隨著控制技術向智能化、分散化，網絡化以及開放式控制發展，傳統的PLC技術漸漸暴露出其不足之處，主要表現在其技術封閉，各個生產廠商的PLC產品互不兼容，各類PLC的編程語言差別較大。同時，其技術為少數幾家生產廠家所壟斷，價格昂貴，所有這些因素都制約著PLC的快速發展。PC-Based控制技術的發展，以及工業控制領域的IEC 61131國際標準的推出和實施，在工業PC上以軟件技術實現硬PLC的功能，能夠解決傳統PLC應用所存在的不足。.

1 軟PLC應用技術簡介

　　1.1軟PLC產生的背景及其技術優點

　　軟PLC控制技術也稱軟邏輯(Soft logic)和基于PC的控制技術。軟PLC采用開放式體系結構，具有良好的網絡通訊能力，能夠完成比較復雜的控制任務可以滿足和實現當前和今后工業自動化領域控制系統開放性和柔性的要求。目前在工業控制領域，基于PC的控制系統得到日益廣泛的應用。同時由于計算機軟、硬件技術的迅速發展以及工控領域國際編程標準IEC 61 131-3的制定和推廣應用，在工業PC上以軟件技術實現硬PLC的功能，即軟PLC技術，成為一項新興的技術。

　　與傳統PLC相比，SoftPLC技術具有符合現代工業控制技術的許多優點：(1)具有開放的體系結構。(2)遵循國際工業標準和事實上的工業標準，如IEC61131-3標準和IEC 61491標準。(3)能充分利用PC機的資源，如大容量的內存、高速CPU及其它硬件。(4)具有更強的數據處理能力。(5)具有友好的人機界面，便于操作。(6)具有強大的網絡通訊功能。(7)能夠執行比較復雜的控制算法。(8)節約成本和培訓費用。

　　1.2 IEC 61131—3國際標準對軟PLC應用技術的影響

　　IEC 61 131標準是有關可編程序控制器的硬件、安裝、試驗、編程、通訊等方面的國際標準。它共分5個部分，IEC 61 13卜3是有關編程的標準。該標準共規定了5種編程語言，其中3種是圖形化語言，另兩種是文本化語言。圖形化語言有梯形圖LD(LadderDiagram)，順序功能圖SFC(Sequential FunctionChart)，功能塊圖FBD(Function Block Diagram)。文本化語言有指令表IL(Instruction List)和l結構文本ST(Structured Text)。

　　以往各個生產廠家的產品不僅硬件各異，其軟件編程也是五花Afq。用戶每使用一種PLC時，不僅要重新熟悉其硬件結構，也必須重新學習軟件編程的方法和規定。因此，用戶對軟件編程標準化的呼聲很高。為此，國際電工委員會(IEC)于1993年發公布了有關可編程序控制器標準化編程的IEC 611 3 1—3標準。IEC 61131-3標準為研發基于PC平臺的軟PLC提供了規范的國際標準。

　　1.3軟PLC的發展現狀

　　目前，國外許多工業控制系統開發商都在發展基于PC的控制系統，推出了符合IEC 61131-3標準的產品。在國內市場上常見的控制產品有：法國CJ In—ternational公司的ISaGRAF，德國KW公司的MULTIPROG BECK—HOFF公司的TWinCAT以及SOFTPLC公司的SoftPLC等作為典型的基于PC的控制系統，西門子公司的WinAC在國內得到了廣泛的應用。

　　目前國內在這方面也開展了部分基礎技術研究工作，但起步較晚，至今尚未有成熟的產品出現。

2 軟PLC控制系統的體系結構及工作原理

　　2.1體系結構

　　軟PLC系統由編程系統和運行系統構成。編程系統用來完成PLC應用程序的開發，運行系統負責對整個系統的管理和對應用程序的執行。由于編程系統和運行系統運行于同一PC平臺，所以兩者之間的通信可以采用動態連接庫(DLL)函數的方法實現數據交換。系統體系結構如圖1、圖2所示。

