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開放式數(shù)控系統(tǒng)是當前數(shù)控技術(shù)研究的熱點。在發(fā)展高速高效高精度及智能化等性能的同時，功能的發(fā)展也要求越來越強，具體體現(xiàn)在盡量用軟件來實現(xiàn)數(shù)控的所有功能，使硬件規(guī)模達到最小化。以PC為硬件平臺，用軟件來實現(xiàn)PLC的功能（即軟PLC）成為開放式數(shù)控系統(tǒng)中PLC的發(fā)展趨勢。描述了軟PLC技術(shù)的組成結(jié)構(gòu)和應用特點，并對其技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)發(fā)展的制約因素進行了分析，探討了軟PLC技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應用控制方案。軟PLC編譯程序和模擬運行程序運行效率較高，且顯示硬PLC不可比擬的優(yōu)越性，非常適合應用于開放式數(shù)控系統(tǒng)中。
一、軟件PLC技術(shù)的形成背景
20世紀90年代后期，人們逐漸認識到，傳統(tǒng)PLC（本文簡稱硬PLC）自身存在著這樣那樣的缺點：難以構(gòu)建開放的硬件體系結(jié)構(gòu)；工作人員必須經(jīng)過較長時間的專業(yè)培訓才能掌握某一種產(chǎn)品的編程方法；傳統(tǒng)PLC的生產(chǎn)被幾家廠商所壟斷，造成PLC的性價比增長很緩慢。這些問題都成了制約傳統(tǒng)PLC發(fā)展的因素。近年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及PLC方面國際標準的制定，一項打破傳統(tǒng)PLC局限性的新興技術(shù)發(fā)展起來了，這就是軟PLC技術(shù)。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，采用放的通信接口，如以太網(wǎng)、高速串口等；采用各種相關(guān)的國際工業(yè)標準和一系列的事實上的標準；全部用軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的功能。
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應用特點
（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
軟PLC基于PC機，建立在一定操作系統(tǒng)平臺之上，通過軟件方法實現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的計算、控制、存儲以及編程等功能，通過IO模塊以及現(xiàn)場總線等物理設(shè)備完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及信號的輸出。根據(jù)傳統(tǒng)PLC的組成結(jié)構(gòu)，軟PLC系統(tǒng)由開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分組成。也可分為編輯環(huán)境和運行環(huán)境兩部分。編輯環(huán)境與運行環(huán)境是客戶服務器模式，二者之間采用COMDCOM通信機制，運行環(huán)境作為COM服務器，提供標準的通信接口；編輯環(huán)境作為COM客戶端應用，本地或遠程訪問存取這些接口，進行下載代碼、讀取運行環(huán)境的運行信息等操作。軟PLC系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。
圖1 軟PLC系統(tǒng)的整體框圖
嵌入式系統(tǒng)通常由EPC或嵌入式控制器（也稱智能控制器）和嵌入式軟件組成，嵌入式軟件又分為嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用程序，嵌入式操作系統(tǒng)的特點是程序短小、所需內(nèi)存少，Mi-crosoft公司推出的WindowsCE就是一個嵌入式操作系統(tǒng)，而軟PLC可以作為一個嵌入式應用程序運行在嵌入式系統(tǒng)中。
軟PLC開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)是相互獨立而又密不可分的兩個應用程序，可以分別單獨運行。
1．軟PLC開發(fā)系統(tǒng)
