【技术前沿】集大成的软PLC技术

作者：研发部　刘峰

1 软PLC技术背景

1.1软PLC概念

　　所谓软PLC技术，就是使用PC机或者嵌入式设备作为硬件支撑平台，利用软件实现标准硬件PLC的基本功能。或者说，将PLC的控制功能封装在软件内，运行于PC的环境中。这样的控制系统提供了与传统PLC相同的功能，并且具备了PC机的各种优点。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网等功能，提供了强大的指令集、可连接各种I/O系统及网络的开放式结构。

　　从某种程度上来说，软PLC提供了与硬PLC基本相同的功能，同时还具有PC环境的各种优点。用户可以自由选择PLC的硬件，依靠PC领域技术和价格上的优势，从而摆脱硬PLC制造商本身专有技术的限制；用户可以用自己熟悉的编程语言编制程序。软PLC是集计算机技术、自动控制技术、仪表技术和网络通讯技术为一体的新型控制技术，它已成为开放式数控系统中PLC的发展趋势。

　　目前，基于PC的软PLC系统已成为最受欢迎的工业控制方案，PLC与计算机已相互渗透和结合，不仅是PLC与PLC的兼容，而且是PLC与计算机的兼容使之可以充分利用PC现有的软件资源。而且IEC61 131.3作为统一的工业控制编程标准已逐步网络化，不仅能与控制功能和信息管理功能融为一体，并能与工业控制计算机、集散控制系统等进一步的渗透和结合，实现大规模系统的综合性自动控制。

1.2 基于PC的软PLC技术优势

　　与传统PLC相比，基于PC的软PLC技术具有符合现代工业控制技术的许多优点：

　　1)具有开放的体系结构：软PLC能与多种I/O端口和现场总线的接口相连，同时还具有第三方软件接口，支持多种编程语言。用户可根据自己的需求，灵活扩展系统功能；

　　2)遵循IEC61 131.3国际工业标准：

　　(3)基于PC的一体化设计提高了控制器、人机界面和网络部件的数据交换速度，能充分利用PC机的硬件资源，如大容量的内存、高速CPU及其它硬件等；

　　4)具有更强的数据处理能力"依托PC机强大的硬件资源，软PLC的处理速度更快，能够利用PC机的软件平台处理一些比较复杂的数据及数据类型，如浮点数和字符串等；

　　(5)具有友好的人机界面，便于操作；

　　(6)具有强大的网络通讯功能：软PLC既可以与企业管理信息系统相连，便于企业的整合，也可以监控工厂的设备运行，实现数据传输以及在线监控、编辑、仿真、调试等功能；

　　(7)能够执行比较复杂的控制算法：软PLC除了能够完成传统PLC的PID调节和离散I/O控制外，还能进行过程控制和运动控制；

　　(8)节约成本和培训费用：与传统的PLC解决方案相比，基于PC的自动化控制系统有明显的性能价格优势。基于PC的自动化控制系统可以减少设备投资。系统集成简单、系统开放的特点使工程维护、培训的费用大大降低。

1.3 国内外发展状况及研究趋势

　　1992年，由PLC用户与制造商在荷兰联合组成"PLC Open"组织，以组织和推动IEC61

　　131.3标准的贯彻并向用户提供咨询服务为宗旨，使PLC用户既能选择自己所熟悉的编程语言，还能选择适合自己的I/O硬件组成控制系统。IEC61 131.3编程标准的问世影响了开放式结构的形成，随之使得通用PC有可能代替传统PLC，成为新型PLC，即软PLC—1。

　　随着微处理技术以及软件技术的迅速发展，使软PLC也得到了长足的发展，其技术和产品日趋完善。目前，国外许多工业控制系统开发商正着力开发基于PC的控制系统，在国外市场较常见的控制产品主要包括：法国cJIntemational公司的ISaGRAF，德国KW公司的MULTIPROG，BECKHOFF公司的TWinCAT以及SOFlPLC公司的SofiPLC等。其中作为典型的基于PC的控制系统，西门子公司生产的WinAC在我国得到了广泛的应用。

　　个人计算机技术的迅猛发展，使得PC成本不断降低，其速度和可靠性不断提高，因而PC体系结构逐渐被越来越多的人所接受，其应用范围也随之变得广泛。在这种情况下，促使各控制系统生产厂家纷纷推出以PC机作为控制系统软、硬件平台的控制系统。基于PC的控制系统是国际上继PLC和DCS之后推出的工业控制系统，目前在工业控制领域越来越受到重视，并得到日益广泛的应用，同时由于计算机软件技术、硬件技术的飞速发展，以及工控领域国际编程标准IEC61 131．3的制定和推广，使得在工业PC上以软件技术实现硬PLC的功能，即软PLC技术，成为了一项有开发潜力的新兴技术。

2 基于PC的软PLC系统体系结构

2.1体系结构图

　　基于PC的软PLC是指基于PC机，建立在WindowsNT操作系统平台之上，通过软件方法实现传统PLC的计算、控制、存储以及编程等功能，同时通过I/O驱动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系统由开发系统和运行系统两部分组成，它的系统整体架构设计如图2-1所示：

　　开发系统基于IEC61131.1标准，完成控制程序的编写和调试，它以工业控制中最常用的梯形图或语句表为编程方式完成程序的编写，并通过编译器完成语法检查和目标代码的连接工作，最终生成可执行的目标代码。运行系统是整个软PLC系统的核心部分，它与组态软件实时数据库的接口问题是实现软PLC与组态软件无缝集成的基础。运行系统包括软PLC运行虚拟机、I/O驱动和虚拟仿真程序三大部分。软PLC运行虚拟机负责执行由开发系统编译控制程序生成的目标代码，由PC机执行整个控制流程，通过I/O驱动程序不断扫描读取I/O设备的状态信息，经过虚拟机的处理，向I/O口输出相应的控制信号。当没有外接I/O设备的时候，编程人员则通过虚拟仿真程序来模拟硬件设备，软PLC运行虚拟机直接与虚拟的设备通信，在计算机上进行程序的调式与排错，可大大缩短程序的开发周期。

2.2系统软硬件平台

　　软PLC系统具有良好的开放性，其硬件平台可以有多种选择，既可以是传统的PLC硬件，也有当前较流行的嵌入式芯片，而网络环境下的PC或者DCS系统更是软PLC系统的优良硬件平台。在这种控制方案中，系统的软件平台可以采用WilldowsNT或Linux等实时操作系统作支撑。基于PC平台开放、经济、数据处理能力强的特点，本文采用基于PC平台的软PLC系统，同时也只有在PC平台上才能充分的发挥软PLC高级管理和监控的功能，才能将组态软件的优越性充分发挥出来。■