隨著控制技術(shù)向智能化、分散化，網(wǎng)絡(luò)化以及開(kāi)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(gè)生產(chǎn)廠商的PLC產(chǎn)品互不兼容，各類(lèi)PLC的編程語(yǔ)言差別較大。同時(shí)，其技術(shù)為少數(shù)幾家生產(chǎn)廠家所壟斷，價(jià)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的推出和實(shí)施，在工業(yè)PC上以軟件技術(shù)實(shí)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(jiǎn)介

　　1.1軟PLC產(chǎn)生的背景及其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

　　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(kāi)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(shí)現(xiàn)當(dāng)前和今后工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開(kāi)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(shí)由于計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的迅速發(fā)展以及工控領(lǐng)域國(guó)際編程標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)硬PLC的功能，即軟PLC技術(shù)，成為一項(xiàng)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(diǎn)：(1)具有開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。(2)遵循國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61491標(biāo)準(zhǔn)。(3)能充分利用PC機(jī)的資源，如大容量的內(nèi)存、高速CPU及其它硬件。(4)具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。(5)具有友好的人機(jī)界面，便于操作。(6)具有強(qiáng)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(xùn)費(fèi)用。

　　1.2 IEC 61131—3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軟PLC應(yīng)用技術(shù)的影響

　　IEC 61 131標(biāo)準(zhǔn)是有關(guān)可編程序控制器的硬件、安裝、試驗(yàn)、編程、通訊等方面的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它共分5個(gè)部分，IEC 61 13卜3是有關(guān)編程的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)共規(guī)定了5種編程語(yǔ)言，其中3種是圖形化語(yǔ)言，另兩種是文本化語(yǔ)言。圖形化語(yǔ)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(yǔ)言有指令表IL(Instruction List)和l結(jié)構(gòu)文本ST(Structured Text)。

　　以往各個(gè)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(shí)，不僅要重新熟悉其硬件結(jié)構(gòu)，也必須重新學(xué)習(xí)軟件編程的方法和規(guī)定。因此，用戶對(duì)軟件編程標(biāo)準(zhǔn)化的呼聲很高。為此，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于1993年發(fā)公布了有關(guān)可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)化編程的IEC 611 3 1—3標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)為研發(fā)基于PC平臺(tái)的軟PLC提供了規(guī)范的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　1.3軟PLC的發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，國(guó)外許多工業(yè)控制系統(tǒng)開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的控制產(chǎn)品有：法國(guó)CJ In—ternational公司的ISaGRAF，德國(guó)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(mén)子公司的WinAC在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　目前國(guó)內(nèi)在這方面也開(kāi)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(yùn)行系統(tǒng)構(gòu)成。編程系統(tǒng)用來(lái)完成PLC應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理和對(duì)應(yīng)用程序的執(zhí)行。由于編程系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行于同一PC平臺(tái)，所以兩者之間的通信可以采用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(DLL)函數(shù)的方法實(shí)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(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(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化，遵循1EC 61 131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持多語(yǔ)言編程(共有5種編程方式：IL、ST、LD、FBD和SFC)，編程語(yǔ)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(kāi)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TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程程序修改。

　　2.3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I/O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。

　　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(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，遠(yuǎn)程I/O主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線InterBus、ProfiBus、CAN等實(shí)現(xiàn)。

　　2)通信接口：通過(guò)此接口使運(yùn)行系統(tǒng)可以和編程系統(tǒng)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，并且從I/0映像讀寫(xiě)變量。

　　4)錯(cuò)誤管理器：檢測(cè)和處理錯(cuò)誤。

　　2.4軟PLC的工作原理

　　軟PLC工作過(guò)程如下圖3所示。

　　右邊是IEC 611 31—3標(biāo)準(zhǔn)的編程環(huán)境;中間是Windows NT運(yùn)行環(huán)境;左邊是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，采集上來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)被軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)處理，由軟PLC編程系統(tǒng)編寫(xiě)的應(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(hào)輸出到本地(或遠(yuǎn)程)控制現(xiàn)場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 基于PC平臺(tái)的軟PLC控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　3.1軟PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的探討

　　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(chǎng)總線卡、現(xiàn)場(chǎng)總線以及遠(yuǎn)程I/O模塊)負(fù)責(zé)與工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)打交道。采集上來(lái)的輸入信號(hào)被軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)處理，軟PLC編程系統(tǒng)(編程器)編寫(xiě)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(hào)輸出到本地(或遠(yuǎn)程)控制現(xiàn)場(chǎng)完成相應(yīng)的本地控制(或遠(yuǎn)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(gè)超小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般沒(méi)有顯示器，其軟件平臺(tái)是嵌入式操作系統(tǒng)(3女llWindowsCE)。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，編程系統(tǒng)編寫(xiě)的應(yīng)用程序通過(guò)RS232或TCP/IP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(kāi)發(fā)系統(tǒng)編寫(xiě)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。

