軟PLC控制技術(shù)綜述

20世紀(jì)90年代后期，人們逐漸認(rèn)識到，傳統(tǒng)PLC（本文簡稱硬PLC）自身存在著這樣那樣的缺點(diǎn)：難以構(gòu)建開放的硬件體系結(jié)構(gòu)；工作人員必須經(jīng)過較長時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)才能掌握某一種產(chǎn)品的編程方法；傳統(tǒng)PLC的生產(chǎn)被幾家廠商所壟斷，造成PLC的性價(jià)比增長很緩慢。這些問題都成了制約傳統(tǒng)PLC發(fā)展的因素。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及PLC方面國際標(biāo)準(zhǔn)的制定，一項(xiàng)打破傳統(tǒng)PLC局限性的新興技術(shù)發(fā)展起來了，這就是軟PLC技術(shù)。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，采用放的通信接口，如以太網(wǎng)、高速串口等；采用各種相關(guān)的國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和一系列的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)；全部用軟件來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的功能。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟PLC基于PC機(jī)，建立在一定操作系統(tǒng)平臺(tái)之上，通過軟件方法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的計(jì)算、控制、存儲(chǔ)以及編程等功能，通過IO模塊以及現(xiàn)場總線等物理設(shè)備完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及信號的輸出。根據(jù)傳統(tǒng)PLC的組成結(jié)構(gòu)，軟PLC系統(tǒng)由開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分組成。也可分為編輯環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分。編輯環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是客戶服務(wù)器模式，二者之間采用COMDCOM通信機(jī)制，運(yùn)行環(huán)境作為COM服務(wù)器，提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口；編輯環(huán)境作為COM客戶端應(yīng)用，本地或遠(yuǎn)程訪問存取這些接口，進(jìn)行下載代碼、讀取運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行信息等操作。軟PLC系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 軟PLC系統(tǒng)的整體框圖

嵌入式系統(tǒng)通常由EPC或嵌入式控制器（也稱智能控制器）和嵌入式軟件組成，嵌入式軟件又分為嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序，嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)是程序短小、所需內(nèi)存少，Mi-crosoft公司推出的WindowsCE就是一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)，而軟PLC可以作為一個(gè)嵌入式應(yīng)用程序運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)中。

軟PLC開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)是相互獨(dú)立而又密不可分的兩個(gè)應(yīng)用程序，可以分別單獨(dú)運(yùn)行。

1．軟PLC開發(fā)系統(tǒng)

軟PLC開發(fā)系統(tǒng)實(shí)際上就是帶有調(diào)試和編譯功能的PLC編程器，此部分具備如下功能：①編程語言標(biāo)準(zhǔn)化，遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持多語言編程（共有5種編程方式：IL，ST，LD，F(xiàn)BD和SFC），編程語言之間可以相互轉(zhuǎn)換；②豐富的控制模塊，支持多種PID算法（如常規(guī)PID控制算法、自適應(yīng)PID控制算法、模糊PID控制算法、智能PID控制算法等等），還包括目前流行的一些控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；③開放的控制算法接口，支持用戶嵌入自己的控制算法模塊；④仿真運(yùn)行，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，在線修改程序和編譯；⑤強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。支持基于TCPIP網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程程序修改。

2．軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)

這一部分是軟PLC的核心，完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作。通常由IO接口、通信接口，系統(tǒng)管理器、錯(cuò)誤管理器、調(diào)試內(nèi)核和編譯器組成：①IO接口，可與任何IO系統(tǒng)通信，包括本地IO系統(tǒng)和遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)，遠(yuǎn)程IO主要通過現(xiàn)場總線InterBus，ProfiBus，CAN等實(shí)現(xiàn)；②通信接口。通過此接口使運(yùn)行系統(tǒng)可以和開發(fā)系統(tǒng)或HMI（或MMI）軟件按照各種協(xié)議進(jìn)行通信，如下載PLC程序或進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；③系統(tǒng)管理器，處理不同任務(wù)和協(xié)調(diào)程序的執(zhí)行，而且從IO映像讀寫變量；④錯(cuò)誤管理器，檢測和處理程序執(zhí)行期間發(fā)生的各種錯(cuò)誤；⑤調(diào)試內(nèi)核，提供多個(gè)調(diào)試函數(shù)，如重寫、強(qiáng)制變量、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置變量和地址狀態(tài)；⑥編譯器，通常開發(fā)系統(tǒng)將編寫的PLC源程序編譯為中間代碼，然后運(yùn)行系統(tǒng)的編譯器將中間代碼翻譯為與硬件平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器可執(zhí)行代碼（即目標(biāo)碼）。

