摘? 要：PLC的虛擬化已成為智能制造發(fā)展的必然趨勢(shì)，分析了PLC虛擬化的技術(shù)架構(gòu)。介紹了虛擬PLC軟件Beremiz開(kāi)源平臺(tái)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，及其主要功能和組成模塊，進(jìn)一步探討了其運(yùn)行原理以及應(yīng)用現(xiàn)狀。通過(guò)實(shí)例介紹了虛擬PLC的編程和仿真過(guò)程以及開(kāi)發(fā)注意事項(xiàng)，并給出了開(kāi)發(fā)過(guò)程詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置和功能配置。最后探討了基于SVG格式的HMI圖形界面開(kāi)發(fā)流程，為PLC的學(xué)習(xí)和虛擬PLC的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：虛擬PLC? 自動(dòng)控制? 虛擬實(shí)訓(xùn)? 在線(xiàn)課程

中圖分類(lèi)號(hào)：G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2020）10（c）-0011-03

Abstract： The virtualization of PLC has become an inevitable trend in the development of intelligent manufacturing. The technical framework of PLC virtualization is analyzed. This paper introduces the technical standards， main functions and components of the open source platform of the virtual PLC software Beremiz， and further discusses its operation principle and application status. This paper introduces the programming and simulation process of Virtual PLC， and points for attention in development， and gives the detailed parameter setting and function configuration in the development process. Finally， the development process of HMI graphic interface based on SVG format is discussed， which provides a technical scheme for PLC learning and virtual PLC development.

Key Words： Virtual PLC; Automatic control; Virtual training; Online course

隨著“中國(guó)制造2025”的持續(xù)推進(jìn)，傳統(tǒng)封閉的工業(yè)控制系統(tǒng)，其通過(guò)特定硬件實(shí)現(xiàn)的功能在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或“工業(yè)4.0”時(shí)代都將被軟件所取代。

所謂PLC的虛擬化，是指通過(guò)軟件模擬的方式，將PLC的硬件和邏輯抽象出來(lái)，利用軟件虛擬網(wǎng)絡(luò)的思路，通過(guò)特定應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC執(zhí)行程序邏輯的開(kāi)發(fā)和管理，從而完成應(yīng)用程序虛擬硬件PLC的功能。也就是將傳統(tǒng)PLC的程序控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和IO模塊分離，利用虛擬應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯控制部分[1]。

從技術(shù)角度來(lái)講，就是實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)的“硬件重構(gòu)和軟件模擬”。硬件重構(gòu)和軟件模擬是基于虛擬化技術(shù)之上的更高級(jí)、更抽象的數(shù)據(jù)和資源自動(dòng)化。

基于PLC虛擬化的產(chǎn)品和服務(wù)形態(tài)是新時(shí)代的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0的發(fā)展需要，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的優(yōu)勢(shì)更加顯著，能廣泛利用人工智能作為控制系統(tǒng)核心大腦，大幅度降低客戶(hù)的進(jìn)入門(mén)檻。而基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)層面的穩(wěn)定性、靈活性、便捷性又帶來(lái)了更好的客戶(hù)體驗(yàn)。再加上云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)所帶來(lái)的規(guī)模效應(yīng)，將使基于PLC虛擬化的物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能夠成為更大的一種商業(yè)模式。

1? Beremiz開(kāi)源平臺(tái)

Beremiz是一款開(kāi)源軟件，它的出現(xiàn)給PLC的學(xué)習(xí)與開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了福音。其電氣規(guī)范符合國(guó)際電工委員會(huì)IEC61131標(biāo)準(zhǔn)以及可編程控制器通用PLCopen標(biāo)準(zhǔn)。Beremiz是一個(gè)多功能的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其內(nèi)部組件包含PLCOpen編輯器和MatPLCIEC編譯器[2-3]。