　　基于工業(yè)PC的軟PLC控制系統(tǒng)能夠充分地利用PC機(jī)豐富的軟、硬件資源，操作簡(jiǎn)單，成本較低，易于構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)基于PC平臺(tái)的軟PLC控制系統(tǒng)。

　　3.2編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　在PLC系統(tǒng)中，為用戶提供一個(gè)良好的軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境是軟P L C研究的重點(diǎn)。為此，需要進(jìn)行了重點(diǎn)開(kāi)發(fā)。該平臺(tái)采用普通個(gè)人計(jì)算機(jī)作為基本編程工具，編程語(yǔ)言遵循IEC 61131-3，并選擇其中最常用的LD(梯形圖語(yǔ)言)、IL(指令語(yǔ)言)和最靈活的ST(結(jié)構(gòu)文本語(yǔ)言)3種語(yǔ)言同時(shí)作為用戶程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。設(shè)計(jì)用戶軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境最主要的目的是為PLC系統(tǒng)提供一個(gè)直觀、方便、高效的用戶程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)的主要任務(wù)是完成對(duì)LD、IL和ST等3種PLC語(yǔ)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L(zhǎng)D、IL和ST等3種PLC語(yǔ)言提供一個(gè)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(yǔ)言寫(xiě)成的用戶程序分別進(jìn)行編譯生成目標(biāo)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(duì)用戶程序中可能存在的語(yǔ)法錯(cuò)誤，非法輸人等進(jìn)行定位、提示，以方便用戶修改同時(shí)提供聯(lián)機(jī)調(diào)試。(5)通信模塊：用于負(fù)責(zé)編輯系統(tǒng)與運(yùn)行系統(tǒng)的通訊。(6)項(xiàng)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(biāo)碼、可執(zhí)行文件)、程序庫(kù)(標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試的附加信息等)。(7)仿真模塊：用于運(yùn)行對(duì)用戶編制的程序進(jìn)布完整的連續(xù)仿真。

　　3、3運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　運(yùn)行系統(tǒng)的主要功能有三個(gè)：(1)與編程系統(tǒng)的通信;(2)目標(biāo)代碼的執(zhí)行;(3)各種I/O硬件的驅(qū)動(dòng)。為了便于軟件的日后維護(hù)和升級(jí)，將運(yùn)行系統(tǒng)和編程系統(tǒng)分開(kāi)，以便于移植到不同的硬件平臺(tái)。軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)虛擬機(jī)是運(yùn)行系統(tǒng)的核心，也是整個(gè)軟PLC系統(tǒng)的核心它一方面面負(fù)責(zé)處理操作系統(tǒng)的服務(wù)請(qǐng)求，另一方面對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行管理和執(zhí)行。程序執(zhí)行時(shí)，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(jī)中解釋并執(zhí)行編程系統(tǒng)下載的目標(biāo)代碼。設(shè)計(jì)的運(yùn)行系統(tǒng)虛擬機(jī)支持IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的100余種函數(shù)、功能塊和操作符。使用虛擬機(jī)技術(shù)，可以方便地將運(yùn)行系統(tǒng)移植到不同的硬件平臺(tái)。運(yùn)行系統(tǒng)的I/O驅(qū)動(dòng)模塊直接驅(qū)動(dòng)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(wèn)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(wèn)題，其中主要有：

　　(1)以PC為基礎(chǔ)的控制引擎的實(shí)時(shí)性問(wèn)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，非常適合軟實(shí)時(shí)控制，它并不是一個(gè)硬實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)。

　　另外，Windows CE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(kāi)發(fā)中也可使用其他的操作系統(tǒng)作為平臺(tái)。

　　(2)設(shè)備的可靠性：即能在高溫、震動(dòng)、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(kāi)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(shí)現(xiàn)當(dāng)前和今后工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域控制系統(tǒng)開(kāi)放性和柔性的要求，為將來(lái)工業(yè)自動(dòng)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(diǎn)，應(yīng)用于工業(yè)控制后，將會(huì)大大提高企業(yè)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率?；诖?，可以預(yù)見(jiàn)軟PLC技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　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(shí)現(xiàn)方案，對(duì)軟PLC應(yīng)用中存在的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了深入分析。