嵌入式軟PLC虛擬機在電氣測試中應(yīng)用

在一些電子部件產(chǎn)品測試時，早先很多生產(chǎn)廠家都使用繼電接觸控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由分立元件組成，由于線路簡單，元件控制精度不高，加上抗干擾能力級差，所以運行不夠穩(wěn)定，誤動作頻繁，使產(chǎn)品的測試和分析不準確。隨著現(xiàn)代工藝的高精度要求，為了適應(yīng)市場需求，采用可編程控制器對原繼電電氣控制系統(tǒng)進行改造，但由于各PLC廠家硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)都是專用的、互不兼容的，系統(tǒng)各模塊間的交互方式、通信機制也各不相同，這使得控制系統(tǒng)相對獨立、彼此封閉。隨著技術(shù)的進步和市場競爭的加劇，這種專用體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)越來越暴露了其固有的缺陷。由于基于PC平臺的軟件PLC無需專門的編程器，可充分利用PC機的軟硬件資源，直接采用梯形圖或語言編程，具有良好的人機界面等優(yōu)點，因此逐漸取代了硬件PLC，成為研究的熱點。

1、電氣測試系統(tǒng)原理介紹

該壽命測試系統(tǒng)能夠利用定時器控制電子部件產(chǎn)品的動作頻率，利用計時器來控制動作的次數(shù)，基本原理如圖1所示。

圖1 電氣測試基本原理

PLC使用OMRON CQM1H-CPU11 PLC加上擴展模塊，其I/O點數(shù)可達26個，可滿足多路測試，利用控制動作Relay的定時器和負載反饋Relay的定時器時間差進行判斷產(chǎn)品或負載的不良狀態(tài)，并對系統(tǒng)進行停機保護，實驗完成后利用產(chǎn)品或負載在機械和電氣方面的特性對其產(chǎn)品進行評價。

其中，遮斷保護、動作Relay和負載反饋Relay都是用PLC內(nèi)部高精度定時器進行控制的，其原理都是用低電壓控制高電壓，實現(xiàn)高低壓分離，保証了測試系統(tǒng)的安全性，這里的遮斷保護用的是Fuji Electric Co.Ltd。JapanSC-13AA型接觸器，耐壓可達600V，單觸點額定電流是32A，動作Relay和負載反饋Relay（也可以用光電耦合或電流互感器）都是用的OMRON的MY系列繼電器。

實際用DL750 scoper測量發(fā)現(xiàn)這兩種精度都不是很高，誤差往往有8-10ms。

實際中對產(chǎn)品評價需要很多數(shù)據(jù)，需要測試很多產(chǎn)品，這樣需要多獨立回路，接線走線困難，而且會產(chǎn)生寄生電路，所以，從PLC產(chǎn)品的兼容性及測試成本考慮，采用目前先進的嵌入式軟PLC技術(shù)，可大大縮短實驗周期并降低成本。

2、軟PLC技術(shù)

傳統(tǒng)的PLC經(jīng)過十幾年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，以高速度、高穩(wěn)定性、高性能在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，與此同時，隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，在工程方面逐漸表現(xiàn)出其缺點：傳統(tǒng)的PLC廠商壟斷市場，其產(chǎn)品戶不兼容，缺少明確一致的標準，難以構(gòu)建開放的硬件體系結(jié)構(gòu)；各廠商產(chǎn)品的編程方法差別很大，技術(shù)專有性較強，工作人員培訓時間長，造成PLC的性價比增長很緩慢。

20世紀90年代中期，計算機和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及PLC的國際標準IEC61131的制定，產(chǎn)生了軟PLC技術(shù)，所有"軟PLC技術(shù)"，就是用PC作為硬件支撐平臺，利用軟件實現(xiàn)標準硬件PLC的基本功能，也就是將PLC的控制功能封裝在軟件內(nèi)，運行于PC的環(huán)境中，以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，同時提供了PLC的相同功能，卻具備了PC的各種優(yōu)點。

軟PLC技術(shù)一般由開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩個部分組成。開發(fā)系統(tǒng)運行在PC平臺上，而運行系統(tǒng)則運行在嵌入式硬件平臺上，一般而言，嵌入式硬件平臺上都要運行某種嵌入式操作系統(tǒng)，比如μC/OS-II、μClinux等。

