李桐滿，丁文捷，韓小龍，洪 斌，郁 凱

（1.武漢烽火技術(shù)服務(wù)有限公司，湖北 武漢 430070；2.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3.寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021）

基于STM32、樹(shù)莓派、89C51 和自由開(kāi)發(fā)的邏輯控制器經(jīng)常出現(xiàn)程序“跑飛”“死鎖”的情況，主要原因是程序邏輯結(jié)構(gòu)和內(nèi)存使用不規(guī)范，編寫(xiě)的C 程序其功能和數(shù)據(jù)邏輯驗(yàn)證往往存在不足，致使代碼執(zhí)行的邏輯可靠性出現(xiàn)問(wèn)題[1]。而工業(yè)PLC 使用了限制性內(nèi)存變量及逐行式掃描邏輯結(jié)構(gòu)，因此其控制邏輯可靠、信號(hào)處理過(guò)程穩(wěn)定[2]。

國(guó)際電工委員會(huì)在IEC 61131—3 標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)一了軟邏輯控制器的編程方法和規(guī)則，提出可以利用計(jì)算機(jī)或嵌入式控制器的軟件和硬件資源來(lái)實(shí)現(xiàn)硬PLC 的功能，這種技術(shù)被稱為軟邏輯[3]。近幾年，歐洲地區(qū)已有70%～80% 的工程師在使用基于IEC 61131—3 標(biāo)準(zhǔn)編制的工業(yè)編程軟件[4]。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也在利用該標(biāo)準(zhǔn)編制軟件，如雷路路[5]設(shè)計(jì)了三菱FX 系列嵌入式PLC 系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32 為控制核心，利用PLC 編程工具開(kāi)發(fā)了代碼，并且成功實(shí)現(xiàn)了嵌入式PLC 的通信。林江靜[6]給出了符合IEC 61131—3 標(biāo)準(zhǔn)的由梯形圖到C 語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換算法，轉(zhuǎn)化后的程序下載控制器可實(shí)現(xiàn)嵌入式PLC 功能。因此，基于IEC 61131—3 標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)具有端口輪詢處理功能、逐行式掃描邏輯結(jié)構(gòu)、異常監(jiān)測(cè)機(jī)制、變量規(guī)范、程序邏輯結(jié)構(gòu)和功能塊穩(wěn)定運(yùn)行等特點(diǎn)的編程規(guī)范就顯得極為重要了。編程規(guī)范可以滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)刂破魈岢龅耐ㄓ眯詮?qiáng)、可靠性高、運(yùn)行速度快和控制功能完善等需求，從而實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。

為了高效利用水資源，減少灌溉期巡查管理模式下管理人員的工作量，本文提出了一種便于農(nóng)戶自助使用的田間閘門(mén)鎖控制器系統(tǒng)[7-8]。該控制器基于文中提出的軟邏輯編程規(guī)范及北斗通信協(xié)議對(duì)田間閘開(kāi)閘和合閘過(guò)程進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

1 軟邏輯編程規(guī)范結(jié)構(gòu)分析

1.1 端口輪詢處理

輪詢處理是IEC 61131—3 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的控制器管理輸入輸出接口的方式[9]。輪詢是指CPU 主動(dòng)發(fā)出詢問(wèn)，并且依序詢問(wèn)每一個(gè)輸入輸出接口需要的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)請(qǐng)求。當(dāng)設(shè)備的標(biāo)志位指示為“準(zhǔn)備正?！睜顟B(tài)時(shí)，CPU 會(huì)向該設(shè)備提供輸入輸出接口服務(wù)。

1.2 逐行式掃描邏輯結(jié)構(gòu)

IEC 61131—3 標(biāo)準(zhǔn)要求CPU 設(shè)置一部分應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元來(lái)存儲(chǔ)應(yīng)用程序執(zhí)行期間輸入／輸出（I/O）映像的數(shù)據(jù)狀態(tài)及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、條件設(shè)定值等信息，程序執(zhí)行過(guò)程如圖1 所示。由圖1 可知，程序按順序執(zhí)行代碼，但上一條指令是否成功執(zhí)行不會(huì)影響下一條指令的執(zhí)行。

