CN106125664A - 一种嵌入式plc控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式PLC控制系统，所述系统包括：编程模块，所述编程模块用于与人机接口模块匹配，提供程序编制服务；编译转换模块，所述编译转换模块用于将用户程序转换为PLC内部中间代码；逻辑虚拟机模块，所述逻辑虚拟机模块用于执行中间代码，按照程序的逻辑描述，完成对输入输出的控制；系统资源管理服务模块，所述系统资源管理服务模块用于为PLC功能提供所需的资源；I/O映像模块，所述I/O映像模块用于将外部信号输入内部映像单元，将逻辑处理结果输出到外部端口，现了用户可以根据需求对嵌入式PLC的I/O口自行定义，针对特殊应用重新构造流程以实现个性化需求，避免购买专用PLC，降低成本的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及PLC研究控制领域，具体地，涉及一种嵌入式PLC控制系统。
背景技术
可编程逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
在生产的工艺环节中，根据实际需要，不同用户对I/O控制的数量和要求存在较大的差异，如果购买专用的PLC，成本压力很大。
综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的专用PLC存在成本较高的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种嵌入式PLC控制系统，解决了现有的专用PLC存在成本较高的技术问题，实现了用户可以根据需求对嵌入式PLC的I/O口自行定义，针对特殊应用重新构造流程以实现个性化需求，避免购买专用PLC，降低成本的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种嵌入式PLC控制系统，嵌入式控制系统是将PLC功能模块内嵌到缝纫机系统软件中。采用参数化的方法，根据用户需求对I/O口自行定义，针对特殊应用重新构造流程以实现个性化需求。这种控制系统不需要改变现有缝纫机控制系统的结构，可由用户根据自身个性化需求进行二次开发，大大降低用户成本，满足用户个性化需求。
所述PLC控制系统包括：
编程模块，所述编程模块用于与人机接口模块匹配，提供程序编制服务；
编译转换模块，所述编译转换模块用于将用户程序转换为PLC内部中间代码；
逻辑虚拟机模块，所述逻辑虚拟机模块用于执行中间代码，按照程序的逻辑描述，完成对输入输出的控制；
系统资源管理服务模块，所述系统资源管理服务模块用于为PLC功能提供所需的资源；
I/O映像模块，所述I/O映像模块用于将外部信号输入内部映像单元，将逻辑处理结果输出到外部端口。
其中，编程模块与编译转换模块连接，编译转换模块与逻辑虚拟机模块连接，逻辑虚拟机模块与I/O映像模块连接，系统资源管理服务模块与系统其它模块均连接。
其中，所述系统还包括：通讯模块，所述通讯模块用于PLC主机与PLC编程器进行通讯连接。
其中，所述系统还包括代码调试模块，所述代码调试模块用于与人机接口模块配合，进行代码调试。
其中，所述系统的工作流程为：用户利用编程模块进行编程，完成编程后通过编译转换模块转换为PLC内部中间代码，然后运行编译器将中间代码翻译为可执行代码，通过通讯模块，将可执行代码传递到上位机中进行中间代码存储，然后将中间代码传递给逻辑虚拟机模块，由逻辑虚拟机模块来管理和执行应用程序，再按照程序要求把数据传递给I/O映象模块，将结果输出到外部端口，完成硬件的驱动。
其中，所述系统处理PLC程序任务包括：逻辑事件、组态任务、进程通信、任务调度、内存管理，系统采用指令表编程方式实现PLC功能，并在上位机设计用户界面、数据通信、指令解释、代码转换功能。
其中，在PLC运行时，主机根据程序按指令作周期性循环扫描；在每次扫描过程中，完成对输入信号的采样、程序执行、输出状态的刷新。
其中，对输入信号的采样、程序执行、输出状态的刷新，具体包括：
PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中；
PLC在程序执行阶段，按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果写入输出状态寄存器中；
