技术领域
[0001] 本专利涉及一种基于嵌入式软PLC实现传统硬件PLC控制功能装置，具有开关量控制、模拟量输入、数字量输入、网络通信等功能的工业现场控制设备。
相关背景技术
[0002] 可编程逻辑控制器(PLC)是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。传统PLC难以构建开放的硬件体系结构，开放性差，也不够灵活。工作人员必须经过较长时间的专业培训，才能掌握某一种产品的编程方法，开发难度大。并且，传统的PLC生产被几家厂商所垄断，价格高，性格比增长也很缓慢。
[0003] 因此，需要一种改进的PLC控制方案。
具体实施方式
[0025] 下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0026] 可编程逻辑控制器(PLC)是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统，它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
[0027] 传统PLC难以构建开放的硬件体系结构，工作人员必须经过较长时间的专业培训。才能掌握某一种产品的编程方法，开发难度大，再加上传统的PLC生产被几家厂商所垄断，造成性格比增长很缓慢，制约了传统PLC的发展。
[0028] 近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及PLC方面国际标准的制定，一项打破传统PLC局限性的新兴技术发展起来了，这就是软PLC技术。其在保留传统PLC功能的前提下，采用开放的通信接口及各种相关的国际工业标准，通过软件来实现传统的PLC功能。
[0029] 本发明提出了一种控制平台，该控制平台是基于ARM嵌入式技术的软PLC控制平台，通过采用ARM嵌入式软PLC方式代替了传统的PLC，具有开放的体系结构、强大的网络通讯能力和更强的数据处理能力，能较好地满足现代工业自动化的要求，实现工业现场控制。
[0030] 图1示出了根据本发明一个实施例的控制平台的示意性框图。
[0031] 如图1所示，本发明的控制平台可以包括微处理器110、以太网芯片120和管理服务器130。
[0032] 该微处理器110可以集成有多种工业标准接口，该多种工业标准接口可以包括输入接口和输出接口，微处理器110可以用于接收经由输入接口采集的工业控制现场数据。
[0033] 工业控制现场数据例如可以是经由传感器采集的环境数据，例如温度、气体等传感器数据。
[0034] 微处理器110可以是嵌入式ARM处理器，微处理器板集成各类工业控制接口以及多种通信接口，具有串口、RS485、以太网、WIFI等接口。
[0035] 输入接口可以包括数字量输入接口DI和模拟量输入接口AI，输出接口可以包括数字量输出接口DO。其中，微处理器110以预定扫描时间从输入接口采集工业控制现场数据。
[0036] 在一个优选实施例中，该ARM处理器可以提供多路数字量IO输入、多路数字量IO输出以及多路模拟量输入。
[0037] 以太网芯片120可以用于以预定通讯协议，实现微处理器与管理服务器之间的通信。
[0038] 管理服务器130可以用于经由以太网芯片120接收所述工业控制现场数据，并基于预定应用需求，经由以太网芯片120向微处理器110发送控制命令，以使得微处理器110打开或关闭经由输出接口所控制的外部设备。
[0039] 预定应用需求例如可以是指传感器与外部设备之间的联动，该需求可以是基于应用场景预先设定的。其中，传感器例如可以是用于采集工业控制现场的环境数据的传感器，包括但不限于是温度传感器、气敏传感器等。外部设备例如可以是用于工业控制现场的设备，例如风机、水泵等。
[0040] 联动例如可以是指对传感器与外部设备的关联控制，其以传感器采集的工业控制现场的环境数据来控制外部设备。例如，可以同时采集温度、气体等经由传感器采集的环境数据，在环境数据的数值超出预定指标的情况下，则启动风机、水泵等设备，来进行吹风、散热、排水等，来使得传感器监控的环境数据恢复正常。
[0041] 具体地，管理服务器130收到微处理器经由以太网芯片上传的传感器数据，根据事先设定的联动场景，下发相关设备控制指令，通过外部设备的运行，使得传感器监控的环境数据恢复正常。
[0042] 在一个实施例中，管理服务器130可以通过其上运行的控制软件实现上述控制。该控制软件主要可以通过扫描模拟量输入接口(AI)、数字量输入接口(DI)的状态，及接受管理服务器下发的控制命令去更新数字量输出接口(DO)的状态，以实现对外部设备的开关状态的控制。
[0043] 在一个优选实施例中，本发明的控制平台可以采用32位ARM Cortex-M3芯片(例如STM32F107V8T6微处理器)构建。
[0044] 图2A示出了根据本发明一个实施例的微处理器的硬件电路原理图。
[0045] 图2B示出了根据本发明一个实施例的以太网芯片的硬件电路原理图。
[0046] 在图2A-2B中，微处理器110采用STM32F107做为主控芯片主要负责控制、指挥和调度整个控制平台协调工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。以太网芯片120可以采用美国国家半导体(NS)公司生产的DP83848C芯片。以太网芯片120主要负责网络数据的传输，实现本装置与管理服务器的信息交互。
