【正文】 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 24 軟 PLC系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu) 當(dāng)前 PLC在國際市場上已成為廣受歡迎的工業(yè)控制產(chǎn)品，用 PLC設(shè)計自動控制系統(tǒng)已成為世界 潮流。運行系統(tǒng)位 于嵌入式系統(tǒng)上，從開發(fā)系統(tǒng)中下載目標(biāo)應(yīng)用文件，根據(jù)該文件信息組織運行系統(tǒng)內(nèi)的模塊進行運行。 (1)軟 PLC開發(fā)系統(tǒng)：實際上就是一個 PLC編程器，提供用戶一個可以利用標(biāo)準(zhǔn) PLC編程語言 (比如梯形圖 )編寫控制應(yīng)用程序的環(huán)境。 （ 2） CJ International 公司的 ISaGRAF CJ International 公司的 ISaGRAF 通過變量交叉表可查詢變量的使用情況，可以方便加入用任何標(biāo)準(zhǔn) PLC 語言編寫的功能塊，也可嵌入用 C 語言編寫的功能塊，可以編譯生成適用于不同 CPU 的代碼，仿真程序比較完善，源程序在仿真運行時可以進行監(jiān)控 ，可以運行在任何一種工業(yè)計算機、微處理器、或配有 I/O 模塊的 PLC 中，但不完全符合 IEC11313 國際標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)環(huán)境為非集成化的多窗口界面。軟 PLC 開發(fā)環(huán)境就是帶有調(diào)試和編譯功能的 PLC 編程器，要求編程語言標(biāo)準(zhǔn)化，具有豐富的控制模塊，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 )，還允許用戶自行嵌入控制算法，具有仿真環(huán)境等等。而且，它們通常嚴(yán)守技術(shù)秘密，這無疑同時也限制了其發(fā)展。 除了 Linux 外，還有許多其他嵌入式實時操作系統(tǒng)，例如 Integrated System 公司的 pSOS、 Intel 公司的 iRMX38 Ready System 公司 (后與 Microtec Research 合并 )的 VRTX3 WindRiver System 公司的 VxWorks、 Accelerated Technology Inc 的 NucleusPLUS 等。 RTHAI 將 RTAI 需要在 Linux 中修改的部分定義成一組程序界面， RTAI 只使用這組界面和 Linux 溝通。當(dāng) Linux 通知特定硬件機構(gòu)禁止中斷的時候，實時內(nèi)核將截獲這一請求，將其記錄然后返回給 Linux。 RTLinux 把 Linux 的系統(tǒng)內(nèi)核當(dāng)作在一個小的實時系統(tǒng)上運行的一個任務(wù)來對待。該系統(tǒng)主要是由美國新墨西哥州的礦業(yè)技術(shù)學(xué)院于 1996 年研究開發(fā)出來的。 近些年來，人們對 Linux 內(nèi)核的實時改造提出了一 些解決方案和設(shè)想。因此系統(tǒng)的最壞情況下的性能較差，往往無法滿足許多硬實時應(yīng)用的要求。但當(dāng)它進入核心態(tài)時 (比如通過系統(tǒng)調(diào)用 )，則其它用戶態(tài)進程優(yōu)先級再高 (包括實時進程 )也不能搶占它。其中實時操作系統(tǒng)核心是位于硬件抽象層和系統(tǒng) API、網(wǎng)絡(luò)模塊、圖形驅(qū)動程序函數(shù)之間，占有非常重要的位置。用戶的其他應(yīng)用程序都建立在實時操作系統(tǒng)之上。實時性一般是指： （ 1）系統(tǒng)要以足夠快的速度響應(yīng) 外部事件的請求。而在被動模式下， 驅(qū) 動程序不 主動采集數(shù)據(jù)，其所有數(shù)據(jù)存取操作是山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 由實時數(shù)據(jù)庫管理程序進行驅(qū)動的。 4）同步 /異步更新數(shù)據(jù) 實時數(shù)據(jù)管理平臺向驅(qū)動程序提交需要修改的數(shù)據(jù)，驅(qū)動程序更新數(shù)據(jù)后向?qū)崟r數(shù)據(jù)管理平臺提交新變化的數(shù)據(jù)。典型的配置接口包括變量名、變量描述、變量類型以及相應(yīng)的變量值。硬件驅(qū)動 程序主 要包括基本的 I/O 通信模塊驅(qū)動程序，其支持標(biāo)準(zhǔn)的模擬和數(shù)字量采集 ；網(wǎng) 絡(luò)通信模塊驅(qū)動程序，支持從網(wǎng)絡(luò) 上 采集數(shù)據(jù) ： 特定硬件的數(shù)據(jù)采集程序，如基于計算機并 口 或串口的數(shù)據(jù)采集等等。 平臺的關(guān)鍵軟件分析 從前面的軟件架構(gòu)可以看出，整個軟件平臺是非常龐大的，而且每個組成部山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 分其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)也非常復(fù)雜。 