引言

　　可編程控製器（PLC，Programmable LogicController）經過幾十年的發展，現在已經成為(wei) 了最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業(ye) 控製微型計算機。然而，人們(men) 在使用過程中也逐漸發現了傳(chuan) 統PLC的缺點：兼容性差，由於(yu) 生產(chan) 廠家眾(zhong) 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(chan) 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(chan) 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(zhuan) 業(ye) 人員用專(zhuan) 業(ye) 工具進行檢測和維修；成本較高，傳(chuan) 統PLC 被幾家廠商所壟斷，性價(jia) 比增長緩慢。這些問題都製約著傳(chuan) 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(jue) 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的製定，在計算機上以軟件的方式來實現PLC 成為(wei) 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，是一種基於(yu) PC 機開放結構的控製裝置。軟PLC 綜合了計算機和PLC 的開關(guan) 量控製、模擬量控製、數學運算、數值處理、通信網絡等功能，通過一個(ge) 多任務的控製內(nei) 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 係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(you) 點。

　　基於(yu) PC 平台的軟PLC 由於(yu) 無需專(zhuan) 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，並具有良好的人機界麵，在數控係統中正逐漸取代硬件PLC，PLC 編程係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(ge) 重要條件就IEC61131-3 標準的製定。

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

　　（1） 硬件體(ti) 係結構不再是封閉的，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(zheng) 激烈使得基於(yu) PC 機的軟PLC 性價(jia) 比得以提高。

　　（3） 軟PLC 不僅(jin) 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） 由於(yu) 軟PLC 是基於(yu) IEC61131-3 標準的，因此在掌握標準後就可以容易的進行開發了。

　　由於(yu) 軟PLC 具有兼容性、通用性、性價(jia) 比高、易於(yu) 與(yu) 網絡連接、編程方便等優(you) 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(chan) 品：如德國KW -sofeware 公司的MULTIPROG wt32、倍福TwinCAT控製軟件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(nei) 有關(guan) 部門和工控方麵的公司也正在著手研究開發具有自主版權的中文軟PLC產(chan) 品。

軟PLC設計平台

　　硬件工作平台

　　軟PLC 的期待硬件工作平台為(wei) 工控機等PC 工業(ye) 微機平台和嵌入式PC 平台。本設計因需要應用於(yu) 嵌入式的數控係統中，所以采用了嵌入式PC 平台。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，將操作係統和應用軟件存儲(chu) 在Flash芯片中。嵌入式PC 與(yu) 標準PC 全兼容，采用與(yu) 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(yu) 普通PC 係統的工作。因而，我們(men) 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 計算機和餅幹機，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(ge) 完整的計算機係統。PC104 的擴展板齊全，包括了網卡、數字I/O 卡、A/D 卡等。在PC104 上構造的係統即嵌入式軟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(nei) 存可到128M，程序存儲(chu) 空間可以選用CF 卡作為(wei) 硬存儲(chu) 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(feng) 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(nei) 核下對軟PLC 的各個(ge) 模塊進行調試，調試成功再移植到PC104 組件上運行。

　　軟件平台

　　目前，大多數軟PLC 分別以Windows, DOS 和Linux 係統為(wei) 操作平台。早期的基於(yu) PC 的軟PLC 采用的較多的是DOS 係統，這類軟件由於(yu) 運行DOS 環境下，可以輕鬆實現其實時控製的要求，但由於(yu) DOS 環境是單任務處理方式，使得PC 的潛力得不到充分發揮，係統的功能和靈活性也受到限製。而Windows 具有操作界麵良好、程序開發相對容易、多任務等優(you) 點，但Windows 操作係統並不是一個(ge) 理想的實時操作係統，且Windows 操作係統是收費的，這將大大增加開發應用的成本。因而，本設計配合數控係統的需要選用的是Linux 係統為(wei) 操作平台，基於(yu) Linux 內(nei) 核模塊的Rtlinux 是一個(ge) 免費的、開放源代碼的實時操作係統。

　　軟PLC模塊設計

　　本設計的軟PLC 基於(yu) 嵌入式PC104 計算機，建立在Linux 操作係統之上，軟件的設計采用了模塊化設計。每個(ge) 模塊都專(zhuan) 職一項功能，每個(ge) 模塊都是一個(ge) 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(ge) 模塊通過全局變量進行通信，各個(ge) 模塊的私有數據不包含在配置文件內(nei) 。全局變量在每個(ge) 模塊都有副本，各個(ge) 模塊通過副本的數據對本模塊進行運算，當循環一次運算後，就更新到全局變量，這樣就實現了各個(ge) 模塊之間的通信。每個(ge) 模塊對全局變量的讀寫(xie) 權限不一樣的，隻有對全局變量具有寫(xie) 權限的模塊才可以更新全局變量裏的數據。每個(ge) 模塊作為(wei) 一個(ge) 進程，進程之間的通信采用的是共享內(nei) 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(nei) 容，並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(nei) 核和各個(ge) 模塊的相關(guan) 參數，#p#分頁標題#e#

　　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，並定義(yi) 了具有對應全局變量有寫(xie) 權限的模塊。

　　② 公共配置，這部分設置了各個(ge) 模塊之間的共同屬性。

　　③ 同步配置，這部分是要配製各個(ge) 模塊之間的同步性。為(wei) 了保證數據的傳(chuan) 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(ti) 情況選擇其中的一種模式。