基于開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件的PLC設(shè)計

楊金韜

摘 要：從數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生并應(yīng)用至今，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了從專用封閉式體系向開放式模塊化結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程，其輔助控制功能由可編程邏輯控制器來實現(xiàn)，而傳統(tǒng)PLC并不能滿足開放式數(shù)控系統(tǒng)的需求。因此，基于PLC機的采用軟件實現(xiàn)控制功能的軟PLC技術(shù)出現(xiàn)并不斷發(fā)展起來。本文首先介紹了PLC的概念及特點，之后講述了PLC結(jié)構(gòu)與工作原理，然后敘述了開放式數(shù)控系統(tǒng)對軟PLC需求，最后詳細介紹了軟件PLC的開發(fā)運行系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：開放式；數(shù)控系統(tǒng)；軟件；PLC設(shè)計

1 PLC的概念及特點

可編程控制器是一種以微處理器為核心的用于工程自動控制的工業(yè)控制機，其本質(zhì)是一臺工業(yè)控制專用計算機。PLC一般具有以下的特點：運行穩(wěn)定，可靠性高；控制功能強；編程簡單，使用方便；適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境、抗干擾能力好；功能完善，具有各種接口，與外部設(shè)備連接極方便；擴充方便，組合靈活，簡單易學(xué)。

2 PLC的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 PLC的結(jié)構(gòu)

PLC是由中央處理器（CPU）、存儲器、編程器、輸入/輸出單元、電源和外部設(shè)備組成。中央處理單元是整個系統(tǒng)的核心，負責(zé)協(xié)調(diào)各個部分的工作。

2.2 PLC的工作原理

PLC的工作過程是周期掃描的工作過程。通過編程器或其它輸入設(shè)備輸入用戶程序存放在PLC的用戶存儲器中。當(dāng)PLC開始運行時，CPU根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控程序的規(guī)定順序，通過掃描，完成各輸入點的狀態(tài)采集或輸入數(shù)據(jù)采集、用戶程序的執(zhí)行、各輸出點狀態(tài)更新、編程器鍵 入響應(yīng)和顯示更新及CPU自檢等功能。PLC的循環(huán)掃描工作方式，每個掃描周期分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出控制三個階段。PLC在輸入采樣階段，首先掃描所有端子，并將各輸入存入內(nèi)存中各對應(yīng)的輸入映像寄存器。接著進入程序執(zhí)行階段，在這個階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論信號如何變化，其內(nèi)容保持不變直到下一個掃描周期。在程序執(zhí)行階段，PLC會按照先左后右，先上后下的順序?qū)Τ绦蜻M行逐行逐句掃描。當(dāng)指令中存在輸入、輸出指令時，PLC從輸入映像寄存器中讀入上一階段的狀態(tài)，從輸出映像寄存器讀入對應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后進行相應(yīng)的運算，運算結(jié)果存入元件映像寄存器中。在輸出刷新階段，在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存寄存器中，通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負載。

3 開放式數(shù)控系統(tǒng)對軟件PLC的需求分析

數(shù)控系統(tǒng)中的PLC按照存在形式可分為硬件PLC和軟件PLC，按與CNC裝置的關(guān)系可分為獨立式PLC和內(nèi)置式PLC，它們有各自的優(yōu)、缺點。本文主要講述一下數(shù)控系統(tǒng)中最常見的軟件PLC的優(yōu)點：1）具有開放的體系結(jié)構(gòu)：軟件PLC具有寬范圍的I/O端口和多種現(xiàn)場總線的接口，支持多種硬件，也解決了傳統(tǒng)PLC互不兼容的問題。傳統(tǒng)PLC的指令集是固定的，軟件PLC具有第三方軟件接口，可支持多種語言編程（包括高級語言），可允許用戶根據(jù)需求，靈活擴展系統(tǒng)功能，指令集可以更加豐富。2）遵循國際工業(yè)標準：如IEC1131-3標準，大大提高了PLC程序的可讀性、可維護性和可移植性。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，且更加可靠。4）具有更強的數(shù)據(jù)處理能力：能夠在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，利用PC機的軟件平臺處理一些比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)類型，如浮點數(shù)和字符串等。且數(shù)據(jù)管理更加方便，可以利用操作系統(tǒng)提供的功能，方便地通過建立文件或者數(shù)據(jù)庫的方式管理數(shù)據(jù)。5）節(jié)約成本和培訓(xùn)費用。

4 PLC的開發(fā)運行系統(tǒng)及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

運行系統(tǒng)是軟件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。軟件PLC運行系統(tǒng)以文件模擬輸入、輸出映象區(qū)，將開發(fā)系統(tǒng)生成的程序編譯連接成可執(zhí)行文件運行，用輸出結(jié)果反映I/O狀態(tài)的改變。

PLC的基本原理和開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的基本功能，將系統(tǒng)分為編輯和編譯兩大模塊。根據(jù)IEC1131-3對PLC編程語言的規(guī)定和五種語言的各自特點，目前選擇了圖形模式語言梯形圖LD和文本模式語言指令表IL作為本系統(tǒng)的編程語言。因為梯形圖是目前應(yīng)用最廣泛的直觀的編程語言；指令表語言不但簡單易學(xué)，而且非常容易實現(xiàn)，且IEC1131-3的其它語言如功能塊圖、結(jié)構(gòu)化文本、梯形圖等都可以轉(zhuǎn)換為指令表語言。由于系統(tǒng)的開放性，可以根據(jù)以后的需要，將其他三種編程語言加載到系統(tǒng)中來。根據(jù)本實驗室已經(jīng)開發(fā)的運行系統(tǒng)，開發(fā)系統(tǒng)需要生成的目標代碼為C/C++語言的形式。也就是說，開發(fā)系統(tǒng)需要將梯形圖等編程語言轉(zhuǎn)換為運行系統(tǒng)指定的格式，命令才能運行。這就需要一個解釋編譯的過程。將梯形圖轉(zhuǎn)換為C/C++命令，可以采用兩種方法：1）直接法：梯形圖表示的電氣控制線路呈矩陣排列模式，因此，可以依靠矩陣的運算，將梯形圖直接轉(zhuǎn)換為C/C++語言命令，然后用系統(tǒng)自帶的C編譯器進一步編譯運行。2）間接法：梯形圖與指令表的一一對應(yīng)關(guān)系，可以把梯形圖程序轉(zhuǎn)換為文本形式的指令表語言，再對指令表語言進行處理，最終生成目標代碼。

總結(jié)：開放式數(shù)控系統(tǒng)能很好地解決頻繁變化的需求與封閉控制之間的矛盾，從而建立一個統(tǒng)一的可重構(gòu)的系統(tǒng)平臺。

[參考文獻]

[1]梁宏斌，王永章，李霞.開放式數(shù)控系統(tǒng)與標準化[J].計算機集成制造系統(tǒng). 2012（09）.

[2]白艷艷，陳衛(wèi)福，于春娜.開放式數(shù)控系統(tǒng)中軟PLC的研究開發(fā)[J].機械管理開發(fā). 2011（03）.

[3]周峰，王新華，李劍峰，溫燕杰，張威.軟PLC編輯系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用.2012（07）.