā)人員對(duì)源代碼的調(diào)試,歸根結(jié)底是對(duì)目標(biāo)程序進(jìn)行調(diào)試。但是經(jīng)過(guò)編譯處理之后,源代碼和目標(biāo)程序之間的關(guān)系變得錯(cuò)綜復(fù)雜。為此,必須完全記錄編譯器在源代碼處理過(guò)程中產(chǎn)生的信息,以便源代碼和目標(biāo)程序間的雙向索引定位。這些信息就是信息調(diào)試器運(yùn)行必須參考的調(diào)試信息。

        根據(jù)調(diào)試信息,源代碼中的任意行和任意變量均可以定位到目標(biāo)程序中的唯一地址。開(kāi)發(fā)人員在某行源代碼處設(shè)置斷點(diǎn),調(diào)試器經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后,通知CPU將在目標(biāo)程序的對(duì)應(yīng)地址處停止運(yùn)行。當(dāng)CPU運(yùn)行到對(duì)應(yīng)地址處,觸發(fā)軟中斷,并通知調(diào)試器命中斷點(diǎn)。對(duì)于變量監(jiān)視,調(diào)試器根據(jù)其在目標(biāo)程序中的地址直接查詢獲取[6-7]。

        斷點(diǎn)命中機(jī)理和變量監(jiān)視,需要目標(biāo)平臺(tái)的CPU和操作系統(tǒng)的共同支持實(shí)現(xiàn)。

        1.2 組態(tài)調(diào)試器原理

        對(duì)于高級(jí)編程語(yǔ)言,調(diào)試器的基本單位是源代碼行。而對(duì)于算法邏輯組態(tài),調(diào)試器的基本單位往往是算法塊。因此,相對(duì)于以代碼行作為斷點(diǎn),組態(tài)調(diào)試器的最小可定義斷點(diǎn)是算法塊。

        但是工業(yè)控制器對(duì)算法邏輯的處理一般分為兩類,即解釋執(zhí)行機(jī)制和編譯執(zhí)行機(jī)制。采用解釋執(zhí)行機(jī)制的控制器,其內(nèi)核對(duì)算法邏輯邊解釋邊執(zhí)行。而采用編譯執(zhí)行機(jī)制的控制器,其內(nèi)核執(zhí)行的是由算法邏輯語(yǔ)言編譯形成的機(jī)器指令碼。

        如前文所述,如果在采用編譯執(zhí)行機(jī)制的工業(yè)控制器上實(shí)現(xiàn)調(diào)試器,則需要維護(hù)算法組態(tài)和目標(biāo)程序之間的調(diào)試信息。本文的工業(yè)控制器采用的是解釋執(zhí)行機(jī)制,故可以省去調(diào)試信息的維護(hù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。但二者的基本原理是完全相通的[8]。

        1.2.1 組態(tài)斷點(diǎn)定義

        基于功能塊圖組態(tài)的算法邏輯結(jié)構(gòu)如圖 1所示。其中,最小邏輯單位是功能模塊,如加法塊、邏輯與、PID模塊等。但為了方便用戶和工程人員應(yīng)用,常常會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要,對(duì)這些由基本功能模塊組成的算法邏輯進(jìn)行分頁(yè)。

        圖1 算法邏輯結(jié)構(gòu)圖

        因此,定義頁(yè)號(hào)和模塊號(hào)作為組態(tài)斷點(diǎn)的描述信息,可以完全記錄算法邏輯的執(zhí)行步驟信息。故將“頁(yè)號(hào)+模塊號(hào)”的組合信息作為組態(tài)斷點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

        由于調(diào)試器通常支持多個(gè)斷點(diǎn),故在控制器中定義如圖 2所示的組態(tài)斷點(diǎn)鏈表,對(duì)調(diào)試過(guò)程中設(shè)置的組態(tài)斷點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理和維護(hù)。