　　2.2編程系統

　　軟PLC編程系統實際上就是帶有調試和編譯功能的PLC編程器，此部分具備如下功能：(1)編程語言標準化，遵循1EC 61 131-3標準，支持多語言編程(共有5種編程方式：IL、ST、LD、FBD和SFC)，編程語言之間可以相互轉換。(2)豐富的控制模塊，支持多種PID算法(如常規PID控制算法、自適應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，如神經網絡控制。(3)開放的控制算法接口，支持用戶嵌入自己的控制算法模塊;(4)仿真運行，實時在線監控，在線修改程序和編譯;(5)強大的網絡功能，支持基于TCP/IP網絡，通過網絡實現PLC遠程監控，遠程程序修改。

　　2.3運行系統

　　這一部分是軟PLC的核心，完成輸入處理、程序執行、輸出處理等工作。通常由I/O接口、通信接口、系統管理器、錯誤管理器、調試內核和編譯器組成。

　　1)I/O接口：可與任何I/O系統通信，包括本地I/O系統和遠程I/O系統，遠程I/O主要通過現場總線InterBus、ProfiBus、CAN等實現。

　　2)通信接口：通過此接口使運行系統可以和編程系統軟件按照各種協議進行通信，如下載PLC程序或進行數據交換。

　　3)系統管理器：處理不同任務和協調程序的執行，并且從I/0映像讀寫變量。

　　4)錯誤管理器：檢測和處理錯誤。

　　2.4軟PLC的工作原理

　　軟PLC工作過程如下圖3所示。

　　右邊是IEC 611 31—3標準的編程環境;中間是Windows NT運行環境;左邊是現場設備，采集上來的現場輸入信號被軟PLC運行系統處理，由軟PLC編程系統編寫的應用程序也被軟PLC運行系統解釋執行，最后將處理后的信號輸出到本地(或遠程)控制現場，驅動現場設備正常運轉。

3 基于PC平臺的軟PLC控制系統的實現

　　3.1軟PLC控制系統實現方案的探討

　　根據軟PLC運行的硬件平臺的不同，其控制功能的實現方案有以下三種：

　　(1)基于IPC控制方案

　　在這種控制應用方案中，系統的軟件平臺可以采用Windows NT，Windows CE或Linux等，通用I/O板卡和I/O接線端子板(或現場總線卡、現場總線以及遠程I/O模塊)負責與工業控制現場打交道。采集上來的輸入信號被軟PLC運行系統處理，軟PLC編程系統(編程器)編寫的控制應用程序也被軟PLC運行系統解釋執行，最后將處理后的信號輸出到本地(或遠程)控制現場完成相應的本地控制(或遠程控制)功能。

　　(2)基于嵌入式控制器或智能控制器的控制方案

　　嵌入式控制器是一個超小型計算機系統，一般沒有顯示器，其軟件平臺是嵌入式操作系統(3女llWindowsCE)。在這種控制方案中，軟PLC運行系統可以作為一個固件被安裝到嵌入式控制器中，編程系統編寫的應用程序通過RS232或TCP/IP協議下載到此控制器中，因此整個系統就如同一個黑盒子運行并完成指定的控制功能。

　　(3)基于傳統PLC的控制方案

　　在這種方案中，傳統PLC將只作為一個硬件系統平臺，將軟PLC運行系統安裝到此傳統PLC硬件中，然后將開發系統編寫的PLC應用程序下載到此硬件系統并運行，即可實現PLC的控制功能。

　　基于工業PC的軟PLC控制系統能夠充分地利用PC機豐富的軟、硬件資源，操作簡單，成本較低，易于構建現場總線控制系統和網絡控制系統。這種控制系統在工廠綜合自動化系統以及工業企業管控一體化等領域有較廣范的應用，本課題依據第一種方案實現基于PC平臺的軟PLC控制系統。