圖1 程序執(zhí)行過(guò)程

1.3 異常監(jiān)測(cè)機(jī)制

軟邏輯編程需要使用看門(mén)狗功能塊，用于監(jiān)視程序執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況。當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾或程序進(jìn)入死循環(huán)時(shí)會(huì)自動(dòng)激活看門(mén)狗功能并中止當(dāng)前任務(wù)和對(duì)應(yīng)程序，然后重新啟動(dòng)系統(tǒng)[10]。

2 軟邏輯編程規(guī)范開(kāi)發(fā)

2.1 變量規(guī)范開(kāi)發(fā)

變量規(guī)范開(kāi)發(fā)主要包括兩個(gè)步驟，具體如下。

（1）定義接口變量。接口變量包括輸入口單元IO、輸出口單元QO、位存儲(chǔ)器單元M 變量、定時(shí)器接口變量及計(jì)數(shù)器接口變量。本文使用C 語(yǔ)言中的位域定義了字節(jié)中的位操作，同時(shí)采用了關(guān)鍵字volatile 指令，該指令不會(huì)因編譯器的優(yōu)化而被省略且程序執(zhí)行時(shí)會(huì)直接讀取變量值。此外，系統(tǒng)規(guī)定接口變量的輸入輸出狀態(tài)分為有輸入（“1”）和無(wú)輸入（“0”）兩種。輸入存儲(chǔ)器的4 種引用方法如表1所示。

表1 輸入存儲(chǔ)器引用方法

（2）本地變量聲明。本地變量分為局部存儲(chǔ)器單元與全局存儲(chǔ)器單元，其僅供程序內(nèi)邏輯使用，不需要和外部串口及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2.2 端口初始化配置

I/O 端口需要進(jìn)行初始化邏輯定義，其端口配置如表2 所示。

2.3 程序邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬PLC 的編程語(yǔ)言中大量使用了if…else 等選擇語(yǔ)句及for…while 等循環(huán)語(yǔ)句，并且有嚴(yán)格的使用規(guī)范，如for 語(yǔ)句的循環(huán)嵌套最多為8 層[11]。本文根據(jù)IEC 61131—3 標(biāo)準(zhǔn)制定了軟邏輯編程語(yǔ)言的邏輯規(guī)范：if…else 條件判斷語(yǔ)句可嵌套2 層，for 循環(huán)語(yǔ)句可嵌套2 層，while 主循環(huán)語(yǔ)句有且只有1個(gè)；條件判斷式可使用接口變量和本地變量。

2.4 功能塊函數(shù)編程設(shè)計(jì)

2.4.1 定時(shí)器功能塊函數(shù) 系統(tǒng)設(shè)定定時(shí)器的定時(shí)值為pt，定時(shí)單位值為acc，則定時(shí)時(shí)間T=pt×acc，單位為ms。定時(shí)器設(shè)定情況見(jiàn)表3。

表3 定時(shí)器設(shè)定表

本文以定時(shí)器2 為例來(lái)說(shuō)明定時(shí)器調(diào)用程序的流程（圖2）。調(diào)用定時(shí)器2 時(shí)，首先打開(kāi)定時(shí)器中斷TIM2_Control（1）；然后調(diào)用定時(shí)器封裝函數(shù)，確定T[2].bits._0 的值；最后再執(zhí)行后續(xù)的程序體。此外，定時(shí)器使用結(jié)束后要關(guān)閉定時(shí)器中斷TIM2_Control（0），目的是減少定時(shí)器中斷之間的串?dāng)_。

圖2 定時(shí)器2調(diào)用程序流程圖

2.4.2 計(jì)數(shù)器功能塊函數(shù) 硬PLC 計(jì)數(shù)器是實(shí)現(xiàn)次數(shù)動(dòng)作的計(jì)數(shù)器。編程規(guī)范規(guī)定計(jì)數(shù)器共有3 種類型，即加計(jì)數(shù)器、減計(jì)數(shù)器和加減計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)值為pv，其規(guī)范如表4 所示。

表4 計(jì)數(shù)器規(guī)范

2.5 軟邏輯規(guī)范實(shí)例化程序

以下為部分軟邏輯規(guī)范實(shí)例化程序。

頭文件#include “PLC.h”