        圖2 組態(tài)斷點(diǎn)鏈表

        因?yàn)榻M態(tài)斷點(diǎn)信息描述的是算法邏輯中的某個(gè)模塊邏輯地址信息,所以當(dāng)用戶設(shè)置斷點(diǎn)后,在算法邏輯順序執(zhí)行過(guò)程中,一定會(huì)執(zhí)行到組態(tài)斷點(diǎn)處。此時(shí)控制器命中組態(tài)斷點(diǎn),停止算法邏輯的執(zhí)行運(yùn)算,并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息上傳給組態(tài)工具顯示。

        1.2.2 軟組態(tài)斷點(diǎn)和硬組態(tài)斷點(diǎn)

        斷點(diǎn)命中時(shí),用戶通過(guò)初步觀察之后,可以停止調(diào)試,也可以繼續(xù)通過(guò)逐頁(yè)、逐模塊等調(diào)試指令來(lái)進(jìn)一步觀察算法邏輯的演變過(guò)程。

        通常情況下,控制器會(huì)將這兩種調(diào)試指令分別解析處理,但這會(huì)增加調(diào)試器的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。況且這兩種調(diào)試指令和已命中組態(tài)斷點(diǎn)以及算法邏輯的內(nèi)容密切有關(guān),因此將逐頁(yè)、逐模塊調(diào)試指令轉(zhuǎn)化為一種特別的“組態(tài)斷點(diǎn)”來(lái)處理。

        例如:逐頁(yè)指令=當(dāng)前命中斷點(diǎn)模塊所在頁(yè)的下一有效頁(yè)中的首模塊;逐模塊=當(dāng)前命中斷點(diǎn)模塊的下一個(gè)模塊。

        為了便于區(qū)分,對(duì)于不是由用戶直接設(shè)置的組態(tài)斷點(diǎn),將其定義為軟組態(tài)斷點(diǎn);而由用戶直接設(shè)置的組態(tài)斷點(diǎn)定義為硬組態(tài)斷點(diǎn)。二者的區(qū)別在于:軟組態(tài)斷點(diǎn)一經(jīng)命中,即由調(diào)試器自動(dòng)刪除;而硬組態(tài)斷點(diǎn)的產(chǎn)生和刪除,均由用戶支配。

        2 組態(tài)調(diào)試器的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)

        基于圖 1所示的算法邏輯結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)面向FBD組態(tài)的工業(yè)控制器[9-11]。該控制器基于TI公司的OMAP雙核平臺(tái),ARM處理器側(cè)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng),執(zhí)行通信管理職責(zé);數(shù)字信號(hào)處理芯片(digital signal processing,DSP)側(cè)無(wú)操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)算法邏輯的高效執(zhí)行和I/O通信等功能。ARM和DSP之間通過(guò)共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)了算法邏輯的變量監(jiān)視功能。因此調(diào)試器的開(kāi)發(fā)重心集中到組態(tài)斷點(diǎn)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)上。

        2.1 調(diào)試器開(kāi)發(fā)

        在工業(yè)控制器的軟件架構(gòu)中引入調(diào)試器功能組件,調(diào)試器接口如圖 3所示。

        圖3 調(diào)試器接口示意圖

        調(diào)試器的功能分為兩部分:①通信預(yù)處理單元,負(fù)責(zé)與組態(tài)工具的調(diào)試接口通信,獲取調(diào)試指令并進(jìn)行預(yù)處理;②調(diào)試單元,負(fù)責(zé)與算法邏輯運(yùn)算任務(wù)交互,執(zhí)行調(diào)試指令。其中,對(duì)調(diào)試指令的預(yù)處理流程如圖 4所示。

        以組態(tài)斷點(diǎn)的設(shè)置為例,組態(tài)工具和調(diào)試器的通信接口建立TCP連接后,首先進(jìn)行算法邏輯的校驗(yàn)和同步,確保組態(tài)工具側(cè)的算法邏輯和控制器執(zhí)行的算法邏輯相同。隨后,用戶可以根據(jù)需要設(shè)置任一頁(yè)的任一個(gè)模塊作為斷點(diǎn)。調(diào)試器收到斷點(diǎn)設(shè)置指令后,將其壓入硬組態(tài)斷點(diǎn)隊(duì)列,交由調(diào)試單元查詢使用。