現(xiàn)代開發(fā)系統(tǒng)的特點一般都是集成化開發(fā)環(huán)境，界面友好，易于使用。軟PLC嵌入式系統(tǒng)是基于IEC61131國際標準的，所以必然要支持其中的幾種語言，系統(tǒng)運行在嵌入式硬件平臺上，負責解釋執(zhí)行由開發(fā)系統(tǒng)編譯、鏈接后產(chǎn)生的目標文件，運行系統(tǒng)一般由運行內(nèi)核、通信接口和系統(tǒng)管理三大部分組成，其設(shè)計和實現(xiàn)精度很高，它的執(zhí)行效率將直接影響到系統(tǒng)在現(xiàn)場控制中的反應(yīng)速度。

3、嵌入式平臺的虛擬運行系統(tǒng)

運行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。系統(tǒng)管理器的主要任務(wù)是處理不同任務(wù)、協(xié)調(diào)程序執(zhí)行及從I/O映象讀寫變量。I/O接口可與本地I/O系統(tǒng)和遠程I/O系統(tǒng)通信。通信接口使運行系統(tǒng)可以與開發(fā)系統(tǒng)或其他設(shè)備進行通信。內(nèi)核解釋器是運行系統(tǒng)的核心部分，負責解釋執(zhí)行由開發(fā)系統(tǒng)編譯完成的PLC應(yīng)用程序的目標代碼。

圖2 運行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

運行系統(tǒng)可在多種支持平臺上運行，它通過將數(shù)據(jù)區(qū)和代碼區(qū)分離，實現(xiàn)程序的動態(tài)更新和代碼的高效率動態(tài)下載。

（1）在μClinux平臺上實現(xiàn)軟PLC虛擬機實現(xiàn)步驟

將梯形圖的指令翻譯成宏匯編并建立一個宏庫；
把用戶編寫的梯形圖程序編譯成中間代碼形式的PLM文件；
將PLM文件轉(zhuǎn)變?yōu)閰R編程序；
用匯編器匯編變成功的匯編程序，將解釋執(zhí)行內(nèi)部指令（PLM文件）轉(zhuǎn)換為程序，匯編成機器碼執(zhí)行，實現(xiàn)PLC指令機器碼執(zhí)行方案，大大地提高了執(zhí)行速度，同時大大節(jié)約了內(nèi)存空間；
將PLC指令對應(yīng)的機器碼移植到嵌入式操作系統(tǒng)中執(zhí)行。
（2）運行系統(tǒng)的兩大模塊

運行系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：1）梯形圖到機器碼程序的轉(zhuǎn)換；2）執(zhí)行機器碼文件。每個模塊的功能如下：

1）梯形圖到機器碼程序的轉(zhuǎn)換。首先把用戶編寫的梯形圖程序編譯成中間代碼形式的PLM文件，然后將PLM文件轉(zhuǎn)變?yōu)閰R編程序，最后用匯編器匯編轉(zhuǎn)變成功的匯編程序，產(chǎn)生機器碼從而生成可執(zhí)行的PLE文件。

2）執(zhí)行機器碼文件。將PLE文件嵌入配置好的執(zhí)行環(huán)境中并執(zhí)行，通過工控機的面版指示燈監(jiān)測程序的正確性。

（3）虛擬機總體設(shè)計

根據(jù)虛擬機的原理和執(zhí)行機制，對虛擬機的機器碼執(zhí)行方案進行了總體設(shè)計，如圖3所示。PLC文件是梯形圖程序的保存文件，通過對PLC文件進行詞法分析、語法分析和語義分析編譯產(chǎn)生PLM文件，然后調(diào)用宏匯編庫，并進行一系列的轉(zhuǎn)換生成機器碼，產(chǎn)生PLE文件；最后創(chuàng)建機器運行環(huán)境來執(zhí)行機器碼，宏匯編庫中是每個梯形圖指令對應(yīng)的宏匯編段。

圖3 虛擬運行總體設(shè)計框圖

（4）交叉開發(fā)調(diào)試算法研究

非嵌入式通常采用本機開發(fā)、本機調(diào)試、本機運行的開發(fā)方式；而嵌入式開發(fā)需要交叉開發(fā)，絕大多數(shù)采用宿主機開發(fā)、宿主機和目標機之間交叉調(diào)試、目標機運行的方式開發(fā)。