输出刷新阶段，当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式输出，驱动相应输出设备工作。
其中，所述嵌入式PLC中的软件单元包括：
节点驱动单元：所述节点驱动单元用于根据功能需求开发相应的I/O接口电路；并根据内核提供的驱动程序接口和需要开发的嵌入式PLC 的I/O配置，开发节点的驱动程序；
嵌入式PLC 内核单元：嵌入式PLC 内核单元用于实现嵌入式PLC 用户程序的解释、执行以及通信核心功能，嵌入式PLC 内核单元提供了节点驱动程序接口；
终端用户PLC单元：终端用户PLC单元为软件单元的应用层，终端用户PLC单元由用户编制，终端用户PLC单元运行在嵌入式PLC内核单元和节点驱动单元的基础上。
其中，嵌入式PLC采用指令表编程方式，指令表的数据结构采用一个动态指针数组来描述。
其中，所述系统资源管理服务模块采用基于ARM主板+DSP+FPGA的双CPU构架方式。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于采用了将嵌入式PLC控制系统设计为包括：编程模块，所述编程模块用于与人机接口模块匹配，提供程序编制服务；编译转换模块，所述编译转换模块用于将用户程序转换为PLC内部中间代码；逻辑虚拟机模块，所述逻辑虚拟机模块用于执行中间代码，按照程序的逻辑描述，完成对输入输出的控制；系统资源管理服务模块，所述系统资源管理服务模块用于为PLC功能提供所需的资源；I/O映像模块，所述I/O映像模块用于将外部信号输入内部映像单元，将逻辑处理结果输出到外部端口的技术方案，即利用ARM和FPGA等嵌入式芯片强大的数字逻辑处理能力，采用参数化的可重构的虚拟逻辑控制方法实现专用的PLC功能，并将PLC功能模块内嵌到缝纫机系统软件中，所以，有效解决了现有的专用PLC存在成本较高的技术问题，进而实现了用户可以根据需求对嵌入式PLC的I/O口自行定义，针对特殊应用重新构造流程以实现个性化需求，避免购买专用PLC，降低成本的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请实施例一中嵌入式PLC控制系统的应用示意图；
图2是本申请实施例一中嵌入式PLC 软件单元的组成示意图；
图3是本申请实施例一中指令表数据结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种嵌入式PLC控制系统，解决了现有的专用PLC存在成本较高的技术问题，实现了用户可以根据需求对嵌入式PLC的I/O口自行定义，针对特殊应用重新构造流程以实现个性化需求，避免购买专用PLC，降低成本的技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一：
请参考图1，本申请提供了一种嵌入式PLC控制系统，该系统包括：编程模块、编译转换模块、逻辑虚拟机模块、系统资源管理服务模块、I/O映像模块、通讯模块。
系统工作流程为：
用户在人机交互界面上由PLC编程器进行编程，该功能由编程模块实现。用户编好后通过编译转换模块转换为PLC内部中间代码，然后运行系统的编译器将中间代码翻译为与PLC相关的机器可执行代码（即系统认定的数据格式）。通过通讯模块，传递到PLC主机的上位机上进行中间代码存储，按照用户的对程序的需求通过上位机界面上的相应按键把中间代码传递给PLC主机的下位机中的逻辑虚拟机模块，由逻辑虚拟机模块来管理和执行应用程序，再按照程序要求把数据传递给I/O映象模块，将结果输出到外部端口，完成硬件的驱动。
系统处理PLC程序任务分为逻辑事件、组态任务、进程通信、任务调度、内存管理几个方面，采用指令表编程方式实现I/O监控、循环扫描、物理映像、逻辑运算、数字运算、定时器、计数器、累加器、存储器、中断、子程序调用、电机控制等PLC功能，并在上位机设计用户界面、数据通信、指令解释、代码转换等功能，实现功能完整的、适用的嵌入式PLC软件平台，可由用户根据自身个性化需求进行二次开发。
编程模块，与人机接口模块匹配，提供程序编制的服务。对于指令表形式的程序输入，它就是一个文本编辑程序，对于梯形图形式的输入，它就是一个图文编辑器。
编译转换模块，将用户程序转换为PLC内部中间代码。
