基于Linux系統(tǒng)的軟PLC設(shè)計(jì)

摘要：介紹了軟PLC 的發(fā)展和有關(guān)的概念，探討了軟PLC 的特點(diǎn)。詳細(xì)介紹了軟PLC 的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，對軟PLC 的設(shè)計(jì)方案作了全面的描述，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)作了詳細(xì)解釋。
關(guān)鍵詞: 軟PLC; IEC61131-3; 嵌入式PC; 模塊化設(shè)計(jì)

引言

可編程控制器（PLC，Programmable LogicController）經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為了最重要、最可靠、應(yīng)用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)。然而，人們在使用過程中也逐漸發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)PLC的缺點(diǎn)：兼容性差，由于生產(chǎn)廠家眾多，各種機(jī)型互不兼容，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，難以構(gòu)造統(tǒng)一的硬件結(jié)構(gòu)；封閉、擴(kuò)展能力差：產(chǎn)品能力的功能實(shí)現(xiàn)依賴硬件；對使用者的要求高：現(xiàn)行的PLC 產(chǎn)品，其編程方式要求使用者對PLC的硬件結(jié)構(gòu)、電器原理、編程指令都要有相當(dāng)?shù)牧私?；可維護(hù)性差：PLC 出現(xiàn)故障時(shí)需要專業(yè)人員用專業(yè)工具進(jìn)行檢測和維修；成本較高，傳統(tǒng)PLC 被幾家廠商所壟斷，性價(jià)比增長緩慢。這些問題都制約著傳統(tǒng)PLC 的發(fā)展。近年來，工控領(lǐng)域的不少研究人員一直在尋求著解決這些問題的途徑。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展及PLC 國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3的制定，在計(jì)算機(jī)上以軟件的方式來實(shí)現(xiàn)PLC 成為了發(fā)展的熱點(diǎn)，這也就是軟PLC（Soft PLC）。

軟PLC介紹

軟PLC，也叫軟邏輯，是一種基于PC 機(jī)開放結(jié)構(gòu)的控制裝置。軟PLC 綜合了計(jì)算機(jī)和PLC 的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)值處理、通信網(wǎng)絡(luò)等功能，通過一個(gè)多任務(wù)的控制內(nèi)核，提供了強(qiáng)大的指令集、快速而準(zhǔn)確的掃描周期、可靠的操作和可連接的各種I/O 系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的開放結(jié)構(gòu)。軟PLC 提供了硬PLC 的各種功能，同時(shí)具備了PC 的各種優(yōu)點(diǎn)。

基于PC 平臺(tái)的軟PLC 由于無需專門的編程器，因而可以充分利用PC 機(jī)的軟硬件資源，直接采用梯形圖或指令語言編程，并具有良好的人機(jī)界面，在數(shù)控系統(tǒng)中正逐漸取代硬件PLC，PLC 編程系統(tǒng)也正在逐步轉(zhuǎn)向占據(jù)軟件市場的PC 機(jī)。軟PLC 技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要條件就IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的制定。

20 世紀(jì)90 年代，IEC（國際電工委員會(huì)）頒布了IEC61131 國際標(biāo)準(zhǔn)，它的內(nèi)容涵蓋了PLC 整個(gè)生命周期的各個(gè)部分。IEC61131-3 是PLC 的語言標(biāo)準(zhǔn)，它定義了5 種PLC 編程語言的規(guī)范，其中結(jié)構(gòu)化文本（ST）和指令表（IL）為文本語言，而順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊（FBD）為圖形語言。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)還允許在同一個(gè)程序中混合使用多種語言。IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)由IEC 的SC65BW7工作組制定，它包括來自不同的PLC 制造商、軟件公司和用戶代表，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的編程標(biāo)準(zhǔn)。相對傳統(tǒng)PLC，軟PLC 解決了兼容性差、通用性差等問題，具有了多方面的優(yōu)勢：