（二）技術(shù)實(shí)現(xiàn)

以西門子公司開發(fā)的軟件PLC產(chǎn)品為例說明它的構(gòu)成方式。

第一種，在PC機(jī)上安裝專用程序，使PC機(jī)用作為可編程控制器。該P(yáng)C機(jī)上的操作系統(tǒng)是基于實(shí)時(shí)功能的，如：WindowsNT或WindowsCE或Linux等，在西門子開發(fā)的應(yīng)用軟件Pro-ToolPro的支持下，實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)視，在編程軟件STEP7支持下，提供用戶編程環(huán)境。該P(yáng)C機(jī)上還集成了現(xiàn)場總線Profibus-DP的通信協(xié)議及Profibus-DP接口，用以實(shí)現(xiàn)與分布式IO及其他現(xiàn)場設(shè)備的連接。

第二種，將軟PLC做成一塊插板，安裝在PC機(jī)的PCI總線插槽上。該P(yáng)LC是可以獨(dú)立工作的微機(jī)系統(tǒng)，與PC機(jī)無關(guān)，如有需要甚至可以用自身獨(dú)立提供的電源。PC機(jī)可以容納數(shù)個(gè)插槽式的PLC，并把它們當(dāng)作集成模塊，在操作系統(tǒng)支持下既獨(dú)立又協(xié)調(diào)地工作。這種軟PLC對操作系統(tǒng)、控制軟件和編程軟件的要求與第一種相同。在PC機(jī)的平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)編程、運(yùn)行、操作、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)及狀態(tài)顯示功能。

當(dāng)對實(shí)時(shí)控制的要求較低時(shí)，一般使用第一種結(jié)構(gòu)，專用軟件就直接安裝在WindowsNT中，也可用帶實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)的軟件，提高實(shí)時(shí)控制性能。如果對控制器的可靠性和控制性能要求較高，可選擇插槽式PLC，因?yàn)樗鼡碛凶约旱牟僮飨到y(tǒng)，有可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和準(zhǔn)確的重新啟動(dòng)功能。

（三）應(yīng)用特點(diǎn)

應(yīng)用特點(diǎn)為：①體現(xiàn)了IPC，PLC和DOC先進(jìn)技術(shù)的集成?？沙浞掷肞C平臺(tái)上的硬件和軟件資源，使控制系統(tǒng)更具特色；②系統(tǒng)更開放，應(yīng)用更方便。軟件PLC通過自己開發(fā)工具提供的OPC功能和Active控件，既可連接Office軟件，也可連接用VB，VC開發(fā)的軟件；③基于PC+現(xiàn)場總線+分布式IO的控制系統(tǒng)簡化了復(fù)雜控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提高了通信效率和速度，降低了投資成本。

三、技術(shù)優(yōu)勢及其發(fā)展的制約因素

（一）技術(shù)優(yōu)勢

軟PLC解決了傳統(tǒng)PLC的兼容性差、通用性差等問題，具有多方面的優(yōu)勢。

1. 軟PLC的硬件體系結(jié)構(gòu)不再封閉，用戶可以自己選擇合適的硬件組成滿足要求的軟PLC。
2. 傳統(tǒng)PLC的指令集是固定的，而實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中可能需要定義算法。軟PLC指令集可以更加豐富，用戶可以使用符合標(biāo)準(zhǔn)的操作指令。
3. PC機(jī)廠家的激烈競爭使得基于PC機(jī)的軟PLC的性價(jià)比得以提高。
4. 傳統(tǒng)PLC限制在幾家廠商生產(chǎn)，具有私有性，因此很難適應(yīng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，常常是PLC與計(jì)算機(jī)處在不同類型的網(wǎng)絡(luò)中。軟PLC不僅能加入到已存在的私有PLC網(wǎng)絡(luò)中，而且可以加入到標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。這使得現(xiàn)有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的很多研究成果很容易地應(yīng)用到PLC控制技術(shù)中。
5. 軟PLC的技術(shù)是基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的，因此在掌握標(biāo)準(zhǔn)語言后開發(fā)就比較容易。

