基于VxWorks操作系統的嵌入式實時PLC設計

0、前言

隨著數字信息技術和網絡技術的高速發展，人類正步入一個嶄新的后 PC 時代。這個時代的主要特點是嵌入式系統無處不在，并不斷地向科研生產及人類生活的各個方面滲透。而可編程控制器(PLC)對機床開關量信號進行控制時可靠性高，使用方便，在大多數數控機床，特別是經濟型數控機床中，要求的輸入輸出點數不多的情況下得到廣泛應用。在兼用PC 機系統資源的情況下，采用非實時多任務操作系統(如Windows)時，Win32 API 的設計可以滿足多控制點復雜的數控功能要求，但由于Windows 的分時性，沒有考慮到實時環境的開發用途，其系統調用的效率不高，不能滿足數控系統高實時場合PLC 控制的實時性要求。

VxWorks 作為一運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統，目前以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域。

本文基于 VxWorks 操作系統，提出了基于VxWorks 的嵌入式實時PLC 設計的方法與應用，利用VxWorks 的開放性、模塊化和可擴展性的系統結構特性以及多線程/多任務的系統環境來達到高實時要求的PLC 控制，在保證實時性的同時，實現多點位、復雜功能的PLC系統控制目標。

1、傳統 PLC 系統的結構

相比較傳統的的基于通用工業 PC 的工業PLC，其數控系統嵌入式PLC 硬件包括：工控機及其外圍設備，基于ISA 總線的開關量輸入輸出接口卡，光電隔離模塊，繼電器輸出模塊。其結構如圖1 所示。

工控機采用 Windows 等非實時操作系統，數控系統的人機界面、數控代碼處理、軌跡劃、參數管理以及PLC 控制都通過工控機由軟件來實現，不需要獨立的NC 控制器，減少了數控系統對硬件的依賴，有利于提高系統的開放性。I/O 輸入輸出信息通過PC 機I/O 接口卡實現主機與伺服接口模塊和I/O 接口模塊之間的信息交換，PC 機I/O 接口卡基于ISA或PCI 的總線。雖然其相較最初的單片機的控制加入了工業PC 來拓展其開放性，但是由于沒有充分利用PC 機系統資源，而開發和運行都采用的非實時多任務操作系統(如Windows，Linux)時，其設計沒有考慮到實時環境的開發用途，其系統調用的效率不高，數控系統PLC

控制不能滿足一些高精度場合的實時性要求。

2、基于嵌入式系統的實時PLC 系統結構

嵌入式實時 PLC 系統，一般由開發系統和實時運行系統兩部分組成，是相互獨立而又密不可分的兩個系統，可以分別單獨運行。開發系統基于PC 機，建立在Windows 操作系統平臺之上，提供了PLC 應用程序的編寫及其編譯調試環境。開發系統與實時運行系統的通訊一般通過RS232 接口來實現。如果嵌入式操作系統提供網絡服務，也可以通過以太網、Modbus 或CAN 總線進行通訊。應用程序編寫完并編譯調試無誤后通過RS232 或TCP/IP 通信協議下載到嵌入式系統。實時運行系統則用于完成系統配置、輸入信號處理、循環調用PLC 程序及控制信號輸出等操作，并且可以通過現場總線或TCP/IP 通信協議與硬件層(I/O)實現通信。