引言

可編程控制器（PLC，Programmable LogicController）經過幾十年的發展，現在已經成為了最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業控制微型計算機。然而，人們在使用過程中也逐漸發現了傳統PLC的缺點：兼容性差，由于生產廠家眾多，各種機型互不兼容，沒有統一的標準，難以構造統一的硬件結構；封閉、擴展能力差：產品能力的功能實現依賴硬件；對使用者的要求高：現行的PLC 產品，其編程方式要求使用者對PLC的硬件結構、電器原理、編程指令都要有相當的了解；可維護性差：PLC 出現故障時需要專業人員用專業工具進行檢測和維修；成本較高，傳統PLC 被幾家廠商所壟斷，性價比增長緩慢。這些問題都制約著傳統PLC 的發展。近年來，工控領域的不少研究人員一直在尋求著解決這些問題的途徑。隨著計算機軟硬件技術的發展及PLC 國際標準IEC61131-3的制定，在計算機上以軟件的方式來實現PLC 成為了發展的熱點，這也就是軟PLC（Soft PLC）。

軟PLC介紹

軟PLC，也叫軟邏輯，是一種基于PC 機開放結構的控制裝置。軟PLC 綜合了計算機和PLC 的開關量控制、模擬量控制、數學運算、數值處理、通信網絡等功能，通過一個多任務的控制內核，提供了強大的指令集、快速而準確的掃描周期、可靠的操作和可連接的各種I/O 系統及網絡的開放結構。軟PLC 提供了硬PLC 的各種功能，同時具備了PC 的各種優點。

基于PC 平臺的軟PLC 由于無需專門的編程器，因而可以充分利用PC 機的軟硬件資源，直接采用梯形圖或指令語言編程，并具有良好的人機界面，在數控系統中正逐漸取代硬件PLC，PLC 編程系統也正在逐步轉向占據軟件市場的PC 機。軟PLC 技術發展的一個重要條件就IEC61131-3 標準的制定。

20 世紀90 年代，IEC（國際電工委員會）頒布了IEC61131 國際標準，它的內容涵蓋了PLC 整個生命周期的各個部分。IEC61131-3 是PLC 的語言標準，它定義了5 種PLC 編程語言的規范，其中結構化文本（ST）和指令表（IL）為文本語言，而順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊（FBD）為圖形語言。同時，標準還允許在同一個程序中混合使用多種語言。IEC61131-3 標準由IEC 的SC65BW7工作組制定，它包括來自不同的PLC 制造商、軟件公司和用戶代表，實現了統一的編程標準。相對傳統PLC，軟PLC 解決了兼容性差、通用性差等問題，具有了多方面的優勢：

（1） 硬件體系結構不再是封閉的，用戶可以自己選擇合適的硬件來組成滿足要求的PLC。

（2） PC 機廠家的競爭激烈使得基于PC 機的軟PLC 性價比得以提高。

（3） 軟PLC 不僅可以實現連接到私有的PLC 網絡中，而且可以通過PC 連接到計算機網絡上。

（4） 由于軟PLC 是基于IEC61131-3 標準的，因此在掌握標準后就可以容易的進行開發了。

由于軟PLC 具有兼容性、通用性、性價比高、易于與網絡連接、編程方便等優點。因而，目前世界各國都在進行軟PLC 的研究。國際上，已經有了一些比較成熟和影響比較大的產品：如德國KW -sofeware 公司的MULTIPROG wt32、倍福TwinCAT控制軟件TwinCAT PLC、法國CJ International公司的ISaGRAF 軟件包、PCSoft International 公司的WinPLC、美國Wizdom Control Intellution 公司的Paradym-31 等等。而國內有關部門和工控方面的公司也正在著手研究開發具有自主版權的中文軟PLC產品。

軟PLC設計平臺

硬件工作平臺

軟PLC 的期待硬件工作平臺為工控機等PC 工業微機平臺和嵌入式PC 平臺。本設計因需要應用于嵌入式的數控系統中，所以采用了嵌入式PC 平臺。嵌入式PC 是將PC 機的主要硬件集中在一張信用卡大小的主板上，將操作系統和應用軟件存儲在Flash芯片中。嵌入式PC 與標準PC 全兼容，采用與標準PC 相同的硬件結構和軟件結構。因而，嵌入式PC在理論上能完成與普通PC 系統的工作。因而，我們可以在普通PC上做好設計和開發，再將軟件移植到嵌入式PC 上。

嵌入式PC 包括單板計算機（SBC）、PC/104 計算機和餅干機，本設計采用的是嵌入式PC104 計算機。嵌入式PC/104 組件尺寸小，標準化，模塊化程度高，采用層疊式結構，通過在CPU 板的基礎上堆疊擴展板構成一個完整的計算機系統。PC104 的擴展板齊全，包括了網卡、數字I/O 卡、A/D 卡等。在PC104 上構造的系統即嵌入式軟PLC 可擴展性好，標準化和模塊化程度高。

