嵌入式PLC——EmbeddedTypePLC
發(fā)布日期：2022-04-22 點(diǎn)擊率：69 品牌：EMB
1引言：嵌入式PLC概念
嵌入式PLC是指在特定的控制裝置中實(shí)現(xiàn)PLC（Programable Logic Controller）梯形圖編程語(yǔ)言的解釋、執(zhí)行，使特定裝置在自身專(zhuān)用功能基礎(chǔ)上具有PLC的基本功能。
梯形圖是一種面向工廠自動(dòng)化工程師的圖形化PLC編程語(yǔ)言。梯形圖具有簡(jiǎn)潔、直觀，面向工藝流程等許多優(yōu)點(diǎn)。PLC編程語(yǔ)言的出現(xiàn)使控制裝置中的硬件管和面向控制流程分離，PLC制造商專(zhuān)注于硬件及硬件管理，工廠自動(dòng)化人員借助梯形圖語(yǔ)言作二次開(kāi)發(fā)，使同一種PLC適用于不同的控制系統(tǒng)中，形成了可編程邏輯控制器（PLC）這種平臺(tái)級(jí)產(chǎn)品。
但控制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已發(fā)展到一個(gè)追求個(gè)性化、差異化設(shè)計(jì)的階段。常規(guī)PLC無(wú)法進(jìn)入的市場(chǎng)，通常面臨更多的是個(gè)性化、差異化的壓力。如成本控制、特殊功能等。出現(xiàn)了工控機(jī)（IPC）、單片機(jī)、嵌入板等更貼近個(gè)性化需求的控制產(chǎn)品。IPC在互連、表達(dá)、算法等方面優(yōu)勢(shì)明顯，單片機(jī)系統(tǒng)在成本控制上更加靈活。IPC由于加載了操作系統(tǒng)（如NT）其實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性難以滿足連續(xù)控制的苛刻要求，通常用于監(jiān)控。低層通常用PLC。單片機(jī)系統(tǒng)將硬件管理和用戶工藝流程控制混在一起，制約了它的標(biāo)準(zhǔn)化，并最終失去成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
嵌入式PLC正是面向IPC和單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，它保留了PLC（借助梯形圖語(yǔ)言）硬件管理和工藝控制分離的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合IPC和單片機(jī)提供的更個(gè)性化、差異化的設(shè)計(jì)方法，形成一種新的控制器設(shè)計(jì)理念。當(dāng)我們?cè)贗PC中嵌入PLC的功能時(shí)，我們稱(chēng)之為基于PC Base的嵌入式PLC，當(dāng)我們?cè)趩纹瑱C(jī)中嵌入PLC功能時(shí)，我們稱(chēng)它為基于All ON One的嵌入式PLC（片級(jí)嵌入PLC）。未特別說(shuō)明時(shí)，嵌入式PLC指片級(jí)嵌入式PLC，也就是本文提出的嵌入式PLC。以下描述以8位單片機(jī)C8051F040為硬件的以科威公司EASYV1.00版嵌入式PLC軟件架構(gòu)。
目前，關(guān)于專(zhuān)用PLC有軟PLC和客制式PLC兩種。軟PLC指高端嵌入的含通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的PLC軟件，客制式PLC是指根據(jù)用戶需求定向設(shè)計(jì)的PLC。相關(guān)技術(shù)在德國(guó)、臺(tái)灣、南韓均有突破，屬于嵌入式PLC的范疇。
2 嵌入式PLC軟件架構(gòu)
2.1 總體結(jié)構(gòu)
EASY V1.00嵌入式PLC是一種實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的操作系統(tǒng)軟件，總體結(jié)構(gòu)包括三個(gè)層面，如圖1所示。
（1）嵌入式PLC內(nèi)核 它完成實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，梯形圖語(yǔ)言解釋、執(zhí)行、通訊等基本功能，并提供二次開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)接口；
（2）二次開(kāi)發(fā)程序 通過(guò)內(nèi)核提供的外掛任務(wù)，使用內(nèi)核開(kāi)發(fā)各種面向具體對(duì)象個(gè)性化差異化的驅(qū)動(dòng)程序；
