云PLC的搭建與應用

關鍵詞：軟PLC；云主機；5G網絡

0引言

深入貫徹落實《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》精神是智能制造業發展的核心內容，推進新一代信息技術與制造業深度融合是制造業高質量發展的主攻方向。制造業升級轉型是中國經濟未來發展的主要動力和方向。

智能制造系統的自動化和信息化基礎是工業控制系統，可編程邏輯控制器（programmablelogiccontroller，PLC）則被視為其核心部件。硬PLC控制系統和軟PLC控制系統是當前PLC系統應用的兩種表現形式。傳統硬PLC控制系統已經廣泛應用于機械制造、工程機械等技術領域；而軟PLC技術是傳統硬PLC的軟件解決方法，并且具有開放的體系結構。

工業互聯網是新一代信息技術與制造業深度融合的結果[1]。隨著5G技術的普及，互聯網的連接速度更快、延遲更低，這將加速互聯網的發展并為其帶來新的機遇。本文探討了利用互聯網云端的個人計算機（personalcomputer，PC）、CODESYS軟件構建軟PLC系統，并結合5G網絡技術實現工業系統自動化控制的過程。

1PLC系統的產生與發展

1.1傳統硬PLC的起源

PLC起源于20世紀60年代初期，當時美國通用汽車公司（GeneralMotorsCompany，GM）提出替代傳統的繼電器控制系統的目標，由此誕生了能夠專門在復雜的工業環境中應用的數字運算操作電子系統——PLC。PLC是目前工業自動化實現的主要手段，可以滿足小型、中型及大型設備控制的需求[2]。

1.2PLC的工作原理

PLC利用能夠編程的存儲器，執行存儲邏輯運算、定時、順序控制、計數和算術運算等操作的指令；還能夠通過數字或模擬的輸入/輸出（input/output，I/O）接口，控制不同的機械設備及生產過程。

PLC的工作方式是循環掃描，每個掃描周期的時間被稱為掃描時間。掃描周期可以分為3個階段：輸入采樣階段、程序執行階段和輸出刷新階段。在輸入采樣階段，PLC將輸入狀態存儲在輸入設備映像區；在程序執行階段，PLC按照梯形圖的邏輯順序進行運算；在輸出刷新階段，PLC將執行完成的輸出點狀態進行刷新。完成這3個階段后，PLC會進入下一個工作周期，繼續循環這個過程。

1.3軟PLC的誕生與發展

自從傳統硬PLC問世以來，它以功能強大、體積小、可靠性高、使用方便等優點，迅速得到了工業控制領域的青睞，成為工業自動化系統中不可或缺的組成部分。1993年，國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）發布了IEC61131-3標準，規范了PLC編程語言，推動了市場上各種PLC品牌的兼容和統一。這一標準也促進了軟PLC技術的興起和發展。

隨著工業自動化控制系統規模的不斷擴大，傳統PLC的一些缺點也逐漸顯現。首先，傳統PLC的硬件結構是固定的，系統之間不兼容，不同品牌的編程語言、軟件和指令各不相同，這不利于終端用戶使用。例如，一旦某品牌的PLC硬件停產，由于其替代性較差，其終端用戶將不能繼續使用該設備。其次，傳統PLC的網絡通信能力無法滿足企業需求，無法靈活選擇解決方案，并根據市場情況及時調整生產。傳統PLC的開放性較差，一些新型傳感器或控制單元接入系統時，很難與傳統PLC連接。因此，現有PLC控制技術亟須改革。

為了解決這些問題，人們提出了軟PLC技術方案，將計算機和PLC控制技術的優點相結合。軟PLC技術基于PC的新型控制技術，通過在PC上安裝特定軟件平臺，實現傳統PLC的所有功能[3]。與傳統硬PLC相比，軟PLC的數據處理能力更強，并且網絡通信能力更穩定可靠，同時具有開放的體系結構。

1.4CODESYS軟件系統框架

CODESYS軟件系統框架可劃分為3個不同的級別，即開發層、通信層和設備硬件層。開發層涵蓋了PLC編程系統、編譯器、可視化界面、運動控制模塊以及安全模塊等各種組件。通信層則包含網關服務器和OPC（一種標準化的通信協議）服務器。而設備層則主要指在計算機系統上安裝CODESYS的實時核（CODESYSruntime）[4]。

2云PLC架構研究

2.1云PLC架構

本文主要研究將軟PLC系統CODESYS部署安裝在中國電信的天翼云主機中，構成一個具有PLC基本功能的云主機，構建一套云PLC系統。

天翼云的云主機部署在中國電信的數據中心，并通過虛擬化的技術將物理服務器劃分為多個虛擬服務器實例，每個實例可以獨立運行不同的操作系統和應用程序[5]。

云PLC中的PC只是實例中的一例。用戶可以根據需求，靈活地選擇云主機的配置規格和計費方式，并且能夠隨時根據業務的實際需求進行擴容或縮容。本文云主機的配置為S3.xlarge.2，4vCPUs，內存為8GB，基準寬帶為0.25Gb/s，最大寬帶為1Gb/s，系統盤為200GB，具有獨立彈性IP。

