隨著控制技術(shù)向智能化、分散化，網(wǎng)絡(luò)化以及開放式控制發(fā)展，傳統(tǒng)的PLC技術(shù)漸漸暴露出其不足之處，主要表現(xiàn)在其技術(shù)封閉，各個生產(chǎn)廠商的PLC產(chǎn)品互不兼容，各類PLC的編程語言差別較大。同時，其技術(shù)為少數(shù)幾家生產(chǎn)廠家所壟斷，價格昂貴，所有這些因素都制約著PLC的快速發(fā)展。PC-Based控制技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)控制領(lǐng)域的IEC 61131國際標準的推出和實施，在工業(yè)PC上以軟件技術(shù)實現(xiàn)硬PLC的功能，能夠解決傳統(tǒng)PLC應(yīng)用所存在的不足。.

1 軟PLC應(yīng)用技術(shù)簡介

　　1.1軟PLC產(chǎn)生的背景及其技術(shù)優(yōu)點

　　軟PLC控制技術(shù)也稱軟邏輯(Soft logic)和基于PC的控制技術(shù)。軟PLC采用開放式體系結(jié)構(gòu)，具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，能夠完成比較復(fù)雜的控制任務(wù)可以滿足和實現(xiàn)當前和今后工業(yè)自動化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開放性和柔性的要求。目前在工業(yè)控制領(lǐng)域，基于PC的控制系統(tǒng)得到日益廣泛的應(yīng)用。同時由于計算機軟、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展以及工控領(lǐng)域國際編程標準IEC 61 131-3的制定和推廣應(yīng)用，在工業(yè)PC上以軟件技術(shù)實現(xiàn)硬PLC的功能，即軟PLC技術(shù)，成為一項新興的技術(shù)。

　　與傳統(tǒng)PLC相比，SoftPLC技術(shù)具有符合現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的許多優(yōu)點：(1)具有開放的體系結(jié)構(gòu)。(2)遵循國際工業(yè)標準和事實上的工業(yè)標準，如IEC61131-3標準和IEC 61491標準。(3)能充分利用PC機的資源，如大容量的內(nèi)存、高速CPU及其它硬件。(4)具有更強的數(shù)據(jù)處理能力。(5)具有友好的人機界面，便于操作。(6)具有強大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。(7)能夠執(zhí)行比較復(fù)雜的控制算法。(8)節(jié)約成本和培訓費用。

　　1.2 IEC 61131—3國際標準對軟PLC應(yīng)用技術(shù)的影響

　　IEC 61 131標準是有關(guān)可編程序控制器的硬件、安裝、試驗、編程、通訊等方面的國際標準。它共分5個部分，IEC 61 13卜3是有關(guān)編程的標準。該標準共規(guī)定了5種編程語言，其中3種是圖形化語言，另兩種是文本化語言。圖形化語言有梯形圖LD(LadderDiagram)，順序功能圖SFC(Sequential FunctionChart)，功能塊圖FBD(Function Block Diagram)。文本化語言有指令表IL(Instruction List)和l結(jié)構(gòu)文本ST(Structured Text)。

　　以往各個生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品不僅硬件各異，其軟件編程也是五花Afq。用戶每使用一種PLC時，不僅要重新熟悉其硬件結(jié)構(gòu)，也必須重新學習軟件編程的方法和規(guī)定。因此，用戶對軟件編程標準化的呼聲很高。為此，國際電工委員會(IEC)于1993年發(fā)公布了有關(guān)可編程序控制器標準化編程的IEC 611 3 1—3標準。IEC 61131-3標準為研發(fā)基于PC平臺的軟PLC提供了規(guī)范的國際標準。

　　1.3軟PLC的發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，國外許多工業(yè)控制系統(tǒng)開發(fā)商都在發(fā)展基于PC的控制系統(tǒng)，推出了符合IEC 61131-3標準的產(chǎn)品。在國內(nèi)市場上常見的控制產(chǎn)品有：法國CJ In—ternational公司的ISaGRAF，德國KW公司的MULTIPROG BECK—HOFF公司的TWinCAT以及SOFTPLC公司的SoftPLC等作為典型的基于PC的控制系統(tǒng)，西門子公司的WinAC在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　目前國內(nèi)在這方面也開展了部分基礎(chǔ)技術(shù)研究工作，但起步較晚，至今尚未有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。

2 軟PLC控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及工作原理

　　2.1體系結(jié)構(gòu)

