【正文】 運(yùn)行周期分為三個(gè)階段即：讀輸入、程序運(yùn)算和寫輸出。每個(gè)PLC周期的時(shí)間不一定相同，主要原因在于程序運(yùn)算所占用的時(shí)間可能不同。圖 3圖3所示為軟PLC的運(yùn)行周期。前面提到，軟PLC需要在某些操作系統(tǒng)上運(yùn)行（如Windows NT或Windows CE系統(tǒng)）以完成一些通信和可視化界面的任務(wù)。那么，在使用同一個(gè)處理器的情況下，就需要對(duì)實(shí)時(shí)的PLC任務(wù)和非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行CPU資源上的分配。如圖3所示，在每個(gè)PLC周期開始時(shí)，CPU優(yōu)先執(zhí)行PLC任務(wù)，在完成了讀輸入、程序運(yùn)算、寫輸出三個(gè)階段后，才把該周期內(nèi)剩余的CPU資源交付給操作系統(tǒng)和HMI程序。因此，對(duì)于每個(gè)PLC周期而言，它每次執(zhí)行的時(shí)間間隔是固定的，從而保證了實(shí)時(shí)性，同時(shí)剩余的CPU資源也滿足了操作系統(tǒng)及HMI的需要。 軟PLC的軟件的組成軟PLC的軟件結(jié)構(gòu)可分為開發(fā)系統(tǒng)（編譯環(huán)境）和運(yùn)行系統(tǒng)（運(yùn)行環(huán)境）兩大部分。軟PLC的開發(fā)系統(tǒng)其實(shí)就是兼具編譯和調(diào)試功能的PLC編程器，具有五大功能：? 符合IEC611313標(biāo)準(zhǔn)的PLC編程語言，支持IL，ST，LD，F(xiàn)BD和SFC等多種編程語言且可相互轉(zhuǎn)換? 豐富的控制模塊，支持多種PID算法（如常規(guī)PID控制算法、自適應(yīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制? 開放的控制算法接口，支持用戶嵌入自己的控制算法模塊? 仿真運(yùn)行，實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，在線修改程序和編譯? 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。支持基于TCPIP網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程程序修改。軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)是軟PLC的核心，完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作。通常由六大部分組成：? IO接口，可與任何IO系統(tǒng)通信，包括本地IO系統(tǒng)和遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)，遠(yuǎn)程IO主要通過現(xiàn)場總線InterBus，ProfiBus，CAN等實(shí)現(xiàn)。? 通信接口，通過此接口使運(yùn)行系統(tǒng)可以和開發(fā)系統(tǒng)或HMI（或MMI）軟件按照各種協(xié)議進(jìn)行通信，如下載PLC程序或進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。? 系統(tǒng)管理器，處理不同任務(wù)和協(xié)調(diào)程序的執(zhí)行，而且從IO映像讀寫變量? 錯(cuò)誤管理器，檢測和處理程序執(zhí)行期間發(fā)生的各種錯(cuò)誤。? 調(diào)試內(nèi)核，提供多個(gè)調(diào)試函數(shù)，如重寫、強(qiáng)制變量、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置變量和地址狀態(tài)。? 編譯器，通常開發(fā)系統(tǒng)將PLC源程序編譯為中間代碼，再運(yùn)行系統(tǒng)編譯器將中間代碼翻譯為與硬件平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器可執(zhí)行代碼（即目標(biāo)碼）。 軟PLC的優(yōu)勢軟PLC這種基于PC的開發(fā)理念導(dǎo)致了其在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)PLC的諸多不同，隨著市場的發(fā)展與技術(shù)的不斷成熟，相比之下前者顯示出了許多優(yōu)勢。例如，軟PLC集成了了PC與PLC兩種先進(jìn)技術(shù)，提高了PC硬件的利用率，減少了硬件組件，經(jīng)濟(jì)型更加。軟PLC支持豐富的OPC、ActiveX組件以及VB、C++等高級(jí)語言開發(fā)的第三方軟件接口，具有較高的靈活性和可拓展性。軟PLC硬件結(jié)構(gòu)開放，用戶可根據(jù)實(shí)際需要自由搭配，且在未來需要擴(kuò)展時(shí)改動(dòng)較少。