基于Linux系統(tǒng)的軟PLC設計
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引言
可編程控制器（PLC，Programmable LogicController）經過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經成為了最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機。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：兼容性差，由于生產廠家眾多，各種機型互不兼容，沒有統(tǒng)一的標準，難以構造統(tǒng)一的硬件結構；封閉、擴展能力差：產品能力的功能實現(xiàn)依賴硬件；對使用者的要求高：現(xiàn)行的PLC 產品，其編程方式要求使用者對PLC的硬件結構、電器原理、編程指令都要有相當的了解；可維護性差：PLC 出現(xiàn)故障時需要專業(yè)人員用專業(yè)工具進行檢測和維修；成本較高，傳統(tǒng)PLC 被幾家廠商所壟斷，性價比增長緩慢。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。隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展及PLC 國際標準IEC61131-3的制定，在計算機上以軟件的方式來實現(xiàn)PLC 成為了發(fā)展的熱點，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 機開放結構的控制裝置。軟PLC 綜合了計算機和PLC 的開關量控制、模擬量控制、數學運算、數值處理、通信網絡等功能，通過一個多任務的控制內核，提供了強大的指令集、快速而準確的掃描周期、可靠的操作和可連接的各種I/O 系統(tǒng)及網絡的開放結構。軟PLC 提供了硬PLC 的各種功能，同時具備了PC 的各種優(yōu)點。
基于PC 平臺的軟PLC 由于無需專門的編程器，因而可以充分利用PC 機的軟硬件資源，直接采用梯形圖或指令語言編程，并具有良好的人機界面，在數控系統(tǒng)中正逐漸取代硬件PLC，PLC 編程系統(tǒng)也正在逐步轉向占據軟件市場的PC 機。軟PLC 技術發(fā)展的一個重要條件就IEC61131-3 標準的制定。
20 世紀90 年代，IEC（國際電工委員會）頒布了IEC61131 國際標準，它的內容涵蓋了PLC 整個生命周期的各個部分。IEC61131-3 是PLC 的語言標準，它定義了5 種PLC 編程語言的規(guī)范，其中結構化文本（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，標準還允許在同一個程序中混合使用多種語言。IEC61131-3 標準由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，實現(xiàn)了統(tǒng)一的編程標準。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：
?。?） 硬件體系結構不再是封閉的，用戶可以自己選擇合適的硬件來組成滿足要求的PLC。
?。?） PC 機廠家的競爭激烈使得基于PC 機的軟PLC 性價比得以提高。
?。?） 軟PLC 不僅可以實現(xiàn)連接到私有的PLC 網絡中，而且可以通過PC 連接到計算機網絡上。
?。?） 由于軟PLC 是基于IEC61131-3 標準的，因此在掌握標準后就可以容易的進行開發(fā)了。
由于軟PLC 具有兼容性、通用性、性價比高、易于與網絡連接、編程方便等優(yōu)點。因而，目前世界各國都在進行軟PLC 的研究。國際上，已經有了一些比較成熟和影響比較大的產品：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。而國內有關部門和工控方面的公司也正在著手研究開發(fā)具有自主版權的中文軟PLC產品。
軟PLC設計平臺
硬件工作平臺
軟PLC 的期待硬件工作平臺為工控機等PC 工業(yè)微機平臺和嵌入式PC 平臺。本設計因需要應用于嵌入式的數控系統(tǒng)中，所以采用了嵌入式PC 平臺。嵌入式PC 是將PC 機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)和應用軟件存儲在Flash芯片中。嵌入式PC 與標準PC 全兼容，采用與標準PC 相同的硬件結構和軟件結構。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上做好設計和開發(fā)，再將軟件移植到嵌入式PC 上。