CODESYS作為PLC的全面開發環境，為PLC程序員提供了便捷的編程工具，能夠利用IEC語言的強大功能。其編輯器和調試器功能建立在高級編程語言的基礎上，使得編程過程更加簡單和高效。CODESYS的實時核能夠解釋和執行PLC程序，確保系統的穩定運行；能夠實時處理輸入和輸出信號；能夠與外部設備和系統進行通信；能夠監控和控制自動化過程。部署完CODESYS的云主機可以視為一個具有PLC功能的硬件。

現場I/O設備采用的是東莞市艾莫迅自動化科技有限公司的ModbusTCPI/O模塊。采取硬線的方式將該I/O模塊與現場智能設備中的傳感器和執行元件進行連接。ModbusTCP的設備通過一個虛擬專用網絡（VPN）的路由器和5G的CPE（一種無線終端接入設備），將智能設備中的數據狀態傳送到云PLC中。圖1為云PLC架構圖。

2.2現場I/O設備介紹

本文進行的是云PLC的初期測試，所以在選取現場I/O時，僅采用了8個開關量輸入（DI）、8個開關量輸出（DO）、6路模擬量輸入（AI）、1路模擬量輸出（AO），以及支持ModbusTCP通信的東莞市艾莫迅自動化科技有限公司的ETHMODBUS-IO8R-A設備。該I/O設備的特點如下：①同時支持4路ModbusTCP連接和1路TCP連接。②2路485接口，1路DB9母頭，1路端子。③8路光電隔離數字量輸入和8路繼電器數字量輸出。④6路模擬量輸入。3路0～10V模擬電壓輸入；3路0～20mA模擬電流輸入。⑤1路模擬量輸出，同時支持0～10V/0～20mA；端子選接。⑥8路輸入狀態指示燈，8路輸出狀態指示燈。⑦支持ModbusTCP、ModbusRTU及TCP協議。

2.3VPN路由器介紹

為了能將云主機和現場設備組建到同一個局域網中，本文選用了蒲公英R300S來充當VPN路由器。

R300S路由器是能夠進行智能組網的工業路由器，該路由器采用軟件定義廣域網絡（softwaredefinednetworkinginawideareanetwork，SD-WAN）技術，并且能通過云組網手段，快速組建異地虛擬局域網，實現設備之間的內網穿透，達到數據交互的目的。

由于路由器能夠將現場的設備組建到局域網中，因此通過在云主機中安裝VPN的客戶端，也可以將云主機加入該局域網，從而實現云主機和現場設備在同一個局域網。

2.45GCPE介紹

VPN路由器本身無法上網，但是可以通過5GCPE與外網進行連接。5GCPE作為一種5G終端設備，能夠接收運營商從基站發送的5G信號，并將其轉化為Wi-Fi或有線信號[6]；能夠將本地更多的設備如電腦、手機或平板等接入互聯網。

3云PLC的編程及調試

3.1組態

在云主機的CODESYS軟件中首先要進行硬件組態。組態的步驟如下：①添加ETHERNET；②添加ModbusTCP主站；③添加ModbusTCP從站；④將PLC設置中的總是更新變量設置為“使能2（總是在總線周期任務中）”；⑤選擇合適的網卡；⑥設置ModbusTCP主站的響應時間；⑦設置ModbusTCP從站的IP、端口及響應時間；⑧設置從站的設備ID號（CODESYS默認是255，ETHERNETModbusIO8-A默認是1，所以此處是將CODESYS的設備ID修改為1）；⑨添加從站通道。

3.2編程

云PLC編程測試時，選取兩個數字量輸入和一個數字量輸出作為I/O信號，分別接到智能設備上的兩個按鈕開關和一個運行指示燈。

3.3調試

運行CODESYS組態軟件，在從站的I/O映射組態中，能夠監測輸入點的變化。針對現場智能設備上的運行指示燈，能夠根據兩個按鈕的操作改變指示燈亮和滅的運行狀態。在云端數據監控圖（圖2）中，能檢測云端PLC系統中數據的變化。

4結論

本文首先從PLC系統和云主機的誕生及發展角度出發，將軟PLC中的CODESYS軟件與中國電信天翼云的云主機搭建成一套部署在云端的云PLC系統；分析了云PLC與現場設備的數據交互方法，以及云PLC的工作過程與相關測試程序。通過實際的測試，能夠實現云PLC控制智能設備。