現今PC104 的硬件水平可以達到P2 或者P3 一級，CPU 速度足夠快，內存可到128M，程序存儲空間可以選用CF 卡作為硬存儲空間，可以達到128M，且可通過PC104 接口擴展其硬件I/O 能力，可增加軟PLC 的I/O 口，豐富的硬件資源完全可以滿足運行軟PLC 的需要。這也使得設計時完全可以在普通PC 上，在Linux 內核下對軟PLC 的各個模塊進行調試，調試成功再移植到PC104 組件上運行。

軟件平臺

目前，大多數軟PLC 分別以Windows， DOS 和Linux 系統為操作平臺。早期的基于PC 的軟PLC 采用的較多的是DOS 系統，這類軟件由于運行DOS 環境下，可以輕松實現其實時控制的要求，但由于DOS 環境是單任務處理方式，使得PC 的潛力得不到充分發揮，系統的功能和靈活性也受到限制。而Windows 具有操作界面良好、程序開發相對容易、多任務等優點，但Windows 操作系統并不是一個理想的實時操作系統，且Windows 操作系統是收費的，這將大大增加開發應用的成本。因而，本設計配合數控系統的需要選用的是Linux 系統為操作平臺，基于Linux 內核模塊的Rtlinux 是一個免費的、開放源代碼的實時操作系統。

軟PLC模塊設計

本設計的軟PLC 基于嵌入式PC104 計算機，建立在Linux 操作系統之上，軟件的設計采用了模塊化設計。每個模塊都專職一項功能，每個模塊都是一個進程。軟PLC 全局變量是所有模塊的公共數據，由配置文件設定。各個模塊通過全局變量進行通信，各個模塊的私有數據不包含在配置文件內。全局變量在每個模塊都有副本，各個模塊通過副本的數據對本模塊進行運算，當循環一次運算后，就更新到全局變量，這樣就實現了各個模塊之間的通信。每個模塊對全局變量的讀寫權限不一樣的，只有對全局變量具有寫權限的模塊才可以更新全局變量里的數據。每個模塊作為一個進程，進程之間的通信采用的是共享內存進行通信。軟PLC 各模塊之間的結構框圖如圖1 所示：

（1） 主程序（main program），啟動軟PLC，將首先運行主程序，主程序將讀取配置文件上的內容，并運行配置文件上所設定的模塊。

（2） 配置文件（configurefile），在軟PLC 中具有核心的地位，它由幾部分組成：

①軟PLC 配置，在這部分設置了內核和各個模塊的相關參數，

主要包括：模塊列表，列出了要運行的模塊；變量列表，列出了軟PLC 中的全局變量，并定義了具有對應全局變量有寫權限的模塊。

② 公共配置，這部分設置了各個模塊之間的共同屬性。

③ 同步配置，這部分是要配制各個模塊之間的同步性。為了保證數據的傳輸，必須讓模塊之間同步。

④ 實時性配置，軟PLC 可以運行在3 種模式：正常模式、軟實時模式和硬實時模式，設計時可以根據具體情況選擇其中的一種模式。

對于每個具體的設計來說，需要對配置文件中的幾個部分進行配置。

（3） 人機界面模塊（HMI），用戶和軟PLC 之間的互動模塊。通過友好的人機界面，用戶可以控制軟PLC 的調用和開關，同時可以查看軟PLC 各個狀態點的狀態。在Linux 下，可以使用GTK 或者TCL/TK 進行設計。本設計由于整個數控系統的需要，采用了TCL/TK 進行設計。因為軟PLC 的其他部分是用c語言進行設計，因而在用tcl/tk設計的人機界面模塊和軟PLC 之間，需要設計一個TCL/TK 的擴展模塊作為兩種語言之間的接口，這樣在界面上就可以用TCL 語言調用C 語言編寫的軟PLC 函數。現階段本設計主要完成了常用的PLC 圖形語言梯形圖和兩種文本語言IL 語言和ST 語言的設計，因而人機界面可以分為兩種，梯形圖的編輯運行界面和文本編程的監控界面。

① 梯形圖界面（如圖2）。在梯形圖界面上，用戶可自由拖動如開關、計時器等各種器件進行自主編程，從而實現在線編程。在界面上右側是狀態欄，可以對各種狀態點的控制和狀態顯示，如將狀態點B1 狀態置1，則需單擊B1 前的小方框。界面的上方是菜單欄。用戶可通過菜單的選擇進行編輯、保存、打開等功能，編輯完畢，按下Run 鍵，TCL/TK 的底層程序將會檢測狀態點狀態，并根據元件種類進行邏輯運算，這些直接使用TCL/TK 編程就可以實現。而Exit 鍵則是退出軟PLC，當按下該鍵時，將會設置全局變量Quit = 1 并傳遞給關閉模塊Plcshutdown。關閉模塊將關閉所有在運行的軟PLC模塊，并殺死共享內存上的信號量。

