【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義和可行性。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計(jì) –5– MODBUS 協(xié)議采用 Master– Slave 技術(shù)，是一種問(wèn)答方式的通信協(xié)議。一個(gè) Master 可以對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè) Slave，只有 Master 才可進(jìn)行初始化的詢(xún)問(wèn)，為 Slave 分配地址，對(duì)所有的 Slave 發(fā)送廣播信息 。 MODBUS 協(xié)議在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)采用 RS232/RS422 串口通信標(biāo)準(zhǔn)。多點(diǎn)通信時(shí)則采用 RS485 串口通信標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)和 IEC611313 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 在工業(yè)控制領(lǐng)域， PLC 技術(shù)的發(fā)展在上世紀(jì) 90 年代經(jīng)歷了一次高潮。這得益 于微電子、網(wǎng)絡(luò)通信和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展。但隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)要求的提高，傳統(tǒng)的 PLC越來(lái)越暴露出其在數(shù)據(jù)封裝能力，程序可重用性 ,順序操作編程等方面的不足。這些缺陷導(dǎo)致了不同制造商 PLC 平臺(tái)的不兼容，也給工程技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和操作帶來(lái)了極大的不便。統(tǒng)一的編程規(guī)則成為技術(shù)人員的迫切需求。 IEC61131 標(biāo)準(zhǔn)正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。 IEC611313 是 IEC 61131 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的第三部分 [12][13][14], 是第一個(gè)為工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)提供給用戶(hù)一種良好結(jié)構(gòu) 、自上而下或自下而上的程序開(kāi)發(fā)方法，提供全套的配置集成，允許程序分解成功能塊和軟件元素，進(jìn)行完全的程序控制。程序不同部分在不同時(shí)間，以不同周期或平行的運(yùn)行。提供了一套統(tǒng)一的應(yīng)用于 PLC 的語(yǔ)法和語(yǔ)義。 IEC611313 包括 5 種編程語(yǔ)言，即指令表、結(jié)構(gòu)化文本、梯型圖、功能塊圖和順序功能圖。規(guī)范了編程語(yǔ)言、 PLC與編程系統(tǒng)的接口、字符集和工程管理，使得所有 PLC使用相同的概念，平臺(tái)程序可以互相移植，從而整體降低自動(dòng)化控制系統(tǒng)的費(fèi)用。這些都是在工業(yè)控制系統(tǒng)所闡述的軟件設(shè)計(jì)的概念和軟件模型等的基礎(chǔ)上制定的，適應(yīng)了當(dāng) 今世界軟件、工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。 符合 IEC 611313的軟件系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)完善、可重復(fù)使用、可維護(hù)的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件。標(biāo)準(zhǔn)最初主要用于可編程序控制器 PLC 的編程系統(tǒng)，但隨著可編程序控制器 PLC技術(shù)、編程語(yǔ)言等的不斷進(jìn)步也在不斷地進(jìn)行著補(bǔ)充和完善。目前該標(biāo)準(zhǔn)同樣也適用于過(guò)程控制領(lǐng)域、分散型控制系統(tǒng)、基于控制系統(tǒng)的軟邏輯、 SCADA 等。 IEC 611313 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)是高水平的，因此有足夠的發(fā)展空間和變動(dòng)余地，這也使得該標(biāo)準(zhǔn)能很好地適應(yīng)工業(yè)控制的發(fā)展和要求。因此 IEC 611313 標(biāo)準(zhǔn)在 1993 頒布之后被國(guó)際用戶(hù)和開(kāi)發(fā)商團(tuán)體廣泛接受，目前得到全世界的認(rèn)可。世界頂尖的工業(yè)控制商接受了這個(gè)編程模型，各種軟件公司提供相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具。 IEC 611313國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)整個(gè)控制領(lǐng)域形成了巨大的沖擊，采用或應(yīng)用符合 IEC 611313 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)產(chǎn)品，已經(jīng)成為國(guó)際工業(yè)控制領(lǐng)域的一大趨勢(shì)。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計(jì) –6– IEC 611313 及其功能塊編程 IEC 61131 標(biāo)準(zhǔn)提供給用戶(hù)一種良好結(jié)構(gòu)、自上而下或自下而上的程序開(kāi)發(fā)方法，提供全套的配置集成，允許程序分解成功能塊和軟件元素，進(jìn)行完全的程序控制，程序不同部 分在不同時(shí)間，以不同周期或平行的運(yùn)行。 