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附錄 1：外文翻譯
軟PLC 運行系統(tǒng)的研究
摘要
基于 PC 機的自動控制系統(tǒng)具有成本低、開放性好、使用方便等優(yōu)點，其成為自動化技術的一個新方向。國際標準 EIC61131-3 的制定，不僅使工業(yè)控制在編程語言領域發(fā)展，而且還提供了 PLC 技術的發(fā)展狀況。
本文介紹了軟 PLC 的理論，論述了基于 EIC61131-3 標準的 PLC 的軟件模型和實現(xiàn)，詳細描述了軟 PLC 運行系統(tǒng)和程序的實現(xiàn)原理，設計了基于工業(yè) PC 的軟 PLC 運行系統(tǒng)軟件，構建了基于工業(yè) PC 機的系統(tǒng)，最后對軟邏輯控制系統(tǒng)的實時性能和軟 PLC 的可靠性進行了驗證。結果表明，系統(tǒng)可靠，控制效果良好。
關鍵詞：軟 PLC；運行系統(tǒng)；虛擬機；指令系統(tǒng)；編程 ；IEC613-311
1. 前言
軟 PLC 技術是一種基于 PC 機的新型控制技術，與傳統(tǒng)的 PLC 相比，具有開放的體系結構，強大的網(wǎng)絡通信能力，高級的數(shù)據(jù)處理能力，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化的要求，是目前在工業(yè)自動化領域的一個熱點。
所謂軟 PLC，是以 PC 機為硬件支撐平臺，利用軟件實現(xiàn)傳統(tǒng) PLC 的基本功能。將 PLC 控制功能封裝在軟件中，在 PC 機環(huán)境下運行。
該控制系統(tǒng)提供了具有相同功能的 PLC 控制系統(tǒng)，但具有 PC 機的優(yōu)點，根據(jù)PLC 的傳統(tǒng)結構，將軟 PLC 的實現(xiàn)分為開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分。軟 PLC 運行系統(tǒng)是軟 PLC 的核心，對程序進行執(zhí)行并對輸入輸出進行處理。
本文介紹了傳統(tǒng) plc 的特點和發(fā)展趨勢，描述了軟 PLC 的體系結構、軟件模型。此外，根據(jù)國際標準 IEC61131-3 和西門子 S7-200 的指令集，對軟 PLC 運行系統(tǒng)的設計。然后介紹了軟 PLC 運行系統(tǒng)的體系結構，并對整個操作系統(tǒng)進行了測試。測試功能表明，系統(tǒng)功能達到預期要求，運行良好。
2. 軟 plc 的幾種實現(xiàn)方案
目前，軟 PLC 控制系統(tǒng)有三種方案，一種是傳統(tǒng)的 plc 控制系統(tǒng)。該方案以硬件 PLC 為硬件平臺，定制 PLC 的運行系統(tǒng)，并鞏固它在 PLC 硬件中的作用。這種控制方案的缺點是運行系統(tǒng)是定制的，但是對某些定制的 PLC 制造，系統(tǒng)維護和升級是困難的，不是開放的。第二種控制方案是基于嵌入式的控制器。嵌入式控制器是
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一個超小型計算機系統(tǒng)，其軟件平臺是嵌入式操作系統(tǒng)。這種控制方案更適合于小型實時控制器。最后一種是基于工控機（IPC）的控制系統(tǒng)。在這種控制方案中， 系統(tǒng)的軟件平臺上可以使用 Windows NT 和其他實時操作系統(tǒng)，在硬件接口中使用一個通用 I/O 卡和 I/O 端子板（或現(xiàn)場總線卡，和遠程 I/O 模塊）?；诠I(yè) PC 控制系統(tǒng)的軟 PLC 可以充分利用 PC 機豐富的軟硬件資源，易于構建總線控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。本文將研究基于工控機操作系統(tǒng)的軟 plc。
3. 第一個國際標準提供標準化編程的 IEC61131-3 標準
IEC61131-3 標準是第一個為工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)的軟件設計提供標準化編程語言的國際標準。IEC61131-3 標準是基于 IEC 工作組的基礎上被全球制造商的吸收和借鑒的 PLC 編程語言，其形成一種新的國際語言的工作環(huán)境?；?IEC61131-3 標準的軟件模型，如下圖所示。
圖 2 基于 IEC61131—3 標準的軟件模塊
在 PLC 軟件模型與不同硬件的配置下，可以建立多種實際控制系統(tǒng)。在應用軟件設計方面，在基于 IEC61131-3 標準的遵循軟件模塊化的原則規(guī)劃設計的情況下， 可以將復雜的項目分解為幾個獨立的模塊，每個模塊將常用的程序分成若干功能單元，這就是程序，功能塊和程序，及封裝了這些單位的部件構成了編程的基礎。4．軟 plc 系統(tǒng)虛擬機的實現(xiàn)