② 文本編程監控界面。文本語言相對不夠圖形語言直觀，設計監控界面，可以從監控界面上調用所需要的文本程序，同時對各個狀態點的狀態進行顯示和控制。

（4） 文本編輯模塊，用戶PLC文本程序的編輯模塊，使用文本編輯器即可實現。用戶使用符合61131-3 標準的編程語言編寫控制應用程序。編輯好的模塊將會被軟PLC 的編譯器所編譯，生成可執行代碼。

（5） 邏輯模塊，軟PLC 的核心模塊，它包括IEC61131-3編譯器和數據處理模塊。IEC61131-3編譯器將編譯用戶編輯好的文本應用程序，首先將PLC 的代碼編譯成C 語言，然后再調用GCC 將程序和軟PLC的鏈接庫編譯成目標文件，同時顯示編譯結果的正確性，將編譯的錯誤信息及警告信息反饋給用戶。

文本編輯模塊與編譯模塊在軟PLC 運行時，不會作為調用模塊。軟PLC只調用最后生成的可執行模塊。數據處理模塊執行對各種浮點型數據的操作，功能包括PID控制、按一定的比例縮放數據大小等。

（6） 通信模塊（Communication module），主要負責軟件的網絡通信協議等的實現，借助與操作系統的結合構建網絡服務器，實現強大的網絡服務功能，實現Modbus 等總線協議的總線控制功能。

（7） I/O 模塊，軟PLC與物理IO連接的模塊。通過IO 模塊，軟PLC 的狀態點與硬

件的IO 點一一對應，軟PLC 可以通過IO 模塊直接讀寫PC104 上IO擴展板的IO 點，實現對I O 點的讀取和控制。

（ 8 ） 關閉模塊（Plcshutdown），由于本設計采用了多模塊化設計和共享內存通信機制。因而軟PLC退出，需要關閉所有正在運行的模塊和殺死共享內存上的信號量。關閉模塊提供了Quit的全局變量， 當Quit=1，將運行關閉模塊中的程序關閉所有的軟PLC 模塊和殺死共享內存的信號量。

以上是根據需要設計的一些模塊，根據用戶需要還可以增加一些模塊，如記錄模塊，數據庫連接模塊等，這些模塊將會記錄軟PLC 的工作記錄和保存軟PLC 的數據記錄。這些有待進一步的開發和設計。設計好各個模塊，軟PLC 的工作流程可如圖3 所示。

本設計是在Linux 下進行設計，除HMI 模塊是使用TCL/TK 設計外，其他均是使用C 語言進行編寫，在Linux 下使用GCC 進行編譯。由于篇幅所限，此處不展示代碼。

實例

下面以一個簡單的對3并口通道循環控制為例，說明軟PLC 的工作流程。

（1）梯形圖編程。從軟PLC 主界面進入后，啟動梯形圖編程，調用梯形圖編程的主程序。梯形圖編程共需要調用梯形圖界面模塊、關閉模塊、IO 模塊，這些均在配置文件中設置好，不需用戶進行設置。配置文件主要部分定義如下：

需運行的模塊： 主要狀態點定義：Ladder為擁有寫的權利模塊，主程序啟動后，將讀取對應的配置文件，運行所需模塊。

用戶即可在梯形圖界面進行編輯，編輯后的梯形圖程序如圖4所示。這是一個比較簡單的程序，因而只需要使用3個計時器和幾個復位、置位輸出就可以實現功能。編輯好梯形圖程序后，按下Run 鍵，程序即可運行，并實現對IO 板上對應端口的控制。

（2）文本IL 語言編程。開始與梯形圖編程相同，從軟PLC 主界面進入后，啟動IL 語言編程，調用主程序。文本編程共需要調用監控界面模塊、邏輯目標程序模塊、關閉模塊、IO 模塊。邏輯目標模塊為用戶編輯好的IL 程序，并通過編譯器生成的可執行邏輯程序，用戶可在PC 機上編輯和編譯好邏輯程序，再移植到PC104 上進行調用。配置文件主要部分定義如下：

需運行的模塊：

主要狀態點定義

為編譯后的IL 程序模塊。由于篇幅關系，實現循環控制的IL 程序在此處不再列出。

結束語

軟PLC 具有強大的功能，在工業控制中發揮著越來越重要的作用，是一項具有巨大潛力的技術，其強大的網絡功能是傳統的PLC 無法比擬的。中國工業自動化的水平相對國外來說較低，技術含量少。因而國內企業要在激烈的競爭中立于不敗之地，必須增加生產的自動化程度，提高產品的技術含量。發展自主產權的軟PLC 將對此問題產生有力的推動作用，也有助于我國PLC 企業發展本國市場并向外擴展。