產(chǎn)品開發(fā)中軟PLC的實(shí)現(xiàn)探討

摘要：文章首先介紹了PLC的概念、功能特點(diǎn)和具有PLC功能的產(chǎn)品優(yōu)勢，接著分析了硬PLC和軟PLC的區(qū)別，最后從PLC繪圖工具的制作、PLC各種文件的生成、PLC語句表文件的編譯和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、PLC文件的運(yùn)行機(jī)制、程序分類和運(yùn)行控制等方面描述了在產(chǎn)品開發(fā)中軟PLC的實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品開發(fā)；硬PLC；軟PLC；梯形圖；一級(jí)程序；二級(jí)程序 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG659 文章編號(hào)：1009-2374（2015）14-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.006

PLC是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

1 軟PLC的概念

所謂的軟PLC是利用軟件技術(shù)在產(chǎn)品中開發(fā)PLC功能，在一些通用的CPU或者M(jìn)CU上實(shí)現(xiàn)PLC指令的解釋和編譯運(yùn)行，它僅是整個(gè)產(chǎn)品中的一個(gè)功能模塊，該模塊能夠完成硬PLC大部分功能要求。

2 軟PLC的實(shí)現(xiàn)全部過程

精心策劃和技術(shù)論證后，筆者在產(chǎn)品開發(fā)中用以下方案實(shí)現(xiàn)了軟PLC開發(fā)，具體實(shí)現(xiàn)方案框圖如圖1所示：

圖1 軟PLC開發(fā)具體實(shí)現(xiàn)方案

3 PLC繪圖工具制作和各種文件的產(chǎn)生

框圖實(shí)現(xiàn)的具體過程：第一，在PC機(jī)上用高級(jí)編程語言如VC等編寫一個(gè)PLC梯形圖制作工具，該工具不僅能繪制PLC梯形圖，并且繪制梯形圖所需要的指令元器件全部可以定制，可以按照你產(chǎn)品所需增加或刪除指令，可以設(shè)定指令的地址類型和取值范圍，可以設(shè)定指令的引腳屬性。第二，制作好指令元器件后，運(yùn)用該工具繪制你所需要的PLC梯形圖后并編譯它，生成你所需要的語句表文件和各種信息文件。第三，PLC的文件如何放到系統(tǒng)產(chǎn)品上？這就取決于你的產(chǎn)品能夠如何接收外部的文件或數(shù)據(jù)。下文以USB接口和串口為例來講述一下其實(shí)現(xiàn)接收PLC文件的過程：（1）U盤接口的實(shí)現(xiàn)方法。將用PC工具生成的PLC工程文件包從電腦拷貝到U盤，再將U盤插入到產(chǎn)品上，通過操作U盤讀取PLC工程文件包，從文件包里得到你所需要的語句表文件和其他信息文件；（2）串口RS232的實(shí)現(xiàn)方法。由于RS232每次只支持接受一個(gè)文件，你可以先編寫一個(gè)應(yīng)用程序，將該應(yīng)用程序放在PLC工程文件夾下指定的位置，運(yùn)行該應(yīng)用程序，提取所需要的文件信息生成一個(gè)TXT的文本格式文件，再用RS232方式傳送到產(chǎn)品使用。

4 PLC語句表文件的編譯和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

梯形圖是由很多個(gè)由上到下順序的網(wǎng)絡(luò)組成。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可看成一個(gè)總的輸入和一個(gè)輸出或多級(jí)輸出組成?？偟妮斎胗稍S多從左到右順序相“AND”的列組成。一個(gè)列可能由一個(gè)或多個(gè)行從上到下順序的行相“OR”組成，一個(gè)行又可能包括多個(gè)從左到右順序的相“AND”輸入指令。按照上述對(duì)PLC梯形圖原理的理解，筆者設(shè)計(jì)以下的編譯后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法供PLC運(yùn)行調(diào)用。

