IEC61131-3編程語言的現(xiàn)狀與發(fā)展

王明武，張士勇，陳應(yīng)舒

WANG Ming-wu, ZHANG Shi-yong, CHEN Ying-shu

（陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，漢中 723003）

0 引言

IEC61131-3是 IEC61131國際標(biāo)準(zhǔn)的第三部分，是第一個(gè)為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)化編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將現(xiàn)代軟件的概念和現(xiàn)代軟件工程的機(jī)制與傳統(tǒng)的PLC編程語言成功地結(jié)合，又對各種工業(yè)控制系統(tǒng)的編程語言、軟件設(shè)計(jì)的概念和軟件模型等進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，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，是一種非常先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，彌補(bǔ)或克服了傳統(tǒng)PLC，DCS等控制系統(tǒng)的弱點(diǎn)。

1 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生和特點(diǎn)

1.1 產(chǎn)生原因

傳統(tǒng)的PLC編程語言和系統(tǒng)的局限性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）對制造商的依賴性：不同PLC 產(chǎn)品的梯形圖符號和編程變化很大，移植性較差。2）數(shù)據(jù)封裝能力有限：很難將復(fù)雜的程序分解為幾個(gè)簡單的子程序。3）程序的可重用性較差。4）不支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。5）僅支持有限的對順序操作功能的編程。6）程序執(zhí)行有一定的局限性：程序滿足不了實(shí)時(shí)性或多任務(wù)的控制系統(tǒng)要求。7）執(zhí)行算術(shù)操作的局限性較大。

1.2 IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)

IEC61131-3和傳統(tǒng)PLC編程系統(tǒng)相比，它在以下幾方面有著突出的特點(diǎn)：1）良好的結(jié)構(gòu)化編程環(huán)境：支持進(jìn)行“自上而下” 或“自下而上”的程序編程。2）極強(qiáng)的數(shù)據(jù)類型檢測功能。3）支持全面的程序執(zhí)行控制功能：所有任務(wù)的掃描方式和速度不一定相同，從而滿足靈活的程序執(zhí)行控制的需要。4）極強(qiáng)的復(fù)雜順序控制功能。5）支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。6）可靈活地選擇編程語言。7）獨(dú)立于制造商的編程系統(tǒng)：提供了獨(dú)立于制造商標(biāo)準(zhǔn)的編程語言和程序執(zhí)行方法。

2 IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容

IEC61131-3 將標(biāo)準(zhǔn)分為兩個(gè)部分：公共元素和編程語言。公共元素部分規(guī)范了數(shù)據(jù)類型、變量的定義，給出了軟件模型、通信模型、程序組織單元，以及順序功能圖等。 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩大類編程語言，即文本化編程語言和圖形化編程語言。前者包括指令表和結(jié)構(gòu)文本，后者則有梯形圖，功能塊圖。

2.1 軟件模型

IEC61131-3軟件模型允許將面向?qū)嶋H的應(yīng)用結(jié)構(gòu)分成各種單元，具體的軟件模型如圖1所示。圖中列出了基本的編程語言元素及其相互關(guān)系，包括程序和功能塊，以及支持將PLC程序裝入PLC系統(tǒng)的配置元素，如配置，資源、任務(wù)、全局變量和存取路徑等。這種分級調(diào)用結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了該標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)越于傳統(tǒng)的控制軟件的理論基礎(chǔ)。IEC61131-3使用配置將PLC系統(tǒng)的所有資源結(jié)集成組，并給它們提供數(shù)據(jù)交換的手段；資源是將任務(wù)分配給一個(gè)PLC系統(tǒng)的物理資源；任務(wù)的目的在于規(guī)定程序及其功能塊的運(yùn)行期特性，從而控制一系列程序或功能塊周期性地執(zhí)行程序或由一個(gè)的特定的事件觸發(fā)開始執(zhí)行程序。程序中的不同部分的執(zhí)行通過 “任務(wù)” 來控制。在配置、系統(tǒng)資源、程序、功能或功能塊內(nèi)，可以聲明和使用局部變量、全局變量、直接變量。存取路徑提供了不同配置之間交換數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備，每一配置內(nèi)的變量可被其他遠(yuǎn)程配置存取，配置之間存取數(shù)據(jù)和信息可通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。

