基于WorldFIP现场总线的LAS集成软PLC系统
Geng Liang，Zhijun Li， Wen Li，Yan Bai
摘要
基于传统WorldFIP现场智能节点的离散控制在现场控制规模较大的情况下，通信效率较低，实时性能不够好，因此设计完成了基于WorldFIP现场总线的软PLC系统，该系统集成了 Link Activity Scheduler（LAS），现场智能I / O模块充当联网的基本节点。 LAS集成软PLC系统实现了离散控制逻辑，由配置和监督子系统以及运行子系统组成。配置和监督子系统是利用个人计算机或工业计算机实现的，运行子系统的设计和实现是基于嵌入式硬件和软件系统；运行子系统中的通讯和时间表是通过嵌入式子模块实现的；另一个嵌入式子模块实现了离散控制和系统自诊断。文中提出了该系统的结构，阐明了子系统设计的方法，并通过研究由Soft PLC在WorldFIP网络和CPU工作负荷中引起的网络数据传输延迟对所得控制性能的影响，进行了实验，评估所提出的系统在离散和过程控制中的性能。实验结果观察表明，所提出的系统实际上适用。
关键词：WorldFIP、链接活动调度程序（LAS）软PLC、配置运行系统
目录
简介
WorldFIP是现场总线面向过程控制的的国际规范之一，WorldFIP现场总线具有独特的双总线架构，该结构能确保过程控制应用中的通信可靠性，并广泛应用于分布式智能控制网络。 WorldFIP现场总线可以满足用户的各种需求，适用于集中式、分布式和主从式结构等各种应用结构。 在WorldFIP相关应用中可以使用同步或异步机制来实现基于场智能节点的控制。 经过长期的发展，WorldFIP的应用范围从控制层扩展到现场层[1-8]，这使其能够实现完全分布式的控制和测量。在现场控制规模不大的情况下，可以将离散控制逻辑下载到现场智能仪表中，实现完全分布式控制。文献[9,10]提出了一种基于现场总线的梯形图（LD）转换为功能块图（FBD）的离散控制方法，该方法提出了一种基于现场智能节点实现离散控制的有效方法。在现场控制规模较大且总线速度不够高的情况下，每个现场智能节点之间的大量数据交换是不可避免的，并且导致现场总线网络上的大量调度数据消耗了时间，降低了控制的实时性。同时，当MICROFIP用作现场智能节点的WorldFIP通信控制器芯片时，只有在WorldFIP中调度的周期性消息模式（通信效率低于变量交换模式）时，才能实现不同域间基本节点之间的直接数据交换，用于信息传输。如果使用在数据交换中高效的周期性变量交换模式，则在这种情况下，不同域间基本节点之间的直接数据交换不可用。必须使用带有FULLFIP2r作为其通信控制器的LAS将数据从一个基本节点转发到另一个节点，这不仅会降低通信效率，还会给LAS配置带来困难。因此，在现场控制规模较大的情况下，在LAS或上位计算机中执行的控制逻辑和策略是实现控制实时性的一种可行方式。在WorldFIP现场总线中，控制逻辑和策略在LAS中执行，现场智能节点充当智能I / O模块。从I / O获取数据是通过高效的WorldFIP周期性变量交换模式实现的。
因此，基于LAS调度的上层离散控制，为基于现场智能节点的离散控制，故障诊断和综合信息集成提供了平台，具有非常重要的意义，软PLC的兴起和发展为基于LAS调度的上层离散控制提出了解决方案。目前，世界上的软PLC产品仍然是基于传统的模拟I / O结构，尚未见到基于LAS调度和现场智能节点直接与WorldFIP现场总线集成的软PLC系统。基于WorldFIP现场总线的软PLC系统被设计和实现，Link Activity Scheduler（LAS）被集成到系统中，并且现场智能I / O模块充当联网的基本节点，来自I / O节点的数据由WorldFIP定期变量交换获取。 LAS集成软PLC系统实现了离散控制逻辑，所提出的软PLC系统由配置和监控子系统、运行子系统组成。配置和监控子系统采用个人电脑或工业计算机实现；运行子系统采用了基于嵌入式硬件和软件系统设计和实现的WorldFIP LAS设备。运行系统中的通信和时间表是通过嵌入式子模块实现的；通过另一个嵌入式子模块实现了离散控制和系统自诊断，提高了系统的效率和可靠性，实现了软PLC与WorldFIP现场总线的无缝集成。
软PLC结构
软PLC中配置监控子系统以及运行子系统，整个系统通过运行子系统与WorldFIP现场总线网络集成，配置和监控子系统采用个人电脑或工控机实现，并以软件为核心部件。运行子系统采用高性能嵌入式硬件模块和软件编程实现，为了使子系统易于更新到网关设备，使用以太网适配器连接配置和监控子系统，使用以太网适配器可以实现下载配置数据并上传有关测量和控制的信息，运行子系统基于ARM嵌入式微处理器和WorldFIP现场总线接口芯片FULLFIP2，它包含两个模块C1和C2。现场总线通讯时间表由C1完成，主要部分为FULLFIP2，与配置监控子系统的连接、离散控制，网络节点管理和智能故障诊断由C2完成， C2通过以太网接收控制逻辑信息并由ARM微处理器执行。所提出的软PLC系统的整体结构如图1所示。
图1软PLC系统的结构
配置和监督子系统（CSS）
3.1子系统结构
