目前工控領(lǐng)域中廣泛使用的可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)大概可以分為兩類：傳統(tǒng)PLC與軟PLC。傳統(tǒng)PLC由于自身存在一些不足，例如封閉的硬件體系結(jié)構(gòu)，主要由幾家廠商所壟斷，而軟PLC在開放性及低成本方面潛力巨大，目前歐美等很多西方國家已經(jīng)把軟件PLC作為一個重點對象進行研究開發(fā)。

傳統(tǒng)PLC具有硬實時性，正因為如此它才能提供快速、確定而可重復(fù)的響應(yīng)。另一方面，由于軟PLC是基于PC而建立在一定的操作系統(tǒng)上，例如WindowsNT，而這并不是一個硬實時的操作系統(tǒng)，這使得以PC為基礎(chǔ)的控制引擎實時性問題成為制約軟PLC發(fā)展的主要因素之一。

針對軟PLC在實時性方面的不足，本項目采用基于嵌入式處理器的控制方案，軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)作為一個任務(wù)在控制器固件內(nèi)。美國TI公司推出的C6000系列數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor)具有很高的處理能力，特別是為其TMS320C6000TM、TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP平臺所設(shè)計開發(fā)的一個尺寸可裁剪的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核DSP／BIOS，提供搶占式多線程、硬件抽象、實時分析和配置工具，可實現(xiàn)實時線程調(diào)度與同步、主機與目標DSP間通信或?qū)崟r監(jiān)測。DSP是串行控制的，運算速度快。基于DSP／BIOS實時內(nèi)核的PLC執(zhí)行系統(tǒng)，具有相當好的實時性及穩(wěn)定性。下面著重介紹其設(shè)計及實現(xiàn)方法。

1軟PLC的設(shè)計規(guī)劃

1．1軟PLC的架構(gòu)分析

由PLC執(zhí)行系統(tǒng)控制的PLC程序劃分為一級程序和二級程序，它們的執(zhí)行周期不一致。一級程序每8ms執(zhí)行一次，處理響應(yīng)快的短脈沖信號，例如外部的操作面板信號和報警信號，在程序末尾自動給出結(jié)束標記END1。二級程序為一般的PLC指令，每8nms執(zhí)行一次，n為第二級程序的分割數(shù)。在開始執(zhí)行二級程序時，PLC執(zhí)行系統(tǒng)模塊會根據(jù)執(zhí)行程序所需要的時間自動把二級程序分割成n塊，每個8ms只執(zhí)行其中一塊，并在二級程序結(jié)束時自動給出結(jié)束標記END2。

1．2PLC執(zhí)行系統(tǒng)的工作原理

PLC采用循環(huán)掃描方式工作，首先進行系統(tǒng)初始化，然后進入循環(huán)工作過程包括輸入采樣、PLC指令執(zhí)行及輸出刷新幾個階段，其基本流程如圖1所示。

1)系統(tǒng)初始化：在循環(huán)執(zhí)行PLC程序前，首先要進行執(zhí)行系統(tǒng)的初始化，包括參數(shù)的輸入及變量初值的設(shè)置；2)輸入的采樣：每次執(zhí)行PLC程序時，要讀取外部輸入狀態(tài)至緩沖區(qū)中，以備后面程序查詢；3)執(zhí)行用戶PLC程序：執(zhí)行用戶程序，就是CPU從PLC程序的首地址開始按順序逐個執(zhí)行編譯后的PLC指令，過程結(jié)果暫存在相應(yīng)的寄存器內(nèi)；4)輸出的刷新：執(zhí)行完用戶程序后，需要把處理后需要輸出的結(jié)果進行外部輸出。由于PLC控制的對象大都是變化緩慢的信號，而PLC每次掃描輸入和邏輯運算的時間很短，本PLC執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)定為每執(zhí)行一個循環(huán)，就進行一遍輸出的刷新。