軟PLC開發(fā)系統(tǒng)實際上就是帶有調(diào)試和編譯功能的PLC編程器，此部分具備如下功能：①編程語言標準化，遵循IEC61131-3標準，支持多語言編程（共有5種編程方式：IL，ST，LD，F(xiàn)BD和SFC），編程語言之間可以相互轉(zhuǎn)換；②豐富的控制模塊，支持多種PID算法（如常規(guī)PID控制算法、自適應PID控制算法、模糊PID控制算法、智能PID控制算法等等），還包括目前流行的一些控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；③開放的控制算法接口，支持用戶嵌入自己的控制算法模塊；④仿真運行，實時在線監(jiān)控，在線修改程序和編譯；⑤強大的網(wǎng)絡(luò)功能。支持基于TCPIP網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)PLC遠程監(jiān)控，遠程程序修改。
2．軟PLC運行系統(tǒng)
這一部分是軟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IO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：①IO接口，可與任何IO系統(tǒng)通信，包括本地IO系統(tǒng)和遠程IO系統(tǒng)，遠程IO主要通過現(xiàn)場總線InterBus，ProfiBus，CAN等實現(xiàn)；②通信接口。通過此接口使運行系統(tǒng)可以和開發(fā)系統(tǒng)或HMI（或MMI）軟件按照各種協(xié)議進行通信，如下載PLC程序或進行數(shù)據(jù)交換；③系統(tǒng)管理器，處理不同任務和協(xié)調(diào)程序的執(zhí)行，而且從IO映像讀寫變量；④錯誤管理器，檢測和處理程序執(zhí)行期間發(fā)生的各種錯誤；⑤調(diào)試內(nèi)核，提供多個調(diào)試函數(shù)，如重寫、強制變量、設(shè)置斷點、設(shè)置變量和地址狀態(tài)；⑥編譯器，通常開發(fā)系統(tǒng)將編寫的PLC源程序編譯為中間代碼，然后運行系統(tǒng)的編譯器將中間代碼翻譯為與硬件平臺相關(guān)的機器可執(zhí)行代碼（即目標碼）。
（二）技術(shù)實現(xiàn)
以西門子公司開發(fā)的軟件PLC產(chǎn)品為例說明它的構(gòu)成方式。
第一種，在PC機上安裝專用程序，使PC機用作為可編程控制器。該PC機上的操作系統(tǒng)是基于實時功能的，如：WindowsNT或WindowsCE或Linux等，在西門子開發(fā)的應用軟件Pro-ToolPro的支持下，實現(xiàn)控制和監(jiān)視，在編程軟件STEP7支持下，提供用戶編程環(huán)境。該PC機上還集成了現(xiàn)場總線Profibus-DP的通信協(xié)議及Profibus-DP接口，用以實現(xiàn)與分布式IO及其他現(xiàn)場設(shè)備的連接。
第二種，將軟PLC做成一塊插板，安裝在PC機的PCI總線插槽上。該PLC是可以獨立工作的微機系統(tǒng)，與PC機無關(guān)，如有需要甚至可以用自身獨立提供的電源。PC機可以容納數(shù)個插槽式的PLC，并把它們當作集成模塊，在操作系統(tǒng)支持下既獨立又協(xié)調(diào)地工作。這種軟PLC對操作系統(tǒng)、控制軟件和編程軟件的要求與第一種相同。在PC機的平臺上，實現(xiàn)編程、運行、操作、監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲及狀態(tài)顯示功能。
當對實時控制的要求較低時，一般使用第一種結(jié)構(gòu)，專用軟件就直接安裝在WindowsNT中，也可用帶實時擴展子系統(tǒng)的軟件，提高實時控制性能。如果對控制器的可靠性和控制性能要求較高，可選擇插槽式PLC，因為它擁有自己的操作系統(tǒng)，有可靠的數(shù)據(jù)存儲和準確的重新啟動功能。
（三）應用特點
應用特點為：①體現(xiàn)了IPC，PLC和DOC先進技術(shù)的集成。可充分利用PC平臺上的硬件和軟件資源，使控制系統(tǒng)更具特色；②系統(tǒng)更開放，應用更方便。軟件PLC通過自己開發(fā)工具提供的OPC功能和Active控件，既可連接Office軟件，也可連接用VB，VC開發(fā)的軟件；③基于PC+現(xiàn)場總線+分布式IO的控制系統(tǒng)簡化了復雜控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，提高了通信效率和速度，降低了投資成本。
三、技術(shù)優(yōu)勢及其發(fā)展的制約因素
（一）技術(shù)優(yōu)勢
軟PLC解決了傳統(tǒng)PLC的兼容性差、通用性差等問題，具有多方面的優(yōu)勢。
軟PLC的硬件體系結(jié)構(gòu)不再封閉，用戶可以自己選擇合適的硬件組成滿足要求的軟PLC。
