《IEEE Access》：An Open-Source, Low-Cost PLC Framework With FBD-Based Graphical Programming
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本研究针对传统可编程逻辑控制器(PLC)因高合规性要求导致成本高昂的问题，提出并实现了一种基于开源硬件和软件组件的低成本、可定制自动化系统框架。该框架集成了支持Linux的单板计算机与中间硬件模块以管理I/O，并通过基于功能块图(FBD)的图形用户界面(GUI)实现直观的视觉逻辑编程。控制逻辑采用有向无环图方法动态执行，支持实时更新且不中断操作。其开源设计促进了灵活性，为非关键自动化场景（如研究、教育和小规模工业应用）提供了一种高性价比的替代方案。案例研究证明了其在实时控制任务中的有效性与易用性。
在工业自动化领域，可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC)扮演着控制机械与流程的“大脑”角色，它们坚固耐用，遵循严格的国际标准，确保了诸如汽车制造、能源管理等关键应用的安全与可靠。然而，这份“可靠”的背后是高昂的成本——严苛的认证流程、高品质的组件，使得传统PLC的价格让许多小型企业、教育机构和研究实验室望而却步。与此同时，开源硬件的浪潮，如树莓派(Raspberry Pi)和Arduino，为低成本自动化带来了曙光，但它们通常缺乏为工业环境设计的直观编程界面和系统化框架。于是，一个核心矛盾浮现：如何在保持足够灵活性、易用性和低成本的同时，实现接近传统PLC的自动化控制能力？这正是本研究试图破解的难题。
为了解决上述问题，一项题为“An Open-Source, Low-Cost PLC Framework With FBD-Based Graphical Programming”的研究在《IEEE Access》上发表。研究人员旨在构建一个集开源硬件与图形化软件于一体的综合性框架，为教育、研究和非关键性工业自动化提供一个高性价比、可定制的解决方案。他们成功开发了一套完整的系统，并通过案例验证了其有效性，结果表明，该框架不仅显著降低了成本，还通过直观的编程方式降低了使用门槛，为自动化技术的普及和创新提供了新的工具。
为开展此项研究，作者主要采用了以下几项关键技术方法：在硬件层，选用树莓派3 Model B+作为核心计算单元，并通过一块自定义的印刷电路板(PCB)将其与N4DBA06模拟/数字输入输出(I/O)模块连接，该模块负责处理工业级的电压、电流信号以及数字I/O。软件层采用分层架构，后端使用Python开发服务器应用，集成了功能块图(FBD)执行引擎和N4DBA06驱动，并通过REST API和WebSocket提供通信接口；前端则基于React框架开发了一个Web图形用户界面(GUI)，用户可通过拖放功能块的方式直观地构建控制逻辑。控制逻辑以有向无环图(Directed Acyclic Graph)的形式表示和执行，确保了无循环依赖的顺序处理。此外，研究还评估了在标准Linux和经过PREEMPT_RT补丁的实时Linux内核下，系统的扫描周期时间和时序确定性。
研究结果
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用户界面：研究实现了一个基于Web浏览器的图形化编程环境。用户可以在画布上拖放预定义的功能块（如输入端口、算术运算、逻辑决策、PID控制块等），并通过连线构建控制逻辑流程图。界面支持项目保存、加载，并在执行时可实时显示数据流值，极大地简化了控制程序的开发与调试过程。
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用例：PID控制：为展示框架在闭环控制中的适用性，研究构建了一个电压分压器PID控制用例。系统通过N4DBA06模块的模拟输入口Vi2读取输出电压，并通过模拟输出口Vo2施加控制电压。在图形界面中配置PID参数后，系统能够有效跟踪设定的参考电压，即使存在由电位器手动调节引入的扰动，也能快速响应并将稳态误差降至零，验证了PID算法及整个框架硬件I/O处理与循环执行的正確性。
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用例：灌溉系统：另一个案例展示了框架在逻辑控制中的应用——一个基于土壤湿度和环境温度的自动灌溉系统。系统通过传感器读取数据，在图形界面中利用比较块、逻辑门（与/或）和算术方程块构建控制逻辑，最终控制电磁阀的开关。此案例体现了该框架处理多种信号（模拟电压、数字输入）和实现复杂条件逻辑的能力。
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集成新组件：研究强调了框架的可扩展性。在后端，添加新的功能块仅需继承一个抽象的NodeProcessor类并实现其process()方法。前端则需要创建对应的React组件并更新相关配置文件。这种设计使研究人员能够轻松地为系统添加自定义功能。
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扫描周期时间分析：研究通过PID控制和离散I/O两个应用，在四种不同系统配置场景下评估了时序性能。关键发现包括：平均扫描周期时间（约49毫秒对PID应用，约0.5毫秒对离散I/O应用）主要受限于与N4DBA06模块的串行通信延迟。在标准Linux内核下，当系统有CPU负载时，会出现严重的时序波动和最坏情况延迟（离散I/O应用最差达21.08毫秒）。而采用PREEMPT_RT实时内核并结合CPU核心隔离技术后，即使在重负载下，也能显著抑制抖动，并将最坏情况延迟严格限制在可预测的范围内（PID应用低于57.93毫秒，离散I/O应用低于1.6毫秒）。这证明通过系统调优，该框架能够满足许多软实时应用的需求。
研究结论与意义
本研究成功设计并实现了一个完整的、基于功能块图(FBD)编程的开源低成本PLC框架。该框架整合了树莓派、定制接口板和工业I/O模块，并通过一个现代化的Web图形界面提供了直观的编程体验。其核心软件引擎采用有向无环图来执行控制逻辑，结构清晰且支持动态更新。
研究的重要意义在于，它有力弥合了传统工业PLC与开源硬件平台之间的鸿沟。首先，该框架将原型成本降低至约65美元，远低于商用PLC或工业树莓派解决方案，打破了成本壁垒。其次，其基于Web的FBD编程方式，使得没有深厚文本编程背景的用户也能快速上手，降低了自动化技术的应用门槛。最后，详尽的时序分析表明，通过采用实时Linux配置，该框架能够获得确定性的时序性能，从而证明了其在教育、研究原型开发、小型自动化及对成本敏感的非关键工业场景中，具备替代传统PLC的潜力和实用价值。
尽管该框架并非为安全关键型应用设计，但其开源、模块化、可扩展的特性鼓励了协作、定制和进一步开发。未来，通过采用更高速度的通信接口或增加通信超时安全机制，其性能和适用性还可进一步增强。这项工作为更广泛地推广和应用先进的自动化控制技术，提供了一条灵活、经济且易于实现的路径。
