基于邏輯分析的分布式PLC設計

高 琛，陳文薌

（廈門大學 物理與機電工程學院，福建 廈門 361005）

可編程控制器（Programmable logic Controller，PLC）是為工業(yè)控制應用而設計制造的，是一項實用性很強的成熟技術，然而，PLC也有一些不足，如：生產(chǎn)商之間的產(chǎn)品不兼容，造成難以構建開放的硬件體系結構；各廠商的編程方法差別很大，技術專有性較強，開發(fā)人員須專業(yè)培訓才能掌握某種產(chǎn)品的編程方法[1]。實際生產(chǎn)中常碰到這樣的情況：1）不需要PLC的全部功能，同時要求邏輯控制器的成本較低，這時若采用現(xiàn)成的PLC很難實現(xiàn)低成本的要求；2）要求配置控制器的輸入和輸出關系比較簡單，普通的操作人員就可以就進行輸入和輸出關系的配置。在碰到這類情況時，如果能有一種新型的邏輯控制能具備結構簡單，不需要復雜編程就能工作的話，傳統(tǒng)PLC有各自的編程方法，有其技術專有性，普通的操作人員比較難掌握，所以傳統(tǒng)的PLC難以到達要求。

本文以工控領域的一些低成本、分布式、易操作應用場合的需求為基礎，研究一種基于邏輯分析的分布式PLC實現(xiàn)方案。通過對工業(yè)設備信息流數(shù)學模型的分析，本系統(tǒng)采用邏輯表達式解析算法實現(xiàn)了PLC[2]的可編程邏輯功能；采用CAN總線拓展了網(wǎng)絡功能,實現(xiàn)分布式結構；采用向導式界面，增強其易操作性；通過強化軟件功能，裁剪硬件，降低成本以及系統(tǒng)的復雜性?？刂破鞯拈_關量輸入輸出配置簡單方便，不需要掌握梯形圖等編程語言，只需了解輸入輸出的邏輯關系，即可進行相關的配置。

1 基本原理

一個控制系統(tǒng)可以看成由若干個節(jié)點通過總線連接形成的，每一個節(jié)點帶有若干個輸入和若干個輸出，圖1表示了分布式PLC基本拓撲圖。

圖1 分布式PLC基本拓撲圖Fig.1 Basic topology of distributed PLC

圖中編程機是作為編程用的，編程結束后可脫離系統(tǒng)。假設任意一個節(jié)點的任意一個輸出都能響應任意一個節(jié)點的任意一個輸入，則這些輸出可表達為一個邏輯關系式：

Ujk=fjk（IN11，IN12， … IN1m，IN21，IN22， … ，IN2m， … ，INn1，INn2，INnm）

對于任意一個節(jié)點，只要能夠完成對該節(jié)點輸出的邏輯關系式的解析，就能完成他的編程。這樣，在設計一個實用的控制系統(tǒng)時，所要做的就是對每一節(jié)點的每一個輸出的邏輯解析式進行解析，我們稱這個邏輯解析程序為該輸出點的驅動程序。

為了實現(xiàn)這個思想，節(jié)點可按圖2設計。

圖2 節(jié)點設計框圖Fig.2 Diagram of node design

如圖，節(jié)點的工作任務可分為3大塊：

1）本節(jié)點輸入采集，并把采集到的數(shù)據(jù)打包后通過CAN通訊總線廣播到系統(tǒng)的其它節(jié)點。

2）CAN通訊管理[3-4]，按照一定的節(jié)拍將本節(jié)點的輸入數(shù)據(jù)廣播道CAN總線，接收其它節(jié)點廣播的數(shù)據(jù)，定期刷新輸入列表。

3）根據(jù)輸入列表進行輸出邏輯解析，解析結構經(jīng)由驅動電路輸出。

2 系統(tǒng)數(shù)學模型分析

工業(yè)設備信息流模型如圖3所示。

圖3 工業(yè)設備信息流Fig.3 Information flow of industrial equipment

工業(yè)設備有各種形式的輸入和輸出，最典型的就是開關量的輸入和輸出，我們把輸入抽象成INi，輸出抽象成OUTi，輸入和輸出之間必然有某種函數(shù)關系。

如圖4所示，以某機床為例：此機床主軸由一臺籠型電動機帶動，潤滑油泵由另一臺電動機帶動。主軸需要在總開關按下并且油泵開動后才能開動；油泵需要在總開關按下后才能開動。邏輯表示為：

主軸電機=總開關+主軸開關+油泵開關；

油泵開關=總開關+油泵開關。

圖4 主軸控制器示意圖Fig.4 Schematic diagram of spindle controller

若將主軸電機定義為y1，潤滑油泵電機定義為 y2，總開關定義為x1，主軸開關定義為x2，潤滑油泵開關定義為x3，則：根據(jù)以上分析，任何一個輸出yi都是輸入xi的函數(shù)，即

擴展到多個設備聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)，此時每個設備都有一組輸入和一組輸出，則所有輸入構成一個輸入矩陣X，所有輸出構成一個輸出矩陣Y，此時的系統(tǒng)數(shù)學模型變成如圖5結構。