IEC 61131 將特定應(yīng)用的控制系統(tǒng)稱(chēng)為配置，包括硬件的分配、過(guò)程資源劃分、輸入輸出通道分配、內(nèi)存地址分配及系統(tǒng)的性能分析。一個(gè)配置中可定義一個(gè)或多個(gè)資源，資源可以理解為可執(zhí)行的過(guò)程處理設(shè)備，像一個(gè) CPU。一個(gè)資源中可以定義一個(gè)或多個(gè)任務(wù)。由任務(wù)控制一套程序或 /和功能塊的執(zhí)行，可以周期或由事件驅(qū)動(dòng)。程序可以使用 5 種語(yǔ)言的任何一種。典型程序由功能塊、函數(shù)組成，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和邏輯。與一個(gè)資源、一個(gè)任務(wù)、運(yùn)行于一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳統(tǒng)PLC 相比， IEC 611313 是開(kāi)放和先進(jìn) 的。 IEC 611313標(biāo)準(zhǔn)中提供了 4種內(nèi)部操作語(yǔ)言和一個(gè)結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言定義： （ 1）順序功能圖 (SFC)是 IEC 611313 標(biāo)準(zhǔn)的中心語(yǔ)言，用于工業(yè)控制軟件的結(jié)構(gòu)化的內(nèi)部組織。 SFC 語(yǔ)言源于 Petri Nets，用于解決面向序列的問(wèn)題。它將控制過(guò)程周期分成定義好的步驟，并由轉(zhuǎn)移條件隔開(kāi)。步驟描述了行為，對(duì)應(yīng)程序組織單元；轉(zhuǎn)換描述了條件，對(duì)應(yīng)程序組織單元的邏輯聯(lián)系，它決定其他語(yǔ)言描述行為的執(zhí)行順序。不管是平行的執(zhí)行邏輯或有多個(gè)選項(xiàng)的過(guò)程都很容易地用 SFC 表示。 （ 2）功能塊圖（ FBD）是圖形化的編程語(yǔ)言， 使用 IEC 功能塊庫(kù)中的功能塊進(jìn)行圖形化程序開(kāi)發(fā)，主要用于過(guò)程工業(yè)。允許用戶(hù)基于存在的功能塊組成更復(fù)雜的控制過(guò)程。功能塊圖的支持使 IEC 611313有較大的發(fā)展空間。 （ 3）結(jié)構(gòu)化文本（ ST）是類(lèi) Pascal 的高級(jí)結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，但更直觀，可以實(shí)現(xiàn)不易用圖形化語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜應(yīng)用。 ST 能夠?qū)崿F(xiàn) IF 和 ELSE選擇、 FOR 和 WHILE 循環(huán)，提供對(duì)結(jié)構(gòu)化文本支持。 ST 像一般語(yǔ)言的語(yǔ)句，適合于編程新手，并能簡(jiǎn)化梯形圖和功能塊中的長(zhǎng)代碼。 （ 4）指令表（ IL）是寄存器級(jí)別的低級(jí)語(yǔ)言，由一套連續(xù)的指令組成，每行一條，很像微處理器的匯編語(yǔ)言。 IL一般用于熟練的編程人員。 （ 5）梯形圖（ LD）是使用接觸器和線(xiàn)圈的圖形化編程方法，一般用于離散控制系統(tǒng)。 LD使用接觸器表示輸入元素，線(xiàn)圈表示輸出結(jié)果，以用戶(hù)最熟悉的方法取代邏輯等式和簡(jiǎn)單行為。 IEC 611313 的 5種語(yǔ)言中， FBD 最有生命力和發(fā)展前途。 FB（功能塊）是控制 系統(tǒng)的基本構(gòu)件，是一個(gè)包裝好的控制程序，可以是任何 IEC 611313語(yǔ)言編寫(xiě)的控制邏輯和策略包裝成的軟件元素，可以在相同程序的不同部分或分散的其他程序中使用。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計(jì) –7– 功能塊能夠封裝數(shù)據(jù)和邏輯，超過(guò)了 FORTRAN 和 C語(yǔ)言所寫(xiě)的子程序，有面向?qū)ο蟮暮x，其組成及對(duì)控制編程軟件的貢獻(xiàn)很像是現(xiàn)代電子電路中的集成芯片。功能塊的使用提高了系統(tǒng)可靠性。數(shù)據(jù)封裝避免了許多錯(cuò)誤源，用戶(hù)不必關(guān)心具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需關(guān)心與外部的接口和如何使用。開(kāi)發(fā)人員只需注重于實(shí)現(xiàn)，而不必關(guān)心使用。功能塊允許來(lái)自不同程序、項(xiàng)目、位置、公司甚至國(guó)家 的不同組件的結(jié)合。 IEC 611313 標(biāo)準(zhǔn)保證了功能塊定義接口的使用，即定義的輸入和輸出參數(shù)。由不同程序員設(shè)計(jì)的功能塊可借助輸入和輸出參數(shù)進(jìn)行交互，當(dāng)然輸入和輸出參數(shù)必須是標(biāo)準(zhǔn)中定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型。FB不僅利于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，長(zhǎng)遠(yuǎn)地看還能加速應(yīng)用開(kāi)發(fā)，尤其對(duì)相近的應(yīng)用開(kāi)發(fā)有效?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)的一個(gè)目標(biāo)是代碼重用，相同的控制邏輯無(wú)論硬件是 PLC、 DCS 或是 PC，均有相同的程序源代碼，這個(gè)目標(biāo)只有通過(guò) FB 實(shí)現(xiàn)。