（3）終端應(yīng)用程序 指面向工藝流程控制的梯形圖語(yǔ)言編程；
圖1 EASY V1.00總體結(jié)構(gòu)
對(duì)于二次開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)面向個(gè)性化對(duì)象的驅(qū)動(dòng)程序，必須了解嵌入式PLC內(nèi)核結(jié)構(gòu)，尤其是驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)方法，下面分塊介紹內(nèi)核的各塊功能。
2.2 實(shí)時(shí)OS
面向小型單片機(jī)，一般的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)無(wú)法加載，OS/Ⅱ 占用了過(guò)多的資源，EASY V1.00內(nèi)核根據(jù)任務(wù)的類(lèi)別、實(shí)時(shí)要求、定制了一款專(zhuān)用實(shí)時(shí)OS，它無(wú)文件系統(tǒng)和內(nèi)存管理兩部分。
（1）硬實(shí)時(shí)狀態(tài)下的搶占式并發(fā)任務(wù)管理
EASY V1.00內(nèi)核提供2.5ms基準(zhǔn)時(shí)基，它作為一種不可剝奪的任務(wù)循環(huán)執(zhí)行用于各類(lèi)任務(wù)的監(jiān)控管理。
對(duì)于工控應(yīng)用中的異步事件采用并發(fā)式任務(wù)管理，通過(guò)各類(lèi)中斷搶占任務(wù)的掛起、執(zhí)行，每類(lèi)異步任務(wù)執(zhí)行前，在2.5ms任務(wù)中注冊(cè)，執(zhí)行后注銷(xiāo)，通過(guò)2.5ms時(shí)基監(jiān)控并發(fā)任務(wù)的流量及阻塞狀況并報(bào)字到上一級(jí)任務(wù)調(diào)度。
（2）EASY V1.00中異步任務(wù)
· 通信數(shù)據(jù)鏈絡(luò)層的字節(jié)流
· 梯形圖語(yǔ)言中的定時(shí)器
· 二次開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序中的實(shí)時(shí)異步任務(wù)
并發(fā)任務(wù)管理是EASY V1.00中最低層的任務(wù)管理，達(dá)到ms級(jí)實(shí)時(shí)效果，單位時(shí)間內(nèi)（1ms）占用CPU機(jī)時(shí)峰值為:
T并＝
Ni——1ms內(nèi)任務(wù)的最大執(zhí)行次數(shù)，ti——任務(wù)的一次執(zhí)行最大時(shí)間。
EASY V1.00并發(fā)任務(wù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。
表1 EASY V1.00并發(fā)任務(wù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
任務(wù)類(lèi)別 不可剝奪任務(wù) 通信字節(jié)流任務(wù) 梯形圖定時(shí)器 驅(qū)動(dòng)并發(fā)任務(wù)
2.5ms時(shí)基 串口0 串口1 CAN
執(zhí)行次數(shù)（N1） 1 1 1 1 1 ND
執(zhí)行時(shí)間（T） 10μs+ΔT 25μs 25μs 50μs 40μs tD
表2 EASY V1.00并發(fā)任務(wù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)
任務(wù)類(lèi)別 梯形圖 通訊 函數(shù)調(diào)用 用戶軟中斷
任務(wù)個(gè)數(shù) 1 3 1 m4
任務(wù)時(shí)間 1-20μs 1-10μs 1-5μs t4
T片＝3－45μs+t4
t4為用戶軟中斷任務(wù)占用時(shí)間和。
“掃描周期”指解釋、執(zhí)行所有梯形圖指令并執(zhí)行掃描結(jié)束處理所占用的時(shí)間，由于這期間有并發(fā)任務(wù)產(chǎn)生，“掃描周期”應(yīng)包括并發(fā)任務(wù)占用時(shí)間。
并發(fā)任務(wù)占用比：
X＝T并/ 1ms ＝ （150μs+ΔT+ ）/1000μs ＝15%－100%
設(shè)用戶梯形圖含M條指令
T掃＝（M?T片+ΔTend）/X
ΔTend為掃描結(jié)束處理占用時(shí)間。
2.3 內(nèi)存管理