圖5 系統(tǒng)數(shù)學模型Fig.5 Mathematical model of system

即：

假設有m個設備，每個設備有n個輸入，n個輸出，則展開變成：

3 運行過程設計

分布式PLC系統(tǒng)在運行過程中的主要功能是完成自診斷、輸入處理、執(zhí)行解析程序和輸出處理等工作，實現(xiàn)最終的控制功能。運行過程中，節(jié)點間需要保持CAN通信的正常，所以需要進行自診斷判斷CAN通信是否正常，如果通信出現(xiàn)異常則停止系統(tǒng)的運行，并發(fā)出警報。節(jié)點掃描開關量輸入的狀態(tài)，并把采集到的數(shù)據(jù)打包后通過CAN通訊總線廣播到系統(tǒng)的其它節(jié)點。為減少CAN總線的通信量，節(jié)點只有在檢測到開關量的輸入狀態(tài)發(fā)生變化時才向其他節(jié)點發(fā)送新的開關量輸入的狀態(tài)。當輸入狀態(tài)發(fā)生變化時，節(jié)點根據(jù)新的輸入列表進行邏輯解析，更新輸出狀態(tài)。

系統(tǒng)的運行流程如圖6所示。

圖6 運行流程圖Fig.6 Flow chart of operation

系統(tǒng)的運行流程包括初始化、自診斷、輸入采樣、執(zhí)行解析程序和輸出更新等部分。

1）初始化 初始化的主要功能是初始化中斷系統(tǒng)、定時器和IO系統(tǒng)等，在內存中規(guī)劃出程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)，設定好正確的運行環(huán)境，為運行操作奠定基礎。

2）自診斷 自診斷的功能是節(jié)點之間的CAN通信是否正常。節(jié)點按順序向CAN總線廣播帶有本節(jié)點地址的標識幀。如果每個節(jié)點收到了全部其他節(jié)點的標識幀，就說明系統(tǒng)的通信正常。否則，說明CAN通信出現(xiàn)異常，系統(tǒng)就會發(fā)出警報，同時停止運行系統(tǒng)。

3）輸入采樣 輸入采樣的功能是采集開關量的輸入狀態(tài)，并與前一次采樣結果進行比較，如果輸入狀態(tài)發(fā)生變化，則將新的輸入狀態(tài)打包后通過CAN通訊總線廣播到系統(tǒng)的其它節(jié)點。

4）執(zhí)行解析程序 解析程序其實就是根據(jù)控制需要所設置的開關量輸入輸出邏輯關系。當節(jié)點收到新的輸入狀態(tài)時，就表示出狀態(tài)需要更新。節(jié)點就會調用解析程序函數(shù)，根據(jù)新的輸入狀態(tài)計算輸出要求，然后按照新的輸出要求更新輸出狀態(tài)。

5）輸出更新 當解析程序執(zhí)行完后，節(jié)點會根據(jù)執(zhí)行結果更新輸出狀態(tài)，然后通過隔離電路，向外輸出24 V控制信號，從而驅動外部設備完成相應的控制功能。

4 輸入采集設計

輸入采集的功能是采集I/O端口的輸入狀態(tài)，采集的是開關量信號，如按鈕、轉換開關、行程開關、繼電器觸點等開關量的輸入信號。在節(jié)點的存儲器內開辟了I/O映像存儲區(qū)，用于存放I/O信號的狀態(tài)，分別稱為輸入映像表和輸出映像表。I/O映像區(qū)的大小由PLC的系統(tǒng)程序確定，對于系統(tǒng)的每一個輸入點總有一個輸入映像表的某一位與之相對應，對于系統(tǒng)的每一個輸出點也都有輸出映像表的某一位與之相對應。在輸入采集階段，節(jié)點將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在輸入映像表對應的位上，經(jīng)過邏輯解析之后將，運算結果存放到輸出映像表對應的位上。

I/O映像區(qū)的建立使PLC工作時只和存儲內有關地址單元內所存的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生關系，而系統(tǒng)輸出也只是給內存某一地址單元設定一個狀態(tài)數(shù)據(jù)。這樣加快了程序執(zhí)行速度，而且使控制系統(tǒng)與外界隔開，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

輸入采集按一定的周期循環(huán)采集I/O端口的輸入狀態(tài)，并把采集到的數(shù)據(jù)打包后通過CAN通訊總線廣播到系統(tǒng)的其它節(jié)點。為了減少CAN總線的通信量，節(jié)點只有在檢測到輸入狀態(tài)發(fā)生變化時才將新的輸入狀態(tài)數(shù)據(jù)打包，通過CAN總線廣播給其他節(jié)點，通知其他節(jié)點I/O輸入狀態(tài)有發(fā)生變化，要進行輸入映像表的更新。

5 輸出邏輯解析

5.1 邏輯表達式的轉換及求值

表達式有3種表示形式：前序式、中序式和后序式。人們已經(jīng)習慣了的表達式是中序式，即運算符放在兩個操作數(shù)之間，用戶進行用戶程序編程時所用邏輯表達式就是中序式[5]。