功能塊的支持使得遠(yuǎn)程控制成為可能。符合 IEC 611313標(biāo)準(zhǔn)的 DCS系統(tǒng)編程軟件，必不可少地會(huì)使用 FB。 DCS中所有控制單元的控制邏輯一般都以 FB 的形式提供在編程環(huán)境中。 DCS 還需要提供一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信系統(tǒng)中用于分散處理的 FB。開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng) FCS 通過(guò)組態(tài)軟件生成的參數(shù)及算法，不僅可以在控制器中運(yùn)行，還可以在遠(yuǎn)程 I/O 或智能設(shè)備上運(yùn)行，這就需要定義好的 FB，可以在智能儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)中進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。 可編程邏輯控制器 可編程邏輯控制器（ Program Logic Controller）是在工業(yè)環(huán)境中使用的數(shù)字操作的電子系統(tǒng)，它使用可編程存儲(chǔ)器內(nèi)部存儲(chǔ)用戶(hù)設(shè)計(jì)的指令，這些指 令用來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊的功能，諸如邏輯運(yùn)算、順序操作、定時(shí)、計(jì)數(shù)以及算數(shù)運(yùn)算和通過(guò)數(shù)字或模擬輸入 /輸出來(lái)控制各種類(lèi)型的機(jī)械或過(guò)程。 [4][7][8] 1968 年美國(guó) GM(通用汽車(chē) )公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國(guó)數(shù)字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿(mǎn)足了 GM 公司裝配線(xiàn)的要求?？删幊炭刂破鲝漠a(chǎn)生到現(xiàn)在，盡管只有四十幾年的時(shí)間由于其編程簡(jiǎn)單、可靠性高、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，使其得到了迅猛的發(fā)展，在冶金、機(jī)械、石油、化工、紡織、建筑、電力等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 隨著 PLC 技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)要求 的提高，傳統(tǒng)的 PLC 越來(lái)越暴露出其在數(shù)據(jù)封裝能力，程序可重用性，順序操作編程等方面的不足。這些缺陷導(dǎo)致了不同制造商 PLC 平臺(tái)的不兼容，也給工程技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和操作帶來(lái)了極大的不便。統(tǒng)一的編程規(guī)則成為技術(shù)人員的迫切需求。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計(jì) –8– 組態(tài)軟件 組態(tài)英文是 “ Configuration” ,組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法、完成工程中某一具體任務(wù)的過(guò)程。 [5][6] 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶(hù)提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng) 控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應(yīng)該能支持各種工控設(shè)備和常見(jiàn)的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。對(duì)應(yīng)于原有的 HMI（人機(jī)接口軟件， Human Machine Interface）的概念，組態(tài)軟件應(yīng)該是一個(gè)使用戶(hù)能快速建立自己的 HMI 的軟件工具，或開(kāi)發(fā)環(huán)境。 當(dāng)前的組態(tài)軟件產(chǎn)品有： iFIX 組態(tài)軟件、悉雅特 citect 組態(tài)軟件、紫金橋組態(tài)軟件、 MCGS 組態(tài)軟件、三維力控 ForceControl 組態(tài)軟件、西門(mén)子 WinCC 組態(tài)軟件、 Rockwell RSView32 組態(tài)軟件等。 使用 組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)工程的一般步驟： (1) 將所有 I/O 點(diǎn)的參數(shù)收集齊全，并填寫(xiě)表格，以備在監(jiān)控組態(tài)軟件和 PLC 上組態(tài)時(shí)使用。 (2) 搞清楚所使用的 I/O 設(shè)備的生產(chǎn)商、種類(lèi)、型號(hào)、使用的通信接口類(lèi)型，采用的通信協(xié)議，以便在定義 I/O 設(shè)備時(shí)做出準(zhǔn)確選擇。 (3) 將所有 I/O 點(diǎn)的 I/O 標(biāo)識(shí)收集齊全，并填寫(xiě)表格， I/O 標(biāo)識(shí)是唯一地確定一個(gè)I/O 點(diǎn)的關(guān)鍵字，組態(tài)軟件通過(guò)向 I/O 設(shè)備發(fā)出 I/O 標(biāo)識(shí)來(lái)請(qǐng)求其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下 I/O 標(biāo)識(shí)是 I/O 點(diǎn)的地址或位號(hào)名稱(chēng)。 (4) 根據(jù)工藝過(guò)程繪制、設(shè)計(jì)畫(huà)面結(jié)構(gòu)和畫(huà)面草 圖。 (5) 按照第一步統(tǒng)計(jì)出的表格，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，正確組態(tài)各種變量參數(shù)。 (6) 根據(jù)第一步和第二步的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)變量與 I/O點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即定義數(shù)據(jù)連接。 (7) 根據(jù)第四步的畫(huà)面結(jié)構(gòu)和畫(huà)面草圖，組態(tài)每一幅靜態(tài)的操作畫(huà)面（主要是繪圖）。 (8) 將操作畫(huà)面中的圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)變量建立動(dòng)畫(huà)連接關(guān)系，規(guī)定動(dòng)畫(huà)屬性和幅度。 (9) 視用戶(hù)需求，制作歷史趨勢(shì)，報(bào)警顯示，以及開(kāi)發(fā)報(bào)表系統(tǒng)。之后，還需加上安全權(quán)限設(shè)置。 (10) 對(duì)組態(tài)內(nèi)容進(jìn)行分段和總體調(diào)試，視調(diào)試情況對(duì)軟件進(jìn)行 相應(yīng)修改。 (11) 將全部?jī)?nèi)容調(diào)試完成以后，對(duì)上位軟件進(jìn)行最后完善（如：加上開(kāi)機(jī)自動(dòng)打開(kāi)監(jiān)控畫(huà)面，禁止從監(jiān)控畫(huà)面退出等），讓系統(tǒng)投入正式（或試）運(yùn)行。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計(jì) –9– 論文的主要工作 本文主要研究了 IEC611313 標(biāo)準(zhǔn)，介紹了組態(tài)軟件 PLC_Config 的整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)軟件的各個(gè)模塊進(jìn)行了總體的描述，著重介紹了 PLC_Config 中的功能塊組態(tài)的編輯和編譯的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，解決了圖形化編程語(yǔ)言的可視化編輯和編譯的實(shí)現(xiàn)方法，功能塊在 PLC_Config 和 PLC 嵌入式程序之間的表現(xiàn)形式的轉(zhuǎn)化等關(guān)鍵問(wèn)題 。本文的重點(diǎn)是功能塊程序的編輯和編譯的實(shí)現(xiàn)方法和思路。在文章的最后，對(duì) PLC_Config 進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)試應(yīng)用，得到了理想的效果。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計(jì) –10– 2 PLC_Config 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 概述 PLC_Config 主要有以下幾個(gè)模塊組成：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理模塊、工程管理模塊、可視化功能塊組態(tài)模塊、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控模塊、通信服務(wù)模塊及信息報(bào)告模塊，各個(gè)模塊之間的關(guān)系如圖 21 所示。 可視化組態(tài)模塊是整個(gè)組態(tài)軟件的核心部分，實(shí)現(xiàn)了 PLC 應(yīng)用組態(tài)的可視化操作?，F(xiàn) 場(chǎng)設(shè)備管理模塊負(fù)責(zé)維護(hù)、修改控制策略。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，同時(shí)也可強(qiáng)制過(guò)程變量的值。文件管理模塊 維護(hù)、生成、修改工程信息、組態(tài)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理模塊 設(shè)備信息保存 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 可視化組態(tài)模塊 基于功能塊的控制回路編輯 功能塊 參數(shù)組態(tài) 符號(hào)表編寫(xiě)、狀態(tài)表編寫(xiě) 工程管理、 I/O 配置等 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控模塊 創(chuàng)建監(jiān)控畫(huà)面，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)信息，監(jiān)視過(guò)程變量，強(qiáng)制變量輸出 信息報(bào)告模塊 報(bào)告系統(tǒng)信息、操作信息、編譯信息及通信信息 文件管理模塊 維護(hù)、生成、修改工程信息、組態(tài)信息等。 通信服務(wù)模塊 包括通信服務(wù)，如變量讀寫(xiě)、設(shè)備聲明、程序上載、程序下載等服務(wù)。 圖 21 PLC_Config 的總體模塊劃分結(jié)構(gòu) 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計(jì) –11– 信息等， 并保存功能塊回路的組態(tài)信息。通信服務(wù)模塊提供了系統(tǒng)中的各類(lèi)通信服務(wù)。信息報(bào)告模塊負(fù)責(zé)及時(shí)通報(bào)各類(lèi)系統(tǒng)信息，如設(shè)備信息、網(wǎng)絡(luò)信息、操作信息、編譯信