軟 PLC 運行系統(tǒng)是整個軟 PLC 系統(tǒng)的核心。通過對整個系統(tǒng)進行管理，對程序進行解釋，并與編程系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，可以將軟 PLC 運行系統(tǒng)的結構分為三個部分：通信模塊、運行核心模塊和 I/O 驅動模塊。這個工程的方案見圖 3。
運行系統(tǒng)的核心是軟 PLC 虛擬運行機，其對應用程序進行解釋、組織和執(zhí)行。本文主要介紹了軟 PLC 運行系統(tǒng)虛擬機的實現(xiàn)。
4.1 虛擬機的工作原理與結構
虛擬機的本質與計算機 CPU 的硬件相似，其核心功能是重復獲取值、解釋代碼
和執(zhí)行過程，僅適用于軟 PLC。有些功能由軟件完成，這些功能的實現(xiàn)分為兩種： 一種是基于寄存器的，這種方法的優(yōu)點是指令執(zhí)行速度快，過程透明，易于調試； 另一種是基于堆棧的，適合于小程序，其占用內存少，調用功能快。
由于調用函數(shù)棧的快捷性，本文采用此方案作為虛擬機的設計，虛擬機的功能模塊包括：指令讀取子模塊、指令分析子模塊、邏輯指令子模塊、功能操作指令子模塊等。
4.2 目標代碼的制定
圖 4 目標代碼、虛擬機與操作系統(tǒng)的關系
目標代碼是運行在虛擬機中的代碼。在本文所研究的軟 PLC 中，目標代碼是在軟 PLC 開發(fā)系統(tǒng)中編譯的二進制代碼，并在軟 PLC 運行的虛擬機系統(tǒng)中執(zhí)行完成控制功能。目標代碼的關系與虛擬機和操作系統(tǒng)示于圖 3。
本文所實現(xiàn)的軟 PLC 中的配置、資源、任務和運行時程序等是基于 IEC61131-3 標準的 PLC，一個配置對應一個 PLC 系統(tǒng)，每個配置都有多個資源，任務的概念在資源中有描述。整個系統(tǒng)是多線程程序，同時執(zhí)行多個控制任務。
目標代碼的格式是：在開發(fā)系統(tǒng)中生成的文件是一種形式文件，可以描述系統(tǒng)中的各種配置，編譯器還可以生成運行虛擬機的控制算法。
4.3 虛擬機指令系統(tǒng)
本文開發(fā)的虛擬指令包括 19 個基本指令、4 個功能指令和 3 個程序控制指令?；局噶畎ǎ篖D,AND,OR,OUT,LDN,ANDN,ORN,ANI,OUTI,LDNI,ORNI,NOT,SET, CLEAR,ALD,OLD;功能包括：TON,TONR,TOF，CONT;控制指令包括：SUBCALL,END, RETURN。
4.4 虛擬機軟件設計
虛擬機是在實際處理器中實現(xiàn)的一種想象型計算機。虛擬機的主要功能是運行特 定規(guī)則的描述語言。虛擬機的一個重要特點是在計算機硬件和軟件之間增加了一個 硬件的抽象層，當將虛擬機移植到其他操作系統(tǒng)平臺時，它的應用程序不需要更改。
根據(jù)軟件裝配的設計思想，將整個 PLC 系統(tǒng)劃分為幾個獨立的功能軟件模塊，
模塊間定義了規(guī)范化的接口，各軟件模塊的組成如下所示。
圖 5 軟 PLC 軟件模塊框圖
選用普通PC 機作為整個控制系統(tǒng)的硬件平臺，軟件平臺為WindowsXP + rtx8.0， 通用 I/O 卡作為輸入輸出模塊，其他卡也可以用于處理模擬或數(shù)字信號，本系統(tǒng)使用的卡是研華 PCI-1710 卡。 下面簡要描述虛擬機的主要功能。首先是 vm_init() 函數(shù)用來初始化系統(tǒng)，其主要功能是用來初始化虛擬機的登記、人工構建的空間地址，讀取中間代碼進入人工的地址空間，并設置堆棧指針，初始值的程序指針，空的定時器和計數(shù)器等功能。二是 vm_check()是用于驗證的目標代碼，它的主要功能是用來驗證目標代碼讀入內存的正確性。最后是 vm_main()，vm_main()的主要功能是用來執(zhí)行目標代碼。虛擬機以中間代碼文件形式的第一指令執(zhí)行指令，直到處理完指令，然后虛擬機完成一次掃描循環(huán)的程序執(zhí)行階段。
5．軟 PLC 運行系統(tǒng)的測試
為了全面客觀地評價軟 PLC 的性能，需要對整個運行系統(tǒng)進行全面的測試。虛擬機測試是虛擬機測試的主要內容，包括虛擬機的實時性、準確性和可靠性。
為了驗證虛擬機的實時性，我們使用示波器和系統(tǒng)提供的時間函數(shù)測試了 2000 種邏輯指令，根據(jù)示波器的閃爍時間和示波器的電平變化來測試程序的執(zhí)行時間。
經(jīng)過測試，用于執(zhí)行 2000 個邏輯指令的時間為 500 微秒，而普通 PLC 的掃描時間為毫秒。虛擬機實現(xiàn)了實時的設計目標。為驗證虛擬機的可靠性，本系統(tǒng)運行時間長，系統(tǒng)工作可靠，能達到工業(yè)現(xiàn)場的可靠性要求。
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