[0047] 如图2A所示，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，包括10个定时器、两个12位1-Msample/s AD(模数转换器)(快速交替模式下2M sample/s)、两个12位DA(数模转换器)、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口和高质量数字音频接口IIS。
[0048] STM32F107是意法半导体推出全新STM32互连型(Connectivity)系列微控制器中的一款性能较强产品。嵌入式ARM处理器具有高性能、低功耗、低成本等特点，能为软PLC嵌入式系统提供完整的解决方案。
[0049] 另外，STM32F107拥有全速USB(OTG)接口、两路CAN2.0B接口、以及以太网10/100MAC模块。
[0050] 如图2B所示，该芯片是一种10/100Mbit/s单路物理层以太网收发器器件，支持10/100M的以太网通信，同时也支持MII和RMI接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。
[0051] 另外，本发明的控制平台还可以包括数据采集模块，例如数字量输入模块140、模拟量输入模块150以及数字量输出模块160。
[0052] 数字量输入模块140可以经由数字量输入接口与所述微处理器交互，数字量输入模块可以包括光电耦合器，用于实现数字量输入。
[0053] 模拟量输入模块150可以经由模拟量输入接口与所述微处理器交互，模拟量输入模块包括A/D转换器，用于实现模拟量输入。
[0054] 数字量输出模块160可以经由数字量输出接口与所述微处理器交互，所述数字量输出模块包括继电器，用于实现数字量输出。
[0055] 图3A-3C示出了根据本发明一个实施例的数据采集模块的硬件电路原理图。
[0056] 图3A示出了根据本发明一个实施例的数字量输出模块的硬件电路原理图。
[0057] 如图3A所示，“DO_ULNO”为与微处理器110侧交互的数字量输出接口，“DOA0”、“DOB0”为与外部设备侧交互的设备接口，其中，“DO”口标识数据输出接口，“A0/B0”为对应外部设备的编号。
[0058] 该数字量输出模块160中的继电器可以采用“HRS1H-S-DC24V-1A”。通过继电器实现数字量输出的功能，微处理器110接收到管理服务器的控制指令后，通过微处理器110的IO输出高电平给数字量输出模块(DO)，让继电器线圈通电，闭合开关，去控制相关设备。
[0059] 图3B示出了根据本发明一个实施例的数字量输入模块的硬件电路原理图。
[0060] 如图3B所示，“MCU_DI_10”为与微处理器110侧交互的数字量输入接口，“DI_0”为与外部设备侧交互的设备接口，该设备接口用于采集工业控制现场数据。
[0061] 当外部设备开关闭合时，外部触点(DI_0)与地相接，数字量输入模块接收到开关信号的变化后，将相应的外部设备的开关状态通过数字量输入接口(MCU_DI_10)发送给微处理器110，实现数字量输入。
[0062] 图3C示出了根据本发明一个实施例的模拟量输入模块的硬件电路原理图。如图3C所示，“MCU_AD_IN0”为与微处理器110侧交互的模拟量输入接口，“AI0”为与外部设备侧交互的设备接口，该设备接口用于采集工业控制现场数据。
[0063] 当外部设备为模拟量输入时，模拟量输入模块将电流值通过硬件(例如A/D转换器)换算成微处理器可接受的第一电压值。
[0064] 微处理器110可以获取该第一电压值，并通过软件计算出相对应的十进制数值，之后将计算得到的十进制数值通过以太网芯片上传至管理服务器。
[0065] 在其中，微处理器110读取到模拟量输入模块的AI端口的当前电压，计算出的电压值不仅与当前读出的第一电压值有关，而且还与之前预定次数(例如前15次)读出的电压值有关。
[0066] 本发明的控制平台还可以包括存储器(例如可以为非遗失性存储器，图中未示出)，该存储器可以用于存储历史采集到的第二电压值，还可以用于存储与各个模拟量输入接口对应的转换系数。
[0067] 微处理器110还可以对当前经由模拟量输入接口采集的第一电压值进行迭代处理，以得到第二电压值，第二电压值用于作为模拟量输入接口实际采集的电压值。
[0068] 图4示出了根据本发明一个实施例的迭代算法。
[0069] 具体地，迭代处理可以为将经由模拟量输入接口采集的第一电压值，与从存储器中获取的最近存储的预定数量个(例如15个)历史第二电压值，按预定比例和权重进行加权运算得到第二电压值。
[0070] 之后，微处理器110可以基于从存储器中获取的与模拟量输入接口对应的转换系数，对第二电压值进行转换处理，以得到用于作为模拟量输入接口实际采集的电流值，即流过此AI口的电流值。
[0071] 该转换系数是在对模拟量输入接口进行校准时，经由模拟量输入接口采集的实际的第二电压值与理论电压值的比值。理论电压值是基于设置在模拟量输入模块的模拟量输入接口处的恒定电流计算得到的。
[0072] 由于参考电压存精度不高或者电阻值存在飘移的情况，会遇到采集到的模拟量输入模块的AI数值不准确，本发明可通过控制软件进行校准。首先，在模拟量输入模块所有的AI输入脚上分别施加特定的一个恒定电流。然后，通过串口发送特定的校准命令启动校准过程。
[0073] 图5示出了根据本发明一个实施例的校准算法。
[0074] 如图5所示，校准时，微处理器读取模拟量输入模块的AI输入脚的实际电压值，然后通过实际电压值与基于恒定电流计算出的理论电压进行对比，计算出对应的转换系数，最后将这些转换系数保存在非遗失性存储器当中。
