嵌入式PLC軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)研究

高名興++徐志明

摘要：近年來，可編程控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但與此同時(shí)，傳統(tǒng)可編程控制器的一些缺點(diǎn)和不足也愈加明顯，例如對新設(shè)備兼容性差，無法實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算以及通訊薄弱等。因此，需要一種新技術(shù)來滿足工業(yè)控制領(lǐng)域新的需求，一種被稱作軟PLC的技術(shù)進(jìn)入人們的視線，由于它采用軟件在傳統(tǒng)PC設(shè)備上模擬PLC，無法像傳統(tǒng)PLC設(shè)備一樣長久穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。嵌入式PLC結(jié)合了傳統(tǒng)PLC和軟PLC的優(yōu)勢，在提升了PLC的運(yùn)算能力的同時(shí)，極大地發(fā)揮了梯形圖和開源結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，形成了控制領(lǐng)域的一種通用平臺結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：PLC；嵌入式；通訊

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）17-0189-03

Research on Design Technology of Embedded PLC Hardware and Software

GAO Ming-xing1， XU Zhi-ming2

（1.College of electronic and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 201804，China；2.Shanghai Electric Group Company Limited， Shanghai 200336， China）

Abstract：At present， the PLC has been widely used in the industry area. But the disadvantage of this controller appears along with the development of the industry equipment. Such as worse compatibility cooperate with the new equipment， poor satisfaction of the high calculation and weak communication and so on. Thus， there need new technology to satisfy the increasing industry requirements. The soft PLC comes into the world from on kind of condition. The function of PLC is imitated through software on the PC platform. But the soft PLC has shortage also. The sturdiness and instantaneity is worse than the traditional PLC. Therefore， the embedded PLC combines the advantages of traditional PLC and soft PLC， increase the computing power， express the advantages of ladder diagram and open construction to bring a universal platform to the controlled members.

Key words：PLC；embedded； communication

嵌入式PLC是一種在特定的控制裝置中實(shí)現(xiàn)PLC Programmable Logic Controller）的相關(guān)編程語言解釋和執(zhí)行的功能，使得該特定裝置不僅具有自身的專用功能，還實(shí)現(xiàn)了PLC的基本功能 [1]。目前，嵌入式PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了工業(yè)控制領(lǐng)域，大大提高了生產(chǎn)效率，促進(jìn)工業(yè)自動化發(fā)展。

嵌入式PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要從多方面因素進(jìn)行考慮，其中主要包括硬件平臺、軟件平臺和網(wǎng)絡(luò)通信平臺。

1 嵌入式PLC硬件平臺

嵌入式PLC需要滿足不同客戶的需求，在不同的應(yīng)用場景中，需求可能會完全不同。因此，在硬件平臺設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，這樣能夠使系統(tǒng)具有更好的可擴(kuò)展性。對于PLC最重要的指標(biāo)是實(shí)時(shí)性，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，會存在一些誤操作以及干擾信號，如果PLC不具有較好的實(shí)時(shí)性，那么將會造成十分嚴(yán)重的后果。

本硬件平臺主要有高性能嵌入式CPU和各種外圍接口組成，CPU內(nèi)部集成了大量資源，以供外圍接口及CPU自身使用 [2]。主機(jī)采用RAM芯片做CPU，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，上外圍電路包括存儲芯片、復(fù)位電路、電源電路、時(shí)鐘電路、以太網(wǎng)接口電路等，主機(jī)通過各種總線或以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)與外部的通訊。對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和對PLC輸出數(shù)據(jù)的執(zhí)行，均由輸入輸出模塊來處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

嵌入式PLC的網(wǎng)絡(luò)控制是通過嵌入式PLC的通訊接口來實(shí)現(xiàn)的，嵌入式PLC通過各種總線與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使其他設(shè)備很方便的接入嵌入式PLC的控制網(wǎng)絡(luò)，組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。這里所采用的通訊接口主要有以下幾種：

1）串行通訊接口RS232

RS-232接口是目前最常用的一種串行通訊接口，使用線路少、成本低，應(yīng)用廣泛。從圖一可以看到，在硬件平臺中使用了兩個(gè)RS232接口，其中一個(gè)串口用于與PC機(jī)進(jìn)行通訊，包括用戶所編寫的PLC程序下載，PLC與組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)通信。通過該串口，上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)控制PLC設(shè)備和獲取PLC的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。另一個(gè)RS232串口作為備用接口。

2）串口通訊接口RS485

RS485接口用于實(shí)現(xiàn)RS232接口無法完成的聯(lián)網(wǎng)功能，它采用平衡發(fā)送的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方面采用差分接收的方式接收數(shù)據(jù)，這樣能夠很好地抑制共模干擾。RS-485接口在工作中采用半雙工模式，發(fā)送過程由使能信號進(jìn)行控制，在同一時(shí)間接口中只存在一個(gè)點(diǎn)能夠進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)。

3）擴(kuò)展總線接口SPI

SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，在點(diǎn)對點(diǎn)的通信中，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，簡單高效。設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)SPI總線中，由于使用了MISO和MOSI的方式，可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。SPI總線可用來擴(kuò)展I/O模塊、無線數(shù)據(jù)采集模塊等數(shù)據(jù)采集模塊通訊。