PLCOpen編輯器組件是使用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，它提供了類(lèi)似西門(mén)子、三菱等商業(yè)化軟件的圖形化編程界面，帶給開(kāi)發(fā)者良好的用戶(hù)體驗(yàn)。并且提供5種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言供開(kāi)發(fā)者自由選擇和編輯，這5種語(yǔ)言都是符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的控制程序，完全支持PLC程序的在線(xiàn)（Online）和離線(xiàn)（Offline）調(diào)試。編寫(xiě)完成的程序采用符合PLCOpen規(guī)范的XML格式文件進(jìn)行存檔;同時(shí)，Beremiz也可以動(dòng)態(tài)載入符合PLCOpen規(guī)范的XML程序文件，利用這個(gè)功能，可實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序在符合PLCOpen標(biāo)準(zhǔn)的不同編程平臺(tái)之間進(jìn)行無(wú)障礙移植，以實(shí)現(xiàn)不同軟件平臺(tái)的資源交換，提高程序的可重復(fù)利用率。

完成程序文件的編輯后，MatPLCIEC編譯器開(kāi)始工作，其作用是將上述保存為XML格式的PLC程序翻譯為基于C語(yǔ)言格式的代碼，最后通過(guò)交叉編譯器完成遠(yuǎn)程編譯，便得到可在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的C語(yǔ)言目標(biāo)代碼。編譯完成的最終代碼，包含了PLC程序里全部的POU變量和參數(shù)，用戶(hù)也可以利用嵌套的C語(yǔ)言代碼程序?qū)崟r(shí)訪(fǎng)問(wèn)POU中的參數(shù)和變量，從而完全實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)控和調(diào)試功能。

近年來(lái)，為響應(yīng)國(guó)家推薦智能制造戰(zhàn)略發(fā)展，虛擬PLC及其網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)成為很多高校的科研熱點(diǎn)[3-4]。

2? 虛擬PLC控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

進(jìn)入Beremiz系統(tǒng)后新建一個(gè)項(xiàng)目，會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)資源文件，再新建一個(gè)梯形圖程序。梯形圖程序文檔的上方列表為變量，下方為程序，變量列表中的類(lèi)型有輸入、輸出、外部、Local等。其中，輸入和輸出的意思是當(dāng)此梯形圖作為別的程序的一個(gè)模塊時(shí)，定義的輸入和輸出端口。外部是用來(lái)定義和HMI接口用的（Wxglade類(lèi)型、svgui類(lèi)型不需要），且一定要和HMI接口中定義的一樣，如果只在該程序內(nèi)用，用Local就可以了。

梯形圖編輯時(shí)，會(huì)用到工具欄中常見(jiàn)的幾個(gè)工具。其中，手型為幅面移動(dòng)工具;CMT為注釋工具;導(dǎo)軌工具為梯形圖左右母線(xiàn);線(xiàn)圈為輸出;觸點(diǎn)為輸入;變量工具比較靈活，一般作為模塊的參數(shù)設(shè)置端，可以設(shè)定為某個(gè)變量，也可以自己寫(xiě)常量或者字符串表達(dá)式，數(shù)字常量直接寫(xiě)，時(shí)間常量格式為T(mén)#30ms，字符串常量需要加單引號(hào)。

梯形圖設(shè)置好了，還不能運(yùn)行，需要設(shè)置資源文件。資源文件里有3個(gè)設(shè)置：變量、任務(wù)和實(shí)例，主要設(shè)置好任務(wù)和實(shí)例就可以了。在任務(wù)欄里單擊增加，每添加一行就添加一個(gè)任務(wù)“mainprg”，Trigging設(shè)置為“Cyclic”，即循環(huán)執(zhí)行，時(shí)間設(shè)置為10ms。還可以再添加一個(gè)任務(wù)guiprg，意思是圖形顯示任務(wù)，Trigging設(shè)置為“Cyclic”，時(shí)間可以設(shè)置長(zhǎng)一點(diǎn)，比如1s。

最后設(shè)置實(shí)例，添加兩個(gè)實(shí)例，一個(gè)為主程序執(zhí)行實(shí)例，一個(gè)為HMI執(zhí)行實(shí)例。當(dāng)然，也可以只執(zhí)行一個(gè)實(shí)例，將HMI和主程序放一起。以上3個(gè)設(shè)置列表中，絕對(duì)不能有空行，如果有，編譯就會(huì)出錯(cuò)。