逻辑虚拟机模块，是PLC 功能的核心，它执行中间代码，按照用户程序的逻辑描述，完成输入对输出的控制。对于内嵌软PLC，设计逻辑虚拟机模块时，必须仔细分析系统CPU的服务能否满足PLC 扫描周期的要求，并合理调度PLC 任务与CNC 插补任务对CPU的占用。PLC采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。在PLC运行时，主机根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令地址号作周期性循环扫描，如无跳转指令和子程序调用，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段，按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段，当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式输出，驱动相应输出设备工作。
代码调试模块，与人机接口模块配合，进行代码调试。
系统资源管理服务模块，此模块为PLC功能提供所需的资源，可以使用硬件或软硬结合的方法实现。内嵌软PLC一般可利用宿主机的硬件资源与软件代码的方式为PLC 提供需要的资源。
I/O映像模块的任务在每个扫描周期刷新内存与I/O的映像，即将外部信号输入内部映像单元，而将逻辑处理结果输出到外部端口。
通讯模块，当编程器部分与主机部分是分离的情形下，需要将主机与编程器连接起来，CNC内嵌型PLC 则可以省去这一模块。
请参考图2，嵌入式PLC 软件体系结构主要包括三部分：节点驱动程序、嵌入式PLC内核、终端用户PLC程序。
节点驱动程序：根据功能需求开发相应的I/O接口电路，包括开关量、模拟量I/O点，以及高速脉冲输入、输出等信号通道；根据内核提供的驱动程序接口和需要开发的嵌入式PLC 的I/O配置，开发节点的驱动程序。这一层是整个软件体系结构的最底层，是直接服务于硬件的，即处理I/O信号。
嵌入式PLC 内核：该部分程序是所有嵌入式PLC 的通用程序部分，是嵌入式PLC的系统软件，它实现了PLC 用户程序的解释、执行以及通信等核心功能，另外还提供了节点驱动程序接口。这一层是整个软件体系结构的核心层。
终端用户PLC程序：这一层是整个软件体系结构的应用层，是指面向工艺流程控制的PLC程序，该程序由最终用户编制，该终端用户PLC程序，是运行在嵌入式PLC内核和节点驱动程序的基础上。在嵌入式PLC上用户是无法直接编程的，必须借助于如PC机等编程工具上的终端用户的编程软件平台来编制终端用户PLC程序。
嵌入式PLC采用指令表编程方式，一个完整的指令表程序由若干条指令组成，每一条指令由步序号、指令名、指令类型、若干参数组成。
指令表是典型的线性结构，而且它所包括的指令条数也是不限的，因此也可以采用一个动态指针数组来描述它的数据结构，请参考图3.
系统资源管理服务模块是基于ARM主板+DSP+FPGA的双CPU构架方式。此模块为PLC功能提供所需的资源，可以使用硬件或软硬结合的方法实现。内嵌软PLC一般可利用宿主机的硬件资源与软件代码的方式为PLC 提供需要的资源。PLC主机的上位机硬件平台为ARM，下位机硬件平台采用DSP+FPGA。这种主从式系统，用ARM作为应用处理器进行多样化的应用开发和用户界面和接口，利用DSP+FPGA进行算法加速，既能够保持算法的灵活性，又能提供强大的处理能力。
用户可以在PC机或人机交互界面上实现可控的输入和输出。
所开发的嵌入式PLC采用指令表编程方式，一个完整的指令表程序由若干条指令组成，每一条指令由步序号、指令名、指令类型、若干参数组成。指令表共有512条指令组成。
本系统包含10个I/O口，8个输入条件，2个输出。编程语言采用梯形图和语句两种方式。本系统采用中断询检输入信号，询检周期为5-10ms。在一个周期中，程序把512条指令扫描一次，如果发现某个指令满足输入条件时，进入中断进行处理。该方法可以实现子程序调用，可以设定100-900个局部变量，实现输出延时。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