PC生產(chǎn)商眾多，不存在傳統(tǒng)PLC領(lǐng)域中幾大廠家壟斷的情況，價(jià)格上更具競爭力，隨著PC技術(shù)的快速發(fā)展，軟PLC的性能也與日俱增。3 硬件選型 硬件系統(tǒng)本設(shè)計(jì)中硬件組成部分主要為：IPC、電源模塊、輸入I/O模塊、輸出I/O模塊、紅綠按鈕燈等。圖 4圖4為IPC及所有模塊的俯視圖，從左到右劃分為5個(gè)部分，分別是：a) CX1020N001:USB2，DVI1b) CX1020N000:以太網(wǎng)口2c) CX10200000:CPU單元和散熱板，含LED診斷指示燈及CF卡槽d) CX11000002：電源模塊（KBus），為CPU及I/O端子模塊供電e) KL****：KBus總線I/O端子模塊，本例中為KL1104和KL2408 IPC選型整個(gè)硬件系統(tǒng)中最為核心的部分當(dāng)屬IPC，本設(shè)計(jì)選用的是德國倍福公司（Beckhoff）出產(chǎn)的CX1020嵌入式PC。CX1020 基本 CPU 模塊通過一個(gè)功能更為強(qiáng)大的 600MHz Intel174。 CPU 對(duì)現(xiàn)有CX 系列產(chǎn)品進(jìn)行了擴(kuò)展。雖然具有更高的性能，該控制器卻無需風(fēng)扇或者其它旋轉(zhuǎn)部件。除了 CPU 和芯片組之外，CX1020 模塊還包含各種尺寸的主內(nèi)存，標(biāo)配為 256MB 的 DDR RAM，它可以擴(kuò)展為 512MB 或者 1GB?？刂破鲝?CF 卡啟動(dòng)。TCX1020 的標(biāo)準(zhǔn)配置包括一個(gè) 64MB 的 CF 卡以及兩個(gè)以太網(wǎng) RJ 45 接口。這兩個(gè)接口與一個(gè)內(nèi)部交換機(jī)相連，用戶可以在不使用額外以太網(wǎng)交換機(jī)的情況下簡便地創(chuàng)建線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所有其它的 CX 系列組件都可通過設(shè)備兩端的 PC/104 接口連接。無源冷卻模塊包含在供貨范圍內(nèi)。操作系統(tǒng)可以是 Windows CE 或嵌入式 Windows XP。TwinCAT 自動(dòng)化軟件將 CX1020 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)功能強(qiáng)大的 PLC 和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以在帶或者不帶可視化功能的情況下進(jìn)行操作。與 CX1010 不同，CX1020 還可以通過 TwinCAT NC I 完成帶插補(bǔ)的軸運(yùn)動(dòng)。用戶也可以在基本 CPU 模塊中添加更多系統(tǒng)接口或者現(xiàn)場總線接口。CPU 模塊需要一個(gè) CX1100 型電源模塊。CX1020 可以和所有 CX1500 系列現(xiàn)場總線模塊以及 CX 系列的所有 CX1100 電源模塊配套使用。CX11000004 電源模塊在 CX1020 和 EtherCAT 端子模塊之間提供了一個(gè)直接接口。CX10EtherCAT 和 TwinCAT 的組合能夠使系統(tǒng)的周期和響應(yīng)時(shí)間小于 1 微秒。倍福 CX1020嵌入式PC的技術(shù)參數(shù)如下：表 1 倍福嵌入式PC CX1020 技術(shù)參數(shù)處理器Intel174。 Celeron174。 M ULV，1 GHz 時(shí)鐘頻率閃存64 MB CF 卡主內(nèi)存256 MB DDR RAM（可以擴(kuò)展到 512 MB，1GB）接口2 x RJ 45（以太網(wǎng)，內(nèi)部交換機(jī)）診斷 LED1 x 電源，2 x LAN 鏈接/功能，TC 狀態(tài)，1 x 閃存存取擴(kuò)展槽1 x I + II 型 CF 卡，帶彈出裝置時(shí)鐘由內(nèi)部電池供電的時(shí)鐘，用于顯示時(shí)間和日期操作系統(tǒng)Microsoft Windows CE 控制軟件TwinCAT PLC runtime系統(tǒng)總線16 位 ISA（PC/104 標(biāo)準(zhǔn)）電源通過系統(tǒng)總線供電（通過 CX1100xxxx 電源模塊）最大功耗11 W（包括 CX1020N0xx 系統(tǒng)接口）尺寸（W x H x D）96 mm x 112 mm x 98 mm重量約 550 g工作溫度/儲(chǔ)藏溫度0…+50 176。C/25…+85 176。C相對(duì)濕度95 %，無冷凝抗振動(dòng)/抗沖擊性符合 EN 6006826/EN 60068227/29 標(biāo)準(zhǔn)抗電磁干擾/靜電放電符合 EN 6100062 /EN 6100064 標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)等級(jí)IP 20 輸入模塊選型本設(shè)計(jì)中涉及到的輸入量均為數(shù)字量，因此選用倍福KBus系列總線端子模塊中的KL1104——4通道數(shù)字量輸入模塊。