最后進(jìn)入運(yùn)行階段，點(diǎn)擊連接按鈕，連接成功后，任務(wù)欄會(huì)出現(xiàn)成功提示。接下來(lái)，點(diǎn)擊編譯按鈕，完成編譯。接下來(lái)點(diǎn)擊傳輸按鈕，將編譯后的程序傳到PLC，傳輸完成后，就可以點(diǎn)擊人形按鈕，開(kāi)始執(zhí)行。

3? 基于SVG格式的HMI圖形界面開(kāi)發(fā)

如果不需要圖形界面，以上操作就夠了，如果要用到HMI圖形界面，則需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)工作。

Beremiz圖形界面的原理是這樣的：需要一個(gè)svg格式的圖形文件，文件里設(shè)置好了不同圖形的ID名稱(chēng)，通過(guò)這些ID名稱(chēng)和梯形圖的名稱(chēng)關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果。比如SVGUI組里的Led指令塊，有3個(gè)參數(shù)可以設(shè)置，即back-id、sele-id、state-in，當(dāng)state_in為1時(shí)，顯示sele_id對(duì)應(yīng)的圖形，反之，顯示back_id對(duì)應(yīng)的圖形。下圖，當(dāng)T1為1時(shí)，顯示紅色RED圖片，為0時(shí)，顯示黑色BLACK圖片。這里的RED和BLACK必須和svg文件中的圖形ID完全一致。

舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明svg文件的創(chuàng)建，比如使用inkscape畫(huà)圖軟件。打開(kāi)inkscape軟件后，畫(huà)一個(gè)紅色圓狀圖形，再選擇編輯菜單，選擇XML編輯器，出現(xiàn)XML代碼編輯框后，將ID號(hào)改為RED;同樣畫(huà)一個(gè)紅色圓狀圖形，將ID號(hào)改為BLACK。按照這個(gè)方法繼續(xù)將其他圖形的設(shè)置做完。并保存為svg格式文件。

導(dǎo)入svg文件，在beremiz項(xiàng)目中新建svgui文件，雙擊進(jìn)入界面，選擇import svg按鈕，找到剛才的svg文件，導(dǎo)入。

再次執(zhí)行程序，在瀏覽器中，輸入http：//localhost：8009/，便可以看到運(yùn)行界面。

4? 結(jié)語(yǔ)

PLC正在朝著開(kāi)放式、多功能的方向發(fā)展，軟PLC代表著這一趨勢(shì)。西門(mén)子、倍福、3S、菲尼克斯等大公司都推出了自己的軟PLC產(chǎn)品，但是其底層核心代碼不夠開(kāi)放、通信模塊不便宜、不利于初學(xué)者的深入學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)。Beremiz就是一個(gè)完全開(kāi)源的軟PLC，它包括了開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行系統(tǒng)。在開(kāi)發(fā)環(huán)境中，用戶(hù)可以靈活地使用梯形圖、ST、C、Python等語(yǔ)言進(jìn)行編程，并且Beremiz自帶上百個(gè)常用的函數(shù)。

Beremiz大部分都是用Python這種解釋性語(yǔ)言編寫(xiě)而成，并使用了大量的第三方庫(kù)，與底層硬件通信的部分用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。Beremiz的IDE部分可以在Linux和Windows下運(yùn)行，而運(yùn)行系統(tǒng)既可以在Linux和Windows下運(yùn)行，也可以在無(wú)操作系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備上運(yùn)行。

按照該文提到的方法，便可以將調(diào)試好的程序下載到運(yùn)行系統(tǒng)中自動(dòng)執(zhí)行。目前，Beremiz已經(jīng)集成了Modbus RTU/TCP、CANopen、EtherCAT等常用的總線(xiàn)通信協(xié)議，可以控制各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。借助Beremiz，我們完全可以搭建自己的PLC控制系統(tǒng)，是一種強(qiáng)大的、低成本的學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)工具。

參考文獻(xiàn)

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