        圖4 調(diào)試指令預(yù)處理流程圖

        當(dāng)算法邏輯的正常運(yùn)行態(tài)被組態(tài)斷點(diǎn)中斷之后,進(jìn)入調(diào)試態(tài)運(yùn)行。此時(shí)算法邏輯暫停在某頁(yè)某模塊上,如果要繼續(xù)執(zhí)行邏輯,則需要從該模塊的下一個(gè)模塊繼續(xù)執(zhí)行。所以通信預(yù)處理單元在處理單步執(zhí)行、逐頁(yè)、逐模塊以及繼續(xù)執(zhí)行指令時(shí),都需要根據(jù)當(dāng)前暫停位置推算下次執(zhí)行的起始位置。

        一旦通信預(yù)處理單元接收到繼續(xù)執(zhí)行指令,并且檢測(cè)到軟、硬組態(tài)斷點(diǎn)隊(duì)列均為空時(shí),控制器自動(dòng)退出調(diào)試態(tài)。這樣就實(shí)現(xiàn)了算法邏輯的正常運(yùn)行態(tài)到調(diào)試態(tài)的平穩(wěn)切換,大大降低了開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的難度。

        在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí),為了安全起見(jiàn),在調(diào)試器功能啟用之前,有必要屏蔽所有I/O的輸出,避免引起現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的誤動(dòng)作。

        2.2 算法運(yùn)行及調(diào)試

        工業(yè)控制器在周期掃描執(zhí)行算法邏輯時(shí),每次執(zhí)行均從首頁(yè)首模塊開(kāi)始,直到終頁(yè)終模塊結(jié)束。當(dāng)周期定時(shí)器中斷再次觸發(fā)時(shí),重復(fù)該過(guò)程,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)算法邏輯的周期運(yùn)行。由于算法邏輯運(yùn)行的DSP側(cè)缺乏操作系統(tǒng),因此高級(jí)語(yǔ)言的斷點(diǎn)命中機(jī)理并不適用,故本文從任務(wù)調(diào)度以及對(duì)算法任務(wù)的起始位置、終止位置的控制這兩方面來(lái)綜合實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)試器功能觸發(fā)后,將打斷周期執(zhí)行的算法任務(wù)。算法調(diào)試流程如圖 5所示。

        圖5 算法調(diào)試流程圖

        算法邏輯的運(yùn)行任務(wù)在逐頁(yè)逐模塊掃描解釋執(zhí)行時(shí),每解釋執(zhí)行完一個(gè)模塊,都會(huì)判斷是否命中硬組態(tài)斷點(diǎn)或軟組態(tài)斷點(diǎn)。如果命中,則本次運(yùn)行任務(wù)提前終止,并記錄任務(wù)退出時(shí)的位置信息。下次繼續(xù)運(yùn)行時(shí),將從該位置信息的下一個(gè)模塊繼續(xù)執(zhí)行。這意味著調(diào)試過(guò)程中,算法任務(wù)的起始位置和終止位置是動(dòng)態(tài)變化的,因此必須保存下來(lái),以便保證算法運(yùn)行調(diào)試的連續(xù)性。

        與算法邏輯的周期運(yùn)行流程相比,算法邏輯在調(diào)試態(tài)運(yùn)行時(shí),不再由周期定時(shí)器中斷觸發(fā),而是由用戶手動(dòng)下發(fā)的調(diào)試指令觸發(fā)。這意味著如果用戶不按調(diào)試按鈕,則算法邏輯的數(shù)據(jù)一直保持不變,經(jīng)由監(jiān)視接口上送到組態(tài)工具,有利于用戶對(duì)算法邏輯的數(shù)據(jù)斷面進(jìn)行深入診斷和分析。

        此外,在調(diào)試狀態(tài)下,根據(jù)單步、逐頁(yè)、逐模塊和繼續(xù)執(zhí)行等調(diào)試指令執(zhí)行時(shí),如果算法邏輯執(zhí)行到終頁(yè)終模塊,并不意味著本次運(yùn)行調(diào)試結(jié)束退出,而是必須跳轉(zhuǎn)到首頁(yè)首模塊繼續(xù)從頭開(kāi)始。