開發(fā)環(huán)境軟件 開發(fā)環(huán)境軟件工作在宿 主 機上為用戶形成最終系統(tǒng)提供完善的開發(fā)手段。 （ 8）網(wǎng)絡(luò)通信 主要負(fù)責(zé)獲取從網(wǎng)絡(luò)上傳來的實時數(shù)據(jù)，并更新實時數(shù)據(jù)庫，同時也負(fù)責(zé)將本地的實時數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)上去。與標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件不同的是，該組態(tài)環(huán)境運行在目標(biāo)機下，內(nèi)含對用戶組態(tài)的解析和執(zhí)行功能，并與實時數(shù)據(jù)管理程序進行通信以獲 取硬件數(shù)據(jù)。運行庫環(huán)境一般指標(biāo)準(zhǔn)語言如 C 語言的運行庫，其中包括基本的運行庫函數(shù)以及針對操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。而這里的 硬件驅(qū)動程序主要用來采集硬件數(shù)據(jù)，并為系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)管理平臺服務(wù)，保證來自硬件的 I/O 數(shù)據(jù)值與系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫之間的同步。 嵌入式控制系統(tǒng)平臺總體框架如圖 21 所示。但現(xiàn)實的情況是，在整個控制系統(tǒng)中，不同的控制模塊其實時性要求并非完全相同，如果采用統(tǒng)一掃描的方式，那些實時性要求低的 I/O 量掃描影響了對實時性要求高的掃描，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的性能下降。同時，我們認(rèn)為，為保證整個系統(tǒng)性能的高效，必須要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，我們稱之為實時數(shù)據(jù)庫管理平臺，所有的應(yīng)用組件都工作在該平臺基礎(chǔ)上，通過該平臺與底層 I/O 數(shù)據(jù)進行交互。因此，在整個系統(tǒng)中合理地區(qū)分實時與非實時軟件是非常重要的。論文一方面考慮了該平臺的實現(xiàn)功能和關(guān)鍵 特性，另一方面也綜合了常見的軟件設(shè)計思想和技術(shù)。 除了運行環(huán)境外，我們還將建立適用于該平臺的軟件開發(fā)環(huán)境，以方便用戶實現(xiàn)對該平臺的組態(tài)應(yīng)用以及二次開發(fā)。如果提供一套完整的軟件平臺，由平臺完成那些復(fù)雜的但具有通用山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 性的核心軟件，這樣控制 設(shè)備 的開發(fā)人員就可以僅僅關(guān)注應(yīng)用系統(tǒng)本身，而不必在嵌入式操作系統(tǒng)和控制軟件核心力一面花費更多的精力，從而為其最終實現(xiàn)完整的控制系統(tǒng)設(shè)備提供了非常方便而快捷的開發(fā)手段，提高了工作效率，并縮短了產(chǎn)品上市時 間 本文的主要工作和創(chuàng)新 根據(jù)對 目 前控制系統(tǒng)軟件及相關(guān)資料 的分析，作者認(rèn)為，本課題所提出的嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺是一個全新的概念， 它 與現(xiàn)有的控制軟件存在很大差別，現(xiàn)有開發(fā)的一些控制系統(tǒng)軟件如軟 PLC 系統(tǒng)、嵌入式組態(tài)軟件等，其往往局限于某一方面的應(yīng)用，而且軟件的通用性和開放性也存在很大問題。 在 工 業(yè)控制領(lǐng)域，除嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員外，還有大最的 工 :程技術(shù)人員，他 們 對工業(yè)控制的集散系統(tǒng)、 PLC 系統(tǒng)非常熟悉，并采用工業(yè) PC 優(yōu)秀的組態(tài)開發(fā)環(huán)境以及 PLC 等設(shè)備廠家提供的梯形圖等直觀的開發(fā)工具進行工業(yè)控制的組態(tài)工作。顯然，這些開發(fā)基本 上 都局限在最早期的嵌入式開發(fā)階段，與 目前 先進的嵌入式系統(tǒng)相距甚遠(yuǎn) 。 。深入研究這些課題并且加以實現(xiàn)，將有助于提高我們知識的廣度和深度。 課題簡介及研究意義 要求建立一套完整的嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺，該平臺建構(gòu)于嵌入式硬件系統(tǒng)之上，包括嵌入式實時操作系統(tǒng)、軟 PLC 系統(tǒng)、嵌入式組態(tài)軟件等。 