（1） 硬件體系結(jié)構(gòu)不再是封閉的，用戶可以自己選擇合適的硬件來組成滿足要求的PLC。

（2） PC 機(jī)廠家的競爭激烈使得基于PC 機(jī)的軟PLC 性價(jià)比得以提高。

（3） 軟PLC 不僅可以實(shí)現(xiàn)連接到私有的PLC 網(wǎng)絡(luò)中，而且可以通過PC 連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上。

（4） 由于軟PLC 是基于IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的，因此在掌握標(biāo)準(zhǔn)后就可以容易的進(jìn)行開發(fā)了。

由于軟PLC 具有兼容性、通用性、性價(jià)比高、易于與網(wǎng)絡(luò)連接、編程方便等優(yōu)點(diǎn)。因而，目前世界各國都在進(jìn)行軟PLC 的研究。國際上，已經(jīng)有了一些比較成熟和影響比較大的產(chǎn)品：如德國KW -sofeware 公司的MULTIPROG wt32、倍福TwinCAT控制軟件TwinCAT PLC、法國CJ International公司的ISaGRAF 軟件包、PCSoft International 公司的WinPLC、美國Wizdom Control Intellution 公司的Paradym-31 等等。而國內(nèi)有關(guān)部門和工控方面的公司也正在著手研究開發(fā)具有自主版權(quán)的中文軟PLC產(chǎn)品。

軟PLC設(shè)計(jì)平臺(tái)

硬件工作平臺(tái)

軟PLC 的期待硬件工作平臺(tái)為工控機(jī)等PC 工業(yè)微機(jī)平臺(tái)和嵌入式PC 平臺(tái)。本設(shè)計(jì)因需要應(yīng)用于嵌入式的數(shù)控系統(tǒng)中，所以采用了嵌入式PC 平臺(tái)。嵌入式PC 是將PC 機(jī)的主要硬件集中在一張信用卡大小的主板上，將操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件存儲(chǔ)在Flash芯片中。嵌入式PC 與標(biāo)準(zhǔn)PC 全兼容，采用與標(biāo)準(zhǔn)PC 相同的硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。因而，嵌入式PC在理論上能完成與普通PC 系統(tǒng)的工作。因而，我們可以在普通PC上做好設(shè)計(jì)和開發(fā)，再將軟件移植到嵌入式PC 上。

嵌入式PC 包括單板計(jì)算機(jī)（SBC）、PC/104 計(jì)算機(jī)和餅干機(jī)，本設(shè)計(jì)采用的是嵌入式PC104 計(jì)算機(jī)。嵌入式PC/104 組件尺寸小，標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化程度高，采用層疊式結(jié)構(gòu)，通過在CPU 板的基礎(chǔ)上堆疊擴(kuò)展板構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。PC104 的擴(kuò)展板齊全，包括了網(wǎng)卡、數(shù)字I/O 卡、A/D 卡等。在PC104 上構(gòu)造的系統(tǒng)即嵌入式軟PLC 可擴(kuò)展性好，標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化程度高。

現(xiàn)今PC104 的硬件水平可以達(dá)到P2 或者P3 一級，CPU 速度足夠快，內(nèi)存可到128M，程序存儲(chǔ)空間可以選用CF 卡作為硬存儲(chǔ)空間，可以達(dá)到128M，且可通過PC104 接口擴(kuò)展其硬件I/O 能力，可增加軟PLC 的I/O 口，豐富的硬件資源完全可以滿足運(yùn)行軟PLC 的需要。這也使得設(shè)計(jì)時(shí)完全可以在普通PC 上，在LINUX 內(nèi)核下對軟PLC 的各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試成功再移植到PC104 組件上運(yùn)行。

軟件平臺(tái)