        3 功能驗(yàn)證與測(cè)試

        3.1 測(cè)試環(huán)境

        為了驗(yàn)證工業(yè)控制器的調(diào)試器功能,測(cè)試環(huán)境由以下四個(gè)部分組成。

        ①組態(tài)軟件采用PCS-Explorer,在Windows 7 64 bit平臺(tái)上運(yùn)行,具備控制器組態(tài)、在線監(jiān)視及調(diào)試器接口功能。

        ②控制器采用PCS-9150控制器作為試驗(yàn)平臺(tái),集成開(kāi)發(fā)調(diào)試器功能。

        ③報(bào)文分析工具Wireshark2.0,用于輔助分析組態(tài)軟件和控制器的通信狀態(tài)。

        ④調(diào)試終端軟件SecrueCRT7.2.6,用于實(shí)時(shí)監(jiān)視控制器的運(yùn)行狀態(tài)。

        3.2 測(cè)試結(jié)果分析

        在對(duì)調(diào)試器進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中,通過(guò)組態(tài)軟件對(duì)控制器的算法執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視,輔以調(diào)試終端軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息分析。測(cè)試結(jié)果表明,工業(yè)控制器中加入了調(diào)試器功能后,不僅各項(xiàng)調(diào)試指令全部運(yùn)行正常,而且并不影響控制器內(nèi)原有任務(wù)和功能。主要測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果如表1所示。

        表1 測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果

        根據(jù)工業(yè)控制器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的反饋,應(yīng)用人員利用調(diào)試器能夠更快、更精準(zhǔn)地定位到復(fù)雜算法邏輯中的各類錯(cuò)誤,包括功能塊算法設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、算法組態(tài)順序錯(cuò)誤、算法邏輯設(shè)計(jì)錯(cuò)誤;同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制調(diào)試的效率提高了50%以上。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文提出了一種組態(tài)調(diào)試器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法,并將其運(yùn)用在工業(yè)控制器中,成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜算法邏輯的單步執(zhí)行、逐頁(yè)逐模塊以及斷點(diǎn)調(diào)試等功能。在實(shí)際應(yīng)用中,用戶利用工業(yè)控制器的調(diào)試器功能,極大地提高了工業(yè)控制算法邏輯組態(tài)的正確性和合理性,便于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)復(fù)雜對(duì)象控制算法邏輯的調(diào)試和優(yōu)化,確保了現(xiàn)場(chǎng)控制的可靠運(yùn)行。

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        ImplementationMethodofConfigurationDebuggerforIndustrialController

        WU Bo,NIU Honghai,LU Haisong

        (NR Electric Co.,Ltd.,Nanjing 211102,China)

        In the field of industrial process control,the single step execution and breakpoint debugging of the complex control logic in controller are usually necessary to ensure the correctness and rationality of the logic.However,most industrial controllers provided by the manufacturers do not support such functions.In order to solve this problem,the functions of debugger of advanced programming language C/C++ are researched systematically, and the design principle of program breakpoint and the implementation mechanism of debugger are included.A debugger orienting algorithm configuration is designed according to the language features of industrial controller algorithm configuration.The debugger is applied in the embedded software system of the industrial controller,through the interactive design of algorithm logic operation unit,the test functions of single step execution,page by page,module by module and breakpoint for the complex logic are implemented successfully.The test results indicate that the industrial controller which integrates the functions of configuration debugger can greatly ease the field configuration and deep debugging for the project implementation,and effectively reduce the error rate of the configuration algorithm,and improve the efficiency of project commissioning.This controller references for realizing omnidirectional diagnostic function and virtual simulation of industrial controllers.

        Industrial controller; Algorithm configuration; Debugger; Single step execution; Breakpoint debugging; Embedded development; DCS; PLC

        TH86;TP273

        : A

        10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709022

        修改稿收到日期:2017-03-18

        吳波(1984—),男,碩士,工程師,主要從事工業(yè)控制產(chǎn)品的研發(fā)工作。E-mail:wubo@nrec.com。

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