由于采用了将嵌入式PLC控制系统设计为包括：编程模块，所述编程模块用于与人机接口模块匹配，提供程序编制服务；编译转换模块，所述编译转换模块用于将用户程序转换为PLC内部中间代码；逻辑虚拟机模块，所述逻辑虚拟机模块用于执行中间代码，按照程序的逻辑描述，完成对输入输出的控制；系统资源管理服务模块，所述系统资源管理服务模块用于为PLC功能提供所需的资源；I/O映像模块，所述I/O映像模块用于将外部信号输入内部映像单元，将逻辑处理结果输出到外部端口的技术方案，即利用ARM和FPGA等嵌入式芯片强大的数字逻辑处理能力，采用参数化的可重构的虚拟逻辑控制方法实现专用的PLC功能，并将PLC功能模块内嵌到缝纫机系统软件中，所以，有效解决了现有的专用PLC存在成本较高的技术问题，进而实现了用户可以根据需求对嵌入式PLC的I/O口自行定义，针对特殊应用重新构造流程以实现个性化需求，避免购买专用PLC，降低成本的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种嵌入式PLC控制系统，其特征在于，所述系统用于对PLC功能模块进行控制，所述PLC功能模块内嵌在缝纫机系统中，所述PLC控制系统包括：
编程模块，所述编程模块用于与人机接口模块匹配，提供程序编制服务；
编译转换模块，所述编译转换模块用于将用户程序转换为PLC内部中间代码；
逻辑虚拟机模块，所述逻辑虚拟机模块用于执行中间代码，按照程序的逻辑描述，完成对输入输出的控制；
系统资源管理服务模块，所述系统资源管理服务模块用于为PLC功能提供所需的资源；
I/O映像模块，所述I/O映像模块用于将外部信号输入内部映像单元，将逻辑处理结果输出到外部端口。
2.根据权利要求1所述的嵌入式PLC控制系统，其特征在于，所述系统还包括：通讯模块，所述通讯模块用于PLC主机与PLC编程器进行通讯连接。
3.根据权利要求1所述的嵌入式PLC控制系统，其特征在于，所述系统还包括代码调试模块，所述代码调试模块用于与人机接口模块配合，进行代码调试。
4.根据权利要求1所述的嵌入式PLC控制系统，其特征在于，所述系统的工作流程为：用户利用编程模块进行编程，完成编程后通过编译转换模块转换为PLC内部中间代码，然后运行编译器将中间代码翻译为可执行代码，通过通讯模块，将可执行代码传递到上位机中进行中间代码存储，然后将中间代码传递给逻辑虚拟机模块，由逻辑虚拟机模块来管理和执行应用程序，再按照程序要求把数据传递给I/O映象模块，将结果输出到外部端口，完成硬件的驱动。
5.根据权利要求1所述的嵌入式PLC控制系统，其特征在于，所述系统处理PLC程序任务包括：逻辑事件、组态任务、进程通信、任务调度、内存管理，系统采用指令表编程方式实现PLC功能，并在上位机设计用户界面、数据通信、指令解释、代码转换功能。
6.根据权利要求1所述的嵌入式PLC控制系统，其特征在于，在PLC运行时，主机根据程序按指令作周期性循环扫描；在每次扫描过程中，完成对输入信号的采样、程序执行、输出状态的刷新。
7.根据权利要求6所述的嵌入式PLC控制系统，其特征在于，对输入信号的采样、程序执行、输出状态的刷新，具体包括：
PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中；
PLC在程序执行阶段，按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果写入输出状态寄存器中；
输出刷新阶段，当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式输出，驱动相应输出设备工作。
8.根据权利要求1所述的嵌入式PLC控制系统，其特征在于，所述嵌入式PLC中的软件单元包括：
节点驱动单元：所述节点驱动单元用于根据功能需求开发相应的I/O接口电路；并根据内核提供的驱动程序接口和需要开发的嵌入式PLC 的I/O配置，开发节点的驱动程序；
嵌入式PLC 内核单元：嵌入式PLC 内核单元用于实现嵌入式PLC 用户程序的解释、执行以及通信核心功能，嵌入式PLC 内核单元提供了节点驱动程序接口；
终端用户PLC单元：终端用户PLC单元为软件单元的应用层，终端用户PLC单元由用户编制，终端用户PLC单元运行在嵌入式PLC内核单元和节点驱动单元的基础上。
9.根据权利要求1所述的嵌入式PLC控制系统，其特征在于，嵌入式PLC采用指令表编程方式，指令表的数据结构采用一个动态指针数组来描述。
10.根据权利要求1所述的嵌入式PLC控制系统，其特征在于，所述系统资源管理服务模块采用基于ARM主板+DSP+FPGA的双CPU构架方式，其中，ARM主板+DSP+FPGA构成了PLC主机，其中ARM主板为PLC主机上位机，DSP+FPGA为PLC主机下位机。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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