嵌入式PC 包括單板計算機（SBC）、PC/104 計算機和餅干機，本設計采用的是嵌入式PC104 計算機。嵌入式PC/104 組件尺寸小，標準化，模塊化程度高，采用層疊式結構，通過在CPU 板的基礎上堆疊擴展板構成一個完整的計算機系統(tǒng)。PC104 的擴展板齊全，包括了網卡、數字I/O 卡、A/D 卡等。在PC104 上構造的系統(tǒng)即嵌入式軟PLC 可擴展性好，標準化和模塊化程度高。
現(xiàn)今PC104 的硬件水平可以達到P2 或者P3 一級，CPU 速度足夠快，內存可到128M，程序存儲空間可以選用CF 卡作為硬存儲空間，可以達到128M，且可通過PC104 接口擴展其硬件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行軟PLC 的需要。這也使得設計時完全可以在普通PC 上，在LINUX 內核下對軟PLC 的各個模塊進行調試，調試成功再移植到PC104 組件上運行。
軟件平臺
目前，大多數軟PLC 分別以Windows, DOS 和Linux 系統(tǒng)為操作平臺。早期的基于PC 的軟PLC 采用的較多的是DOS 系統(tǒng)，這類軟件由于運行DOS 環(huán)境下，可以輕松實現(xiàn)其實時控制的要求，但由于DOS 環(huán)境是單任務處理方式，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、多任務等優(yōu)點，但Windows 操作系統(tǒng)并不是一個理想的實時操作系統(tǒng)，且Windows 操作系統(tǒng)是收費的，這將大大增加開發(fā)應用的成本。因而，本設計配合數控系統(tǒng)的需要選用的是Linux 系統(tǒng)為操作平臺，基于Linux 內核模塊的Rtlinux 是一個免費的、開放源代碼的實時操作系統(tǒng)。
軟PLC模塊設計
本設計的軟PLC 基于嵌入式PC104 計算機，建立在Linux 操作系統(tǒng)之上，軟件的設計采用了模塊化設計。每個模塊都專職一項功能，每個模塊都是一個進程。軟PLC 全局變量是所有模塊的公共數據，由配置文件設定。各個模塊通過全局變量進行通信，各個模塊的私有數據不包含在配置文件內。全局變量在每個模塊都有副本，各個模塊通過副本的數據對本模塊進行運算，當循環(huán)一次運算后，就更新到全局變量，這樣就實現(xiàn)了各個模塊之間的通信。每個模塊對全局變量的讀寫權限不一樣的，只有對全局變量具有寫權限的模塊才可以更新全局變量里的數據。每個模塊作為一個進程，進程之間的通信采用的是共享內存進行通信。軟PLC 各模塊之間的結構框圖如圖1 所示：
(1) 主程序（main program）,啟動軟PLC，將首先運行主程序，主程序將讀取配置文件上的內容，并運行配置文件上所設定的模塊。
(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，在這部分設置了內核和各個模塊的相關參數，
主要包括：模塊列表，列出了要運行的模塊；變量列表，列出了軟PLC 中的全局變量，并定義了具有對應全局變量有寫權限的模塊。
?、?nbsp;公共配置，這部分設置了各個模塊之間的共同屬性。
?、?nbsp;同步配置，這部分是要配制各個模塊之間的同步性。為了保證數據的傳輸，必須讓模塊之間同步。
?、?nbsp;實時性配置，軟PLC 可以運行在3 種模式：正常模式、軟實時模式和硬實時模式，設計時可以根據具體情況選擇其中的一種模式。
對于每個具體的設計來說，需要對配置文件中的幾個部分進行配置。
(３) 人機界面模塊（HMI），用戶和軟PLC 之間的互動模塊。通過友好的人機界面，用戶可以控制軟PLC 的調用和開關，同時可以查看軟PLC 各個狀態(tài)點的狀態(tài)。在Linux 下，可以使用GTK 或者TCL/TK 進行設計。本設計由于整個數控系統(tǒng)的需要，采用了TCL/TK 進行設計。因為軟PLC 的其他部分是用c語言進行設計，因而在用tcl/tk設計的人機界面模塊和軟PLC 之間，需要設計一個TCL/TK 的擴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 語言調用C 語言編寫的軟PLC 函數?，F(xiàn)階段本設計主要完成了常用的PLC 圖形語言梯形圖和兩種文本語言IL 語言和ST 語言的設計，因而人機界面可以分為兩種，梯形圖的編輯運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，用戶可自由拖動如開關、計時器等各種器件進行自主編程，從而實現(xiàn)在線編程。在界面上右側是狀態(tài)欄，可以對各種狀態(tài)點的控制和狀態(tài)顯示，如將狀態(tài)點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 的底層程序將會檢測狀態(tài)點狀態(tài)，并根據元件種類進行邏輯運算，這些直接使用TCL/TK 編程就可以實現(xiàn)。而Exit 鍵則是退出軟PLC，當按下該鍵時，將會設置全局變量Quit = 1 并傳遞給關閉模塊Plcshutdown。關閉模塊將關閉所有在運行的軟PLC模塊，并殺死共享內存上的信號量。