[0075] 为了更好地理解本发明的控制流程的实现，如下将结合图6示出的根据本发明一个实施例的控制方法的流程图进行说明。
[0076] 参见图6，在步骤S610给控制平台上电，进行设备初始化。
[0077] 在步骤S620，进行模块/接口配置，包括配置DI数字量输入模块、AI模拟量输入模块、DO数字量输出模块等的功能；
[0078] 在步骤S630，进行TCP/IP网络配置，配置网络功能。
[0079] 在步骤S640，微处理器判断是否接收到管理服务器经由TCP网络发送来的控制命令。如果判断结果为是，则进入步骤S650；如果判断结果为否，则进入步骤S660。
[0080] 在步骤S650，基于接收到的控制命令，更新数字量输出(DO)，以经由数字量输出接口的控制外部设备的状态。
[0081] 在步骤S660，微处理器判断是否到达输入接口的扫描时间。如果判断结果为是，则进入步骤S670；如果判断结果为否，则返回步骤S640。
[0082] 在步骤S670，基于扫描到的信号更新数字量输入接口的状态。
[0083] 在步骤S680，基于扫描到的信号更新模拟量输入接口的状态。
[0084] 在步骤S690，经由TCP网络向管理服务器发送数字量输入接口和数字量输出接口的信号或状态。
[0085] 应当理解的是，上述过程仅是对本发明控制平台的一个可能的控制方法的控制流程的描述，在其中，对各个步骤的具体实现顺序不做限制，例如，可以同时进行步骤S670和步骤S680，还可以同时进行步骤S670和步骤S680，还可根据实际情况进行调整。
[0086] 由此，通过本发明的上述控制平台和控制方法，软PLC的硬件体系结构不再封闭，用户可以自己选择合适的硬件组成满足要求的软PLC。并且比传统PLC的价格更低，降低了成本。
[0087] 图7示出了根据本发明一实施例可用于实现上述运行控制的计算设备的结构示意图。
[0088] 参见图7，计算设备700包括存储器710和处理器720。
[0089] 处理器720可以是一个多核的处理器，也可以包含多个处理器。在一些实施例中，处理器720可以包含一个通用的主处理器以及一个或多个特殊的协处理器，例如图形处理器(GPU)、数字信号处理器(DSP)等等。在一些实施例中，处理器720可以使用定制的电路实现，例如特定用途集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)或者现场可编程逻辑门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Arrays)。
[0090] 存储器710可以包括各种类型的存储单元，例如系统内存、只读存储器(ROM)，和永久存储装置。其中，ROM可以存储处理器720或者计算机的其他模块需要的静态数据或者指令。永久存储装置可以是可读写的存储装置。永久存储装置可以是即使计算机断电后也不会失去存储的指令和数据的非易失性存储设备。在一些实施方式中，永久性存储装置采用大容量存储装置(例如磁或光盘、闪存)作为永久存储装置。另外一些实施方式中，永久性存储装置可以是可移除的存储设备(例如软盘、光驱)。系统内存可以是可读写存储设备或者易失性可读写存储设备，例如动态随机访问内存。系统内存可以存储一些或者所有处理器在运行时需要的指令和数据。此外，存储器710可以包括任意计算机可读存储媒介的组合，包括各种类型的半导体存储芯片(DRAM，SRAM，SDRAM，闪存，可编程只读存储器)，磁盘和/或光盘也可以采用。在一些实施方式中，存储器710可以包括可读和/或写的可移除的存储设备，例如激光唱片(CD)、只读数字多功能光盘(例如DVD-ROM，双层DVD-ROM)、只读蓝光光盘、超密度光盘、闪存卡(例如SD卡、min SD卡、Micro-SD卡等等)、磁性软盘等等。计算机可读存储媒介不包含载波和通过无线或有线传输的瞬间电子信号。
[0091] 存储器710上存储有可处理代码，当可处理代码被处理器720处理时，可以使处理器720执行上文述及的控制方法。
[0092] 上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的控制平台及控制方法。
[0093] 此外，根据本发明的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品，该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本发明的上述方法中限定的上述各步骤的计算机程序代码指令。
[0094] 或者，本发明还可以实施为一种非暂时性机器可读存储介质(或计算机可读存储介质、或机器可读存储介质)，其上存储有可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)，当所述可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)被电子设备(或计算设备、服务器等)的处理器执行时，使所述处理器执行根据本发明的上述方法的各个步骤。
[0095] 本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。
[0096] 附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0097] 以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
