賴寶鵬，李志斌，熊杰，方毅然

　　（上海電力學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090）

       摘要：針對(duì)科學(xué)研究人員研究的智能控制算法難以便捷地直接應(yīng)用于實(shí)際控制器中這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的軟PLC控制器。智能控制算法可先由Simulink建模仿真后通過Simulink PLC Coder工具生成符合IEC611313標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本語言，然后自動(dòng)加載入PLC開發(fā)軟件中，達(dá)到便捷地把智能算法移植到所設(shè)計(jì)的軟PLC控制器中進(jìn)行測(cè)試或工程化運(yùn)用。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的軟PLC控制器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，控制效果與Simulink仿真結(jié)果一致。此控制器對(duì)于大力推動(dòng)科研成果更快地轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)用產(chǎn)品具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：嵌入式；控制器；軟PLC；Simulink PLC Coder；STM32處理器

　　中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.001

　　引用格式：賴寶鵬，李志斌，熊杰，等.便于移植智能算法的軟PLC控制器設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（5）：1-3,7.

0引言

　　2015年5月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》，提出中國(guó)制造必須主攻智能制造［1］。智能制造核心在于智能控制，而智能控制主要是由智能控制器和智能控制算法組成。科學(xué)研究人員算法研發(fā)能力決定了智能算法的發(fā)展速度。然而，由于缺少實(shí)際應(yīng)用的背景，很難把理論成果進(jìn)行工程化驗(yàn)證。傳統(tǒng)的控制器，由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的原因，往往很難通過二次開發(fā)來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)算法的可靠性。同時(shí)，算法研發(fā)人員很難有精力去自主研發(fā)一種通用的算法驗(yàn)證平臺(tái)。因此，實(shí)際問題建模仿真后，如何將理論成果進(jìn)行工程驗(yàn)證，這個(gè)問題一直困擾著研發(fā)人員［2］。本文設(shè)計(jì)了一種軟PLC控制器，它能充分利用科研機(jī)構(gòu)的研究成果以及他們擁有的強(qiáng)大的算法研發(fā)能力來搭建合理的數(shù)學(xué)模型，使模型的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性與被控對(duì)象一致，在此模型上添加智能算法，并進(jìn)行仿真調(diào)試［3］。最后把算法移植到所設(shè)計(jì)的軟PLC控制器中，可便捷地把理論成果轉(zhuǎn)換為實(shí)際工程應(yīng)用。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)總體框架由軟PLC內(nèi)核系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、基于模型的算法開發(fā)系統(tǒng)三部分組成。嵌入式系統(tǒng)作為底層軟、硬件平臺(tái)；軟PLC內(nèi)核系統(tǒng)作為中間層負(fù)責(zé)PLC代碼的解釋翻譯；算法開發(fā)系統(tǒng)作為科學(xué)研究人員的上層高級(jí)算法開發(fā)平臺(tái)，它負(fù)責(zé)智能算法的生成，同時(shí)也是算法向IEC611313標(biāo)準(zhǔn)語言轉(zhuǎn)換的平臺(tái)［45］。

　　1.1軟PLC內(nèi)核系統(tǒng)

　　本設(shè)計(jì)的軟PLC內(nèi)核選用菲尼克斯軟件提供的ProConOS eCLR。它基于.NET技術(shù)，是完全為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的內(nèi)核。ProConOS eCLR提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、開放、標(biāo)準(zhǔn)以及與平臺(tái)無關(guān)的編程接口。PLC程序開發(fā)軟件使用的是配套的MULTIPROG，該工具是專門用于設(shè)計(jì)和管理IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序，支持多種編程語言，允許用戶自定義庫。在軟PLC控制器中軟PLC內(nèi)核相當(dāng)于一個(gè)解釋器，用于解釋MULTIPROG下裝的目標(biāo)代碼，而不是將PLC運(yùn)用程序直接編譯成目標(biāo)芯片的機(jī)器指令文件［6］。

　　軟PLC內(nèi)核開發(fā)主要由固件庫、共享緩存區(qū)和I/O接口開發(fā)三部分組成。固件庫開發(fā)可使用現(xiàn)有的C++或者C#算法來搭建屬于自己行業(yè)的固件庫，是對(duì)基于模型算法設(shè)計(jì)的一種補(bǔ)充和擴(kuò)展。同時(shí)固件庫可以作為核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)封裝起來，形成差異化產(chǎn)品。固件庫的兩種開發(fā)方式如圖1所示。ProConOS eCLR內(nèi)核采用變址尋址方式，而嵌入式主要采用的是直接尋址方式，因此，需要采用共享緩存機(jī)制。共享緩存是用于ProConOS eCLR內(nèi)核與嵌入式的其他運(yùn)用程序之間的一種數(shù)據(jù)交換方式，它解決了ProConOS eCLR內(nèi)核和嵌入式尋址方式不同而引起出錯(cuò)的問題。I/O接口開發(fā)的核心原理在于ProConOS eCLR內(nèi)核并不關(guān)心外設(shè)的種類以及I/O點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型，它只是作為一個(gè)ProConOS eCLR與實(shí)際物理I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。系統(tǒng)開發(fā)工程師在I/O接口中實(shí)現(xiàn)的代碼主要負(fù)責(zé)采集本地或者總線I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)，返回給ProConOS eCLR內(nèi)核，以及將ProConOS eCLR輸出的數(shù)據(jù)發(fā)送到實(shí)際物理I/O設(shè)備或者現(xiàn)場(chǎng)總線I/O上。共享緩存開發(fā)和I/O驅(qū)動(dòng)開發(fā)一般都是用Native方式實(shí)現(xiàn)，并且一般都是通過配置文件的方式來加載。