目前，大多數(shù)軟PLC 分別以Windows, DOS 和Linux 系統(tǒng)為操作平臺(tái)。早期的基于PC 的軟PLC 采用的較多的是DOS 系統(tǒng)，這類軟件由于運(yùn)行DOS 環(huán)境下，可以輕松實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)控制的要求，但由于DOS 環(huán)境是單任務(wù)處理方式，使得PC 的潛力得不到充分發(fā)揮，系統(tǒng)的功能和靈活性也受到限制。而Windows 具有操作界面良好、程序開發(fā)相對容易、多任務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，但Windows 操作系統(tǒng)并不是一個(gè)理想的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，且Windows 操作系統(tǒng)是收費(fèi)的，這將大大增加開發(fā)應(yīng)用的成本。因而，本設(shè)計(jì)配合數(shù)控系統(tǒng)的需要選用的是Linux 系統(tǒng)為操作平臺(tái)，基于Linux 內(nèi)核模塊的Rtlinux 是一個(gè)免費(fèi)的、開放源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

軟PLC模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟PLC 基于嵌入式PC104 計(jì)算機(jī)，建立在Linux 操作系統(tǒng)之上，軟件的設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)。每個(gè)模塊都專職一項(xiàng)功能，每個(gè)模塊都是一個(gè)進(jìn)程。軟PLC 全局變量是所有模塊的公共數(shù)據(jù)，由配置文件設(shè)定。各個(gè)模塊通過全局變量進(jìn)行通信，各個(gè)模塊的私有數(shù)據(jù)不包含在配置文件內(nèi)。全局變量在每個(gè)模塊都有副本，各個(gè)模塊通過副本的數(shù)據(jù)對本模塊進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)循環(huán)一次運(yùn)算后，就更新到全局變量，這樣就實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊之間的通信。每個(gè)模塊對全局變量的讀寫權(quán)限不一樣的，只有對全局變量具有寫權(quán)限的模塊才可以更新全局變量里的數(shù)據(jù)。每個(gè)模塊作為一個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程之間的通信采用的是共享內(nèi)存進(jìn)行通信。軟PLC 各模塊之間的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示：

(1) 主程序（main program）,啟動(dòng)軟PLC，將首先運(yùn)行主程序，主程序?qū)⒆x取配置文件上的內(nèi)容，并運(yùn)行配置文件上所設(shè)定的模塊。

(2) 配置文件（configurefile），在軟PLC 中具有核心的地位，它由幾部分組成：

①軟PLC 配置，在這部分設(shè)置了內(nèi)核和各個(gè)模塊的相關(guān)參數(shù)，

主要包括：模塊列表，列出了要運(yùn)行的模塊；變量列表，列出了軟PLC 中的全局變量，并定義了具有對應(yīng)全局變量有寫權(quán)限的模塊。

② 公共配置，這部分設(shè)置了各個(gè)模塊之間的共同屬性。

③ 同步配置，這部分是要配制各個(gè)模塊之間的同步性。為了保證數(shù)據(jù)的傳輸，必須讓模塊之間同步。

④ 實(shí)時(shí)性配置，軟PLC 可以運(yùn)行在3 種模式：正常模式、軟實(shí)時(shí)模式和硬實(shí)時(shí)模式，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)具體情況選擇其中的一種模式。

對于每個(gè)具體的設(shè)計(jì)來說，需要對配置文件中的幾個(gè)部分進(jìn)行配置。

(３) 人機(jī)界面模塊（HMI），用戶和軟PLC 之間的互動(dòng)模塊。通過友好的人機(jī)界面，用戶可以控制軟PLC 的調(diào)用和開關(guān)，同時(shí)可以查看軟PLC 各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)。在Linux 下，可以使用GTK 或者TCL/TK 進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)由于整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的需要，采用了TCL/TK 進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)檐汸LC 的其他部分是用c語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而在用tcl/tk設(shè)計(jì)的人機(jī)界面模塊和軟PLC 之間，需要設(shè)計(jì)一個(gè)TCL/TK 的擴(kuò)展模塊作為兩種語言之間的接口，這樣在界面上就可以用TCL 語言調(diào)用C 語言編寫的軟PLC 函數(shù)。現(xiàn)階段本設(shè)計(jì)主要完成了常用的PLC 圖形語言梯形圖和兩種文本語言IL 語言和ST 語言的設(shè)計(jì)，因而人機(jī)界面可以分為兩種，梯形圖的編輯運(yùn)行界面和文本編程的監(jiān)控界面。

