一种基于软PLC技术的通用可编程软件系统设计及实现

黄兵¹ 郭月明² 计小军³

(1.2.3北京中油瑞飞信息技术有限责任公司北京 100007)

摘要：针对传统PLC难以构建开放硬件体系结构及性价比增长缓慢的缺点，提出了一种基于软PLC技术的通用可编程软件系统。该系统不仅符合IEC61131-3标准，支持标准定义的5 种编程语言，而且用软件实现传统硬件PLC 的控制功能。

The design and realization of general programmablesoftware system based on soft PLC technology

Huang Bing¹ Guo Yueming² Ji Xiaojun³

(1.2.3 Beijing Richfit Information Technology Co., Ltd., Beijing 100007, China)

Abstract: The shortcomings of difficult to build an open hardware system and theslow growth in cost-effective can be solved by a general programmable softwaresystem based on soft PLC technology. The system is not only meetingIEC61131-3 criteria and supporting five kinds of programming languages ,butalso realizing the control function of traditional hardware PLC with software .

关键词：软PLC技术；IEC61131-3；软件系统

Key words:Soft PLC technology；IEC61131-3；Software system

1 引言

传统PLC（Programmable LogicController）因其具有高速度、高性能和高可靠性在工业控制领域得到了广泛应用^[1^]。然而，传统PLC由于生产厂商众多、产品互不兼容，造成难以构建开放的硬件体系结构；另外，PLC性价比增长缓慢的特点也制约了其发展^[2-3^]。近年来，随着计算机技术的迅速发展以及PLC方面国际标准IEC61131的制定，一项新的控制技术——软PLC（SoftPLC）技术迅速发展。所谓软PLC，即以通用操作系统和PC作为硬件支撑平台，利用软件实现传统硬件PLC的控制功能。或者说，将PLC的控制功能封装在软件内，运行于PC环境或嵌入式操作系统环境中。这样的控制系统不仅提供了PLC的相同功能，而且具备了PC机的各种优点^[4^]。

本文实现了一个应用于中大型控制应用场合的通用PLC可编程软件系统。该系统基于软PLC技术，且符合IEC61131-3 标准，支持标准定义的5 种编程语言。

2 通用PLC可编程软件系统的组成

通用PLC可编程软件系统实现软PLC中的运行系统，整个系统由系统软件和控制器软件组成。

2.1 系统软件

系统软件主要包括bootloader、kernel和rootfs，其主要作用是构建一个基本的嵌入式linux^[5-8^]操作系统，为控制器软件提供运行环境。bootloader是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。kernel通过文件系统来管理事件的调度和同步、进程间的通信(消息传递)。文件系统是包括在一个磁盘(包括光盘、软盘、闪盘及其它存储设备)或分区的目录结构；一个可应用的磁盘设备可以包含一个或多个文件系统；进入一个文件系统，首先要挂载(mount)文件系统且挂载(mount)文件系统时必须指定一个挂载点。Linux中，rootfs是必不可少的。PC上主要实现有ramdisk和直接挂载HD(Harddisk，硬盘) 上的根文件系统；嵌入式中一般不从HD启动，而是从Flash启动，最简单的方法是将rootfs下载到RAM的RAMDisk，较复杂的是在Flash 上分区，并构建JFFS2 等文件系统。

2.2 控制器软件

控制器软件由eCLR模块和IO驱动模块组成，使用单一Makefile完成编译工作，编程语言采用C和C++,交叉编译工具为arm-linux-gcc/g++,最终生成名为elr22的可执行程序。该程序总共包含一个库文件和114个C/C++文件。

2.2.1 eCLR模块程序基本流程分析

eCLR模块执行PLC应用程序并创建任务。在每个任务的开始从输入区获取输入状态，经过运算后，将结果存放在输出区，其流程图如图1所示。

图1 eCLR模块程序基本流程

由上图可知，eCLR模块程序基本流程可概括为7个步骤，分别是

①创建控制器对象，并为其分配堆资源；

②设置控制器对象基本信息；

③创建APP域用于运行PLC应用程序，设置数据堆、代码堆和应用程序流；

④将APP域和pcoslib进行钩挂，便于eCLR解析PLC应用程序；

⑤初始化并加载IO驱动库；

⑥建立SOCKET，便于与运行开发环境的宿主机进行联系；

⑦顺序执行PLC应用程序代码。

2.2.2 IO模块程序基本流程分析

IO驱动模块的任务是按照PLC应用程序的需要将对应的IO设备状态存放在输入区，并将输出区的结果输出到IO模块中，整个IO驱动模块如图2所示。

图2 IO驱动模块

由图2可知，IO驱动模块包括本地IO和非本地IO的驱动。本地IO指直接连接在本地CPU的IO端口，包括AI/AO、DI/DO和PI；非本地IO指通过MODUS TCP/RTU、ZIGBEE、CAN等有线/无线方式与RTU进行通信的外接端口与仪表设备。

eCLR规定了对应IO驱动接口文件的格式，相关驱动接口文件由一个C#模板通过工具生成。目前除eCLR模块代码外剩余的代码基本上都是IO驱动相关的代码，每种IO驱动对应于三个文件，其形式为XXX-cli.cpp、XXX.cpp、XXX.h，对应于上图的IO接口层。XXX-cli.cpp对于该种IO驱动库的元数据信息，通过调用相应INIT和loadlibary函数完成该种驱动的注册或者钩挂，使得PLC应用程序需要读取的IO组和下面的驱动对应起来。当对IO组的IO进行操作时，相应的IO驱动就会被调用。XXX.cpp和XXX.h实现对当前驱动的类定义，文件里提供了相应IO驱动的成员函数供实现，这些成员函数包括相应IO的读写和一些辅助函数。

目前代码中已经实现的IO接口包括

l 本地IO AI、AO、DI、DO和PI

l 非本地IO ZIGBEE 、MODBUS和REMOTE(CAN)

由于本地IO可即时获取，所以每当PLC任务来读取时，可通过中间层直接调用BSP库中接口函数操作硬件获取。由于非本地IO具有一定的数据间隔，因此需通过共享内存的方式来实现。其实现原理为：对每种类型的非本地IO创建一对共享内存（分为I区和Q区），同时创建一个对应的采集线程对数据进行采集，并将采集到的数据存储在共享内存上供PLC应用程序读取。

3 通用PLC可编程软件系统的运行流程

整个通用PLC可编程软件系统的运行过程如图3所示。

图3 系统的运行流程

系统上电后，首先运行bootloader，它对必要的硬件进行初始化后，将内核镜像加载到主存，并将控制权交给内核，完成引导和加载。内核启动后会挂载根文件系统rootfs，并执行根文件系统下的init程序创建用户空间的第一个进程。Init进程会读取/etc/init.d/rcS脚本文件启动控制器软件。当前bootloader采用u-boot实现，kerenl采用2.6.39版本，rootfs使用busybox构建。

4 结束语

软PLC技术简化了工厂自动化的体系结构，把控制、通信、人机界面以及各种特定的应用全都合为一体，运用于同一个硬件平台上。它相对于传统PLC，以其开放性、灵活性和较低的价格占有很大优势。本文提出的基于软PLC技术的可编程软件系统完全符合IEC61131-3标准，支持标准定义的5 种编程语言，可广泛应用于机械制造、汽车和过程自动化行业。