全局變量聲明；

程序單元（本地變量）

｛本地變量聲明；

設(shè)備初始化；

while（1）

｛I_filter（1）；//輸入口掃描函數(shù)；

程序邏輯主體；

PLC_IO_Refresh（）；｝｝//調(diào)用輸出刷新函數(shù)；

……

3 田間閘門(mén)鎖控制系統(tǒng)

本文基于軟邏輯規(guī)范設(shè)計(jì)了田間閘門(mén)鎖控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)北斗通信設(shè)備與服務(wù)器及用戶終端相互配合[12]，其組成示意圖如圖3 所示。

圖3 田間閘門(mén)控制系統(tǒng)組成示意圖

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

田間閘門(mén)鎖控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)步驟：北斗通信模塊將檢測(cè)到的水量數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器接收水量數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存；服務(wù)器通過(guò)北斗通信模塊傳送閘門(mén)操作指令，控制器操控第一霍爾傳感器接收磁塊靠近信號(hào)和超聲波傳感器距離減少信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)閘操作，或者是控制器操控第二霍爾傳感器接收磁塊靠近信號(hào)和超聲波傳感器距離增加信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)合閘操作；電磁鎖配合完成閘門(mén)開(kāi)合，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶自助灌溉管理和灌溉過(guò)程中水量的精確統(tǒng)計(jì)。田間閘門(mén)鎖控制器硬件連接示意圖如圖4 所示。

圖4 控制器硬件連接示意圖

3.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

3.2.1 開(kāi)合閘 開(kāi)合閘流程圖見(jiàn)圖 5。由圖5 可知：首先控制器接收開(kāi)鎖指令，控制電磁鎖開(kāi)鎖；然后農(nóng)戶對(duì)水閘裝置進(jìn)行相應(yīng)的操作；傳感器配合電磁鎖實(shí)現(xiàn)水閘裝置的開(kāi)閘或合閘動(dòng)作，同時(shí)向服務(wù)器發(fā)送水量數(shù)據(jù)，包括瞬時(shí)流量、累計(jì)流量和當(dāng)前水位，數(shù)據(jù)為IEEE—754 標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)，即先將單精度浮點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16 進(jìn)制數(shù)據(jù)報(bào)文，再發(fā)送至服務(wù)器。

圖5 開(kāi)合閘流程圖

圖6 關(guān)閉電磁鎖流程圖

圖7 主循環(huán)程序流程圖

圖8 開(kāi)閘應(yīng)答程序流程圖

3.2.2 打開(kāi)電磁鎖 控制器接收到服務(wù)器發(fā)送的開(kāi)閘或合閘指令后，控制電磁鎖的鎖銷從掛環(huán)中脫離，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)動(dòng)作。

3.2.3 關(guān)閉電磁鎖 田間閘門(mén)鎖控制器的感應(yīng)距離L會(huì)隨著閘門(mén)的升起和放下而發(fā)生變化。首先，控制器控制電磁鎖打開(kāi)，閘門(mén)在低位時(shí)的第一預(yù)設(shè)距離為140 mm

4 程序開(kāi)發(fā)

連接外部設(shè)備的I/O 端口分配表見(jiàn)表5。系統(tǒng)功能參數(shù)數(shù)據(jù)表見(jiàn)表 6。

表5 I/O端口分配表

表6 系統(tǒng)功能參數(shù)數(shù)據(jù)表

4.1 主循環(huán)程序

本文采用Keil MDK V5 軟件進(jìn)行了系統(tǒng)程序編制，主要涉及輸入輸出初始化PLC_IO_config（）、RS 485_Init（19 200）、定時(shí)器初始化TIM_config_Init（）、ADC 初始化Adc_Init（）、超聲波初始化Ultrasonic_Init（）、看門(mén)狗初始化IWDG_Init（7，1 000）等函數(shù)。主循環(huán)程序流程圖如圖 7 所示。

相比傳統(tǒng)程序，軟邏輯程序只使用了1 個(gè)主循環(huán)while 結(jié)構(gòu)，并且采用逐行循環(huán)掃描方式實(shí)現(xiàn)了輸入接口掃描、程序體執(zhí)行及輸出接口刷新過(guò)程。此外，程序中的if 邏輯判斷語(yǔ)句只嵌套了1 層。綜上可知，程序設(shè)計(jì)中的變量規(guī)范且采用了看門(mén)狗監(jiān)測(cè)程序，符合軟邏輯編程規(guī)范。

