树莓派模拟 PLC 模拟工控环境。

What is PLC

跟着 OpenPLC 官网重新认识一下 PLC。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）是在上世纪 70 年代用于替代时序电路的一种设备。PLC 可以接收用户编写的程序并执行对应的操作。

PLC 由 CPU、存储和 I/O 电路组成。PLC 内部的工作原理主要是持续不断地扫描一个程序，包括三个步骤：检查输入、执行程序、更新输出。

PLC 的主要编程语言是 LD（Ladder Logic，梯形逻辑/梯形图），还包括其他一些编程语言。主要有 5 种规范的编程语言：

• 图形化编程语言
  • 梯形图（Ladder Logic，LD）
  • 功用块图（Function Block Diagram，FBD）
  • 次序功用图（Sequential Function Chart，SFC）
• 文本话编程语言
  • 指令表（Instruction List，IL）
  • 结构化文本（Structured Text，ST）

Ladder Logic

梯形图基于曾经用于处理继电器逻辑的电气梯形图。梯形图标注出了设备之间的连接关系，并被写入到继电器控制板上。因为长得像梯子就被称为梯形图，如下：

这张图展示的是两个按键和一盏灯之间的关系。如果灯要被点亮，必须要同时接通正负极。此时灯已经连接至了负极，只要按下 PB1 或 PB2，灯就会连接上正极并被点亮。程序逻辑的伪代码如下：

IF PB1 OR PB2 is pressed THEN
Lamp turns on

这里用 OpenPLC Editor 编写的程序逻辑如下：

contact

在梯形图中，最基础的元素被称作 contact。一个 contact 和一个按键类似，用于断开和闭合两种状态。如果是断开的状态，就会切断两端的电流；反之，则将两侧电流串通。contact 指令也被称作 examine if on，用于测试电路是否连通，若连通则指令为真。同理 negated contact 被称作 examine if off，若电路未连通则指令为真。

coil

梯形图中的另一个基础元素是 coil，类似于继电器中的线圈，有通电（energized）和未通电（de-energized）两种状态。coil 可作为内存使用，在电路条件为真时表现为真。同样有 negated/closed coil，作用与 coil 相反，如果电路条件为假则表现为真。

A Simple Project

在 OpenPLC Editor 中新建一个项目，设置几个元件的属性如下：

Name	Class	Type	Location
PB1	Local	BOOL	%IX0.0
PB2	Local	BOOL	%IX0.1
LAMP	Local	BOOL	%QX0.0

设置梯形图如下。点击上面的小人可以模拟电路运行，可以选择元件并右键修改为 True 或 False：

PLC Addressing

PLC 通常使用一种或多种协议和外界进行消息的传输。当设计 PLC 应用时，可以用 PLC 地址标记指定变量进行协议的通讯，如 %IX10.1 或 %QW5 等形式。PLC 的地址和运行环境、设备等相关，这里记录的主要是 OpenPLC 下支持的地址格式。主要有四点：

• % 前缀；
• 存储类型字段（用途）；
• 数据大小字段；
• 具体地址。

通过巴科斯范式表示如下：

<plc-address> ::= "%" <storage-class> <data-size> <hierarchical-address>

<storage-class> ::= "I" | "Q" | "M"
<data-size> ::= "X" | "B" | "W" | "D" | "L"
<hierarchical-address> ::= <number> | <number> "." <oct-digit>

<number> ::= <digit> | <number> <digit>
<digit> ::= "0" | "1" | "2" | "3" | "4" | "5" | "6" | "7" | "8" | "9"
<oct-digit> ::= "0" | "1" | "2" | "3" | "4" | "5" | "6" | "7"

存储类型字段主要有以下三种：

• I：输入；
• Q：输出；
• M：内存。

数据大小字段中不同数据类型的存储比特长度对应不同标志，具体如下：

<data-size>	Common Name	Number of Bits	Elementary Data Types
X	Bit	1	BOOL
B	Byte	8	BYTE, SINT, USINT
W	Word	16	WORD, INT, UINT
D	Double word	32	DWORD, DINT, UDINT, FLOAT
L	Long word	64	LWORD, LINT, ULINT, DOUBLE

有如下在 OpenPLC 下合法的 PLC 地址：

%IX0.0
%IX0.7
%IB1
%QD100
%ML10

以下为一些不合法地址：

Invalid Example	Reason
%IX0.8	The least significant index is greater than 7.
%IX0.0.1	Three part hierarchy is not permitted address.
%IB1.1	Two part hierarchy is only permitted for X data size.
%QL1024	Maximum index must be less than 1024.

Installation

整了个 Raspberry Pi 3B，具体怎么装的过程就不记录了，感觉一般人都可以自行完成。主要记录一下一个坑（知识点），如果要安装风扇，务必要了解一下树莓派的几个引脚，风扇的两根线中（红色是正极，黑色是负极），红色线务必连接 5V PWR，黑色线务必连接到 GND 接地：

OpenPLC 的安装过程也比较简单，建议给树莓派换个 tsinghua 源：

$ git clone https://github.com/thiagoralves/OpenPLC_v3.git
$ cd OpenPLC_v3
$ ./install.sh rpi

在同一网段下的一台虚拟机中安装 ScadaBR：

$ git clone https://github.com/thiagoralves/ScadaBR_Installer.git
$ cd ScadaBR_Installer
$ ./install_scadabr.sh

References

https://www.openplcproject.com/reference
http://www.raspigeek.com/index.php?c=read&id=126&page=1
https://www.freebuf.com/articles/ics-articles/213018.html
https://www.element14.com/community/community/applications/industrial-automation-space/blog/2019/08/09/trying-out-openplc-on-a-raspberry-pi
https://chinsyo.com/2019/08/10/ssh-connect-raspberry-pi-anywhere/