1．3DSP／BIOS的線程調(diào)度

文中的PLC執(zhí)行系統(tǒng)的開發(fā)均在TI公司提供的集成開發(fā)環(huán)境CCS(CodeComposerStudio)中進行，CCS不僅集成了常規(guī)的開發(fā)工具，如源程序編輯器、代碼生成工具及調(diào)試環(huán)境，還提供DSP／BIOS開發(fā)工具。DSP／BIOS是一個精簡的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有實時操作系統(tǒng)功能。它提供搶占式多線程，支持多種不同優(yōu)先級，每種線程都有不同的執(zhí)行和搶占特性，分別是硬件中斷(HWI)包括時鐘函數(shù)(CLK)、軟件中斷(SWI)包括周期函數(shù)(PRD)、任務(wù)線程(TSK)、后臺線程(IDL)。線程類型的選取原則：HW1只用來處理對時間要求苛刻的關(guān)鍵任務(wù)；SWI用來處理相對獨立的函數(shù)，如果算法要求比較復(fù)雜則使用TSK。TSK提供了很多任務(wù)通信和同步的手段，并且擁有自己獨立的堆棧，因此比SWI更靈活。IDL用于執(zhí)行與時間無關(guān)的非關(guān)鍵任務(wù)。

在DSP／BIOS線程調(diào)度中，硬件中斷與軟件中斷的高優(yōu)先級線程可以暫停運行中的低優(yōu)先級任務(wù)，而高優(yōu)先級的任務(wù)線程必須用特定的API才能搶占當前運行的低優(yōu)先級任務(wù)線程，且只有任務(wù)線程才能暫停狀態(tài)?；赑LC執(zhí)行是一個循環(huán)執(zhí)行過程，且與其它運動線程有復(fù)雜的通訊交互，本執(zhí)行系統(tǒng)將其建立為一任務(wù)線程，由DSP／BIOS實時操作系統(tǒng)進行調(diào)度。2PLC執(zhí)行系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

2．1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

1)PLC指令代碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。PLC用戶程序在系統(tǒng)內(nèi)部以一定的二進制格式存放，采用如下指令開辟一個a字節(jié)的內(nèi)存區(qū)存放編譯后的PLC指令代碼，內(nèi)存區(qū)大小a根據(jù)實際情況設(shè)定。

long*plc_pt；

plc_pt=(long*)malloc(a)；

2)PLC執(zhí)行指令結(jié)構(gòu)體的定義。PLC指令代碼主要包含內(nèi)容為指令類型及變量地址，定義如下PLC執(zhí)行指令結(jié)構(gòu)體：

structplc_code_type／／PLC執(zhí)行指令結(jié)構(gòu)體

{

unsignedcharcode_type；／／指令類型

unsignedshortptaddr；／／變量地址

:28px;background-color:rgb(255,255,255);">}；

由此，在初始化時定義一個pk_code_type類型的指針直接指向PLC指令代碼區(qū)．在進行PLC指令解析時，可直接移動該指針進行指令解析并輸出。

2．2PLC指令解析

PLC執(zhí)行系統(tǒng)的一個關(guān)鍵問題在于PLC指令的解析，利用DSP的C語言，建立相應(yīng)的PLC指令的執(zhí)行函數(shù)庫。PLC用戶程序可看成由多段執(zhí)行塊組成，每個執(zhí)行塊包括條件指令及執(zhí)行指令。下面分為條件指令解析及執(zhí)行指令解析來進行描述。

2．2．1條件指令解析

首先定義一個變量來保存條件指令解析結(jié)果，以便在解析執(zhí)行指令時根據(jù)此條件指令解析結(jié)果進行執(zhí)行指令處理。

例如常開觸點(LD)可以用如下函數(shù)實現(xiàn)：

voidplcLD(plc_code_type&pc)

／／pc表示當前指令在用戶程序中的指針位置

{if(1==pc->pt_addr)／／指令獲取的地址為1

{

plc_result&=0x01；／／閉合狀態(tài)置位

}

}

2．2．2執(zhí)行指令解析

執(zhí)行指令則根據(jù)當前執(zhí)行塊條件指令結(jié)果來判斷對元件地址進行相應(yīng)處理。例如置位指令(SET)可以用如下函數(shù)實現(xiàn)：

voidplcSET(plc_code_type&pc)

{if(plc_result&1)

