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基于PC的软PLC技术实现研究

2020-05-29宋云波

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软PLC技术是一种基于PC平台的新型控制技术。本文对软PLC的结构、工作原理进行分析与讨论,提出基于PC的软PLC控制方案设计与实现办法,总结归纳了基于PC的软PLC控制方案的优点、控制技术存在的问题与未来展望。
1 软PLC应用技术简介
       软PLC(SoftPLC,也称为“软逻辑”SoftLogic)是一种基于PC机开发结构的控制系统。或者说,就是使用PC机作为硬件支撑平台,利用软件实现标准硬件PLC的基本功能。它具有硬PLC在可靠性、功能、故障查找、速度等方面的特点,利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。所以,软件PLC提供了与硬PLC同样的功能,同时又提供了PC环境的各种优点,能很好地满足现代工业自动化控制的需求。
2 基于PC的软PLC控制系统的体系结构及工作原理
       2.1 体系结构
       软PLC技术就是使用软件的方法实现传统PLC的控制功能,通过I/O模块以及现场总线等物理设备完成现场数据的采集以及信号的输出。软PLC系统由两部分组成:开发系统和运行系统。系统组成框图如图1所示。编辑环境与运行环境二者之间采用客户/服务器模式,编辑环境作为COM客户端应用,可以进行运行信息的读取、下载代码等操作。而运行环境则作为COM服务器,提供标准的通信接口。

软PLC系统框图

图1 软PLC系统框图

       软PLC的开放系统包括编辑器、编译器、仿真环境及通信接口四部分。简单来说,就是具有编译和调试功能的PLC编程器。用户首先可以进行PLC应用程序的编辑,编辑好后,再进行编译,检查语法是否有无。如果无误,则进行译码,即将程序转换成运行程序可以识别和运行的目标代码。仿真环境则仿真环境则可以实现在无外部硬件连接时程序的模拟仿真控制,通信接口则实现开发系统与运行环境之间的通信连接。由此可见,软PLC的开发系统主要具有编程语言标准化、控制模块比较丰富、可以仿真运行及具有强大的网络等控制功能。
       软PLC的运行系统是实现软PLC控制功能的核心,执行开发系统编译后产生的目标代码,包括通信接口、软PLC运行虚拟机、I/O接口等组成。软PLC运行虚拟机完成软PLC很重要的运行执行工作。I/O接口的作用则是负责与外围I/O设备进行通信,不仅可以采集输入信号,还可以输出控制信号。运行系统和开发系统在通信接口的作用下按照各种协议进行通信,如进行数据交换或下载PLC程序。软PLC运行系统不仅可以在嵌入式控制器中运行,还可以在PC/IPC上运行。
       目标代码实现开放系统与运行系统之间的连接,这些在编辑环境中生成的伪代码由虚拟机解释执行,主要用来描述用户的各种控制要求。虚拟机符合IEC61131-3标准,作为运行系统的核心组成部分,支持100余种功能块、操作符和标准函数,可以完成硬件PLC的CPU控制功能。
       2.2 工作原理
       用户在PC机上可以使用软PLC开发系统中的编辑器、编译器对用户程序进行编辑及编译后,还可以对该用户程序进行仿真控制。然后,下载至软PLC的运行系统中进行解释,最后再按照传统PLC的工作方式循环扫描运行程序(输入采样、程序执行、输出刷新等处理工作)。除此之外,PC机上的开发系统具有监控功能,可以监控各I/O的状态。

软PLC系统的工作流程

图2 软PLC系统的工作流程

       图2为软PLC系统的工作流程。从图中可以看出,软PLC运行系统对现场设备采集上来的现场输入信号进行处理,同时还对应用程序进行解释执行,最后将执行的信号输出到控制现场,从而驱动现场设备正常工作。
3 基于PC的软PLC控制系统的实现
       根据软PLC运行硬件平台的不同,基于PC的软PLC控制方案有以下3种。
       3.1 基于传统PLC的控制方案
       该控制方案中,软PLC的开发系统基于PC机上,而运行系统则安装到传统的PLC硬件中。通过通信接口将用户在开发系统中编写的应用程序下载到该硬件PLC系统中,并在硬件系统中运行该应用程序,然后通过I/O单元和现场设备进行输入输出信号的通信处理,从而实现传统PLC的控制功能。其控制方案的设计图如图3所示。