（二）發(fā)展的制約因素

盡管軟PLC技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但是這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要解決一些重要的問題。其中主要是以PC為基礎(chǔ)的控制引擎的實(shí)時(shí)性問題。軟PLC首選的操作系統(tǒng)是WindowsNT，但是它并不是一個(gè)硬實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)。傳統(tǒng)PLC具有硬實(shí)時(shí)性，正因?yàn)槿绱怂拍芴峁┛焖?、確定而且可重復(fù)的響應(yīng)。而要讓W(xué)indowsNT具有硬實(shí)時(shí)性，必須對它進(jìn)行擴(kuò)展，使得PC的控制任務(wù)具有最高的優(yōu)先級，不因?yàn)镹T的系統(tǒng)功能和用戶程序的調(diào)用而被搶占?，F(xiàn)在，我們可以通過一些方法將實(shí)時(shí)性能加入到NT系統(tǒng)中去。比如，修改NT的硬件抽象層，或者NT與一種經(jīng)過實(shí)用驗(yàn)證的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組合。另外，WindowsCE等操作系統(tǒng)具有了NT在硬實(shí)時(shí)性方面所不具備的特性。在實(shí)際開發(fā)中也可使用其他的操作系統(tǒng)作為平臺(tái)。

四、軟PLC技術(shù)應(yīng)用控制方案

根據(jù)軟PLC運(yùn)行的硬件平臺(tái)的不同，其控制功能的實(shí)現(xiàn)方案有以下三種。

1．基于IPC或EPC的控制方案

在這種控制應(yīng)用方案中，系統(tǒng)的軟件平臺(tái)可以采用WindowsNT，WindowsCE或Linux等，通用IO板卡和IO接線端子板（或現(xiàn)場總線卡、現(xiàn)場總線以及遠(yuǎn)程IO模塊）負(fù)責(zé)與工業(yè)控制現(xiàn)場打交道。采集上來的輸入信號被軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)處理，軟PLC開發(fā)系統(tǒng)（編程器）編寫的控制應(yīng)用程序也被軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)解釋執(zhí)行，最后將處理后的信號輸出到本地（或遠(yuǎn)程）控制現(xiàn)場完成相應(yīng)的本地控制（或遠(yuǎn)程控制）功能，及其控制方案和過程。

2．基于嵌入式控制器或智能控制器的控制方案

嵌入式控制器是一個(gè)超小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般沒有顯示器，其軟件平臺(tái)是嵌入式操作系統(tǒng)（如WindowsCE）。在這種控制方案中，軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)可以作為一個(gè)固件被安裝到嵌入式控制器中，開發(fā)系統(tǒng)編寫的應(yīng)用程序通過RS232或TCPIP協(xié)議下載到此控制器中，因此整個(gè)系統(tǒng)就如同一個(gè)黑盒子運(yùn)行并完成指定的控制功能。

3．基于傳統(tǒng)PLC的控制方案。在這種方案中，傳統(tǒng)PLC將只作為一個(gè)硬件系統(tǒng)平臺(tái)，將軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)安裝到此傳統(tǒng)PLC硬件中，然后將開發(fā)系統(tǒng)編寫的PLC應(yīng)用程序下載到此硬件系統(tǒng)并運(yùn)行，即可實(shí)現(xiàn)PLC的控制功能。

五、結(jié)束語

軟PLC技術(shù)相對于傳統(tǒng)PLC，以其開放性、靈活性和較低的價(jià)格占有很大優(yōu)勢。它簡化了工廠自動(dòng)化的體系結(jié)構(gòu)，把控制、通信、人機(jī)界面及各種特定的應(yīng)用全都合為一體，運(yùn)用于同一個(gè)硬件平臺(tái)上。軟PLC技術(shù)也存在著一些問題，例如，由于軟PLC的運(yùn)行環(huán)境是Windows操作系統(tǒng)，所以實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；定時(shí)器最大存在一個(gè)掃描周期的誤差；掃描周期較長等。但是，這些問題可以通過改變運(yùn)行環(huán)境、改進(jìn)執(zhí)行算法等方法加以解決。只要它們能實(shí)現(xiàn)控制的時(shí)間確定性，即保證能以時(shí)間高度一致的方式執(zhí)行控制指令序列，并具有可預(yù)測的結(jié)果或行為。軟PLC在未來的工業(yè)電氣控制中定會(huì)占據(jù)重要的席位。成為繼現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的新亮點(diǎn)。