開放式數控系統是當前數控技術研究的熱點。在發展高速高效高精度及智能化等性能的同時，功能的發展也要求越來越強，具體體現在盡量用軟件來實現數控的所有功能，使硬件規模達到最小化。以PC為硬件平臺，用軟件來實現PLC的功能（即軟PLC）成為開放式數控系統中PLC的發展趨勢。描述了軟PLC技術的組成結構和應用特點，并對其技術優勢和技術發展的制約因素進行了分析，探討了軟PLC技術在工業領域的應用控制方案。軟PLC編譯程序和模擬運行程序運行效率較高，且顯示硬PLC不可比擬的優越性，非常適合應用于開放式數控系統中。
 
 
    一、軟件PLC技術的形成背景

    20世紀90年代后期，人們逐漸認識到，傳統PLC（本文簡稱硬PLC）自身存在著這樣那樣的缺點：難以構建開放的硬件體系結構；工作人員必須經過較長時間的專業培訓才能掌握某一種產品的編程方法；傳統PLC的生產被幾家廠商所壟斷，造成PLC的性價比增長很緩慢。這些問題都成了制約傳統PLC發展的因素。近年來，隨著計算機技術的迅猛發展以及PLC方面國際標準的制定，一項打破傳統PLC局限性的新興技術發展起來了，這就是軟PLC技術。其特征是：在保留PLC功能的前提下，采用面向現場總線網絡的體系結構，采用放的通信接口，如以太網、高速串口等；采用各種相關的國際工業標準和一系列的事實上的標準；全部用軟件來實現傳統PLC的功能。

    二、系統結構和應用特點

    （一）系統結構

    軟PLC基于PC機，建立在一定操作系統平臺之上，通過軟件方法實現傳統PLC的計算、控制、存儲以及編程等功能，通過IO模塊以及現場總線等物理設備完成現場數據的采集以及信號的輸出。根據傳統PLC的組成結構，軟PLC系統由開發系統和運行系統兩部分組成。也可分為編輯環境和運行環境兩部分。編輯環境與運行環境是客戶服務器模式，二者之間采用COMDCOM通信機制，運行環境作為COM服務器，提供標準的通信接口；編輯環境作為COM客戶端應用，本地或遠程訪問存取這些接口，進行下載代碼、讀取運行環境的運行信息等操作。軟PLC系統的整體框圖如圖1所示。

圖1 軟PLC系統的整體框圖

    嵌入式系統通常由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和嵌入式應用程序，嵌入式操作系統的特點是程序短小、所需內存少，Mi-crosoft公司推出的WindowsCE就是一個嵌入式操作系統，而軟PLC可以作為一個嵌入式應用程序運行在嵌入式系統中。

    軟PLC開發系統和運行系統是相互獨立而又密不可分的兩個應用程序，可以分別單獨運行。

    1．軟PLC開發系統

    軟PLC開發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IEC61131-3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TCPIP網絡，通過網絡實現PLC遠程監控，遠程程序修改。

    2．軟PLC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IO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：①IO接口，可與任何IO系統通信，包括本地IO系統和遠程IO系統，遠程IO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開發系統或HMI（或MMI）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，而且從IO映像讀寫變量；④錯誤管理器，檢測和處理程序執行期間發生的各種錯誤；⑤調試內核，提供多個調試函數，如重寫、強制變量、設置斷點、設置變量和地址狀態；⑥編譯器，通常開發系統將編寫的PLC源程序編譯為中間代碼，然后運行系統的編譯器將中間代碼翻譯為與硬件平臺相關的機器可執行代碼（即目標碼）。

    （二）技術實現

    以西門子公司開發的軟件PLC產品為例說明它的構成方式。

    第一種，在PC機上安裝專用程序，使PC機用作為可編程控制器。該PC機上的操作系統是基于實時功能的，如：WindowsNT或WindowsCE或Linux等，在西門子開發的應用軟件Pro-ToolPro的支持下，實現控制和監視，在編程軟件STEP7支持下，提供用戶編程環境。該PC機上還集成了現場總線Profibus-DP的通信協議及Profibus-DP接口，用以實現與分布式IO及其他現場設備的連接。