① 梯形圖界面（如圖2）。在梯形圖界面上，用戶可自由拖動(dòng)如開關(guān)、計(jì)時(shí)器等各種器件進(jìn)行自主編程，從而實(shí)現(xiàn)在線編程。在界面上右側(cè)是狀態(tài)欄，可以對各種狀態(tài)點(diǎn)的控制和狀態(tài)顯示，如將狀態(tài)點(diǎn)B1 狀態(tài)置1，則需單擊B1 前的小方框。界面的上方是菜單欄。用戶可通過菜單的選擇進(jìn)行編輯、保存、打開等功能，編輯完畢，按下Run 鍵，TCL/TK 的底層程序?qū)?huì)檢測狀態(tài)點(diǎn)狀態(tài)，并根據(jù)元件種類進(jìn)行邏輯運(yùn)算，這些直接使用TCL/TK 編程就可以實(shí)現(xiàn)。而Exit 鍵則是退出軟PLC，當(dāng)按下該鍵時(shí)，將會(huì)設(shè)置全局變量Quit = 1 并傳遞給關(guān)閉模塊Plcshutdown。關(guān)閉模塊將關(guān)閉所有在運(yùn)行的軟PLC模塊，并殺死共享內(nèi)存上的信號量。

② 文本編程監(jiān)控界面。文本語言相對不夠圖形語言直觀，設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，可以從監(jiān)控界面上調(diào)用所需要的文本程序，同時(shí)對各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行顯示和控制。

(4) 文本編輯模塊，用戶PLC文本程序的編輯模塊，使用文本編輯器即可實(shí)現(xiàn)。用戶使用符合61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的編程語言編寫控制應(yīng)用程序。編輯好的模塊將會(huì)被軟PLC 的編譯器所編譯，生成可執(zhí)行代碼。

(5) 邏輯模塊，軟PLC 的核心模塊，它包括IEC61131-3編譯器和數(shù)據(jù)處理模塊。IEC61131-3編譯器將編譯用戶編輯好的文本應(yīng)用程序，首先將PLC 的代碼編譯成C 語言，然后再調(diào)用GCC 將程序和軟PLC的鏈接庫編譯成目標(biāo)文件，同時(shí)顯示編譯結(jié)果的正確性，將編譯的錯(cuò)誤信息及警告信息反饋給用戶。

文本編輯模塊與編譯模塊在軟PLC 運(yùn)行時(shí)，不會(huì)作為調(diào)用模塊。軟PLC只調(diào)用最后生成的可執(zhí)行模塊。數(shù)據(jù)處理模塊執(zhí)行對各種浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)的操作，功能包括PID控制、按一定的比例縮放數(shù)據(jù)大小等。

(6) 通信模塊（Communication module）,主要負(fù)責(zé)軟件的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議等的實(shí)現(xiàn)，借助與操作系統(tǒng)的結(jié)合構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)Modbus 等總線協(xié)議的總線控制功能。

(7) I/O 模塊，軟PLC與物理IO連接的模塊。通過IO 模塊，軟PLC 的狀態(tài)點(diǎn)與硬件的IO 點(diǎn)一一對應(yīng)，軟PLC 可以通過IO 模塊直接讀寫PC104 上IO擴(kuò)展板的IO 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對I O 點(diǎn)的讀取和控制。

