基于ARM开发平台的软PLC系统设计与实现.pdf

设计与分析Sheji yuFenxi基于ARM开发平台的软PLC系统设计与实现翟源康蒋毅安伟周洪（江南大学，江苏无锡2 14 0 0 0）摘要：传统的PLC在使用过程中存在很多缺陷，为了解决其兼容性差、成本高等问题，设计并实现了基于ARM开发平台的软PLC系统。选取了软PLC系统的硬件平台和开发软件，通过对系统内核的改造将硬件与软件结合构成软PLC系统，利用安川电机对系统进行测试，结果表明系统具有可行性，为工业控制提供了一种新方案。关键词：ARM；软PLC；内核中图分类号：TP273+.5D0l:10.19514/32-1628/tm.2023.20.011文献标志码：A文章编号：16 7 1-0 7 97(2 0 2 3)2 0-0 0 4 2-0 30引言随着工业技术的快速发展，传统的PLC已经成为成熟的设备，被广泛应用在工业控制领域。然而在使用过程中，人们逐渐认识到传统PLC存在诸多缺陷，如性价比低、兼容性差、维护性差等。近年来，IEC61131-3标准的普及和实施促进了软PLC技术的产生与发展，软PLC技术利用软件中的程序逻辑代替传统PLC中的继电器电路，可以完成同传统PLC一样的控制功能。相比于传统PLC,软PLC在灵活性、兼容性、数据处理能力、通信能力等方面都具有较大优势。软PLC技术起步于国外，目前出现了许多成熟的产品，如西门子公司的SIMATICWinAC控制软件I、三菱公司的GX-Developer编程软件 2 、Entertron公司的SK1600-RIC型嵌入式控制器 3 等。相比于国外，国内对于软PLC的研究与应用相对落后，但是近年来许多高校和企业也开始关注软PLC，如清华大学、南京理工大学、步科等。目前国内的软PLC产品主要应用于一些安全性较低的场景，很少在工业控制领域见到软PLC的身影。本文以ARM开发平台为运行载体，以CoDeSys为开发软件，在ARM开发平台上安装系统，对系统内核进行改造，移植CoDeSys实时核系统，搭建了基于ARM开发平台的软PLC系统。1系统总体方案为了更好地实现软PLC控制系统的搭建，搭载系统的硬件平台应该具备成本低廉、性能可靠、开发简便等特点，基于ARM处理器的开发板可以满足这个需求 4 。针对开发板上的运行系统,Ubuntu系统是一个很好的选择,Ubuntu系统属于Linux操作系统的分支，它的性能强大并且开源免费，有利于开发硬件资源和搭建软PLC系统。本文以北京讯为的iTOP-3399开发板为实验平台，该开发板以RK3399处理器为核心，RK3399处理器是一款ARM架构的处理器，性能强大，功耗较低。如图1所示，开发板上板载着丰富的资源，为搭建软PLC系统提供了极大的便利性。本文选取了德国3S公司的CoDeSys作为软PLC的编程与开发工具，CoDeSys功能强大，性能可靠，被广泛应用于工业控制领域。该工具分为三层，如图2所示，开发层是程序的集成开发环境，运行于PC平台上；设备层是程序解析运行的硬件平台，需要在硬件平台安装CoDeSys实时核系统；通信层负责完成开发层与设备层之间的通信任务。2车软PLC系统实现2.1Ubuntu系统内核改造首先在ARM开发平台上安装Ubuntu系统，由于软PLC对实时性有较高的要求，而Ubuntu系统的内核属于非抢占式内核 5，需要对其内核进行改造。本文选取为内核打入补丁的改造方案，改造线路如图3所示。由于原系统内核没有对应版本的补丁，而如果将版本不匹配的补丁打入实时内核会出现无法预测的问题,因此需要下载另一版本的内核以及和内核版本严格对应的实时补丁。配置内核是根据系统需求，对内核进行参数设置和功能选择，以满足特定的42机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期Sheji yu Fenxi设计与分析GyroscopePCIE M.2IRDARTCWi-Fi/BTEDP-LCDSIMCardMICPHONEESCVOL-VOL+开发层IEC61131-3编辑器/编译器总线配置器CoDeSys应用开发层系统通信层CoDeSysOPC服务器CoDeSys网关服务器设备层CoDeSys实时核系统IEC61131-3应用程序图2 CoDeSys架构需求，在配置完成后通过编译生成可执行的二进制代码。各个芯片都有默认的配置文件，需要在默认文件的基础上进一步修改，由于各个厂商生成的芯片不同，各个芯片的配置文件也存在很大差别。在内核源码中的arch/arm/configs文件夹下包含了不同芯片的defconfig文件，但是内核源码文件中提供的配置文EthernetOMENUPOWERRST硬件/现场可视化界面运动控制编程模块UART4GUARTCAMERA图1开发板资源件有限，不包含RK3399芯片的配置文件，公司的sdk包有rockchip_rk3399_defconfig文件，将该文件复制到内核源码的根目录下，并重新命名为.config文件，执行make menuconfig命令进一步配置内核。