嵌入式軟PLC虛擬機(jī)在電氣測試中應(yīng)用
隨著現(xiàn)代工藝的高精度要求，為了適應(yīng)市場需求，采用可編程控制器對原繼電電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，但由于各PLC廠家硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)都是專用的、互不兼容的，系統(tǒng)各模塊間的交互方式、通信機(jī)制也各不相同，這使得控制系統(tǒng)相對獨立、彼此封閉。隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場競爭的加劇，這種專用體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)越來越暴露了其固有的缺陷。由于基于PC平臺的軟件PLC無需專門的編程器，可充分利用PC機(jī)的軟硬件資源，直接采用梯形圖或語言編程，具有良好的人機(jī)界面等優(yōu)點，因此逐漸取代了硬件PLC，成為研究的熱點。
1、電氣測試系統(tǒng)原理介紹
該壽命測試系統(tǒng)能夠利用定時器控制電子部件產(chǎn)品的動作頻率，利用計時器來控制動作的次數(shù)，基本原理如圖1所示。
圖1 電氣測試基本原理
PLC使用OMRON CQM1H-CPU11 PLC加上擴(kuò)展模塊，其I/O點數(shù)可達(dá)26個，可滿足多路測試，利用控制動
其中，遮斷保護(hù)、動作Relay和負(fù)載反饋Relay都是用PLC內(nèi)部高精度定時器進(jìn)行控制的，其原理都是用低電壓控制高電壓，實現(xiàn)高低壓分離，保証了測試系統(tǒng)的安全性，這里的遮斷保護(hù)用的是Fuji Electric Co.Ltd。JapanSC-13AA型接觸器，耐壓可達(dá)600V，單觸點額定電流是32A，動作Relay和負(fù)載反饋Relay（也可以用光電耦合或電流互感器）都是用的OMRON的MY系列繼電器。
實際用DL750 scoper測量發(fā)現(xiàn)這兩種精度都不是很高，誤差往往有8-10ms。
實際中對產(chǎn)品評價需要很多數(shù)據(jù)，需要測試很多產(chǎn)品，這樣需要多獨立回路，接線走線困難，而且會產(chǎn)生寄生電路，所以，從PLC產(chǎn)品的兼容性及測試成本考慮，采用目前先進(jìn)的嵌入式軟PLC技術(shù)，可大大縮短實驗周期并降低成本。
2、軟PLC技術(shù)
傳統(tǒng)的PLC經(jīng)過十幾年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，以高速度、高穩(wěn)定性、高性能在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，與此同時，隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，在工程方面逐漸表現(xiàn)出其缺點：傳統(tǒng)的PLC廠商壟斷市場，其產(chǎn)品戶不兼容，缺少明確一致的標(biāo)準(zhǔn)，難以構(gòu)建開放的硬件體系結(jié)構(gòu)；各廠商產(chǎn)品的編程方法差別很大，技術(shù)專有性較強(qiáng)，工作人員培訓(xùn)時間長，造成PLC的性價比增長很緩慢。
20世紀(jì)90年代中期，計算機(jī)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及PLC的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131的制定，產(chǎn)生了軟PLC技術(shù)，所有"軟PLC技術(shù)"，就是用PC作為硬件支撐平臺，利用軟件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)硬件PLC的基本功能，也就是將PLC的控制功能封裝在軟件內(nèi)，運(yùn)行于PC的環(huán)境中，以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，同時提供了PLC的相同功能，卻具備了PC的各種優(yōu)點。
軟PLC技術(shù)一般由開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩個部分組成。開發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行在PC平臺上，而運(yùn)行系統(tǒng)則運(yùn)行在嵌入式硬件平臺上，一般而言，嵌入式硬件平臺上都要運(yùn)行某種嵌入式操作系統(tǒng)，比如μC/OS-II、μClinux等。
