【文章內(nèi)容簡介】 器遠程監(jiān)控系統(tǒng) 開發(fā)具有現(xiàn)實意義和可行性。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計 –5– MODBUS 協(xié)議采用 Master– Slave 技術(shù)，是一種問答方式的通信協(xié)議。一個 Master 可以對應(yīng)一個或多個 Slave，只有 Master 才可進行初始化的詢問，為 Slave 分配地址，對所有的 Slave 發(fā)送廣播信息 。 MODBUS 協(xié)議在點對點通信時采用 RS232/RS422 串口通信標準。多點通信時則采用 RS485 串口通信標準。 現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)和 IEC611313 國際標準 在工業(yè)控制領(lǐng)域， PLC 技術(shù)的發(fā)展在上世紀 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)的進步和市場要求的提高，傳統(tǒng)的 PLC越來越暴露出其在數(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。這些缺陷導致了不同制造商 PLC 平臺的不兼容，也給工程技術(shù)人員的學習和操作帶來了極大的不便。統(tǒng)一的編程規(guī)則成為技術(shù)人員的迫切需求。 IEC61131 標準正是在這種情況下應(yīng)運而生。 IEC611313 是 IEC 61131 國際標準的第三部分 [12][13][14], 是第一個為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計提供標準化編程語言的國際標準。該標準提供給用戶一種良好結(jié)構(gòu) 、自上而下或自下而上的程序開發(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，進行完全的程序控制。程序不同部分在不同時間，以不同周期或平行的運行。提供了一套統(tǒng)一的應(yīng)用于 PLC 的語法和語義。 IEC611313 包括 5 種編程語言，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，平臺程序可以互相移植，從而整體降低自動化控制系統(tǒng)的費用。這些都是在工業(yè)控制系統(tǒng)所闡述的軟件設(shè)計的概念和軟件模型等的基礎(chǔ)上制定的，適應(yīng)了當 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)是一個結(jié)構(gòu)完善、可重復使用、可維護的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件。標準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)、編程語言等的不斷進步也在不斷地進行著補充和完善。目前該標準同樣也適用于過程控制領(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 國際標準在技術(shù)上的實現(xiàn)是高水平的，因此有足夠的發(fā)展空間和變動余地，這也使得該標準能很好地適應(yīng)工業(yè)控制的發(fā)展和要求。因此 IEC 611313 標準在 1993 頒布之后被國際用戶和開發(fā)商團體廣泛接受，目前得到全世界的認可。世界頂尖的工業(yè)控制商接受了這個編程模型，各種軟件公司提供相應(yīng)的開發(fā)工具。 IEC 611313國際標準已對整個控制領(lǐng)域形成了巨大的沖擊，采用或應(yīng)用符合 IEC 611313 國際標準的組態(tài)產(chǎn)品，已經(jīng)成為國際工業(yè)控制領(lǐng)域的一大趨勢。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計 –6– IEC 611313 及其功能塊編程 IEC 61131 標準提供給用戶一種良好結(jié)構(gòu)、自上而下或自下而上的程序開發(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，進行完全的程序控制，程序不同部 分在不同時間，以不同周期或平行的運行。 IEC 61131 將特定應(yīng)用的控制系統(tǒng)稱為配置，包括硬件的分配、過程資源劃分、輸入輸出通道分配、內(nèi)存地址分配及系統(tǒng)的性能分析。一個配置中可定義一個或多個資源，資源可以理解為可執(zhí)行的過程處理設(shè)備，像一個 CPU。一個資源中可以定義一個或多個任務(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。程序可以使用 5 種語言的任何一種。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。與一個資源、一個任務(wù)、運行于一個閉環(huán)系統(tǒng)的傳統(tǒng)PLC 相比， IEC 611313 是開放和先進 的。 IEC 611313標準中提供了 4種內(nèi)部操作語言和一個結(jié)構(gòu)化語言定義： （ 1）順序功能圖 (SFC)是 IEC 611313 標準的中心語言，用于工業(yè)控制軟件的結(jié)構(gòu)化的內(nèi)部組織。 SFC 語言源于 Petri Nets，用于解決面向序列的問題。它將控制過程周期分成定義好的步驟，并由轉(zhuǎn)移條件隔開。步驟描述了行為，對應(yīng)程序組織單元；轉(zhuǎn)換描述了條件，對應(yīng)程序組織單元的邏輯聯(lián)系，它決定其他語言描述行為的執(zhí)行順序。