基于传统PLC的控制方案设计图

图3 基于传统PLC的控制方案设计图

       从图3中可以看出,由于软PLC的运行系统是安装在传统硬件PLC系统中,而传统硬件PLC则由某个生产厂家制造的,造成该系统的维护和升级比较困难,开放性差。但是由于该系统具有造价低、可靠性相对比较高等优点,所以这种控制方案仍然普遍应用于小型PLC控制系统中。
       3.2 基于IPC或PC的控制方案
       在该控制方案中,软PLC的开发系统和运行系统都位于IPC或PC机上。在该种控制方案中,软PLC的开发系统和运行系统都位于IPC或PC机上。主要通过I/O接线端子板和I/O板卡与工业控制现场通信,进行输入输出信号的采集。该软PLC的运行系统不仅要对采集上来的输入信号进行处理,同时,还通过通信接口对开发系统编写的控制应用程序进行相关的一系列操作,最后,将处理后的控制信号输出到现场设备。其控制方案的设计图如图4所示。

基于IPC或PC的控制方案设计
图4 基于IPC或PC的控制方案设计

       从图4中可以看出,基于IPC或PC的控制方案中,软PLC的开发系统和运行系统都位于IPC或PC机上。所以,该控制系统充分利用了PC机各种资源,具有造价不高、使用操作比较容易上手及构建现场总线控制系统和网络控制系统比较容易等优点。在工业企业管控一体化工厂领域及综合自动化系统以等方面得到了广泛的应用。
       3.3 基于嵌入式控制器的控制方案
       在该控制方案中,软PLC的开发系统位于PC机上,而软PLC的运行系统则被作为一个固件安装到嵌入式控制器中。嵌入式控制器中安装着一个固件(软PLC的运行系统)。开发系统则运行在PC机上,软件平台可以是WinCE、vxworks或Linux等嵌入式操作系统。两者彼此独立而又相互联系,编写的PLC应用控制程序可以通过通信接口下载到该控制器中,然后对编译后的程序进行控制执行,通过I/O模块将控制输出信号传至外部输出设备,从而完成PLC的控制功能。其控制方案的设计图如图5所示。

基于嵌入式控制器的控制方案设计图

图5 基于嵌入式控制器的控制方案设计图

       从图5中可以看出,嵌入式软PLC技术具有嵌入式系统的优点(体积小、功耗低、成本低、可靠性高等),又具有软PLC的长处,是两者完美结合。但是,该控制系统对运行系统的运行速度和文件大小的要求比较高,比较适用于小型的控制器或实时性要求高的场合。
       三种控制方案的比较:在三种控制方案中,软PLC开发系统的工作原理基本相似,都是完成对用户程序的编辑、编译及仿真等控制功能。然后,将生成的目标代码送至运行系统。而软PLC的运行系统一方面处理现场输入信号。另一方面,下载执行目标代码,最后将输出信号传至输出设备。三种控制方案最大的区别在于硬件平台不一样。用户可以根据各自的优缺点和适用场合选择满足需要的控制方案。
       基于PC的控制方案用的相对比较多,一般具有以下优点:
       (1)不当具有传统PLC的特性,还充分利用了PC机的丰富资源。
       (2)良好的开发性。根据需要用户可以灵活选择不同的硬件体系、总线网络协议标准及I/O模块来实现控制要求。
       (3)非常强的兼容性。该技术不当继承了传统PLC的编程方式,还遵循IEC61131-3编程标准,开发比较简单,便于不同知识背景的工程人员学习和使用。
       (4)由于设备投资低、维护方便、培训费用低等优点,故基于PC的软PLC控制系统可以大大节省投资。
       (5)基于PC的软PLC控制系统采用PC+现场总线+分布式I/O的集成方式,比较简单易用。
       相比传统PLC的PC+PLC的方式而言,具有以下优点:简化的系统网络结构和设备设计、简单易用的通信接口、较强的通信能力、硬件费用低、调试和维护方便容易及熟悉的PC操作系统等优点,方便用户使用。
4 存在问题
       软PLC技术虽然有很多优点和优势,但是也存在一些问题。主要有工作环境、可靠性、以PC机为基础的控制引擎问题等。WindowsNT并不是一个硬实时性的操作系统,虽然可以作为软PLC的首选操作系统,所以在使用中必须对该操作系统进行扩展,让WindowsNT具有硬实时性。使得PC不因为用户程序的调用和NT的系统功能而被抢占,让其控制任务具有更高的优先级。另外,也可使用具有硬实时性的WindowsCE系统作为操作平台。
5 未来展望
       在未来几年,软PLC技术将得到进一步的完善和提高。它的功能不仅实现了传统PLC的控制功能,同时还具备PC机的各种优点,提供了可靠的技术保障,还保障将来工业自动化可以向更高层次的集成。也将会在很多领域如冶金、化工、机械制造等领域占有一席之地。可见,软PLC技术具有非常好的前景,将会给社会和经济效益带来很大的影响。
责任编辑:杨培
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