現(xiàn)代開發(fā)系統(tǒng)的特點一般都是集成化開發(fā)環(huán)境，界面友好，易于使用。軟PLC嵌入式系統(tǒng)是基于IEC61131國際標(biāo)準(zhǔn)的，所以必然要支持其中的幾種語言，系統(tǒng)運(yùn)行在嵌入式硬件平臺上，負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行由開發(fā)系統(tǒng)編譯、鏈接后產(chǎn)生的目標(biāo)文件，運(yùn)行系統(tǒng)一般由運(yùn)行內(nèi)核、通信接口和系統(tǒng)管理三大部分組成，其設(shè)計和實現(xiàn)精度很高，它的執(zhí)行效率將直接影響到系統(tǒng)在現(xiàn)場控制中的反應(yīng)速度。
3、嵌入式平臺的虛擬運(yùn)行系統(tǒng)
運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。系統(tǒng)管理器的主要任務(wù)是處理不同任務(wù)、協(xié)調(diào)程序執(zhí)行及從I/O映象讀寫變量。I/O接口可與本地I/O系統(tǒng)和遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)通信。通信接口使運(yùn)行系統(tǒng)可以與開發(fā)系統(tǒng)或其他設(shè)備進(jìn)行通信。內(nèi)核解釋器是運(yùn)行系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行由開發(fā)系統(tǒng)編譯完成的PLC應(yīng)用程序的目標(biāo)代碼。
圖2 運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
運(yùn)行系統(tǒng)可在多種支持平臺上運(yùn)行，它通過將數(shù)據(jù)區(qū)和代碼區(qū)分離，實現(xiàn)程序的動態(tài)更新和代碼的高效率動態(tài)下載。
（1）在μClinux平臺上實現(xiàn)軟PLC虛擬機(jī)實現(xiàn)步驟
- 將梯形圖的指令翻譯成宏匯編并建立一個宏庫；
- 把用戶編寫的梯形圖程序編譯成中間代碼形式的PLM文件；
- 將PLM文件轉(zhuǎn)變?yōu)閰R編程序；
- 用匯編器匯編變成功的匯編程序，將解釋執(zhí)行內(nèi)部指令（PLM文件）轉(zhuǎn)換為程序，匯編成機(jī)器碼執(zhí)行，實現(xiàn)PLC指令機(jī)器碼執(zhí)行方案，大大地提高了執(zhí)行速度，同時大大節(jié)約了內(nèi)存空間；
- 將PLC指令對應(yīng)的機(jī)器碼移植到嵌入式操作系統(tǒng)中執(zhí)行。
（2）運(yùn)行系統(tǒng)的兩大模塊
運(yùn)行系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：1）梯形圖到機(jī)器碼程序的轉(zhuǎn)換；2）執(zhí)行機(jī)器碼文件。每個模塊的功能如下：
1）梯形圖到機(jī)器碼程序的轉(zhuǎn)換。首先把用戶編寫的梯形圖程序編譯成中間代碼形式的PLM文件，然后將PLM文件轉(zhuǎn)變?yōu)閰R編程序，最后用匯編器匯編轉(zhuǎn)變成功的匯編程序，產(chǎn)生機(jī)器碼從而生成可執(zhí)行的PLE文件。
2）執(zhí)行機(jī)器碼文件。將PLE文件嵌入配置好的執(zhí)行環(huán)境中并執(zhí)行，通過工控機(jī)的面版指示燈監(jiān)測程序的正確性。
（3）虛擬機(jī)總體設(shè)計
根據(jù)虛擬機(jī)的原理和執(zhí)行機(jī)制，對虛擬機(jī)的機(jī)器碼執(zhí)行方案進(jìn)行了總體設(shè)計，如圖3所示。PLC文件是梯形圖程序的保存文件，通過對PLC文件進(jìn)行詞法分析、語法分析和語義分析編譯產(chǎn)生PLM文件，然后調(diào)用宏匯編庫，并進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)換生成機(jī)器碼，產(chǎn)生PLE文件；最后創(chuàng)建機(jī)器運(yùn)行環(huán)境來執(zhí)行機(jī)器碼，宏匯編庫中是每個梯形圖指令對應(yīng)的宏匯編段。
圖3 虛擬運(yùn)行總體設(shè)計框圖
（4）交叉開發(fā)調(diào)試算法研究
交叉開發(fā)調(diào)試算法：
