基于Linux系統(tǒng)的軟PLC設(shè)計(jì)方案解析

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?cè)谑褂眠^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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(shì)：
　　（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。
　?。?） 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(jí)，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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)全局變量的讀寫權(quán)限不一樣的，只有對(duì)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：