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(chǎn)廠家眾多，各種機型互不兼容，沒有統(tǒng)一的標準，難以構(gòu)造統(tǒng)一的硬件結(jié)構(gòu)；封閉、擴展能力差：產(chǎn)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(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)牧私猓豢删S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(lǐng)域的不少研究人員一直在尋求著解決這些問題的途徑。隨著計算機軟硬件技術(shù)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(jié)構(gòu)的控制裝置。軟PLC 綜合了計算機和PLC 的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學(xué)運算、數(shù)值處理、通信網(wǎng)絡(luò)等功能，通過一個多任務(wù)的控制內(nèi)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(wǎng)絡(luò)的開放結(jié)構(gòu)。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(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。軟PLC 技術(shù)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(nèi)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(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，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：

　　（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(wǎng)絡(luò)中，而且可以通過PC 連接到計算機網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(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(shè)計因需要應(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。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(yīng)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(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(shè)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(jié)構(gòu)，通過在CPU 板的基礎(chǔ)上堆疊擴展板構(gòu)成一個完整的計算機系統(tǒng)。PC104 的擴展板齊全，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(nèi)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(shè)計時完全可以在普通PC 上，在Linux 內(nèi)核下對軟PLC 的各個模塊進行調(diào)試，調(diào)試成功再移植到PC104 組件上運行。

　　軟件平臺

　　目前，大多數(shù)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(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，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(yīng)用的成本。因而，本設(shè)計配合數(shù)控系統(tǒng)的需要選用的是Linux 系統(tǒng)為操作平臺，基于Linux 內(nèi)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(shè)計

　　本設(shè)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(shè)計采用了模塊化設(shè)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(shù)據(jù)，由配置文件設(shè)定。各個模塊通過全局變量進行通信，各個模塊的私有數(shù)據(jù)不包含在配置文件內(nèi)。全局變量在每個模塊都有副本，各個模塊通過副本的數(shù)據(jù)對本模塊進行運算，當(dāng)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(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)。每個模塊作為一個進程，進程之間的通信采用的是共享內(nèi)存進行通信。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）,啟動軟PLC，將首先運行主程序，主程序?qū)⒆x取配置文件上的內(nèi)容，并運行配置文件上所設(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：

　?、佘汸LC 配置，在這部分設(shè)置了內(nèi)核和各個模塊的相關(guān)參數(shù)，#p#分頁標題#e#

　　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(yīng)全局變量有寫權(quán)限的模塊。

　?、?公共配置，這部分設(shè)置了各個模塊之間的共同屬性。

　?、?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(shù)據(jù)的傳輸，必須讓模塊之間同步。

　　④ 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(shè)計時可以根據(jù)具體情況選擇其中的一種模式。