?、?nbsp;文本編程監(jiān)控界面。文本語言相對不夠圖形語言直觀，設計監(jiān)控界面，可以從監(jiān)控界面上調用所需要的文本程序，同時對各個狀態(tài)點的狀態(tài)進行顯示和控制。
(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現(xiàn)。用戶使用符合61131-3 標準的編程語言編寫控制應用程序。編輯好的模塊將會被軟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編譯器和數據處理模塊。IEC61131-3編譯器將編譯用戶編輯好的文本應用程序，首先將PLC 的代碼編譯成C 語言，然后再調用GCC 將程序和軟PLC的鏈接庫編譯成目標文件，同時顯示編譯結果的正確性，將編譯的錯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 運行時，不會作為調用模塊。軟PLC只調用最后生成的可執(zhí)行模塊。數據處理模塊執(zhí)行對各種浮點型數據的操作，功能包括PID控制、按一定的比例縮放數據大小等。
(6) 通信模塊（Communication module）,主要負責軟件的網絡通信協(xié)議等的實現(xiàn)，借助與操作系統(tǒng)的結合構建網絡服務器，實現(xiàn)強大的網絡服務功能，實現(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)點與硬件的IO 點一一對應，軟PLC 可以通過IO 模塊直接讀寫PC104 上IO擴展板的IO 點，實現(xiàn)對I O 點的讀取和控制。
( 8 ) 關閉模塊（Plcshutdown），由于本設計采用了多模塊化設計和共享內存通信機制。因而軟PLC退出，需要關閉所有正在運行的模塊和殺死共享內存上的信號量。關閉模塊提供了Quit的全局變量， 當Quit=1，將運行關閉模塊中的程序關閉所有的軟PLC 模塊和殺死共享內存的信號量。
以上是根據需要設計的一些模塊，根據用戶需要還可以增加一些模塊，如記錄模塊，數據庫連接模塊等，這些模塊將會記錄軟PLC 的工作記錄和保存軟PLC 的數據記錄。這些有待進一步的開發(fā)和設計。設計好各個模塊，軟PLC 的工作流程可如圖3 所示。
本設計是在Linux 下進行設計，除HMI 模塊是使用TCL/TK 設計外，其他均是使用C 語言進行編寫，在Linux 下使用GCC 進行編譯。由于篇幅所限，此處不展示代碼。
實例
下面以一個簡單的對3并口通道循環(huán)控制為例，說明軟PLC 的工作流程。
?。?）梯形圖編程。從軟PLC 主界面進入后，啟動梯形圖編程，調用梯形圖編程的主程序。梯形圖編程共需要調用梯形圖界面模塊、關閉模塊、IO 模塊，這些均在配置文件中設置好，不需用戶進行設置。配置文件主要部分定義如下：
需運行的模塊： 主要狀態(tài)點定義：Ladder為擁有寫的權利模塊，主程序啟動后，將讀取對應的配置文件，運行所需模塊。
用戶即可在梯形圖界面進行編輯，編輯后的梯形圖程序如圖4所示。這是一個比較簡單的程序，因而只需要使用3個計時器和幾個復位、置位輸出就可以實現(xiàn)功能。編輯好梯形圖程序后，按下Run 鍵,程序即可運行，并實現(xiàn)對IO 板上對應端口的控制。
（2）文本IL 語言編程。開始與梯形圖編程相同，從軟PLC 主界面進入后，啟動IL 語言編程，調用主程序。文本編程共需要調用監(jiān)控界面模塊、邏輯目標程序模塊、關閉模塊、IO 模塊。邏輯目標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 機上編輯和編譯好邏輯程序，再移植到PC104 上進行調用。配置文件主要部分定義如下：
需運行的模塊：
主要狀態(tài)點定義：
為編譯后的IL 程序模塊。由于篇幅關系，實現(xiàn)循環(huán)控制的IL 程序在此處不再列出。
結束語
軟PLC 具有強大的功能，在工業(yè)控制中發(fā)揮著越來越重要的作用，是一項具有巨大潛力的技術，其強大的網絡功能是傳統(tǒng)的PLC 無法比擬的。中國工業(yè)自動化的水平相對國外來說較低，技術含量少。因而國內企業(yè)要在激烈的競爭中立于不敗之地，必須增加生產的自動化程度，提高產品的技術含量。發(fā)展自主產權的軟PLC 將對此問題產生有力的推動作用，也有助于我國PLC 企業(yè)發(fā)展本國市場并向外擴展。
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