    第二種，將軟PLC做成一塊插板，安裝在PC機的PCI總線插槽上。該PLC是可以獨立工作的微機系統，與PC機無關，如有需要甚至可以用自身獨立提供的電源。PC機可以容納數個插槽式的PLC，并把它們當作集成模塊，在操作系統支持下既獨立又協調地工作。這種軟PLC對操作系統、控制軟件和編程軟件的要求與第一種相同。在PC機的平臺上，實現編程、運行、操作、監控數據存儲及狀態顯示功能。

    當對實時控制的要求較低時，一般使用第一種結構，專用軟件就直接安裝在WindowsNT中，也可用帶實時擴展子系統的軟件，提高實時控制性能。如果對控制器的可靠性和控制性能要求較高，可選擇插槽式PLC，因為它擁有自己的操作系統，有可靠的數據存儲和準確的重新啟動功能。

    （三）應用特點

    應用特點為：①體現了IPC，PLC和DOC先進技術的集成。可充分利用PC平臺上的硬件和軟件資源，使控制系統更具特色；②系統更開放，應用更方便。軟件PLC通過自己開發工具提供的OPC功能和Active控件，既可連接Office軟件，也可連接用VB，VC開發的軟件；③基于PC+現場總線+分布式IO的控制系統簡化了復雜控制系統的體系結構，提高了通信效率和速度，降低了投資成本。

    三、技術優勢及其發展的制約因素

    （一）技術優勢

    軟PLC解決了傳統PLC的兼容性差、通用性差等問題，具有多方面的優勢。

軟PLC的硬件體系結構不再封閉，用戶可以自己選擇合適的硬件組成滿足要求的軟PLC。
傳統PLC的指令集是固定的，而實際工業應用中可能需要定義算法。軟PLC指令集可以更加豐富，用戶可以使用符合標準的操作指令。
PC機廠家的激烈競爭使得基于PC機的軟PLC的性價比得以提高。
傳統PLC限制在幾家廠商生產，具有私有性，因此很難適應現有標準計算機網絡，常常是PLC與計算機處在不同類型的網絡中。軟PLC不僅能加入到已存在的私有PLC網絡中，而且可以加入到標準計算機網絡中。這使得現有計算機網絡的很多研究成果很容易地應用到PLC控制技術中。
軟PLC的技術是基于IEC61131-3標準的，因此在掌握標準語言后開發就比較容易。
    （二）發展的制約因素

    盡管軟PLC技術具有很大的發展潛力，但是這項技術的實現需要解決一些重要的問題。其中主要是以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WindowsNT，但是它并不是一個硬實時的操作系統。傳統PLC具有硬實時性，正因為如此它才能提供快速、確定而且可重復的響應。而要讓WindowsNT具有硬實時性，必須對它進行擴展，使得PC的控制任務具有最高的優先級，不因為NT的系統功能和用戶程序的調用而被搶占。現在，我們可以通過一些方法將實時性能加入到NT系統中去。比如，修改NT的硬件抽象層，或者NT與一種經過實用驗證的硬實時操作系統組合。另外，WindowsCE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。

    四、軟PLC技術應用控制方案

    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或EPC的控制方案

    在這種控制應用方案中，系統的軟件平臺可以采用WindowsNT，WindowsCE或Linux等，通用IO板卡和IO接線端子板（或現場總線卡、現場總線以及遠程IO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開發系統（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，及其控制方案和過程。

    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（如WindowsCE）。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，開發系統編寫的應用程序通過RS232或TCPIP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。

    五、結束語

    軟PLC技術相對于傳統PLC，以其開放性、靈活性和較低的價格占有很大優勢。它簡化了工廠自動化的體系結構，把控制、通信、人機界面及各種特定的應用全都合為一體，運用于同一個硬件平臺上。軟PLC技術也存在著一些問題，例如，由于軟PLC的運行環境是Windows操作系統，所以實時性不強；定時器最大存在一個掃描周期的誤差；掃描周期較長等。但是，這些問題可以通過改變運行環境、改進執行算法等方法加以解決。只要它們能實現控制的時間確定性，即保證能以時間高度一致的方式執行控制指令序列，并具有可預測的結果或行為。軟PLC在未來的工業電氣控制中定會占據重要的席位。成為繼現場總線技術發展的新亮點。