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開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)前數(shù)控技術(shù)研究的熱點(diǎn)。在發(fā)展高速高效高精度及智能化等性能的同時(shí)，功能的發(fā)展也要求越來(lái)越強(qiáng)，具體體現(xiàn)在盡量用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控的所有功能，使硬件規(guī)模達(dá)到最小化。以PC為硬件平臺(tái)，用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC的功能（即軟PLC）成為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中PLC的發(fā)展趨勢(shì)。描述了軟PLC技術(shù)的組成結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)，并對(duì)其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)發(fā)展的制約因素進(jìn)行了分析，探討了軟PLC技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用控制方案。軟PLC編譯程序和模擬運(yùn)行程序運(yùn)行效率較高，且顯示硬PLC不可比擬的優(yōu)越性，非常適合應(yīng)用于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中。
一、軟件PLC技術(shù)的形成背景
20世紀(jì)90年代后期，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，傳統(tǒng)PLC（本文簡(jiǎn)稱硬PLC）自身存在著這樣那樣的缺點(diǎn)：難以構(gòu)建開(kāi)放的硬件體系結(jié)構(gòu)；工作人員必須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)才能掌握某一種產(chǎn)品的編程方法；傳統(tǒng)PLC的生產(chǎn)被幾家廠商所壟斷，造成PLC的性價(jià)比增長(zhǎng)很緩慢。這些問(wèn)題都成了制約傳統(tǒng)PLC發(fā)展的因素。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及PLC方面國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，一項(xiàng)打破傳統(tǒng)PLC局限性的新興技術(shù)發(fā)展起來(lái)了，這就是軟PLC技術(shù)。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，采用放的通信接口，如以太網(wǎng)、高速串口等；采用各種相關(guān)的國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和一系列的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)；全部用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的功能。
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)
（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
軟PLC基于PC機(jī)，建立在一定操作系統(tǒng)平臺(tái)之上，通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的計(jì)算、控制、存儲(chǔ)以及編程等功能，通過(guò)IO模塊以及現(xiàn)場(chǎng)總線等物理設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及信號(hào)的輸出。根據(jù)傳統(tǒng)PLC的組成結(jié)構(gòu)，軟PLC系統(tǒng)由開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分組成。也可分為編輯環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩部分。編輯環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境是客戶服務(wù)器模式，二者之間采用COMDCOM通信機(jī)制，運(yùn)行環(huán)境作為COM服務(wù)器，提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口；編輯環(huán)境作為COM客戶端應(yīng)用，本地或遠(yuǎn)程訪問(wèn)存取這些接口，進(jìn)行下載代碼、讀取運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行信息等操作。軟PLC系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。
圖1 軟PLC系統(tǒng)的整體框圖
嵌入式系統(tǒng)通常由EPC或嵌入式控制器（也稱智能控制器）和嵌入式軟件組成，嵌入式軟件又分為嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用程序，嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)是程序短小、所需內(nèi)存少，Mi-crosoft公司推出的WindowsCE就是一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)，而軟PLC可以作為一個(gè)嵌入式應(yīng)用程序運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)中。
軟PLC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)是相互獨(dú)立而又密不可分的兩個(gè)應(yīng)用程序，可以分別單獨(dú)運(yùn)行。
1．軟PLC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)
軟PLC開(kāi)發(fā)系統(tǒng)實(shí)際上就是帶有調(diào)試和編譯功能的PLC編程器，此部分具備如下功能：①編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化，遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持多語(yǔ)言編程（共有5種編程方式：IL，ST，LD，F(xiàn)BD和SFC），編程語(yǔ)言之間可以相互轉(zhuǎn)換；②豐富的控制模塊，支持多種PID算法（如常規(guī)PID控制算法、自適應(yīng)PID控制算法、模糊PID控制算法、智能PID控制算法等等），還包括目前流行的一些控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；③開(kāi)放的控制算法接口，支持用戶嵌入自己的控制算法模塊；④仿真運(yùn)行，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，在線修改程序和編譯；⑤強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。支持基于TCPIP網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程程序修改。
2．軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)
[$page] 這一部分是軟PLC的核心，完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作。通常由IO接口、通信接口，系統(tǒng)管理器、錯(cuò)誤管理器、調(diào)試內(nèi)核和編譯器組成：①IO接口，可與任何IO系統(tǒng)通信，包括本地IO系統(tǒng)和遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)，遠(yuǎn)程IO主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線InterBus，ProfiBus，CAN等實(shí)現(xiàn)；②通信接口。通過(guò)此接口使運(yùn)行系統(tǒng)可以和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)或HMI（或MMI）軟件按照各種協(xié)議進(jìn)行通信，如下載PLC程序或進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；③系統(tǒng)管理器，處理不同任務(wù)和協(xié)調(diào)程序的執(zhí)行，而且從IO映像讀寫變量；④錯(cuò)誤管理器，檢測(cè)和處理程序執(zhí)行期間發(fā)生的各種錯(cuò)誤；⑤調(diào)試內(nèi)核，提供多個(gè)調(diào)試函數(shù)，如重寫、強(qiáng)制變量、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置變量和地址狀態(tài)；⑥編譯器，通常開(kāi)發(fā)系統(tǒng)將編寫的PLC源程序編譯為中間代碼，然后運(yùn)行系統(tǒng)的編譯器將中間代碼翻譯為與硬件平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器可執(zhí)行代碼（即目標(biāo)碼）。
（二）技術(shù)實(shí)現(xiàn)
以西門子公司開(kāi)發(fā)的軟件PLC產(chǎn)品為例說(shuō)明它的構(gòu)成方式。
第一種，在PC機(jī)上安裝專用程序，使PC機(jī)用作為可編程控制器。該P(yáng)C機(jī)上的操作系統(tǒng)是基于實(shí)時(shí)功能的，如：WindowsNT或WindowsCE或Linux等，在西門子開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件Pro-ToolPro的支持下，實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)視，在編程軟件STEP7支持下，提供用戶編程環(huán)境。該P(yáng)C機(jī)上還集成了現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus-DP的通信協(xié)議及Profibus-DP接口，用以實(shí)現(xiàn)與分布式IO及其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接。
第二種，將軟PLC做成一塊插板，安裝在PC機(jī)的PCI總線插槽上。該P(yáng)LC是可以獨(dú)立工作的微機(jī)系統(tǒng)，與PC機(jī)無(wú)關(guān)，如有需要甚至可以用自身獨(dú)立提供的電源。PC機(jī)可以容納數(shù)個(gè)插槽式的PLC，并