　　1.2嵌入式系統(tǒng)

　　本文設(shè)計(jì)的軟PLC控制器采用意法半導(dǎo)體公司推出的工業(yè)級(jí)STM32F207ZG的32位高性能嵌入式微控制器，該微控制器基于ARM V7架構(gòu)的CortexM3內(nèi)核，主頻高達(dá)120 MHz，內(nèi)部含有128 KB的SRAM和1 024 KB的FLASH、自帶3個(gè)12位24通道的ADC和2個(gè)12位DAC、12個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)通用32位定時(shí)器、1個(gè)低功耗RTC、2個(gè)CAN接口、擁有114個(gè)通用I/O口等。適用于低功耗、低成本、高性能的嵌入式控制器中。控制器硬件電路包括：控制器芯片主電路、電源電路、I/O接口電路、存儲(chǔ)電路、通信電路等模塊。

　　系統(tǒng)由μC/OSIII作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)任務(wù)、中斷、內(nèi)存和其他資源的創(chuàng)建、刪除、管理和調(diào)度。μC/OSIII內(nèi)核代碼是完全開源的，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的深度定制。本設(shè)計(jì)軟PLC控制器通過IAR Embedded Workbench軟件移植軟PLC內(nèi)核到嵌入式系統(tǒng)中，主要包括配置與操作系統(tǒng)的接口、文件系統(tǒng)的接口、時(shí)鐘系統(tǒng)的接口、通信接口、板級(jí)支持包等內(nèi)容。操作系統(tǒng)通過OSTaskCreate函數(shù)把軟PLC內(nèi)核創(chuàng)建為μC/OSIII的一個(gè)較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)來運(yùn)行；設(shè)置系統(tǒng)滴答時(shí)間為1 ms；設(shè)置串口通信參數(shù)波特率為115 200、數(shù)據(jù)位為8位、停止位為1位、無奇偶校驗(yàn)位等。同時(shí)可根據(jù)控制對(duì)象需求來選擇性配置文件系統(tǒng)、總線、人機(jī)界面等［7］。

　　1.3基于模型的算法開發(fā)系統(tǒng)

　　本文采用一種基于Simulink建模仿真并自動(dòng)代碼生成的技術(shù)，它是一種強(qiáng)大的模塊化、圖形化的編程工具。其Simulink PLC Coder工具可根據(jù)Simulink模型生成獨(dú)立于硬件的符合特定PLC開發(fā)平臺(tái)配置的IEC611313標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化文本語言［8］。它使得基于模型的設(shè)計(jì)方法能在PLC上運(yùn)用。與傳統(tǒng)的PLC開發(fā)方式相比，這種基于模型的設(shè)計(jì)方法能使開發(fā)者在開發(fā)過程中不斷地完善系統(tǒng)模型，有效地減少了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試導(dǎo)致的事故發(fā)生［9］。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試

　　2.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2.1.1智能算法實(shí)現(xiàn)

　　MATLAB提供了豐富的demo以備參考。為了開發(fā)方便迅速，本設(shè)計(jì)直接利用MATLAB 提供的demo中的plcdemo_simple_subsystem.slx為模板。首先在MATLAB命令行中執(zhí)行命令plcdemo_simple_subsystem。把demo另存為自己的模板。打開參數(shù)配置面板（Simulation->Configuration Parameters），進(jìn)入PLC Coder的選項(xiàng)頁，Target IDE選為目標(biāo)PLC開發(fā)軟件。回到模型，雙擊進(jìn)入SimpleSubsystem，根據(jù)系統(tǒng)的建模和計(jì)算結(jié)果搭建自己的模型。

　　在電廠發(fā)電過程中，高壓高溫蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功后，進(jìn)入凝汽器冷卻后凝結(jié)成水。為了使蒸汽在凝汽器內(nèi)凝結(jié)成水，就必須不斷地將冷卻水送入凝汽器中的冷凝管內(nèi)與蒸汽進(jìn)行熱交換［10-11］。現(xiàn)以此對(duì)象的循環(huán)水系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度的PID控制為例來搭建Simulink模型并仿真。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算得系統(tǒng)的Kp=2.5、Ki=14、Kd=3.7，傳遞函數(shù)為：G(s)=1s2+300s+1。循環(huán)水系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度PID控制的Simulink模型結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