　　軟PLC系統(tǒng)由編程系統(tǒng)和運行系統(tǒng)構(gòu)成。編程系統(tǒng)用來完成PLC應(yīng)用程序的開發(fā)，運行系統(tǒng)負責對整個系統(tǒng)的管理和對應(yīng)用程序的執(zhí)行。由于編程系統(tǒng)和運行系統(tǒng)運行于同一PC平臺，所以兩者之間的通信可以采用動態(tài)連接庫(DLL)函數(shù)的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

　　2.2編程系統(tǒng)

　　軟PLC編程系統(tǒng)實際上就是帶有調(diào)試和編譯功能的PLC編程器，此部分具備如下功能：(1)編程語言標準化，遵循1EC 61 131-3標準，支持多語言編程(共有5種編程方式：IL、ST、LD、FBD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)仿真運行，實時在線監(jiān)控，在線修改程序和編譯;(5)強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)PLC遠程監(jiān)控，遠程程序修改。

　　2.3運行系統(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I/O接口、通信接口、系統(tǒng)管理器、錯誤管理器、調(diào)試內(nèi)核和編譯器組成。

　　1)I/O接口：可與任何I/O系統(tǒng)通信，包括本地I/O系統(tǒng)和遠程I/O系統(tǒng)，遠程I/O主要通過現(xiàn)場總線InterBus、ProfiBus、CAN等實現(xiàn)。

　　2)通信接口：通過此接口使運行系統(tǒng)可以和編程系統(tǒng)軟件按照各種協(xié)議進行通信，如下載PLC程序或進行數(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，并且從I/0映像讀寫變量。

　　4)錯誤管理器：檢測和處理錯誤。

　　2.4軟PLC的工作原理

　　軟PLC工作過程如下圖3所示。

　　右邊是IEC 611 31—3標準的編程環(huán)境;中間是Windows NT運行環(huán)境;左邊是現(xiàn)場設(shè)備，采集上來的現(xiàn)場輸入信號被軟PLC運行系統(tǒng)處理，由軟PLC編程系統(tǒng)編寫的應(yīng)用程序也被軟PLC運行系統(tǒng)解釋執(zhí)行，最后將處理后的信號輸出到本地(或遠程)控制現(xiàn)場，驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

3 基于PC平臺的軟PLC控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　3.1軟PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)方案的探討

　　根據(jù)軟PLC運行的硬件平臺的不同，其控制功能的實現(xiàn)方案有以下三種：

　　(1)基于IPC控制方案

　　在這種控制應(yīng)用方案中，系統(tǒng)的軟件平臺可以采用Windows NT，Windows CE或Linux等，通用I/O板卡和I/O接線端子板(或現(xiàn)場總線卡、現(xiàn)場總線以及遠程I/O模塊)負責與工業(yè)控制現(xiàn)場打交道。采集上來的輸入信號被軟PLC運行系統(tǒng)處理，軟PLC編程系統(tǒng)(編程器)編寫的控制應(yīng)用程序也被軟PLC運行系統(tǒng)解釋執(zhí)行，最后將處理后的信號輸出到本地(或遠程)控制現(xiàn)場完成相應(yīng)的本地控制(或遠程控制)功能。

　　(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超小型計算機系統(tǒng)，一般沒有顯示器，其軟件平臺是嵌入式操作系統(tǒng)(3女llWindowsCE)。在這種控制方案中，軟PLC運行系統(tǒng)可以作為一個固件被安裝到嵌入式控制器中，編程系統(tǒng)編寫的應(yīng)用程序通過RS232或TCP/IP協(xié)議下載到此控制器中，因此整個系統(tǒng)就如同一個黑盒子運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將只作為一個硬件系統(tǒng)平臺，將軟PLC運行系統(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)并運行，即可實現(xiàn)PLC的控制功能。

　　基于工業(yè)PC的軟PLC控制系統(tǒng)能夠充分地利用PC機豐富的軟、硬件資源，操作簡單，成本較低，易于構(gòu)建現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)在工廠綜合自動化系統(tǒng)以及工業(yè)企業(yè)管控一體化等領(lǐng)域有較廣范的應(yīng)用，本課題依據(jù)第一種方案實現(xiàn)基于PC平臺的軟PLC控制系統(tǒng)。

　　3.2編程系統(tǒng)的設(shè)計

　　在PLC系統(tǒng)中，為用戶提供一個良好的軟件開發(fā)調(diào)試環(huán)境是軟P L C研究的重點。為此，需要進行了重點開發(fā)。該平臺采用普通個人計算機作為基本編程工具，編程語言遵循IEC 61131-3，并選擇其中最常用的LD(梯形圖語言)、IL(指令語言)和最靈活的ST(結(jié)構(gòu)文本語言)3種語言同時作為用戶程序開發(fā)語言。設(shè)計用戶軟件集成開發(fā)環(huán)境最主要的目的是為PLC系統(tǒng)提供一個直觀、方便、高效的用戶程序開發(fā)平臺。該平臺的主要任務(wù)是完成對LD、IL和ST等3種PLC語言的編輯、編譯、調(diào)試。