不管是平行的執(zhí)行邏輯或有多個選項的過程都很容易地用 SFC 表示。 （ 2）功能塊圖（ FBD）是圖形化的編程語言， 使用 IEC 功能塊庫中的功能塊進行圖形化程序開發(fā)，主要用于過程工業(yè)。允許用戶基于存在的功能塊組成更復雜的控制過程。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 Pascal 的高級結(jié)構(gòu)化語言，但更直觀，可以實現(xiàn)不易用圖形化語言實現(xiàn)的復雜應(yīng)用。 ST 能夠?qū)崿F(xiàn) IF 和 ELSE選擇、 FOR 和 WHILE 循環(huán)，提供對結(jié)構(gòu)化文本支持。 ST 像一般語言的語句，適合于編程新手，并能簡化梯形圖和功能塊中的長代碼。 （ 4）指令表（ IL）是寄存器級別的低級語言，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，線圈表示輸出結(jié)果，以用戶最熟悉的方法取代邏輯等式和簡單行為。 IEC 611313 的 5種語言中， 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，是一個包裝好的控制程序，可以是任何 IEC 611313語言編寫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)場總線控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計 –7– 功能塊能夠封裝數(shù)據(jù)和邏輯，超過了 FORTRAN 和 C語言所寫的子程序，有面向?qū)ο蟮暮x，其組成及對控制編程軟件的貢獻很像是現(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)封裝避免了許多錯誤源，用戶不必關(guān)心具體實現(xiàn)細節(jié)，只需關(guān)心與外部的接口和如何使用。開發(fā)人員只需注重于實現(xiàn)，而不必關(guān)心使用。功能塊允許來自不同程序、項目、位置、公司甚至國家 的不同組件的結(jié)合。 IEC 611313 標準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)計的功能塊可借助輸入和輸出參數(shù)進行交互，當然輸入和輸出參數(shù)必須是標準中定義的數(shù)據(jù)類型。FB不僅利于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，長遠地看還能加速應(yīng)用開發(fā)，尤其對相近的應(yīng)用開發(fā)有效?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)的一個目標是代碼重用，相同的控制邏輯無論硬件是 PLC、 DCS 或是 PC，均有相同的程序源代碼，這個目標只有通過 FB 實現(xiàn)。功能塊的支持使得遠程控制成為可能。符合 IEC 611313標準的 DCS系統(tǒng)編程軟件，必不可少地會使用 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 還需要提供一個現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)中用于分散處理的 FB。開放式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS 通過組態(tài)軟件生成的參數(shù)及算法，不僅可以在控制器中運行，還可以在遠程 I/O 或智能設(shè)備上運行，這就需要定義好的 FB，可以在智能儀表及執(zhí)行機構(gòu)中進行運算，實現(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)，它使用可編程存儲器內(nèi)部存儲用戶設(shè)計的指令，這些指 令用來實現(xiàn)特殊的功能，諸如邏輯運算、順序操作、定時、計數(shù)以及算數(shù)運算和通過數(shù)字或模擬輸入 /輸出來控制各種類型的機械或過程。 [4][7][8] 1968 年美國 GM(通用汽車 )公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了 GM 公司裝配線的要求?？删幊炭刂破鲝漠a(chǎn)生到現(xiàn)在，盡管只有四十幾年的時間由于其編程簡單、可靠性高、使用簡單、維護容易等優(yōu)點，使其得到了迅猛的發(fā)展，在冶金、機械、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)的進步和市場要求 的提高，傳統(tǒng)的 PLC 越來越暴露出其在數(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。這些缺陷導致了不同制造商 PLC 平臺的不兼容，也給工程技術(shù)人員的學習和操作帶來了極大的不便。統(tǒng)一的編程規(guī)則成為技術(shù)人員的迫切需求。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計 –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)的過程。 [5][6] 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動 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。對應(yīng)于原有的 HMI（人機接口軟件， Human Machine Interface）的概念，組態(tài)軟件應(yīng)該是一個使用戶能快速建立自己的 HMI 的軟件工具，或開發(fā)環(huán)境。 