4）現(xiàn)場總線CAN接口

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）是一種多線路網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，它具有時(shí)分多主、非破壞性總線仲裁和自動檢錯(cuò)重發(fā)的特點(diǎn)。CAN價(jià)格低廉，在通信技術(shù)上靈活可靠，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制生產(chǎn)線、傳感器、智能設(shè)備及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域 [3]。嵌入式PLC既可以通過CAN總線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)；也可以通過CAN總線構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為PLC控制系統(tǒng)采集大量的信息。

2 嵌入式PLC軟件平臺

嵌入式PLC軟件平臺主要包括開發(fā)平臺和操作系統(tǒng)，其中開發(fā)平臺用于PLC程序編寫和燒寫，操作系統(tǒng)用于控制整個(gè)系統(tǒng)、與外界交互及數(shù)據(jù)存儲等。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

開發(fā)環(huán)境：開發(fā)環(huán)境的核心功能是將PLC程序?qū)懭肟刂破鞔鎯ζ髦?，目前主要有兩類PLC編程語言：梯形圖和指令表。從系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可移植性考慮，梯形圖和指令表可以用C語言代替，這樣可以提高程序的可讀性和可移植性[4]。

操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)通過PLC虛擬機(jī)來仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的PLC，進(jìn)行存儲、控制、計(jì)算和通信。用戶在使用中的操作實(shí)際上并不是直接控制硬件設(shè)備，而是通過虛擬機(jī)間接地控制。因此，當(dāng)外圍硬件設(shè)備改變時(shí)，并不需要修改控制器程序，只需要配置虛擬機(jī)即可。這樣大大提高了軟件的健壯性，縮短開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)升級更新的效率。目前有許多嵌入式操作系統(tǒng)可以選擇，最著名的包括微軟的Windows CE，RedHat公司的eCos，Vxworks和其他開源的操作系統(tǒng)，例如UC/OS—II和uCLinux。

虛擬機(jī)是PLC操作系統(tǒng)最為重要的部分，它是硬件設(shè)備和應(yīng)用程序之間交互的媒介。虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)管理器、通訊管理器、編譯器、解釋器以及元件庫五個(gè)部分組成，圖3顯示了它們之間的關(guān)系[5，6]。

系統(tǒng)管理器：PLC虛擬機(jī)中，系統(tǒng)管理器主要用于管理和調(diào)用其他部分，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的管理和調(diào)度、PLC任務(wù)管理和調(diào)度、I/O管理和監(jiān)控、文件管理、輸入輸出管理及系統(tǒng)錯(cuò)誤管理等。

通訊管理器：通訊管理器的主要功能包括PLC程序的上傳下載和數(shù)據(jù)交換，即通訊管理器主要負(fù)責(zé)PLC虛擬機(jī)與上位機(jī)的通訊。通訊管理器將嵌入式PLC虛擬機(jī)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，并實(shí)時(shí)接收用戶通過上位機(jī)所傳遞的指令，然后通知系統(tǒng)管理器進(jìn)行相應(yīng)的操作。通訊管理器模塊基于TCP/IP協(xié)議的通訊模塊，用戶可以方便地利用以太網(wǎng)來和嵌入式PLC通訊，并把用戶編寫的PLC程序下載到嵌入式PLC，并對嵌入式PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)試，大大提高了PLC的開放性。

編譯器：在PLC程序設(shè)計(jì)中，用戶編寫的程序大部分采用梯形圖方式，但這種程序不能被編譯器識別，編譯器負(fù)責(zé)將梯形圖程序進(jìn)行編譯，使其轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC虛擬機(jī)可以執(zhí)行的程序段。編譯器模塊主要由詞法分析器、語法分析器、語義分析器、代碼生成器和錯(cuò)誤管理器組成。

解釋器：由編譯器生成的代碼文件，在解釋器中進(jìn)行加載并解釋執(zhí)行。在解釋器中，以面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行代碼解釋和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，當(dāng)編譯器生成的代碼文件被解釋器加載后，會首先對代碼進(jìn)行解釋分析，生成面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在程序執(zhí)行階段就不需要對代碼進(jìn)行分析和判斷，大大提高了程序的執(zhí)行效率。

元件庫：元件庫是PLC虛擬機(jī)和系統(tǒng)功能連接的紐帶，它包含PLC程序設(shè)計(jì)所需要的梯形圖原件信息，主要分為兩類信息。一類信息為描述信息，主要是梯形圖原件庫中具體原件的描述信息，主要包括原件圖形和接口的相關(guān)數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)的描述。另一類信息是邏輯信息，主要包括元件庫中具體原件所對應(yīng)的具體邏輯代碼。在對梯形圖程序進(jìn)行編譯過程中，編譯器會首先訪問元件庫，查詢梯形圖原件的相關(guān)信息，然后根據(jù)具體原件信息進(jìn)行代碼編譯。

3 總結(jié)

本文分別從硬件平臺、軟件平臺的角度對嵌入式PLC系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。首先分析和設(shè)計(jì)了嵌入式PLC硬件平臺的基本結(jié)構(gòu)，并對設(shè)計(jì)中采用的通訊接口進(jìn)行詳細(xì)的討論說明。然后討論了嵌入式PLC軟件平臺的構(gòu)成和基本結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析了PLC虛擬機(jī)的組成關(guān)系。

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