　　3.2編程系統的設計

　　在PLC系統中，為用戶提供一個良好的軟件開發調試環境是軟P L C研究的重點。為此，需要進行了重點開發。該平臺采用普通個人計算機作為基本編程工具，編程語言遵循IEC 61131-3，并選擇其中最常用的LD(梯形圖語言)、IL(指令語言)和最靈活的ST(結構文本語言)3種語言同時作為用戶程序開發語言。設計用戶軟件集成開發環境最主要的目的是為PLC系統提供一個直觀、方便、高效的用戶程序開發平臺。該平臺的主要任務是完成對LD、IL和ST等3種PLC語言的編輯、編譯、調試。

　　編程系統主要包括以下七大模塊：

　　(1)編輯模塊：主要為LD、IL和ST等3種PLC語言提供一個程序編輯環境，接受用戶的輸入、編譯。(2)、(3)編譯、連接模塊：用于將LD、IL和ST等3種語言寫成的用戶程序分別進行編譯生成目標代碼，再將其生成可執行文件。(4)調試模塊：調試模塊用于對用戶程序中可能存在的語法錯誤，非法輸人等進行定位、提示，以方便用戶修改同時提供聯機調試。(5)通信模塊：用于負責編輯系統與運行系統的通訊。(6)項目管理模塊：主要用于管理和歸檔所有數據，包括用戶編輯的源程序、編譯生成的代碼(中間碼、目標碼、可執行文件)、程序庫(標準功能函數、通信功能函數、用戶自定義函數)以及在線信息(PLC硬件的配置信息、在線測試的附加信息等)。(7)仿真模塊：用于運行對用戶編制的程序進布完整的連續仿真。

　　3、3運行系統的設計

　　運行系統的主要功能有三個：(1)與編程系統的通信;(2)目標代碼的執行;(3)各種I/O硬件的驅動。為了便于軟件的日后維護和升級，將運行系統和編程系統分開，以便于移植到不同的硬件平臺。軟PLC運行系統虛擬機是運行系統的核心，也是整個軟PLC系統的核心它一方面面負責處理操作系統的服務請求，另一方面對應用程序進行管理和執行。程序執行時，首先為應用程序分配內存，將程序加載到分配好的內存里，然后在虛擬機中解釋并執行編程系統下載的目標代碼。設計的運行系統虛擬機支持IEC 61131-3標準規定的100余種函數、功能塊和操作符。使用虛擬機技術，可以方便地將運行系統移植到不同的硬件平臺。運行系統的I/O驅動模塊直接驅動具體的硬件。

4 軟PLC在工業生產應用中，應該解決的關鍵性技術問題

　　4.1軟PLC應用工業生產中需要解決一些重要的問題，其中主要有：

　　(1)以PC為基礎的控制引擎的實時性問題。軟PLC首選的操作系統是Windows NT，微軟發布的Windows NT系統是可靠性較高的編輯開發平臺，非常適合軟實時控制，它并不是一個硬實時的操作系統。

　　另外，Windows CE等操作系統具有了NT在硬實時性方面所不具備的特性。在實際開發中也可使用其他的操作系統作為平臺。

　　(2)設備的可靠性：即能在高溫、震動、溫差大、多灰塵等惡劣環境下保持正常工作。只有以上關鍵技術得到解決后，軟PLC才能真正用于工業控制領域。

　　4.2應用前景展望

　　軟PLC采用開放式體系結構，具有良好的網絡通訊能力，能夠完成比較復雜的控制任務，可以滿足和實現當前和今后工業自動化領域控制系統開放性和柔性的要求，為將來工業自動化向更高層次的集成提供了可靠的技術保障。軟PLC克服了傳統硬PLC的諸多缺點，應用于工業控制后，將會大大提高企業的自動化水平和生產效率。基于此，可以預見軟PLC技術將有廣闊的應用前景。

5 結束語

　　本文介紹了軟PLC應用技術的相關概念，剖析了軟PLC的體系結構、以及工作原理。提出了具體的實現方案，對軟PLC應用中存在的關鍵性技術問題進行了深入分析。