ESAYV1.00的運(yùn)行數(shù)據(jù)空間包括64K外部RAM+256字節(jié)CPURAM，將其分解為系統(tǒng)占用區(qū)、PLC資源區(qū)、用戶嵌入數(shù)據(jù)區(qū)三部分。
（1）系統(tǒng)占用區(qū)
系統(tǒng)占用區(qū)是EASYV1.00運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存、狀態(tài)保持、系
統(tǒng)堆棧等不對(duì)PLC及用戶開(kāi)設(shè)的域區(qū)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的初始化運(yùn)行中的監(jiān)視都由實(shí)時(shí)OS管理，PLC及用戶嵌入程序不得非法侵入。
（2）PLC資源區(qū)
梯形圖語(yǔ)言管理的數(shù)據(jù)區(qū)包括位區(qū)、字區(qū)兩部分。通常以元件形式體現(xiàn)。
·輸入繼電器X：X0-X177 128點(diǎn)位型
·輸出繼電器Y：Y0-Y177 128點(diǎn)位型
·中間繼電器M：M0-M1535 1536點(diǎn)位型
·專(zhuān)用中間繼電器M8000-M8255 256點(diǎn)位型
·狀態(tài)繼電器S：S0-S999 1000點(diǎn)位型
·時(shí)間繼電器T：T0-T255 256點(diǎn)位型+字型
·計(jì)數(shù)器C：C0-C255 256點(diǎn)位型+字型
·通用數(shù)據(jù)寄存器D：D0-D7999 8000個(gè)字型
·專(zhuān)用數(shù)據(jù)寄存器D：D8000-D8255 256個(gè)字節(jié)
所有PLC資源是梯形圖運(yùn)行時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的區(qū)域，是終端應(yīng)用層可視化區(qū)域，用戶嵌入的驅(qū)動(dòng)程序，可使用對(duì)應(yīng)元件的絕對(duì)地址進(jìn)行存取，實(shí)現(xiàn)了嵌入程序與PLC梯形圖之間的數(shù)據(jù)交換。
（3）用戶嵌入數(shù)據(jù)區(qū)
當(dāng)用戶以EASYV1.00內(nèi)核設(shè)計(jì)各種嵌入系統(tǒng)時(shí)，需針對(duì)具體硬件做必要的驅(qū)動(dòng)程序，該部分程序的私有數(shù)據(jù)存放于用戶嵌入數(shù)據(jù)區(qū)，公有數(shù)據(jù)存放于PLC的資源區(qū)，用戶嵌入數(shù)據(jù)區(qū)分配如下：
CPU內(nèi)部：位區(qū)（bitRAM）:20H-23H 4bytes
字節(jié)區(qū)（DRAM）:58H-67H 16bytes
外部數(shù)據(jù)存取器：字節(jié)區(qū)（XRAM）:3600H-3FFFH 2560bytes
2.4 梯形圖語(yǔ)言
EASYV1.00梯形圖語(yǔ)言是一種解釋性語(yǔ)言，每一條梯形圖語(yǔ)句對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的函數(shù)調(diào)用，逐句掃描直至END為一個(gè)掃描周期，EASYV1.00支持86條梯形圖指令。
（1）基本指令(27條)
助記符 名稱(chēng) 助記符 名稱(chēng)
LD 讀取常開(kāi)點(diǎn) LDF 讀取下降沿
LDI 讀取常閉點(diǎn) ANDP 串接上升沿
AND 串入常開(kāi)點(diǎn) ANDF 串接下降沿
ANDI 串入常閉點(diǎn) ORP 并接上升沿
OR 并入常開(kāi)點(diǎn) ORF 并接下降沿
ORI 并入常閉點(diǎn) INV 運(yùn)算觸點(diǎn)取反
ANB 電路塊串聯(lián) MPS 運(yùn)算觸點(diǎn)壓棧
ORB 電路塊并聯(lián) MRD 讀出壓棧觸點(diǎn)
OUT 線圈輸出 MPP 彈出壓棧觸點(diǎn)
SET 線圈輸出保持 MC 主控
RST 清除線圈輸出 MCR 主控結(jié)束
PLS 上升沿輸出脈沖 NOP 空操作
PLF 下降沿輸出脈沖 END 程序結(jié)束
LDP 讀取上升沿
（2）步進(jìn)順控指令(2條)
助記符 名稱(chēng) 助記符 名稱(chēng)
STL 步進(jìn)梯形圖開(kāi)始 RET 步進(jìn)梯形圖結(jié)束
注：步序狀態(tài)轉(zhuǎn)移只能用SET,當(dāng)用OUT時(shí)視作普通繼電器。
（3）功能指令(56條)
助記符 名稱(chēng) 助記符 名稱(chēng)