　　循環(huán)水系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度控制模型的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。

　　Simulink PLC Coder工具只能轉(zhuǎn)換離散模型，若為連續(xù)模塊，還需進(jìn)行離散化。選擇Analysis→Control Design→Model Discretizer，調(diào)出Simulink Model Discretizer工具將所有環(huán)節(jié)離散化，轉(zhuǎn)換方式可為Tustin，并修改采樣時(shí)間［12］。如果出現(xiàn)代數(shù)環(huán)問題，則只需在代數(shù)回路上添加unit delay模塊即可。右鍵單擊已創(chuàng)建的子模塊PIDControl，選擇PLC Coder→Generate and Import Code for Subsystem［13］。若編譯成功，將生成一個(gè).xml文件及診斷對(duì)話框，同時(shí)Simulink PLC Coder工具會(huì)直接根據(jù)Configuration Parameters的設(shè)置來自動(dòng)打開目標(biāo)IDE，并將自動(dòng)加載生成的固件庫到MULTIPROG中。在MULTIPROG中把它形成用戶庫,方便其他工程調(diào)用。在MULTIPROG的編輯向?qū)е羞x擇UNTITLED便可看到Simulink建模轉(zhuǎn)化生成的ST語言對(duì)應(yīng)的一個(gè)名為PIDControl的功能塊，可直接拖拽使用此功能塊。功能塊如圖5所示。對(duì)于具有內(nèi)部狀態(tài)的頂層子系統(tǒng)所自動(dòng)生成的功能塊會(huì)在輸入端自動(dòng)增加一個(gè)名為ssMethodtype的輸入口，它是一個(gè)特殊的輸入?yún)?shù)，可當(dāng)作功能選擇端口。為便于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將循環(huán)水系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)的模型去掉輸出反饋環(huán)節(jié)，將實(shí)測(cè)值SP作為輸出反饋值。圖5循環(huán)水系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度

　　2.1.2控制器硬件實(shí)現(xiàn)

　　軟PLC控制器設(shè)計(jì)主要參考IEC611312：2007標(biāo)準(zhǔn)（可編程序控制器第2部分：設(shè)備要求和測(cè)試）、IEC6100042標(biāo)準(zhǔn)（電磁兼容第2部分：靜電放電抗干擾試驗(yàn)）、IEC6100043標(biāo)準(zhǔn)（電磁兼容第3部分：試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)——輻射、射頻和電磁場(chǎng)的抗擾度試驗(yàn)）、IEC6100044標(biāo)準(zhǔn)（電磁兼容第4部分：試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)——電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)）來設(shè)計(jì)硬件。目前，軟PLC控制器樣機(jī)也制作完成。軟PLC控制器已在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。基本誤差滿足：（1）輸入信號(hào)為直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，不超過±（0.2%F.S+1d）；（2）輸入信號(hào)為數(shù)字量信號(hào)時(shí)，顯示正確邏輯值；（3）模擬量輸出時(shí)，不超過±0.2%F.S；（4）數(shù)字量輸出時(shí)，顯示正確邏輯值。在高低溫-20℃、25℃、60℃、80℃溫度點(diǎn)不停機(jī)連續(xù)運(yùn)行24 h未出現(xiàn)程序崩潰、數(shù)值異常變化的現(xiàn)象。同時(shí)也對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編程語言、軟件平臺(tái)、生產(chǎn)制造、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)可靠性、硬件冗余、硬件功能模塊、實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全等做了相應(yīng)的測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果良好，符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)要求。

　　2.2系統(tǒng)測(cè)試

　　在已建好的循環(huán)水系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件控制框架中添加PIDControl功能塊，編譯好后下裝入已連接好設(shè)備的軟PLC控制器中,得到圖6所示的循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線。

　　由圖6可知，實(shí)際控制效果與Simulink模型仿真相似，說明算法移植成功且控制效果良好、系統(tǒng)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了基于模型的算法開發(fā)與軟PLC控制器兩者的無縫連接。

3結(jié)論

　　本文以STM32為嵌入式硬件平臺(tái)、μC/OSIII為嵌入式軟件平臺(tái)、ProConOS eCLR軟PLC作為PLC內(nèi)核，設(shè)計(jì)了一種具有良好通用性、兼容性、可擴(kuò)展性以及不受軟硬件限制的軟PLC控制器，并介紹了結(jié)合Simulink建模仿真自動(dòng)生成符合IEC611313標(biāo)準(zhǔn)語言的算法生成方式。極

　　大地提升了理論向?qū)嶋H轉(zhuǎn)化的進(jìn)度，為算法工程師提供了一種簡(jiǎn)便的開發(fā)平臺(tái)。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的軟PLC控制器也能充分利用開放的平臺(tái)面向工業(yè)發(fā)展更加深入的專用智能控制器，體現(xiàn)出專屬化和定制化的特點(diǎn)與控制優(yōu)勢(shì)［14］。

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