當前的組態(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、西門子 WinCC 組態(tài)軟件、 Rockwell RSView32 組態(tài)軟件等。 使用 組態(tài)軟件開發(fā)系統(tǒng)工程的一般步驟： (1) 將所有 I/O 點的參數(shù)收集齊全，并填寫表格，以備在監(jiān)控組態(tài)軟件和 PLC 上組態(tài)時使用。 (2) 搞清楚所使用的 I/O 設(shè)備的生產(chǎn)商、種類、型號、使用的通信接口類型，采用的通信協(xié)議，以便在定義 I/O 設(shè)備時做出準確選擇。 (3) 將所有 I/O 點的 I/O 標識收集齊全，并填寫表格， I/O 標識是唯一地確定一個I/O 點的關(guān)鍵字，組態(tài)軟件通過向 I/O 設(shè)備發(fā)出 I/O 標識來請求其對應(yīng)的數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下 I/O 標識是 I/O 點的地址或位號名稱。 (4) 根據(jù)工藝過程繪制、設(shè)計畫面結(jié)構(gòu)和畫面草 圖。 (5) 按照第一步統(tǒng)計出的表格，建立實時數(shù)據(jù)庫，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)計結(jié)果，在實時數(shù)據(jù)庫中建立實時數(shù)據(jù)庫變量與 I/O點的一一對應(yīng)關(guān)系，即定義數(shù)據(jù)連接。 (7) 根據(jù)第四步的畫面結(jié)構(gòu)和畫面草圖，組態(tài)每一幅靜態(tài)的操作畫面（主要是繪圖）。 (8) 將操作畫面中的圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫變量建立動畫連接關(guān)系，規(guī)定動畫屬性和幅度。 (9) 視用戶需求，制作歷史趨勢，報警顯示，以及開發(fā)報表系統(tǒng)。之后，還需加上安全權(quán)限設(shè)置。 (10) 對組態(tài)內(nèi)容進行分段和總體調(diào)試，視調(diào)試情況對軟件進行 相應(yīng)修改。 (11) 將全部內(nèi)容調(diào)試完成以后，對上位軟件進行最后完善（如：加上開機自動打開監(jiān)控畫面，禁止從監(jiān)控畫面退出等），讓系統(tǒng)投入正式（或試）運行。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計 –9– 論文的主要工作 本文主要研究了 IEC611313 標準，介紹了組態(tài)軟件 PLC_Config 的整體設(shè)計方案，對軟件的各個模塊進行了總體的描述，著重介紹了 PLC_Config 中的功能塊組態(tài)的編輯和編譯的設(shè)計和實現(xiàn)方法，解決了圖形化編程語言的可視化編輯和編譯的實現(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)鍵問題 。本文的重點是功能塊程序的編輯和編譯的實現(xiàn)方法和思路。在文章的最后，對 PLC_Config 進行了簡單的測試應(yīng)用，得到了理想的效果。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計 –10– 2 PLC_Config 組態(tài)軟件設(shè)計和實現(xiàn) 概述 PLC_Config 主要有以下幾個模塊組成：現(xiàn)場設(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)場設(shè)備監(jiān)控模塊、通信服務(wù)模塊及信息報告模塊，各個模塊之間的關(guān)系如圖 21 所示。 可視化組態(tài)模塊是整個組態(tài)軟件的核心部分，實現(xiàn)了 PLC 應(yīng)用組態(tài)的可視化操作。現(xiàn) 場設(shè)備管理模塊負責維護、修改控制策略?，F(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控模塊負責監(jiān)控現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的運行情況，同時也可強制過程變量的值。文件管理模塊 維護、生成、修改工程信息、組態(tài)現(xiàn)場設(shè)備管理模塊 設(shè)備信息保存 現(xiàn)場設(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) 符號表編寫、狀態(tài)表編寫 工程管理、 I/O 配置等 現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控模塊 創(chuàng)建監(jiān)控畫面，監(jiān)控現(xiàn)場信息，監(jiān)視過程變量，強制變量輸出 信息報告模塊 報告系統(tǒng)信息、操作信息、編譯信息及通信信息 文件管理模塊 維護、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、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)場總線控制系統(tǒng)功能塊組態(tài)軟件設(shè)計 –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)中的各類通信服務(wù)。信息報告模塊負責及時通報各類系統(tǒng)信息，如設(shè)備信息、網(wǎng)絡(luò)信息、操作信息、編譯信