軟PLC 技術(shù)在油田物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用探討

韓超

（大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠儀表安裝維修大隊(duì)，黑龍江 大慶 163000）

中石油為了推進(jìn)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的信息化，提出進(jìn)行油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，在總體規(guī)劃內(nèi)容中要求各油氣生產(chǎn)企業(yè)在已建成的站庫自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中的作業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)二次組態(tài)。由于油田應(yīng)用的PLC 品牌較多，每個(gè)品牌的硬件和軟件之間有著很大的差異，給使用人員的工作帶來很多不便，PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的能力不強(qiáng)，有的PLC 沒有自主的上位機(jī)軟件，只能通過其它品牌的上位機(jī)進(jìn)行控制。同時(shí)，無法把關(guān)鍵的運(yùn)行信息全部集成到控制主站之中。軟PLC 技術(shù)可以在具備原有功能的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用面向控制現(xiàn)場(chǎng)的總線構(gòu)建體系，開放以太網(wǎng)、串行數(shù)據(jù)等通訊接口，使軟件起到傳統(tǒng)PLC 的作用。

1 軟PLC 體系構(gòu)成

1.1 軟PLC 工作原理和控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

軟PLC 采用軟邏輯控制技術(shù)，可以靈活的配置PLC 控制系統(tǒng)的軟、硬件，用戶可以采用自己較為熟悉的編程語言進(jìn)行控制軟件的開發(fā)，把工業(yè)計(jì)算機(jī)變成功能強(qiáng)大的PLC 控制器。軟件PLC 結(jié)合了計(jì)算機(jī)以及PLC 的開關(guān)和模擬量控制功能，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，并對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通訊，可以對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行PID 控制。利用多任務(wù)控制內(nèi)核，具有功能強(qiáng)大的指令，較高的掃描周期，對(duì)被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的控制，可以實(shí)現(xiàn)與各類I/O 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，構(gòu)建出開放式的網(wǎng)絡(luò)體系。

原來采用PLC 控制系統(tǒng)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)把PLC控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來，利用上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，之后把獲取到的數(shù)據(jù)信息傳送給企業(yè)的管理層，這樣組建的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，相互之間的通訊極不便利。而采用軟PLC 控制系統(tǒng)可以通過組建高效率、實(shí)時(shí)的通訊網(wǎng)絡(luò)來對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行操控。真正意義上實(shí)現(xiàn)了從企業(yè)管理層到設(shè)備層的直接數(shù)據(jù)傳輸，把企業(yè)管理和現(xiàn)場(chǎng)控制進(jìn)行有效的集成，使控制系統(tǒng)的工作效率以及各類設(shè)備的可靠性得到大幅提升。依據(jù)軟PLC 硬件運(yùn)行平臺(tái)之間存在的差異，可以把控制方案劃分為3 種，也就是以傳統(tǒng)PLC 為基礎(chǔ)的控制方案、IPC 或者EPC 控制方案和嵌入式控制方案。

本文把傳統(tǒng)的PLC 控制方案作為研究的前提，該控制方案可以把軟PLC 和傳統(tǒng)的PLC 硬件系統(tǒng)進(jìn)行有效地匹配，傳統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)提供一個(gè)硬件系統(tǒng)的平臺(tái)，利用上位機(jī)軟件開發(fā)和編寫PLC 控制的應(yīng)用程序，利用通訊接口下載到硬件支持平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行對(duì)象的控制，再通過輸入輸出模塊達(dá)到要實(shí)現(xiàn)的控制功能。

軟PLC 是以PC 機(jī)作為開發(fā)基礎(chǔ)，在操作系統(tǒng)提供的平臺(tái)上利用軟件的方式實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC 的數(shù)據(jù)處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通訊功能，采用輸入輸出模塊和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。

1.2 軟PLC 系統(tǒng)的構(gòu)成

參照傳統(tǒng)PLC 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，軟PLC 控制系統(tǒng)由開發(fā)和應(yīng)用系統(tǒng)組成。對(duì)于開發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)為用戶提供了符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的程序編輯器，把5 種編程語言經(jīng)過編譯生成目標(biāo)代碼，通過數(shù)據(jù)連接后下載到硬件當(dāng)中，還具備對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行調(diào)試以及和第三方程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的功能。

軟PLC 運(yùn)行系統(tǒng)是面向不同的硬件平臺(tái)而研制開發(fā)出來的虛擬機(jī)，對(duì)編譯生成的目標(biāo)代碼進(jìn)行讀取和執(zhí)行代碼指令。針對(duì)不同的硬件平臺(tái)，運(yùn)行系統(tǒng)可以和開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并可以和輸入輸出模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。該部分為軟PLC的核心，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入的處理，執(zhí)行控制程序，對(duì)輸入控制信號(hào)進(jìn)行處理等。

2 軟PLC 集成開發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)

2.1 編輯系統(tǒng)環(huán)境設(shè)計(jì)

梯形圖作為一種比較常用的PLC 編程，對(duì)該語言進(jìn)行直接的編譯是較為困難的，由于梯形圖和指令之間存在著緊密的聯(lián)系，可以不對(duì)梯形圖編寫的PLC 程序進(jìn)行編譯，而是把它轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓤?zhí)行的指令語言，采用指令語言的編譯功能模塊來完成編譯，有效解決了上述問題，提升了代碼的利用效率。