( 8 ) 關(guān)閉模塊（Plcshutdown），由于本設(shè)計(jì)采用了多模塊化設(shè)計(jì)和共享內(nèi)存通信機(jī)制。因而軟PLC退出，需要關(guān)閉所有正在運(yùn)行的模塊和殺死共享內(nèi)存上的信號量。關(guān)閉模塊提供了Quit的全局變量， 當(dāng)Quit=1，將運(yùn)行關(guān)閉模塊中的程序關(guān)閉所有的軟PLC 模塊和殺死共享內(nèi)存的信號量。

以上是根據(jù)需要設(shè)計(jì)的一些模塊，根據(jù)用戶需要還可以增加一些模塊，如記錄模塊，數(shù)據(jù)庫連接模塊等，這些模塊將會(huì)記錄軟PLC 的工作記錄和保存軟PLC 的數(shù)據(jù)記錄。這些有待進(jìn)一步的開發(fā)和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)好各個(gè)模塊，軟PLC 的工作流程可如圖3 所示。

本設(shè)計(jì)是在Linux 下進(jìn)行設(shè)計(jì)，除HMI 模塊是使用TCL/TK 設(shè)計(jì)外，其他均是使用C 語言進(jìn)行編寫，在Linux 下使用GCC 進(jìn)行編譯。由于篇幅所限，此處不展示代碼。

實(shí)例

下面以一個(gè)簡單的對3并口通道循環(huán)控制為例，說明軟PLC 的工作流程。

（1）梯形圖編程。從軟PLC 主界面進(jìn)入后，啟動(dòng)梯形圖編程，調(diào)用梯形圖編程的主程序。梯形圖編程共需要調(diào)用梯形圖界面模塊、關(guān)閉模塊、IO 模塊，這些均在配置文件中設(shè)置好，不需用戶進(jìn)行設(shè)置。配置文件主要部分定義如下：

需運(yùn)行的模塊： 主要狀態(tài)點(diǎn)定義：Ladder為擁有寫的權(quán)利模塊，主程序啟動(dòng)后，將讀取對應(yīng)的配置文件，運(yùn)行所需模塊。

用戶即可在梯形圖界面進(jìn)行編輯，編輯后的梯形圖程序如圖4所示。這是一個(gè)比較簡單的程序，因而只需要使用3個(gè)計(jì)時(shí)器和幾個(gè)復(fù)位、置位輸出就可以實(shí)現(xiàn)功能。編輯好梯形圖程序后，按下Run 鍵,程序即可運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對IO 板上對應(yīng)端口的控制。

（2）文本IL 語言編程。開始與梯形圖編程相同，從軟PLC 主界面進(jìn)入后，啟動(dòng)IL 語言編程，調(diào)用主程序。文本編程共需要調(diào)用監(jiān)控界面模塊、邏輯目標(biāo)程序模塊、關(guān)閉模塊、IO 模塊。邏輯目標(biāo)模塊為用戶編輯好的IL 程序，并通過編譯器生成的可執(zhí)行邏輯程序，用戶可在PC 機(jī)上編輯和編譯好邏輯程序，再移植到PC104 上進(jìn)行調(diào)用。配置文件主要部分定義如下：

需運(yùn)行的模塊：

主要狀態(tài)點(diǎn)定義：

為編譯后的IL 程序模塊。由于篇幅關(guān)系，實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制的IL 程序在此處不再列出。

結(jié)束語

軟PLC 具有強(qiáng)大的功能，在工業(yè)控制中發(fā)揮著越來越重要的作用，是一項(xiàng)具有巨大潛力的技術(shù)，其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能是傳統(tǒng)的PLC 無法比擬的。中國工業(yè)自動(dòng)化的水平相對國外來說較低，技術(shù)含量少。因而國內(nèi)企業(yè)要在激烈的競爭中立于不敗之地，必須增加生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量。發(fā)展自主產(chǎn)權(quán)的軟PLC 將對此問題產(chǎn)生有力的推動(dòng)作用，也有助于我國PLC 企業(yè)發(fā)展本國市場并向外擴(kuò)展。