圖 5圖5為KL1104的俯視圖及接線圖：KL1104數(shù)字量輸入端子模塊從處理層獲得二進(jìn)制控制信號(hào)，并以電氣隔離的形式將這些信號(hào)傳輸?shù)礁邔拥淖詣?dòng)化單元。KL110帶有不同速度的輸入濾波。每個(gè)總線端子模塊含有 4 個(gè)通道，每個(gè)通道都有一個(gè) LED 用來顯示其信號(hào)狀態(tài)。KL1104特別適合安裝在控制柜內(nèi)，以節(jié)省空間。 輸出模塊選型本設(shè)計(jì)中涉及到的輸入量均為數(shù)字量，而且輸出點(diǎn)數(shù)較多，因此選用倍福KBus系列總線端子模塊中的KL2408——8通道數(shù)字量輸出模塊。KL2408（正向開關(guān)）數(shù)字量輸出端子模塊以電氣隔離的形式將自動(dòng)化單元傳輸過來的二進(jìn)制控制信號(hào)傳到處理層的執(zhí)行器上。KL2408具有極性反接保護(hù)功能。它們通過具有過載和短路保護(hù)功能的輸出端子模塊處理負(fù)載電流。每個(gè)總線端子模塊含有 8 個(gè)通道，每個(gè)通道都有一個(gè) LED 用來指示其信號(hào)狀態(tài)。它們特別適合安裝在控制柜內(nèi)，以節(jié)省空間。這種連接技術(shù)特別適用于單端輸入。所有組件所使用的參考點(diǎn)必須與 KL2408的參考點(diǎn)相同。電源觸點(diǎn)連成回路。在 KL2408 中，由 24 V 電源觸點(diǎn)為輸出端子模塊供電。圖6為KL2408的俯視圖及接線圖：圖 6 按鍵面板本設(shè)計(jì)包含了一個(gè)按鍵面板，供用戶進(jìn)行購買時(shí)的操作，如圖7所示：圖 7圖7中，上排a—e每種商品都有綠、紅各一個(gè)LED指示燈，綠色表示有貨，紅色表示缺貨。且綠色燈可以被按下，選擇商品并確定購買數(shù)量。下排兩個(gè)綠色可按燈（確定/取消）用以確認(rèn)購買和退出購買。4 軟PLC的軟件選擇 TwinCAT簡介TwinCAT是德國倍福公司以基于PC的控制技術(shù)為核心開發(fā)的一套自動(dòng)化軟件。本設(shè)計(jì)即采用TwinCAT軟件作為軟PLC的開發(fā)及運(yùn)行平臺(tái)。倍福（Beckhoff）的TwinCAT自動(dòng)化軟件具有良好的開放性及可升級(jí)性，是PC控制系統(tǒng)的核心部分。該軟件由Runtime內(nèi)核和PLC編程平臺(tái)（PLC Control）、診斷和配置平臺(tái)（System Manager）構(gòu)成。作為一種純粹的軟PLC，TwinCAT PLC允許在一個(gè)PC上實(shí)現(xiàn)4個(gè)虛擬的“PLC CPU”，每個(gè)最多可運(yùn)行4個(gè)用戶任務(wù)。TwinCAT編程語言符合IEC611313國際標(biāo)準(zhǔn)，可以使用IL（指令表）、LD（梯形圖）、FBD/CFC（功能塊圖）、SFC（順序功能圖）或ST（結(jié)構(gòu)體文本）中的任意一種語言編程，而且可以相互轉(zhuǎn)換。 結(jié)構(gòu)化文本（ST）本設(shè)計(jì)中PLC編程所采用的編程語言為基于IEC611313國際標(biāo)準(zhǔn)的“結(jié)構(gòu)化文本（ST）”。結(jié)構(gòu)化文本是一種高級(jí)編程語言，可以創(chuàng)建表達(dá)式、條件判斷語句、循環(huán)語句和調(diào)用功能塊等。尤其適合應(yīng)用在較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算中。結(jié)構(gòu)化文本也適用于結(jié)構(gòu)化編程。亦即ST為諸如編程循環(huán)等這些常用的結(jié)構(gòu)提供預(yù)先規(guī)定的結(jié)構(gòu)。這樣做好處是可以降低出現(xiàn)差錯(cuò)的可能性，并提高程序的可讀性。表2為按照操作符的優(yōu)先級(jí)大小列出的ST操作符表：表 2 ST操作符表操作符號(hào)優(yōu)先級(jí)至于括號(hào)內(nèi)（表達(dá)式）0（最高）功能調(diào)用功能名（參數(shù)表）1冪運(yùn)算EXPT2負(fù)值3建立補(bǔ)償NOT4乘*5除/6取模MOD7加+8減9比較,=,=10等于=11不等于12布爾“與”AND13布爾“異或”XOR14布爾“或”O(jiān)R15（最低）表3為ST的指令表：表 3 ST指令表指令示例賦值A(chǔ):=B。 CV:=CV+1。 C:=SIN(X)。調(diào)用功能塊CMD_TMR(IN:=%IX5,PT:=300)。A:=。RTTURNRETURN。IFIF DTHEN C:=A。ELSIF D=THEN C:=B。ELSE C:=D。END_IF。CASECASE INT1 OF1:BOOL1:=TRUE。2:BOOL2:=TRUE。ELSEBOOL1:=FALSE。BOOL2:=FALSE。END_CASE。FORFO