語句表語言是PLC功能的另外一種表達(dá)方法，一般由梯形圖轉(zhuǎn)換出來。一個(gè)PLC語句表文件是由一級(jí)程序、二級(jí)程序和各個(gè)子程序組成。將一級(jí)程序、二級(jí)程序和各個(gè)子程序編譯后都變成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的程序分開存儲(chǔ)，每個(gè)程都有一個(gè)程序開始存儲(chǔ)地址，從這個(gè)地址開始存儲(chǔ)該程序的程序信息和所有編譯后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，各個(gè)程序之間或網(wǎng)絡(luò)之間相互調(diào)用或跳轉(zhuǎn)使用編譯后的相對(duì)地址進(jìn)行。

每個(gè)程序先存儲(chǔ)程序信息，緊接著存儲(chǔ)PLC程序的編譯后的一個(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。每個(gè)程序的組成具體為：程序信息+網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)#1+“%%”+網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)#2+…，網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間有一個(gè)字符串（“%%”）隔開。

程序信息主要包括：網(wǎng)絡(luò)總數(shù)+程序中的所有網(wǎng)絡(luò)信息（#1+#2+#3…）+程序編譯后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)#1開始存儲(chǔ)的地址。

網(wǎng)絡(luò)信息主要包括：該網(wǎng)絡(luò)輸入的總列數(shù)+輸入每列的行數(shù)+輸出行數(shù)+各個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)（#1 #2 #3…等等）在PLC程序中的開始存儲(chǔ)的地址。

在程序信息之后，開始依次存儲(chǔ)編譯后網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)#1、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)#2…的數(shù)據(jù)，步驟如下：

第一，填寫輸入指令開始存儲(chǔ)標(biāo)志（“N_IN”）。

第二，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)保存格式為：（1）保存網(wǎng)絡(luò)第一個(gè)列的第一行數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)格式為：輸入指令個(gè)數(shù)+第一個(gè)輸入指令（指令類型+指令地址號(hào)+觸點(diǎn)類型）+“&&”+第二個(gè)輸入指令（指令類型+指令地址號(hào)+觸點(diǎn)類型）…。如果同行內(nèi)有多個(gè)輸入指令，則指令之間有一個(gè)字符串（“&&”）隔開。（2）同樣方式保存該列的第二行…。如果一列內(nèi)有多行，行與行之間一個(gè)字符串（“||”）隔開。（3）…直至保存完該列的所有行。

第三，接著保存網(wǎng)絡(luò)第二個(gè)列數(shù)據(jù)，保存方法同上，直至保存完所有的列。

第四，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有多列，列與列之間有一個(gè)字符串（“&&”）隔開。

第五，填寫輸出指令開始存儲(chǔ)標(biāo)志（“NOUT”）。

第六，接著保存輸出指令，輸出的存儲(chǔ)格式為：第一個(gè)輸出指令（指令類型+指令地址號(hào)）+第二個(gè)輸出指令（指令類型+指令地址號(hào)）…，如果是多級(jí)輸出，指令之間有一個(gè)字符串（“++”）隔開。

第七，接著，用同樣的方式開始存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)#2，…直至當(dāng)前程序的網(wǎng)絡(luò)編譯信息存儲(chǔ)完畢。

PLC語句表文件的總體結(jié)構(gòu)、PLC程序信息結(jié)構(gòu)和PLC網(wǎng)絡(luò)信息結(jié)構(gòu)格式詳見如下：

//PLC語句表文件的總體結(jié)構(gòu)

typedef struct_PLC_File_t

{

uint32 PLCFlags[4] ；//PLC語句表文件存在標(biāo)志，存在“_PLC_PLC_PLC_PLC”

//不存在，全部用0XFF代替

（uint32*）Addr_Level1； //存儲(chǔ)一級(jí)程序的開始地址

（uint32*）Addr_Level2； //存儲(chǔ)二級(jí)程序的開始地址

（uint32*）Addr_Son[C_MaxSonProgs]；//存儲(chǔ)子程序程序的開始地址

//uint32 Reserve[10] ；//保留

}PLC_File_t，*ptr_PLC_File_t；

//PLC程序信息（如：一級(jí)程序 二級(jí)程序 子程序）結(jié)構(gòu)