／／判斷條件指令，閉合，有輸出

{

pc->pt_addr|=0xff；／／對應(yīng)地址置位

}

}

這樣，逐個對PLC執(zhí)行塊進行解析，輸入和輸出單元的刷新同樣利用函數(shù)來實現(xiàn)，最后通過輸出口送出控制量，實現(xiàn)對用戶PLC程序的執(zhí)行控制。

ground-color:rgb(255,255,255);">2．3PLC執(zhí)行系統(tǒng)運行流程

首先在DSP／BIOS配置工具下的Scheduling項目中建立一個任務(wù)線程，比如為PLC_Deal_Task，并對該任務(wù)函數(shù)的優(yōu)先級及其它相關(guān)內(nèi)容進行設(shè)置，則可直接在PLC_Deal_Task線程中進行PLC指令解析處理，并實現(xiàn)PLC的循環(huán)掃描功能。

總體設(shè)計思想如下：設(shè)定一級程序的執(zhí)行周期為m個指令計數(shù)執(zhí)行一次，m與掃描周期有關(guān)。在進入二級循環(huán)后，首先判斷指令計數(shù)是否大于m，未到m，則進入執(zhí)行二級程序。如果條件滿足，跳出循環(huán)，1周期完成，具體調(diào)度流程如圖2所示。

3測試分析及應(yīng)用

3．1軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)的測試分析

根據(jù)上述設(shè)計方法構(gòu)建出PLC執(zhí)行系統(tǒng)，設(shè)計實際應(yīng)用的PLC程序并在試驗機上進行測試，觀察設(shè)備的邏輯動作及執(zhí)行系統(tǒng)性能情況。CCS提供了一系列可視化工具對運行系統(tǒng)的性能進行測試，“CPU負荷圖”用于分析CPU的利用率，“任務(wù)執(zhí)行圖”可以檢測出系統(tǒng)是否符合實時性要求?，F(xiàn)根據(jù)微鉆刃面檢測機的工藝過程設(shè)計了其PLC程序，下載到本軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)中運行，通過CCS監(jiān)測工具監(jiān)測其運行性能。圖3是CPU負荷圖，負荷峰值在25％左右，變化平穩(wěn)；圖4是任務(wù)執(zhí)行圖，圖中左邊欄最下面的Assertions項目用于指示某個實時性要求沒有達到，或是偵測到某個無效狀態(tài)，如果Assertions項目沒有出現(xiàn)小方塊則表示對應(yīng)線程的調(diào)度滿足實時性要求。另外，經(jīng)上機調(diào)試，設(shè)備整體運行邏輯也完全按照程序要求運行。此實驗表明，基于DSP／BIOS的軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)能夠滿足實時控制的要求且工作穩(wěn)定。

3．2軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)的應(yīng)用

傳統(tǒng)PLC的一個缺點是硬件體系結(jié)構(gòu)相對封閉，并且成本高，例如日本三菱PLCFX2N系列控制器本身未集成運動軸控制功能，每增加一個運動軸的控制均需額外擴展脈沖發(fā)生器單元(PulseGeneratintUnit，PGU)，如果在多軸設(shè)備上應(yīng)用可能會造成成本過高并且靈活不夠。本課題組開發(fā)的運動控制器IPMC8188可獨立控制8軸，軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)作為一個任務(wù)運行在該控制器的固件中。對比傳統(tǒng)PLC，有穩(wěn)定強大的PLC功能的運動控制器可降低控制系統(tǒng)構(gòu)建的復(fù)雜程度，提高控制效率及開發(fā)效率。圖5所示為內(nèi)嵌軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)的IMPC8188運動控制器，目前，該型運動控制器已在全自動刃面檢測機、自動貼片機及全自動微鉆磨尖機等自動化設(shè)備上使用并穩(wěn)定運行。

4結(jié)束語

基于嵌入式處理器的軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)能有效的彌補軟PLC在實時性及穩(wěn)定性方面的不足，并且由于自帶操作系統(tǒng)，有可靠地數(shù)據(jù)存儲和自恢復(fù)功能。文中論述的基于DSP／BIOS的PLC執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計，與運動控制相結(jié)合，在小中型自動化設(shè)備方面應(yīng)用廣泛，另外在實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)的綜合性自動控制方面也有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>