在编译内核之前，需要修改Makefile文件中的执行命令，在内核源码文件夹下执行sudovimMakefile命令，进行配置平台的修改，Makefile文件默认的配置平台为x86平台，利用搜索功能找到修改位置，将其修改为arm64，如图4 所示。然后修改编译工具，本文通过虚拟机生成内核的镜像文件，但是基于x86平台的虚拟机编译生成的镜像文件只适用于x86平台，无法在ARM平台上运行，为了在虚拟机中编译生成适用于ARM开发平台的镜像，需要使用交叉编译工具链，RK3399开发板的交又编译工具链在公司提供的sdk包中；下载sdk包后更改Makefile文件，添加交叉编译工具的具体位置，如图5所示。修改Makefile文件后，在命令行设置环境变量，USB 3.0USBHOSTX4个GPIOMIPICAMERATFCardGPSElectroniccompassvLightSensorLEDBUZZERTYPE-CMIPITX/RXSPDIFMIPI TXHDMIPOWERLEDSWITCH下载内核与补丁打入补丁图3内核改造线路配置内核编译内核安装内核机电信息22023年第2 0 期总第7 16 期4 3设计与分析Sheji yuFenxi图4 修改配置平台图5修改编译路径井（CRoss_coMPILE specify the prefix used for all executables used#during compilation.Only gcc and related bin-utils executables#areprefixedwith$(CROSS_COMPILE).#（CRoSS_COMPILE can be set on the command line#makeCROSS_COMPILE=ia64-linux-#Alternatively CRoSS_cOMPILE can be set in the environment.#A third alternative is to store a setting in.config so that plain#make in the configured kernel build directory always uses that.#Default value for CRoss_COMPILE is not to prefix executables#Note:Some architectures assign CRosS_COMPILE in their arch/*/MakefileARCH#CROss_cOMPILE specify theprefixused for all executables used#during compilation.Only gcc and related bin-utils executables#areprefixedwiths(CROSs_COMPILE).#CROSS_COMPILE can be set on the command line#makeCROSS_COMPILE=ia64-Linux-#Alternatively CROSS_COMPILE can be set in the environment.#A third alternative is to store a setting in.config so that plain#make in the configured kernel build directory always uses that.#Default value for CROss_cOMPILE is not to prefix executables#Note:Some architectures assign CROSS_COMPILE in their arch/*/MakefileARCHCROsS_cOMPILE?=/home/zyk/3399/rk3399_linux_sdk_v2.c/prebuilts/gc/linux-x86/aarch64/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin/aarch64-Linux-gnu-执行 export PATH=/home/zyk/3399/rk3399_linux_sdk_v2.0/prebuilts/gcc/linux-x86/aarch64/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin:$PATH命令，修改完成后编译安装内核。