傳統(tǒng)PLC的指令集是固定的，而實際工業(yè)應用中可能需要定義算法。軟PLC指令集可以更加豐富，用戶可以使用符合標準的操作指令。
PC機廠家的激烈競爭使得基于PC機的軟PLC的性價比得以提高。
傳統(tǒng)PLC限制在幾家廠商生產(chǎn)，具有私有性，因此很難適應現(xiàn)有標準計算機網(wǎng)絡(luò)，常常是PLC與計算機處在不同類型的網(wǎng)絡(luò)中。軟PLC不僅能加入到已存在的私有PLC網(wǎng)絡(luò)中，而且可以加入到標準計算機網(wǎng)絡(luò)中。這使得現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)的很多研究成果很容易地應用到PLC控制技術(shù)中。
軟PLC的技術(shù)是基于IEC61131-3標準的，因此在掌握標準語言后開發(fā)就比較容易。
（二）發(fā)展的制約因素
盡管軟PLC技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿�，但是這項技術(shù)的實現(xiàn)需要解決一些重要的問題。其中主要是以PC為基礎(chǔ)的控制引擎的實時性問題。軟PLC首選的操作系統(tǒng)是WindowsNT，但是它并不是一個硬實時的操作系統(tǒng)。傳統(tǒng)PLC具有硬實時性，正因為如此它才能提供快速、確定而且可重復的響應。而要讓WindowsNT具有硬實時性，必須對它進行擴展，使得PC的控制任務具有最高的優(yōu)先級，不因為NT的系統(tǒng)功能和用戶程序的調(diào)用而被搶占�，F(xiàn)在，我們可以通過一些方法將實時性能加入到NT系統(tǒng)中去。比如，修改NT的硬件抽象層，或者NT與一種經(jīng)過實用驗證的硬實時操作系統(tǒng)組合。另外，WindowsCE等操作系統(tǒng)具有了NT在硬實時性方面所不具備的特性。在實際開發(fā)中也可使用其他的操作系統(tǒng)作為平臺。
四、軟PLC技術(shù)應用控制方案
根據(jù)軟PLC運行的硬件平臺的不同，其控制功能的實現(xiàn)方案有以下三種。
1．基于IPC或EPC的控制方案
在這種控制應用方案中，系統(tǒng)的軟件平臺可以采用WindowsNT，WindowsCE或Linux等，通用IO板卡和IO接線端子板（或現(xiàn)場總線卡、現(xiàn)場總線以及遠程IO模塊）負責與工業(yè)控制現(xiàn)場打交道。采集上來的輸入信號被軟PLC運行系統(tǒng)處理，軟PLC開發(fā)系統(tǒng)（編程器）編寫的控制應用程序也被軟PLC運行系統(tǒng)解釋執(zhí)行，最后將處理后的信號輸出到本地（或遠程）控制現(xiàn)場完成相應的本地控制（或遠程控制）功能，及其控制方案和過程。
2．基于嵌入式控制器或智能控制器的控制方案
嵌入式控制器是一個超小型計算機系統(tǒng)，一般沒有顯示器，其軟件平臺是嵌入式操作系統(tǒng)（如WindowsCE）。在這種控制方案中，軟PLC運行系統(tǒng)可以作為一個固件被安裝到嵌入式控制器中，開發(fā)系統(tǒng)編寫的應用程序通過RS232或TCPIP協(xié)議下載到此控制器中，因此整個系統(tǒng)就如同一個黑盒子運行并完成指定的控制功能。
3．基于傳統(tǒng)PLC的控制方案。在這種方案中，傳統(tǒng)PLC將只作為一個硬件系統(tǒng)平臺，將軟PLC運行系統(tǒng)安裝到此傳統(tǒng)PLC硬件中，然后將開發(fā)系統(tǒng)編寫的PLC應用程序下載到此硬件系統(tǒng)并運行，即可實現(xiàn)PLC的控制功能。
五、結(jié)束語
軟PLC技術(shù)相對于傳統(tǒng)PLC，以其開放性、靈活性和較低的價格占有很大優(yōu)勢。它簡化了工廠自動化的體系結(jié)構(gòu)，把控制、通信、人機界面及各種特定的應用全都合為一體，運用于同一個硬件平臺上。軟PLC技術(shù)也存在著一些問題，例如，由于軟PLC的運行環(huán)境是Windows操作系統(tǒng)，所以實時性不強；定時器最大存在一個掃描周期的誤差；掃描周期較長等。但是，這些問題可以通過改變運行環(huán)境、改進執(zhí)行算法等方法加以解決。只要它們能實現(xiàn)控制的時間確定性，即保證能以時間高度一致的方式執(zhí)行控制指令序列，并具有可預測的結(jié)果或行為。軟PLC在未來的工業(yè)電氣控制中定會占據(jù)重要的席位。成為繼現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的新亮點。
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