　　編程系統(tǒng)主要包括以下七大模塊：

　　(1)編輯模塊：主要為LD、IL和ST等3種PLC語言提供一個程序編輯環(huán)境，接受用戶的輸入、編譯。(2)、(3)編譯、連接模塊：用于將LD、IL和ST等3種語言寫成的用戶程序分別進行編譯生成目標代碼，再將其生成可執(zhí)行文件。(4)調(diào)試模塊：調(diào)試模塊用于對用戶程序中可能存在的語法錯誤，非法輸人等進行定位、提示，以方便用戶修改同時提供聯(lián)機調(diào)試。(5)通信模塊：用于負責編輯系統(tǒng)與運行系統(tǒng)的通訊。(6)項目管理模塊：主要用于管理和歸檔所有數(shù)據(jù)，包括用戶編輯的源程序、編譯生成的代碼(中間碼、目標碼、可執(zhí)行文件)、程序庫(標準功能函數(shù)、通信功能函數(shù)、用戶自定義函數(shù))以及在線信息(PLC硬件的配置信息、在線測試的附加信息等)。(7)仿真模塊：用于運行對用戶編制的程序進布完整的連續(xù)仿真。

　　3、3運行系統(tǒng)的設(shè)計

　　運行系統(tǒng)的主要功能有三個：(1)與編程系統(tǒng)的通信;(2)目標代碼的執(zhí)行;(3)各種I/O硬件的驅(qū)動。為了便于軟件的日后維護和升級，將運行系統(tǒng)和編程系統(tǒng)分開，以便于移植到不同的硬件平臺。軟PLC運行系統(tǒng)虛擬機是運行系統(tǒng)的核心，也是整個軟PLC系統(tǒng)的核心它一方面面負責處理操作系統(tǒng)的服務(wù)請求，另一方面對應(yīng)用程序進行管理和執(zhí)行。程序執(zhí)行時，首先為應(yīng)用程序分配內(nèi)存，將程序加載到分配好的內(nèi)存里，然后在虛擬機中解釋并執(zhí)行編程系統(tǒng)下載的目標代碼。設(shè)計的運行系統(tǒng)虛擬機支持IEC 61131-3標準規(guī)定的100余種函數(shù)、功能塊和操作符。使用虛擬機技術(shù)，可以方便地將運行系統(tǒng)移植到不同的硬件平臺。運行系統(tǒng)的I/O驅(qū)動模塊直接驅(qū)動具體的硬件。

4 軟PLC在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)該解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題

　　4.1軟PLC應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)中需要解決一些重要的問題，其中主要有：

　　(1)以PC為基礎(chǔ)的控制引擎的實時性問題。軟PLC首選的操作系統(tǒng)是Windows NT，微軟發(fā)布的Windows NT系統(tǒng)是可靠性較高的編輯開發(fā)平臺，非常適合軟實時控制，它并不是一個硬實時的操作系統(tǒng)。

　　另外，Windows CE等操作系統(tǒng)具有了NT在硬實時性方面所不具備的特性。在實際開發(fā)中也可使用其他的操作系統(tǒng)作為平臺。

　　(2)設(shè)備的可靠性：即能在高溫、震動、溫差大、多灰塵等惡劣環(huán)境下保持正常工作。只有以上關(guān)鍵技術(shù)得到解決后，軟PLC才能真正用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

　　4.2應(yīng)用前景展望

　　軟PLC采用開放式體系結(jié)構(gòu)，具有良好的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，能夠完成比較復(fù)雜的控制任務(wù)，可以滿足和實現(xiàn)當前和今后工業(yè)自動化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開放性和柔性的要求，為將來工業(yè)自動化向更高層次的集成提供了可靠的技術(shù)保障。軟PLC克服了傳統(tǒng)硬PLC的諸多缺點，應(yīng)用于工業(yè)控制后，將會大大提高企業(yè)的自動化水平和生產(chǎn)效率。基于此，可以預(yù)見軟PLC技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

　　本文介紹了軟PLC應(yīng)用技術(shù)的相關(guān)概念，剖析了軟PLC的體系結(jié)構(gòu)、以及工作原理。提出了具體的實現(xiàn)方案，對軟PLC應(yīng)用中存在的關(guān)鍵性技術(shù)問題進行了深入分析。