程序流程 CJ 條件跳轉(zhuǎn) 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 ECMP 2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)比較
CALL 子程序調(diào)用 EZCP 2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)區(qū)域比較
SRET 子程序返回 EBCD 2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)10進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)
FEND 主程序結(jié)束 EBIN 10進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)
FOR 循環(huán)范圍開(kāi)始 EADD 2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)加法
NEXT 循環(huán)范圍結(jié)束 ESUB 2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)減法
傳送與比較 CMP 比較 EMUL 2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)乘法
ZCP 區(qū)域比較 EDIV 2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)除法
MOV 傳送 ESQR 2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)開(kāi)方
CML 取反傳送 INT 2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)BIN整數(shù)
BCD BCD轉(zhuǎn)換 FLT BIN整數(shù)轉(zhuǎn)2進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)
BIN BIN轉(zhuǎn)換 接點(diǎn)運(yùn)算 LD= 讀取“等于比較節(jié)點(diǎn)”
四則邏輯運(yùn)算 ADD BIN加法 LD> 讀取“大于比較節(jié)點(diǎn)”
SUB BIN減法 LD< 讀取“小于比較節(jié)點(diǎn)”
MUL BIN乘法 LD<> 讀取“不等于比較節(jié)點(diǎn)”
DIV BIN除法 LD≦ 讀取“小于等于比較節(jié)點(diǎn)”
INC BIN加1 LD≧ 讀取“大于等于比較節(jié)點(diǎn)”
DEC BIN減1 AND= 串聯(lián)“等于比較節(jié)點(diǎn)”
WAND 邏輯字與 AND> 串聯(lián)“大于比較節(jié)點(diǎn)”
WOR 邏輯字或 AND< 串聯(lián)“小于比較節(jié)點(diǎn)”
WXOR 邏輯字異或 AND<> 串聯(lián)“不等于比較節(jié)點(diǎn)”
NEG 求補(bǔ)碼 AND≦ 串聯(lián)“小于等于比較節(jié)點(diǎn)”
SQR BIN開(kāi)方 AND≧ 串聯(lián)“大于等于比較節(jié)點(diǎn)”
循環(huán)與移位 ROR 循環(huán)右移 OR= 并聯(lián)“等于比較節(jié)點(diǎn)”
ROL 循環(huán)左移 OR> 并聯(lián)“大于比較節(jié)點(diǎn)”
RCR 帶進(jìn)位循環(huán)右移 OR< 并聯(lián)“小于比較節(jié)點(diǎn)”
RCL 帶進(jìn)位循環(huán)左移 OR<> 并聯(lián)“不等于比較節(jié)點(diǎn)”
OR≦ 并聯(lián)“小于等于比較節(jié)點(diǎn)”
OR≧ 并聯(lián)“大于等于比較節(jié)點(diǎn)”
（4）專(zhuān)家指令(1條)
助記符 名稱(chēng)
PID 專(zhuān)家算法
2.5 EASYV1.00通信
EASYV1.00內(nèi)核包括串口0、串口1、CANbus三個(gè)通信接口，每個(gè)接口均定制了相應(yīng)的通信協(xié)議，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。
（1）串口0
l 用戶嵌入程序下載
在編程狀態(tài)下,通過(guò)串口0下載用戶嵌入程序.
