基于ARM開發平臺的軟PLC系統設計與實現

翟源康 蔣 毅 安 偉 周 洪

（江南大學，江蘇 無錫 214000）

0 引言

隨著工業技術的快速發展，傳統的PLC已經成為成熟的設備，被廣泛應用在工業控制領域。然而在使用過程中，人們逐漸認識到傳統PLC存在諸多缺陷，如性價比低、兼容性差、維護性差等。近年來，IEC 61131-3標準的普及和實施促進了軟PLC技術的產生與發展，軟PLC技術利用軟件中的程序邏輯代替傳統PLC中的繼電器電路，可以完成同傳統PLC一樣的控制功能。相比于傳統PLC，軟PLC在靈活性、兼容性、數據處理能力、通信能力等方面都具有較大優勢。

軟PLC技術起步于國外，目前出現了許多成熟的產品，如西門子公司的SIMATICWinAC控制軟件[1]、三菱公司的GX-Developer編程軟件[2]、Entertron公司的SK1600-RIC型嵌入式控制器[3]等。相比于國外，國內對于軟PLC的研究與應用相對落后，但是近年來許多高校和企業也開始關注軟PLC，如清華大學、南京理工大學、步科等。目前國內的軟PLC產品主要應用于一些安全性較低的場景，很少在工業控制領域見到軟PLC的身影。

本文以ARM開發平臺為運行載體，以CoDeSys為開發軟件，在ARM開發平臺上安裝系統，對系統內核進行改造，移植CoDeSys實時核系統，搭建了基于ARM開發平臺的軟PLC系統。

1 系統總體方案

為了更好地實現軟PLC控制系統的搭建，搭載系統的硬件平臺應該具備成本低廉、性能可靠、開發簡便等特點，基于ARM處理器的開發板可以滿足這個需求[4]。針對開發板上的運行系統，Ubuntu系統是一個很好的選擇，Ubuntu系統屬于Linux操作系統的分支，它的性能強大并且開源免費，有利于開發硬件資源和搭建軟PLC系統。

本文以北京訊為的iTOP-3399開發板為實驗平臺，該開發板以RK3399處理器為核心，RK3399處理器是一款ARM架構的處理器，性能強大，功耗較低。如圖1所示，開發板上板載著豐富的資源，為搭建軟PLC系統提供了極大的便利性。

圖1 開發板資源

本文選取了德國3S公司的CoDeSys作為軟PLC的編程與開發工具，CoDeSys功能強大，性能可靠，被廣泛應用于工業控制領域。該工具分為三層，如圖2所示，開發層是程序的集成開發環境，運行于PC平臺上；設備層是程序解析運行的硬件平臺，需要在硬件平臺安裝CoDeSys實時核系統；通信層負責完成開發層與設備層之間的通信任務。

圖2 CoDeSys架構

2 軟PLC系統實現

2.1 Ubuntu系統內核改造

首先在ARM開發平臺上安裝Ubuntu系統，由于軟PLC對實時性有較高的要求，而Ubuntu系統的內核屬于非搶占式內核[5]，需要對其內核進行改造。本文選取為內核打入補丁的改造方案，改造線路如圖3所示。

圖3 內核改造線路

由于原系統內核沒有對應版本的補丁，而如果將版本不匹配的補丁打入實時內核會出現無法預測的問題，因此需要下載另一版本的內核以及和內核版本嚴格對應的實時補丁。配置內核是根據系統需求，對內核進行參數設置和功能選擇，以滿足特定的需求，在配置完成后通過編譯生成可執行的二進制代碼。各個芯片都有默認的配置文件，需要在默認文件的基礎上進一步修改，由于各個廠商生成的芯片不同，各個芯片的配置文件也存在很大差別。在內核源碼中的arch/arm/configs文件夾下包含了不同芯片的defconfig文件，但是內核源碼文件中提供的配置文件有限，不包含RK3399芯片的配置文件，公司的sdk包有rockchip_rk3399_defconfig文件，將該文件復制到內核源碼的根目錄下，并重新命名為.config文件，執行make menuconfig命令進一步配置內核。

在編譯內核之前，需要修改Makefile文件中的執行命令，在內核源碼文件夾下執行sudo vim Makefile命令，進行配置平臺的修改，Makefile文件默認的配置平臺為x86平臺，利用搜索功能找到修改位置，將其修改為arm64，如圖4所示。

圖4 修改配置平臺

然后修改編譯工具，本文通過虛擬機生成內核的鏡像文件，但是基于x86平臺的虛擬機編譯生成的鏡像文件只適用于x86平臺，無法在ARM平臺上運行，為了在虛擬機中編譯生成適用于ARM開發平臺的鏡像，需要使用交叉編譯工具鏈，RK3399開發板的交叉編譯工具鏈在公司提供的sdk包中；下載sdk包后更改Makefile文件，添加交叉編譯工具的具體位置，如圖5所示。

圖5 修改編譯路徑

修改Makefile文件后，在命令行設置環境變量，執行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，修改完成后編譯安裝內核。

2.2 移植CoDeSys實時核系統

系統改造完成后，為了將ARM開發平臺與上層軟件有機結合起來，利用CoDeSys實時核系統（簡稱Runtime）作為ARM開發平臺與上層開發軟件的橋梁。CoDeSys實時核是實時操作系統的核心，它提供了基于硬實時的任務調度和執行，保證了對實時任務的高精度控制和響應能力。在CoDeSys官網下載相應版本的Runtime包，利用CoDeSys軟件進行Runtime包的移植，移植流程如圖6所示。打開軟件后將Runtime包安裝至軟件的包管理器中，安裝成功后進行更新，打開移植界面，輸入ARM開發平臺的IP地址、用戶名和密碼建立軟件與開發平臺之間的連接，連接成功后選擇Runtime包進行移植。

圖6 Runtime移植

3 系統測試

為了驗證軟PLC系統的可行性，利用安川公司的驅動器和伺服電機進行測試。控制方案如圖7所示，個人PC與ARM開發平臺利用網線進行通信，ARM開發平臺通過EtherCAT總線控制驅動器，由驅動器控制電機運動。利用CoDeSys軟件編寫電機控制程序，以ST語言作為主要編程語言，添加可視化界面，完成了電機的伺服上電、伺服下電、回零、復位、停止、點動運動、絕對運動、相對運動、勻速運動、多軸協同運動等多種控制命令。

圖7 控制方案架構

4 結論

本文將軟PLC技術應用于ARM開發平臺上，通過對系統內核進行實時性改造，成功搭建了基于ARM開發平臺的嵌入式控制系統。經過測試，現場總線通信任務抖動較小，任務最大抖動為162 μs，系統運行時穩定可靠。相比于傳統的PLC控制系統，該系統具有擴展性強、性價比高、開發周期短等優勢，為工業控制提供了一種新的可能性。