嵌入式軟PLC虛擬機在電氣測試中應用

在一些電子部件產品測試時，早先很多生產廠家都使用繼電接觸控制系統。該系統由分立元件組成，由于線路簡單，元件控制精度不高，加上抗干擾能力級差，所以運行不夠穩定，誤動作頻繁，使產品的測試和分析不準確。隨著現代工藝的高精度要求，為了適應市場需求，采用可編程控制器對原繼電電氣控制系統進行改造，但由于各PLC廠家硬件模塊和軟件結構絕大多數都是專用的、互不兼容的，系統各模塊間的交互方式、通信機制也各不相同，這使得控制系統相對獨立、彼此封閉。隨著技術的進步和市場競爭的加劇，這種專用體系結構的控制系統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、電氣測試系統原理介紹

該壽命測試系統能夠利用定時器控制電子部件產品的動作頻率，利用計時器來控制動作的次數，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品或負載的不良狀態，并對系統進行停機保護，實驗完成后利用產品或負載在機械和電氣方面的特性對其產品進行評價。

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，實現高低壓分離，保証了測試系統的安全性，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測量發現這兩種精度都不是很高，誤差往往有8-10ms。

實際中對產品評價需要很多數據，需要測試很多產品，這樣需要多獨立回路，接線走線困難，而且會產生寄生電路，所以，從PLC產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，可大大縮短實驗周期并降低成本。

2、軟PLC技術

傳統的PLC經過十幾年的發展，技術已經非常成熟，以高速度、高穩定性、高性能在工業控制領域得到了廣泛應用，與此同時，隨著現代計算機技術和電子技術的發展，在工程方面逐漸表現出其缺點：傳統的PLC廠商壟斷市場，其產品戶不兼容，缺少明確一致的標準，難以構建開放的硬件體系結構；各廠商產品的編程方法差別很大，技術專有性較強，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的迅猛發展以及PLC的國際標準IEC61131的制定，產生了軟PLC技術，所有"軟PLC技術"，就是用PC作為硬件支撐平臺，利用軟件實現標準硬件PLC的基本功能，也就是將PLC的控制功能封裝在軟件內，運行于PC的環境中，以PC為基礎的控制系統，同時提供了PLC的相同功能，卻具備了PC的各種優點。

軟PLC技術一般由開發系統和運行系統兩個部分組成。開發系統運行在PC平臺上，而運行系統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，比如μC/OS-II、μClinux等。

現代開發系統的特點一般都是集成化開發環境，界面友好，易于使用。軟PLC嵌入式系統是基于IEC61131國際標準的，所以必然要支持其中的幾種語言，系統運行在嵌入式硬件平臺上，負責解釋執行由開發系統編譯、鏈接后產生的目標文件，運行系統一般由運行內核、通信接口和系統管理三大部分組成，其設計和實現精度很高，它的執行效率將直接影響到系統在現場控制中的反應速度。

3、嵌入式平臺的虛擬運行系統

運行系統的結構組成如圖2所示。系統管理器的主要任務是處理不同任務、協調程序執行及從I/O映象讀寫變量。I/O接口可與本地I/O系統和遠程I/O系統通信。通信接口使運行系統可以與開發系統或其他設備進行通信。內核解釋器是運行系統的核心部分，負責解釋執行由開發系統編譯完成的PLC應用程序的目標代碼。

圖2 運行系統的結構組成

運行系統可在多種支持平臺上運行，它通過將數據區和代碼區分離，實現程序的動態更新和代碼的高效率動態下載。

（1）在μClinux平臺上實現軟PLC虛擬機實現步驟

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文件轉變為匯編程序；
用匯編器匯編變成功的匯編程序，將解釋執行內部指令（PLM文件）轉換為程序，匯編成機器碼執行，實現PLC指令機器碼執行方案，大大地提高了執行速度，同時大大節約了內存空間；
將PLC指令對應的機器碼移植到嵌入式操作系統中執行。
（2）運行系統的兩大模塊

運行系統主要由兩大模塊組成：1）梯形圖到機器碼程序的轉換；2）執行機器碼文件。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文件轉變為匯編程序，最后用匯編器匯編轉變成功的匯編程序，產生機器碼從而生成可執行的PLE文件。

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

（3）虛擬機總體設計

根據虛擬機的原理和執行機制，對虛擬機的機器碼執行方案進行了總體設計，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生PLM文件，然后調用宏匯編庫，并進行一系列的轉換生成機器碼，產生PLE文件；最后創建機器運行環境來執行機器碼，宏匯編庫中是每個梯形圖指令對應的宏匯編段。

圖3 虛擬運行總體設計框圖

（4）交叉開發調試算法研究

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

交叉開發調試算法：

在宿主機平臺上編寫程序代碼；
固化監控器至目標機上；
連接宿主機和目標機；
編譯鏈接應用程序，生成可執行代碼；
將可執行代碼下載到目標機；
使用交叉調試器進行調試；
如果程序調試沒有發現異常，轉至11）；
調試程序時發生錯誤，利用交叉調試器定位錯誤；
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

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。根據要求，試驗最好的結果是每個繼電器用6個TV負載，即每個TV負載是5s開，55s管。輸入點有：開關，檢出，復位M個，停止次數設定量N次，動作頻率設定L個，常開/觸點轉換。其中，M=測試產品個數，N、L個數由實際需要確定。其算法如下：

設定一個循環周期，使累積誤差最??；
在循環周期內設計動作時間和動作頻率，以及動作次數；
設計相關聯動、互鎖、緊急停車和復位等功能；
執行動作與反饋根據產品相關標準進行比較，判定結果和設定中斷程序。

采用模塊化程序設計編程，各模塊均由主程序調用，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。用了算法優化設計，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。

實驗結果與測試要求基本一致。如果不采用優化算法程序設計，則對電源要求很高，所以該控制系統可以應用實現，無形中降低了成本。

5、改進后優點和維護

很明顯，經過以上改進后有以下優勢：

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代替傳統的硬PLC，外部線路簡化；
模塊化可實現各種復雜的控制系統，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：
為了提高系統效率并降低開銷，盡量少用I/O；
要有緊急停車和適當聯鎖按鈕環節；
輸入和輸出不能用同一電纜線；
直流電感性負載并聯浪涌二極管，以延長觸點的使用壽命；交流感性負載并聯電容吸收器以降低噪聲。
為保證控制系統工作的可靠性，做好接地、防塵、訪油、防輻射工作。

結語

此系統可用于繼電器、馬達、電感、充電器等產品的測試。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，產品在短時間內產生過電流，會造成產品破壞甚至威脅人身安全。其二，數據采集不全，不能實時監控。利用電流計可以彌補第一點的不足；采用數據采集卡可以實現實時數據采集。