嵌入程序下載軟件為科威公司軟件Downhex.
l 梯形圖下載
在設(shè)置狀態(tài)下,通過(guò)串口0下載梯形圖程序.
下載工具軟件為科威公司軟件EasyWin或三菱公司軟件FXGP_WIN-C.
l 梯形圖程序監(jiān)控
在運(yùn)行狀態(tài)下,通過(guò)串口0連接人機(jī)界面(如HITECH,EVIEW,DELTA,三菱等)和計(jì)算機(jī),對(duì)梯形圖程序和控制參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控.
（2）串口1
l 下載CAN網(wǎng)絡(luò)配置內(nèi)容
在設(shè)置(SET)狀態(tài)下,下載CAN網(wǎng)絡(luò)配置內(nèi)容.
編輯下載CAN網(wǎng)絡(luò)配置軟件為科威公司軟件CANSET.
l RS485網(wǎng)絡(luò)連接端口
在運(yùn)行(RUN)狀態(tài)下,作為RS485主從式網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換接口.
該接口網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由內(nèi)核自動(dòng)加載,遵循該協(xié)議的子節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)連入該網(wǎng)絡(luò).如運(yùn)動(dòng)控制器的擴(kuò)展鍵盤(pán)連接.
（3）CANbus通信
EASYV1.00內(nèi)核含CANbus現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，在CAN2.0B基礎(chǔ)上，加載了專(zhuān)用的主從式結(jié)構(gòu)的高層協(xié)議，借助梯形圖語(yǔ)言，對(duì)CANbus占用的PLC資源進(jìn)行管理（CANbus文件寄存器）即可實(shí)現(xiàn)CANbus互連。
2.6 函數(shù)調(diào)用
EASYV1.00系統(tǒng)提供嵌入驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)調(diào)用，為嵌入程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了EASYCORE.LIB函數(shù)庫(kù)，用戶在嵌入時(shí)，只要包含該文件（include EASYCORE.LIB）即可調(diào)用系統(tǒng)提供的各類(lèi)應(yīng)用函數(shù)，如整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，數(shù)據(jù)變換等函數(shù)。
2.7 用戶中斷系統(tǒng)
EASYV1.00運(yùn)行在C8051F040CPU上時(shí)，給用戶提供了13種中斷，如事件中斷、SPI、IIC、A/D、D/A、比較、捕獲等。
系統(tǒng)中斷入口地址重定向?yàn)镋000H開(kāi)始的區(qū)域
ADR=ADR0+E000H
ADR0---F040中斷入口地址
3 結(jié)束語(yǔ)
嵌入式PLC提出了一種以過(guò)程控制語(yǔ)言（梯形圖語(yǔ)言）核心的新型嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。既可以作為PLC產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，也可以作為常規(guī)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以嵌入式PLC方式進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)提高了開(kāi)發(fā)速度，更適應(yīng)貼近客戶需求的個(gè)性化、差異化設(shè)計(jì)要求。面對(duì)工控市場(chǎng)日益細(xì)分的完備體系，嵌入式PLC在DCS、IPC、PLC、單片機(jī)的交叉市場(chǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