- 在宿主機(jī)平臺上編寫程序代碼；
- 固化監(jiān)控器至目標(biāo)機(jī)上；
- 連接宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)；
- 編譯鏈接應(yīng)用程序，生成可執(zhí)行代碼；
- 將可執(zhí)行代碼下載到目標(biāo)機(jī)；
- 使用交叉調(diào)試器進(jìn)行調(diào)試；
- 如果程序調(diào)試沒有發(fā)現(xiàn)異常，轉(zhuǎn)至11）；
- 調(diào)試程序時發(fā)生錯誤，利用交叉調(diào)試器定位錯誤；
- 修改錯誤代碼；
- 重復(fù)4）-10）；
- 將目標(biāo)機(jī)程序固化在目標(biāo)機(jī)上。
4、嵌入式軟PLC改造后的控制系統(tǒng)
以測試?yán)^電器TV5實驗為例。其要求如下：每次測試5個繼電器，每個繼電器的動作頻率是5s開，5s關(guān)。根據(jù)要求，試驗最好的結(jié)果是每個繼電器用6個TV負(fù)載，即每個TV負(fù)載是5s開，55s管。輸入點有：開關(guān)，檢出，復(fù)位M個，停止次數(shù)設(shè)定量N次，動作頻率設(shè)定L個，常開/觸點轉(zhuǎn)換。其中，M=測試產(chǎn)品個數(shù)，N、L個數(shù)由實際需要確定。其算法如下：
- 設(shè)定一個循環(huán)周期，使累積誤差最小；
- 在循環(huán)周期內(nèi)設(shè)計動作時間和動作頻率，以及動作次數(shù)；
- 設(shè)計相關(guān)聯(lián)動、互鎖、緊急停車和復(fù)位等功能；
- 執(zhí)行動作與反饋根據(jù)產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，判定結(jié)果和設(shè)定中斷程序。
采用模塊化程序設(shè)計編程，各模塊均由主程序調(diào)用，且為了程序不出誤動作，還要考慮電流諧波和沖擊對高電源的要求。用了算法優(yōu)化設(shè)計，5個繼電器每隔2s一個動作，5個剛好10s。其中一個動作頻率程序如下：
與之對應(yīng)的動作如下：
該程序檢出判斷程序如下：
圖4 TV負(fù)荷電壓電流波形
由圖4可知：啟動時突入電流最大值約為55A，突入時間約為54ms，定常為8A。
圖5 電機(jī)電壓和電流波形
由圖5可知：電流滯后電壓約為0.9ms，其功率因素為0.96。
實驗結(jié)果與測試要求基本一致。如果不采用優(yōu)化算法程序設(shè)計，則對電源要求很高，所以該控制系統(tǒng)可以應(yīng)用實現(xiàn)，無形中降低了成本。
5、改進(jìn)后優(yōu)點和維護(hù)
很明顯，經(jīng)過以上改進(jìn)后有以下優(yōu)勢：
- 使用PLC后通用性大大提高，改進(jìn)了以前單一PLC，并縮短了工作人員的培訓(xùn)周期；
- 用嵌入式軟PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬PLC，外部線路簡化；
- 模塊化可實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便地增加和改變控制功能；
- PLC可進(jìn)行故障自動檢測和報警顯示，提高運(yùn)行安全性，且便于檢修；
- 便于群控制，提高運(yùn)行效率；
- 更改控制方案時無需改動外部線路。
- 測試及維護(hù)需注意的事項：
- 為了提高系統(tǒng)效率并降低開銷，盡量少用I/O；
- 要有緊急停車和適當(dāng)聯(lián)鎖按鈕環(huán)節(jié)；
- 輸入和輸出不能用同一電纜線；
- 直流電感性負(fù)載并聯(lián)浪涌二極管，以延長觸點的使用壽命；交流感性負(fù)載并聯(lián)電容吸收器以降低噪聲。
為保證控制系統(tǒng)工作的可靠性，做好接地、防塵、訪油、防輻射工作。
結(jié)語
此系統(tǒng)可用于繼電器、馬達(dá)、電感、充電器等產(chǎn)品的測試。改進(jìn)后仍存在以下幾點缺陷：其一，如果負(fù)載斷路，其本身并不能檢測和保護(hù)；如果負(fù)載短路，產(chǎn)品在短時間內(nèi)產(chǎn)生過電流，會造成產(chǎn)品破壞甚至威脅人身安全。其二，數(shù)據(jù)采集不全，不能實時監(jiān)控。利用電流計可以彌補(bǔ)第一點的不足；采用數(shù)據(jù)采集卡可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集。
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