配置和监控子系统以PC作为其硬件平台，可以在Windows和Linux等多操作系统下运行。它的主要构成是软件。整个软件可分为4个功能相对独立的软件模块，采用标准化的COM接口支持不同模块间的相互呼叫，大大提高了灵活性和可扩展性。配置和监控子系统如图2所示。用户使用用户图形编程接口编程控制策略。控制策略以源文件的形式传输到编译器进行编译。通过在COM / DCOM协议中调用配置调试组件调试编译后获得的目标独立代码（TIC）[11-15]。调试信息和结果通过用户调试界面发回IDE; TIC在解码后下载到下载模块，并通过以太网下载到软PLC的运行子系统中执行。子系统中还有上级管理功能。运行中的子系统和现场总线智能节点中的数据和信息可以通过以太网适配器进行访问，实现运行中的监控。
图2软PLC中配置和监控子系统的结构
3.2用户图形编程界面（UGPI）
UGPI的主要功能是为用户提供配置程序的IDE， 离散控制逻辑用IEC61131-3规定的一种或几种编程语言编程，并以源文件的形式将数据输出到编译器， 同时，IDE可用于配置控制逻辑使用的I / O点。
3.3用户配置程序编译器
用户配置程序编译器的主要功能是编译用户的配置程序并输出TIC，编译前执行语法检查，在UGPI中配置的现场I / O点数据被编译器编译为具有所需格式的数据。
3.4调试模块和配置调试用户界面（CDUI）
调试模块是一个用于控制逻辑的模拟程序，将TIC从编译器输出到它并在那里模拟，以检查用户配置的控制逻辑的正确性，并通过CDUI向用户报告调试结果和错误信息。
3.5下载模块和通信模块
TIC和已编译的现场I / O数据配置通过编译器以文件形式传输到下载模块，一些重要的信息，例如以太网中正在运行的子系统的IP地址，可以由用户使用UGPI下载，包含在模块中，以太网通信TIC和编译数据通过下载模块和通信模块的共同作用下载到软PLC的运行子系统中。
在软PLC中运行子系统（RS）
4.1 RS的一般结构
软件编程和高性能嵌入式硬件模块被用于RS的建设， RS中包含2个子模块，分别标为C1和C2。 负责公交时刻表和通信的C1使用通信控制器FULLFIP2实施，与C2配合实现配置和监控子系统、离散控制、网络节点管理和智能故障诊断等功能。通过以太网接收控制逻辑配置信息，并通过C1实现与现场I / O节点的数据交换由C2实现，并使用基于ARM内核的嵌入式微处理器实现，用户配置的控制逻辑也由C2执行，以实现离散控制功能，嵌入式实时操作系统作为RS的软件平台。RS的一般结构如图3所示。
图3软PLC运行系统的总体结构
4.2硬件实现
软PLC中的内核硬件RS是一款ARM7微处理器，具有高性能，低成本和低能耗的特点，特别是支持的C语言编程的功能大大提高了其功能，I / O配置数据和TIC存储在非易失性RAM中。RS的硬件实现如图4所示。RS实现的主要功能之一是调用WorldFIP现场总线链路活动并作为上级监控站的接口，即实现了链接活动调度程序（LAS）。RS使用WorldFIP FULLFIP2芯片作为通信控制器，FULLFIP2和FULLFIP2使用的功能是管理中等冗余的芯片FIELDUAL不提供介质访问单元冗余管理，基于微处理器的网关电路设计用于实现与上位站的接口，以太网适配器和FULLFIP2连接到系统总线，WorldFIP现场总线和以太网之间的协议转换通过微处理器实现，被命名为FIPCODE的FULLFIP2使用的代码被存储在专门设计的内存数据库中。
图4软PLC中RS的硬件实现
4.3 RS的操作流程
在所提出的软PLC中RS的操作与传统PLC的操作类似，在执行任何离散控制逻辑之前首先执行自检以检查RS的运行状态[16-18]，如果自检中有任何错误，则RS停止并通过以太网接口向用户报告错误信息，如果自检成功，则执行通信程序。与FULLFIP2交换数据和访问数据和信息，例如现场实时数据，来自每个现场智能节点的状态和诊断信息（在本地处理或上传到上层用户）是通信过程中的主要任务。输入数据采样是否完成是根据用户通过CSS设置的当前操作模式决定，定期变量交换模式用于根据I / O配置信息将远程智能节点中的采样数据读入RS中的本地I / O映射段。所提出的软PLC中的虚拟机（VM），其主要任务是根据用户在上一级配置的策略和参数执行控制逻辑，并将结果输出到I / O映射段中，之后运行。在I / O输出更新周期中，根据I / O配置信息将控制输出到FULLFIP2中的周期变量所使用的RAM中，并使用周期性通信机制传送到现场智能节点。RS的操作流程如图5所示。
图5 RS中的操作流程
虚拟机通过软件模拟硬件处理器作为数据处理平台，是提供软PLC的核心部分，它的主要任务是解释并执行从上层下载的TIC，以实现用户使用CSS指定的控制逻辑。在结构上，VM位于TIC和RS的微操作系统之间，作为软PLC中软件和硬件之间的硬件抽象层。 TIC可以在虚拟机移植到其他操作系统的情况下无需任何修改即可重用，从而大大提高了系统平台方面对伪代码的灵活性和可移植性。
实验评估
进行了实验以评估所提出的系统在离散控制和过程控制方面的性能。
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