可以想象，隨著嵌入式控制 系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式控制系統(tǒng)將在一定程度上取代現(xiàn)有的工業(yè) PC 控制系統(tǒng)，在微型 TDCS(集散控制系統(tǒng) )、現(xiàn)場總線系統(tǒng)、 PLC控制系統(tǒng)、智能化儀表等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。這樣做增加了系統(tǒng)的成本，而且控制系統(tǒng)廠商的封閉性常常使得工程師需要集成不同公司的產(chǎn)品，這為系統(tǒng)的維護、升級都帶來了許多困難。 工業(yè)控制系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)最早就用于工業(yè)控制系統(tǒng)，但由于工業(yè)控制系統(tǒng)的封閉性和廠家山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 壟斷性問題，一些嵌入式系統(tǒng)的最新研究成果，尤其是建立在嵌入式實時操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上的嵌入式系統(tǒng)并沒有在工業(yè)控制領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，許多嵌入式的控制系統(tǒng)基本上還是沿襲嵌入式系統(tǒng)發(fā) 展的早期成果。 （ 3） 嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。 從嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展我們可以看出，嵌入式系統(tǒng)最早用于工業(yè)控制系統(tǒng)，但隨著發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不斷擴大，目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到家用市場、工業(yè)市場、商業(yè)市場、通訊市場和國防市場，應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)的產(chǎn)品形態(tài)豐富多樣，如掌上 PDA、機頂盒、數(shù)字電視、數(shù)字音像設(shè)備、手機、可視電話、車載智能設(shè)備、微波爐、數(shù)控機床、商業(yè)終端、教育終端、智能控制設(shè)備等等。這一階段系統(tǒng)的主要特點是：嵌入式操作系統(tǒng)能運行于各種不同類型的微處理器上，兼容性好；操作系統(tǒng)內(nèi)核精小、效率高，并且具有高度的模塊化和擴展性；具備文件和目錄管理、設(shè)備支持、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口以及用戶界面等功能；具有大量的應(yīng)用程序接口 (API， Application Interface)，開發(fā)應(yīng)用程序簡單；嵌入式應(yīng)用軟件豐富。由于這種嵌入式系統(tǒng)使用簡便、價格很低，以前在國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍，但是已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高效的、需要大容量存儲介質(zhì)的現(xiàn)代化工業(yè)控制和新興的信息家電等領(lǐng)域的需求。 從 20 世紀(jì)七十年代單片機的出現(xiàn)到各式各樣的嵌入式微 處理器 ，微控制器的大規(guī)模應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近 30 年的發(fā)展歷史。 RTAI。本文詳細(xì)敘述 了工業(yè)控制中嵌入式系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，特別是基于 Linux 的嵌入式系統(tǒng)，對于在工業(yè)控制中應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)的研究和構(gòu)造有一定的指導(dǎo)作用?；诜治龅慕Y(jié)果，本文詳細(xì)討論了嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺中嵌入式實時操作系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫管理與通信、人機界面軟件等主要模塊的實現(xiàn)。本文討論了工業(yè)控制中嵌入式系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，旨在創(chuàng)建一個完整的嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺。近年來，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。其次根據(jù)作者在嵌入式控制系統(tǒng)方面的研究，提出了嵌入式控制 系統(tǒng)軟件平臺的總體框架，并對關(guān)鍵軟件的設(shè)計做了非常詳細(xì)的分析。最后，本文對嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺需要進一步完善