2.2 梯形圖編輯器設(shè)計(jì)

梯形圖可以為用戶編程提供很大的便利，避免應(yīng)用較多程序語句引起邏輯上的混亂，開發(fā)出功能齊全的指令集來滿足程序編寫的需要。每個(gè)PLC 廠家的PLC 編程指令雖然不同，但是指令的功能大多是相同的。在梯形圖當(dāng)中，繼電器應(yīng)該對(duì)應(yīng)實(shí)際的物理輸入輸出端子，而繼電器控制采用開關(guān)量控制，也就是應(yīng)用位存儲(chǔ)器，如果該位存儲(chǔ)器狀態(tài)為1，則表明該繼電器線圈處于通電狀態(tài)，常開觸點(diǎn)閉合，而常閉觸點(diǎn)為斷開。如果該位存儲(chǔ)器為0，說明該線圈沒有通電，PLC 控制器通過持續(xù)掃描執(zhí)行程序來完成各類邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理，從而控制繼電器線圈通斷電以及發(fā)送各類控制指令。

IL 與ST 編輯器和梯形圖語言進(jìn)行比較來看，前者主要針對(duì)的是文本。IL 編輯器設(shè)計(jì)有效傳承了CILView，設(shè)計(jì)功能主要在CSyntaxEditView 類中完成。

3 編譯器設(shè)計(jì)

3.1 功能以及功能模塊設(shè)計(jì)

功能是指具備輸入變量作用和功能值，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，參照國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，可以把沒有進(jìn)行命名的一個(gè)輸入變量用IN 來表達(dá)，多個(gè)沒有被命名的輸入變量用IN1、IN2 等符號(hào)進(jìn)行表示，而功能值則用F 來表示，常用的數(shù)據(jù)類型有ANY、ANY_NUM 等，具有進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、數(shù)據(jù)移位和字符串等功能。而程序設(shè)計(jì)的功能模功能有計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)功能等。

3.2 編譯器的實(shí)現(xiàn)

編譯器設(shè)計(jì)過程十分繁雜，先要對(duì)高級(jí)語言的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行充分的考慮，發(fā)揮出目標(biāo)機(jī)的特征，還要注意到程序的移植問題，保證程序移植之后執(zhí)行效率不會(huì)降低，保證具有友好的可編輯界面。編譯系統(tǒng)在對(duì)可執(zhí)行程序進(jìn)行編譯時(shí)起到了重要的作用，它和計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)成有著十分緊密的聯(lián)系。最后的目標(biāo)代碼生成要經(jīng)過對(duì)源程序進(jìn)行語法分析，中間代碼生成等多個(gè)階段。

（1）梯形圖轉(zhuǎn)變?yōu)橹噶畋淼姆治龊蛯?shí)現(xiàn)。因?yàn)楹茈y對(duì)梯形圖程序進(jìn)行較為直接的編譯，所以，應(yīng)該把梯形圖程序轉(zhuǎn)變?yōu)橹噶畋砗笤賹?shí)現(xiàn)對(duì)其的編譯。指令表是以助記符的方式來體現(xiàn)用戶編寫的程序，CPU 可以較為容易地識(shí)別出它的機(jī)器碼。

（2）轉(zhuǎn)換中間語言模型的組建和實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在常用的多種編程語言都可以把其轉(zhuǎn)變成指令表語言，本論文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)指令表語句進(jìn)行簡(jiǎn)化處理?？梢允箶?shù)據(jù)信息在控制策略以及監(jiān)控策略文件之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的數(shù)據(jù)傳輸。所以，相對(duì)于指令表程序，采用一種更加優(yōu)化的中間語句轉(zhuǎn)換程序更符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)換目標(biāo)的要求。

（3）指令表編譯器設(shè)計(jì)。指令表編譯器可以把IL 用戶程序轉(zhuǎn)換為利用四元組進(jìn)行表示的中間代碼，IL 語言是一種類似于匯編語言的簡(jiǎn)單化機(jī)器語言，可是，如果把其轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g代碼，還得需要經(jīng)過語法分析、中間代碼生成等多個(gè)階段。

4 仿真模塊設(shè)計(jì)

該模塊可以給用戶創(chuàng)建出一種在電腦上可以模擬的PLC運(yùn)行環(huán)境，對(duì)編制完成的梯形圖程序是否滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢驗(yàn)，如果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則可以重新返回梯形圖編程界面來完成對(duì)程序的修改。具體的實(shí)現(xiàn)功能有：讀取出編輯完的PLC 程序，對(duì)PLC 應(yīng)用程序的運(yùn)行過程和最終結(jié)果進(jìn)行描述，對(duì)接點(diǎn)以及負(fù)載情況進(jìn)行描述。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

本論文將軟件PLC 體系構(gòu)成作為開發(fā)的前提，對(duì)軟PLC編輯環(huán)境的重要組成構(gòu)架、編譯器以及仿真模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。軟PLC 的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，研發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，但是，軟PLC 完全滿足當(dāng)前工控領(lǐng)域的應(yīng)用需要，應(yīng)有前景較好，應(yīng)用在油田物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中將會(huì)產(chǎn)生很好的效果。