2.2移植CoDeSys实时核系统系统改造完成后，为了将ARM开发平台与上层软件有机结合起来，利用CoDeSys实时核系统（简称Runtime）作为ARM开发平台与上层开发软件的桥梁。CoDeSys实时核是实时操作系统的核心，它提供了基于硬实时的任务调度和执行，保证了对实时任务的高精度控制和响应能力。在CoDeSys官网下载相应版本的Runtime包，利用CoDeSys软件进行Runtime包的移植，移植流程如图6 所示。打开软件后将Runtime包安装至软件的包管理器中，安装成功后进行更新，打开移植界面，输入ARM开发平台的IP地址、用户名和密码建立软件与开发平台之间的连接，连接成功后选择Runtime包进行移植。3系统测试为了验证软PLC系统的可行性，利用安川公司的驱动器和伺服电机进行测试。控制方案如图7 所示，?=arm64?=arm64下载Runtime包打开软件安装Runtime包与嵌入式控制器建立连接设置登录用户和密码完成移植图6 Runtime移植个人PC与ARM开发平台利用网线进行通信，ARM开发平台通过EtherCAT总线控制驱动器，由驱动器控制电机运动。利用CoDeSys软件编写电机控制程序，以ST语言作为主要编程语言，添加可视化界面，完成了电机的伺服上电、伺服下电、回零、复位、停止、点动运动、绝对运动、相对运动、匀速运动、多轴协同运动等多种控制命令。4结论本文将软PLC技术应用于ARM开发平台上，通过对系统内核进行实时性改造，成功搭建了基于ARM开发平台的嵌入式控制系统。经过测试，现场总44机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期Sheji yu Fenxi设计与分析直流非波形控制焊接电源焊接热输入计算分析苑露文(中国船级社质量认证有限公司，重庆4 0 112 1)摘要：利用不同的计算方法对直流非波形控制焊接电源焊接热输入的计算精度进行了对比分析，可为焊接热输入计算方式的选择提供参考。关键词：直流非波形控制；焊接热输入；计算中图分类号：TG47D01:10.19514/32-1628/tm.2023.20.012文献标志码：A文章编号：16 7 1-0 7 97(2 0 2 3)2 0-0 0 4 5-0 40弓引言焊接热输入是对焊接参数（包括焊接电流、焊接电压、焊接速度)的综合评价。对于低合金钢和不锈钢等钢种，若热输入太大，接头性能可能降低；若热输入太小，有的钢种焊接时可能产生裂纹 1。因此，在重要结构的焊接中往往要求控制热输入。1焊接热输入计算公式介绍1.1焊接手册推荐的热输入计算公式国内大多数焊接规范都要求控制热输入，却没有定义热输入的计算公式。在焊接手册第1卷焊接方法及设备中对（焊接）热输入的定义为：熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量称为热输入，其计算公式如下 1：式中：Q为单位长度焊缝的热输入的数值（J/cm);n为热效率系数；I为焊接电流的数值（A)；U 为焊接电压的数值（V）；u 为焊接速度的数值（cm/s）。1.2美标体系采用的热输入计算公式由于规范没有明确规定热输入的计算方式，在实践过程中许多行业沿用本行业国际规范要求的计算方式进行热输入计算，目前使用最广泛的是来自于美国机械协会ASMEIX和美国石油学会API1104的计算公式。在ASMEIX中，使用电流、电压计算热输入的公Q-nARM开发平台CoDeSys运行系统电机运动控制程序EtherCAT通信安川SGD7S-7R6AA0A驱动器图7 控制方案架构线通信任务抖动较小，任务最大抖动为16 2 s，系统运行时稳定可靠。相比于传统的PLC控制系统，该系统具有扩展性强、性价比高、开发周期短等优势，为工业控制提供了一种新的可能性。参考文献网线个人PC连接CoDeSys开发系统安川SGD7A-08AFA61伺服电机1焦炬.浅析数控机床发展现状 J.机电产品开发与创新，2011,24(3):16-18.2陈海，郭肖旺，左娇，等.工控编程编译工具应用现状分析及展望 J.信息技术与网络安全，2 0 2 2，4 1（1)：37-4 1.3王晓光.嵌入式PLC的设计与研究 D.成都：西华大学，2010.4】陈铭.嵌入式软PLC系统的研究和实现 J.电子元器件与信息技术，2 0 2 0，4（4）：58-59.5陈文星，张辉宜，陶陶，等.嵌入式Linux的实时性改进技术 J.计算机技术与发展，2 0 0 6，16（10)：114-117.收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 1作者简介：翟源康2 0 0 1一），男，河南商丘人，研究方向：机械电子工程。机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期4 5