4.2 開(kāi)閘應(yīng)答程序

開(kāi)閘程序也采用了1 個(gè)主循環(huán)while 結(jié)構(gòu)及逐行循環(huán)掃描方式，并且接口變量規(guī)范。其中，定時(shí)器4用來(lái)配合監(jiān)測(cè)超聲波距離值，并且看門(mén)狗監(jiān)測(cè)程序等內(nèi)容符合規(guī)范要求。開(kāi)閘應(yīng)答程序流程圖如圖 8所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

田間閘門(mén)鎖控制器的測(cè)試工作主要包括以下幾個(gè)部分。

（1）內(nèi)存變量測(cè)試。程序編譯后，內(nèi)存變量所占存儲(chǔ)空間為28 856 字節(jié)，未超出總內(nèi)存。此外，程序中無(wú)動(dòng)態(tài)內(nèi)存變量申請(qǐng)，內(nèi)存變量的使用符合內(nèi)存管理規(guī)范。

（2）端口程序測(cè)試。測(cè)試中，Q00 端口輸出高電平，固態(tài)繼電器電路導(dǎo)通并控制電磁鎖打開(kāi)，實(shí)物見(jiàn)圖9。此外，超聲波傳感器、霍爾傳感器、液位傳感器可以正常采集數(shù)據(jù)，并且以上傳感器采集數(shù)據(jù)的邏輯判斷過(guò)程符合程序邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。

圖9 硬件連接實(shí)物圖

（3）通信程序測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，RS485端口可以穩(wěn)定接收與發(fā)送北斗報(bào)文數(shù)據(jù)。串口1監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)的界面如圖10所示，其中左側(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)用于檢查閘門(mén)操作信息，右側(cè)通信數(shù)據(jù)區(qū)用于檢查服務(wù)器通信報(bào)文。

圖10 串口1監(jiān)測(cè)界面

（4）功能塊測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試，采用超聲波觸發(fā)信號(hào)的定時(shí)器能夠正常工作。測(cè)量距離數(shù)據(jù)見(jiàn)圖10。

（5）程序可靠性測(cè)試。系統(tǒng)進(jìn)行了168 h的串口測(cè)試（圖10），串口共接收424 375 937條數(shù)據(jù)。本文通過(guò)查看數(shù)據(jù)記錄，可知程序執(zhí)行過(guò)程中沒(méi)有觸發(fā)異常監(jiān)測(cè)機(jī)制，程序沒(méi)有出現(xiàn)“跑飛”“卡死”等故障，即長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試達(dá)到了預(yù)期的可靠性目標(biāo)。以上程序測(cè)試的主要結(jié)果如表7所示。

表7 程序測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

本文給出了軟邏輯編程規(guī)范，并且根據(jù)田間閘門(mén)鎖控制器的控制要求，制定了利用北斗通信協(xié)議對(duì)開(kāi)閘和合閘過(guò)程進(jìn)行控制的硬件設(shè)計(jì)方案，制定了控制器的主循環(huán)程序和開(kāi)閘應(yīng)答程序，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制電磁鎖打開(kāi)和關(guān)閉的操作。主要結(jié)論如下。

（1）定時(shí)器4 實(shí)現(xiàn)了超聲波觸發(fā)信號(hào)每隔20 μs重復(fù)開(kāi)關(guān)1 次的操作。此外，程序可連續(xù)運(yùn)行168 h，驗(yàn)證了編程模型邏輯、變量規(guī)范、端口初始化配置、程序邏輯結(jié)構(gòu)、定時(shí)器功能塊函數(shù)、異常監(jiān)測(cè)機(jī)制和其他功能函數(shù)的可靠性。

（2）經(jīng)項(xiàng)目組調(diào)整，庫(kù)文件程序的正確率提高了20%，為C 程序庫(kù)文件的便捷調(diào)用提供了依據(jù)，并且解決了由定時(shí)器觸發(fā)中斷時(shí)間短、模式選擇多，傳感器數(shù)據(jù)采集不到位，輸出端口和開(kāi)合閘指令設(shè)計(jì)不足等因素引發(fā)的運(yùn)行穩(wěn)定性及程序移植穩(wěn)定性問(wèn)題。