基于Linux系统的软PLC设计

软PLC 的需要。这也使得设计时完全可以在普通PC 上，在LINUX 内核下对软PLC 的各个模块进行调试，调试成功再移植到PC104 组件上运行。

软件平台

目前，大多数软PLC 分别以Windows, DOS 和Linux 系统为操作平台。早期的基于PC 的软PLC 采用的较多的是DOS 系统，这类软件由于运行DOS 环境下，可以轻松实现其实时控制的要求，但由于DOS 环境是单任务处理方式，使得PC 的潜力得不到充分发挥，系统的功能和灵活性也受到限制。而Windows 具有操作界面良好、程序开发相对容易、多任务等优点，但Windows 操作系统并不是一个理想的实时操作系统，且Windows 操作系统是收费的，这将大大增加开发应用的成本。因而，本设计配合数控系统的需要选用的是Linux 系统为操作平台，基于Linux 内核模块的Rtlinux 是一个免费的、开放源代码的实时操作系统。

软PLC模块设计

本设计的软PLC 基于嵌入式PC104 计算机，建立在Linux 操作系统之上，软件的设计采用了模块化设计。每个模块都专职一项功能，每个模块都是一个进程。软PLC 全局变量是所有模块的公共数据，由配置文件设定。各个模块通过全局变量进行通信，各个模块的私有数据不包含在配置文件内。全局变量在每个模块都有副本，各个模块通过副本的数据对本模块进行运算，当循环一次运算后，就更新到全局变量，这样就实现了各个模块之间的通信。每个模块对全局变量的读写权限不一样的，只有对全局变量具有写权限的模块才可以更新全局变量里的数据。每个模块作为一个进程，进程之间的通信采用的是共享内存进行通信。软PLC 各模块之间的结构框图如图1 所示：

(1) 主程序（main program）,启动软PLC，将首先运行主程序，主程序将读取配置文件上的内容，并运行配置文件上所设定的模块。

(2) 配置文件（configurefile），在软PLC 中具有核心的地位，它由几部分组成：
①软PLC 配置，在这部分设置了内核和各个模块的相关参数，
主要包括：模块列表，列出了要运行的模块；变量列表，列出了软PLC 中的全局变量，并定义了具有对应全局变量有写权限的模块。
② 公共配置，这部分设置了各个模块之间的共同属性。
③ 同步配置，这部分是要配制各个模块之间的同步性。为了保证数据的传输，必须让模块之间同步。
④ 实时性配置，软PLC 可以运行在3 种模式：正常模式、软实时模式和硬实时模式，设计时可以根据具体情况选择其中的一种模式。
对于每个具体的设计来说，需要对配置文件中的几个部分进行配置。

(３) 人机界面模块（HMI），用户和软PLC 之间的互动模块。通过友好的人机界面，用户可以控制软PLC 的调用和开关，同时可以查看软PLC 各个状态点的状态。在Linux 下，可以使用GTK 或者TCL/TK 进行设计。本设计由于整个数控系统的需要，采用了TCL/TK 进行设计。因为软PLC 的其他部分是用c语言进行设计，因而在用tcl/tk设计的人机界面模块和软PLC 之间，需要设计一个TCL/TK 的扩展模块作为两种语言之间的接口，这样在界面上就可以用TCL 语言调用C 语言编写的软PLC 函数。现阶段本设计主要完成了常用的PLC 图形语言梯形图和两种文本语言IL 语言和ST 语言的设计，因而人机界面可以分为两种，梯形图的编辑运行界面和文本编程的监控界面。
① 梯形图界面（如图2）。在梯形图界面上，用户可自由拖动如开关、计时器等各种器件进行自主编程，从而实现在线编程。在界面上右侧是状态栏，可以对各种状态点的控制和状态显示，如将状态点B1 状态置1，则需单击B1 前的小方框。界面的上方是菜单栏。用户可通过菜单的选择进行编辑、保存、打开等功能，编辑完毕，按下Run 键，TCL/TK 的底层程序将会检测状态点状态，并根据元件种类进行逻辑运算，这些直接使用TCL/TK 编程就可以实现。而Exit 键则是退出软PLC，当按下该键时，将会设置全局变量Quit = 1 并传递给关闭模块Plcshutdown。关闭模块将关闭所有在运行的软PLC模块，并杀死共享内存上的信号量。

② 文本编程监控界面。文本语言相对不够图形语言直观，设计监控界面，可以从监控界面上调用所需要的文本程序，同时对各个状态点的状态进行显示和控制。

(4) 文本编辑模块，用户PLC文本程序的编辑模块，使用文本编辑器即可实现。用户使用符合61131-3 标准的编程语言编写控制应用程序。编辑好的模块将会被软PLC 的编译器所编译，生成可执行代码。

(5) 逻辑模块，软PLC 的核心模块，它包括IEC61131-3编译器和数据处理模块。IEC61131-3编译器将编译用户编辑好的文本应用程序，首先将PLC 的代码编译成C 语言，然后再调用GCC 将程序和软PLC的链接库编译成目标文件，同时显示编译结果的正确性，将编译的错误信息及警告信息反馈给用户。
文本编辑模块与编译模块在软PLC 运行时，不会作为调用模块。软PLC只调用最后生成的可执行模块。数据处理模块执行对各种浮点型数据的操作，功能包括PID控制、按一定的比例缩放数据大小等。

(6) 通信模块（Communication module）,主要负责软件的网络通信协议等的实现，借助与操作系统的结合构建网络服务器，实现强大的网络服务功能，实现Modbus 等总线协议的总线控制功能。

(7) I/O 模块，软PLC与物理IO连接的模块。通过IO 模块，软PLC 的状态点与硬件的IO 点一一对应，软PLC 可以通过IO 模块直接读写PC104 上IO扩展板的IO 点，实现对I O 点的读取和控制。