但對于計算機而言，中序式并不適合于求值計算，所以在編譯系統(tǒng)中往往將中序式轉化為前序式或后序式，然后對轉化后的前序式或后序式進行求值。本文是將中序的邏輯表達式轉化為后序式，然后將后序式進行存儲。在執(zhí)行用戶程序時，根據(jù)開關量輸入狀態(tài)，對后序式進行求值，得出開關量輸出狀態(tài)。

中序式轉化為后序式[6-7]是基于堆棧進行的。轉化過程需要用到一個工作棧OPERATOR,用來存放操作符。和一個數(shù)組RESULT,用來存放轉化結果。中序式轉化為后序式的算法是：

1）創(chuàng)建并初始化工作棧和數(shù)組：OPERATOR和RESULT；

2）從左到右逐個字符的讀入中序表達式；

3）如果字符是數(shù)字，將數(shù)字字符存到RESULT中；

4）如果是“（”，直接存放到 OPERATOR 中；

5）如果是“）”，在遇到“（”之前，循環(huán)彈出 OPERATOR 中的運算符，并存放到RESULT中；

6）如果是運算符，循環(huán)將OPERATOR中的運算符彈出，直到該運算符比OPERATOR棧頂?shù)倪\算符優(yōu)先等級高或OPERATOR為空時，將該運算符存入OPERATOR中；

7）如果中序表達未掃描完成，則跳到3）繼續(xù)執(zhí)行；

8）如果中序表達掃描完成，OPERATOR中還有運算符，則依次將運算符彈出，存入RESULT中，直到OPERATOR為空。此時，中序表達式就轉化為后序表達式。

如表1所示的就是將中序邏輯表達式 （1&2|3）&4轉化為后續(xù)表達式的過程。

表1 中序式轉后序式實例Tab.1 Instance of infix expression into postfix expression

中序表達式轉化為后序表達式后，將后序表達式進行存儲。在執(zhí)行用戶程序時，對相應的后序式進行求值，即可得出開關量輸出狀態(tài)。對后序表達式求值只需要一個運算數(shù)棧OPERAND，后序表達式求值的算法是：

1）創(chuàng)建并初始化運算數(shù)棧OPERAND；

2）使用循環(huán)從左往右逐個掃描后序表達式；

3）如果是運算數(shù)，則存入到OPERAND中；

4）如果是運算符，則從OPERAND中彈出所需的運算數(shù)，執(zhí)行相應的邏輯運算，將運算結果再存入OPERAND中；

5）后序表達式掃描完成后，OPERAND中的值就是后序表達式求值的結果。

如表2所示的是對后序表達式123&|4&進行求值的過程，設各個運算數(shù)的邏輯狀是：1=1，2=0，3=1，4=0。

表2 后序式求值實例Tab.2 Instance of postfix expression evaluation

5.2 解析程序的執(zhí)行

跟解析程序緊密相關的有兩張關鍵的表：輸入映象表和任務表（如表3和表4）。輸入映象表記錄了系統(tǒng)所有開關量輸入的狀態(tài)，任務表則映射了每個開關量輸出跟所有開關量輸入的邏輯關系，每個開關量輸出都有一張跟自己相對應的任務表，表里存儲的是已經(jīng)轉化成后序表達式的用戶程序。

表3 任務表Tab.3 Task table

表4 輸入映象表Tab.4 Input image table

任務表和輸入映象表中，OUT1，OUT2，……，OUTn表示對應編號的開關量輸入，IN1，IN2，……，INn表示對應編號的開關量輸入，OP1，OP2，……，OPn表示邏輯運算符。編號為n的開關量輸入和所有輸出的關系可用表達式表示為：

OUTn=F（IN1，IN2，……INn）

式中F（）表示的開關量輸出和開關量輸入的邏輯關系。

對開關量輸入輸出的邏輯關系進行配置時，是通過輸入相應的邏輯表達式實現(xiàn)的。如想設置OUT1的狀態(tài)由IN1和IN2相與的結果決定的，則可輸入表達式OUT1=IN1＆IN2，設IN1=1，IN2=0，則OUT1=0。如圖7所示為用戶程序的執(zhí)行的框圖。

圖7 解析程序執(zhí)行框圖Fig.7 Implementation block diagram of analysis procedure

6 結束語

本文針對傳統(tǒng)PLC的一些局限性，提出一種以工控領域的一些低成本、分布式、易操作應用場合的需求為基礎的基于邏輯分析的分布式PLC實現(xiàn)方案[8-9]，實現(xiàn)了開關量輸入/輸出、模擬采集和輸出控制等功能?；趯I(yè)設備信息流數(shù)學模型的分析，本系統(tǒng)采用邏輯表達式解析算法實現(xiàn)了PLC的可編程邏輯功能；提供向導式界面，增強其易操作性；采用CAN總線拓展了網(wǎng)絡功能,實現(xiàn)分布式結構。在一些要求成本低和操作簡便的工業(yè)控制場合，具有廣闊的應用前景。

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