交叉開發(fā)調(diào)試算法：

在宿主機平臺上編寫程序代碼；
固化監(jiān)控器至目標機上；
連接宿主機和目標機；
編譯鏈接應(yīng)用程序，生成可執(zhí)行代碼；
將可執(zhí)行代碼下載到目標機；
使用交叉調(diào)試器進行調(diào)試；
如果程序調(diào)試沒有發(fā)現(xiàn)異常，轉(zhuǎn)至11）；
調(diào)試程序時發(fā)生錯誤，利用交叉調(diào)試器定位錯誤；
修改錯誤代碼；
重復4）-10）；
將目標機程序固化在目標機上。

4、嵌入式軟PLC改造后的控制系統(tǒng)

以測試繼電器TV5實驗為例。其要求如下：每次測試5個繼電器，每個繼電器的動作頻率是5s開，5s關(guān)。根據(jù)要求，試驗最好的結(jié)果是每個繼電器用6個TV負載，即每個TV負載是5s開，55s管。輸入點有：開關(guān)，檢出，復位M個，停止次數(shù)設(shè)定量N次，動作頻率設(shè)定L個，常開/觸點轉(zhuǎn)換。其中，M=測試產(chǎn)品個數(shù)，N、L個數(shù)由實際需要確定。其算法如下：

設(shè)定一個循環(huán)周期，使累積誤差最小；
在循環(huán)周期內(nèi)設(shè)計動作時間和動作頻率，以及動作次數(shù)；
設(shè)計相關(guān)聯(lián)動、互鎖、緊急停車和復位等功能；
執(zhí)行動作與反饋根據(jù)產(chǎn)品相關(guān)標準進行比較，判定結(jié)果和設(shè)定中斷程序。

采用模塊化程序設(shè)計編程，各模塊均由主程序調(diào)用，且為了程序不出誤動作，還要考慮電流諧波和沖擊對高電源的要求。用了算法優(yōu)化設(shè)計，5個繼電器每隔2s一個動作，5個剛好10s。其中一個動作頻率程序如下：

與之對應(yīng)的動作如下：

該程序檢出判斷程序如下：

圖4 TV負荷電壓電流波形

由圖4可知：啟動時突入電流最大值約為55A，突入時間約為54ms，定常為8A。

圖5 電機電壓和電流波形

由圖5可知：電流滯后電壓約為0.9ms，其功率因素為0.96。

實驗結(jié)果與測試要求基本一致。如果不采用優(yōu)化算法程序設(shè)計，則對電源要求很高，所以該控制系統(tǒng)可以應(yīng)用實現(xiàn)，無形中降低了成本。

5、改進后優(yōu)點和維護

很明顯，經(jīng)過以上改進后有以下優(yōu)勢：

使用PLC后通用性大大提高，改進了以前單一PLC，并縮短了工作人員的培訓周期；
用嵌入式軟PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬PLC，外部線路簡化；
模塊化可實現(xiàn)各種復雜的控制系統(tǒng)，方便地增加和改變控制功能；
PLC可進行故障自動檢測和報警顯示，提高運行安全性，且便于檢修；
便于群控制，提高運行效率；
更改控制方案時無需改動外部線路。
測試及維護需注意的事項：
為了提高系統(tǒng)效率并降低開銷，盡量少用I/O；
要有緊急停車和適當聯(lián)鎖按鈕環(huán)節(jié)；
輸入和輸出不能用同一電纜線；
直流電感性負載并聯(lián)浪涌二極管，以延長觸點的使用壽命；交流感性負載并聯(lián)電容吸收器以降低噪聲。
為保證控制系統(tǒng)工作的可靠性，做好接地、防塵、訪油、防輻射工作。

結(jié)語

此系統(tǒng)可用于繼電器、馬達、電感、充電器等產(chǎn)品的測試。改進后仍存在以下幾點缺陷：其一，如果負載斷路，其本身并不能檢測和保護；如果負載短路，產(chǎn)品在短時間內(nèi)產(chǎn)生過電流，會造成產(chǎn)品破壞甚至威脅人身安全。其二，數(shù)據(jù)采集不全，不能實時監(jiān)控。利用電流計可以彌補第一點的不足；采用數(shù)據(jù)采集卡可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集。