__align（256） typedef struct_PLC_Program_t

{

uint32 Nets； //PLC網(wǎng)絡(luò)數(shù)，若為0，則無該P(yáng)LC程序

PLC_Net_t NetLineRows[C_MaxNetsPerFile]； //PLC每個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息

uint32 *address_File； //該程序編譯后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)開始存儲(chǔ)地址

//uint32 Reserve[10] ；//保留

}PLC_Program_t，*ptr_PLC_Program_t；

//PLC網(wǎng)絡(luò)信息結(jié)構(gòu)

__align（4）typedef struct_PLC_Net_t

{

uint8 In_Rows； //網(wǎng)絡(luò)輸入列數(shù)

uint8 Lines[C_MaxLinesPerRow]； //網(wǎng)絡(luò)每列行數(shù)

uint8 Out_Lines； //網(wǎng)絡(luò)輸出行數(shù)，若大于1，為多級(jí)輸出

uint32 *Address_Net； //該網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在PLC程序中的開始存儲(chǔ)地址

//uint32 Reserve； //保留

}PLC_Net_t，*ptr_PLC_Net_t；

5 PLC運(yùn)行機(jī)制、程序分類和運(yùn)行控制

PLC程序的運(yùn)行是在中斷模式下來實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品所有的輸入和輸出進(jìn)行監(jiān)控，只要PLC程序存在，產(chǎn)品從開機(jī)就要循環(huán)運(yùn)行PLC程序監(jiān)控產(chǎn)品的運(yùn)行。在PLC中斷模式下，中斷服務(wù)程序不能夠占用中斷太多的時(shí)間，否則CPU就沒有時(shí)間來執(zhí)行其他的程序：一方面PLC程序一部分代碼又必須快速及時(shí)地執(zhí)行和響應(yīng)，另一方面PLC程序又可能比較長，要運(yùn)行完所有的PLC程序可能會(huì)消耗CPU太多的中斷時(shí)間。如何解決這一問題？解決辦法是將PLC程序分成一級(jí)程序和二級(jí)程序，將一部分必須快速完成的程序歸入一級(jí)程序，另外一部分程序歸為二級(jí)程序。一級(jí)程序每次PLC中斷都是要執(zhí)行，二級(jí)程序根據(jù)程序運(yùn)行消耗的時(shí)間動(dòng)態(tài)分段，在一個(gè)PLC中斷周期除了運(yùn)行一級(jí)程序外，還要運(yùn)行二級(jí)程序的其中一段。這樣二級(jí)程序就必須分段執(zhí)行。

此外，還要在中斷周期內(nèi)正確調(diào)配二級(jí)中斷程序。方法一：編譯時(shí)就根據(jù)指令的運(yùn)行時(shí)間將二級(jí)程序分段，保證一次中斷只運(yùn)行其中一段二級(jí)程序。方法二：運(yùn)行時(shí)計(jì)算中斷的消耗時(shí)候，中斷運(yùn)行時(shí)間到就停止在二級(jí)程序的某一個(gè)指令上，下一個(gè)中斷運(yùn)行二級(jí)程序時(shí)就接著上次的二級(jí)程序指令繼續(xù)運(yùn)行。

傳統(tǒng)硬PLC性價(jià)比增長很緩慢，但隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟PLC技術(shù)打破了硬PLC許多局限性，開發(fā)PLC功能硬件成本和技術(shù)開發(fā)難度也越來越低，因此，在各行各業(yè)中軟PLC都具有廣泛的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 周萬珍，高鴻斌.PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 曹輝.可編程序控制器過程控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

作者簡介：劉軍高（1971-），男，江西人，廣州數(shù)控設(shè)備有限公司工程師，研究方向：數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）