圖1 IEC61131-3 軟件模型

2.2 IEC61131通訊模型

IEC 61131標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以下五種通訊模型：程序內(nèi)部通訊、全局變量通訊、調(diào)用參數(shù)通訊、存取路徑通訊以及通信功能塊通訊等。 前三種模式用于一個(gè)配置內(nèi)的通信，通過內(nèi)部變量和全局變量的建立可以在一個(gè)配置內(nèi)的程序、功能塊和功能之間相互連接形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)信息可以通過這個(gè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。存取路徑通訊模式用于各個(gè)配置之間的數(shù)據(jù)交換，它可用于配置和程序?qū)樱┝艘环N方法用于從遠(yuǎn)程設(shè)備存取特定的變量。IEC 61131-5 部分還定義了一個(gè)通訊功能塊模式，通訊塊是用于從發(fā)送方向接收方傳送數(shù)據(jù)包的專用功能塊。IEC61131 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的這些通訊模型，不但使得在 IEC編程系統(tǒng)內(nèi)部的通訊靈活、便捷，而且還有效地支持了IEC編程系統(tǒng)的功能擴(kuò)展對通訊提出的要求。

3 IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)

由于工業(yè)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，給工業(yè)自動化的體系結(jié)構(gòu)帶來了巨大影響。由于IEC61131-3只給出了單一的集中 PLC 系統(tǒng)的配置機(jī)制，為了適應(yīng)分布式結(jié)構(gòu)的軟件要求，PLCOpen 組織對IEC61131-3 進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，制訂了IEC 61499《工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)用功能塊》標(biāo)準(zhǔn)，目的在于對IEC61131-3進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展。

圖2 IEC 61499 系統(tǒng)模型

依照IEC61499構(gòu)建的系統(tǒng)從上到下層次結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)、設(shè)備、資源和功能塊，其系統(tǒng)模型如圖2所示，包括與被控過程的接口、與通信網(wǎng)絡(luò)的接口，以及隱含的分布式應(yīng)用程序。一個(gè)實(shí)際的控制過程可以分布于幾個(gè)設(shè)備，一個(gè)設(shè)備可以配置幾個(gè)程序，程序部件通過通信網(wǎng)絡(luò)互連交換信息而形成分布式系統(tǒng)。功能塊是系統(tǒng)軟件封裝和重用的基本單元，這些功能塊的控制算法依然用IEC61131-3語言來編程。資源是功能塊的容器，設(shè)備包含單條或多條資源。

4 應(yīng)用實(shí)例——電梯控制系統(tǒng)

在一個(gè)IEC 61131-3系統(tǒng)中，應(yīng)針對具體的實(shí)際應(yīng)用情況來選擇最方便和最合適的編程語言進(jìn)行編程，充分利用編程系統(tǒng)軟件的可重用性、可分層性的特點(diǎn)等編寫出質(zhì)量優(yōu)良的程序。一般來說，編寫涉及到多邏輯控制、開關(guān)量的應(yīng)用選擇梯形圖作為開發(fā)語言較合適；對于涉及到多算法的應(yīng)用，選擇結(jié)構(gòu)化文本程序較合適；而對于具有較復(fù)雜的順序邏輯要求的場合，選擇順序功能流程圖開發(fā)較合適等。

PowerPro軟件平臺基于Windows環(huán)境，采用符合IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的編程軟件編寫應(yīng)用程序，具有五種編程語言并且可以相互轉(zhuǎn)化，支持用戶自定義函數(shù)功能庫，大大提高了程序的可重用性，并且具有離線仿真功能，使用戶能在程序試運(yùn)行之前測試邏輯的正確與否極大地方便了程序的調(diào)試。筆者利用該軟件平臺實(shí)現(xiàn)了電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。

首先，在軟件平臺中需確定系統(tǒng)的配置、資源和任務(wù)屬性，然后把每一個(gè)程序與任務(wù)關(guān)聯(lián)。本系統(tǒng)任務(wù)名是LiftControl，根據(jù)電梯需要實(shí)現(xiàn)的功能及先后動作順序把Logic、Simulation和Sequence程序與任務(wù)關(guān)聯(lián)起來，以 50ms 固定的時(shí)間間隔，執(zhí)行各個(gè)程序。其次，根據(jù)控制的要求和編程的需要，選擇合適的語言編寫各個(gè)程序組織單元。Logic程序使用梯形圖編程，完成樓層狀態(tài)的判斷；Sequence程序采用順序功能圖編程，采用多個(gè)跳步轉(zhuǎn)移的狀態(tài)流程圖模擬電梯運(yùn)行的方案，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件則用結(jié)構(gòu)文本編程，該程序完成電梯的呼叫及動作等功能；Simulation程序則用結(jié)構(gòu)化文本進(jìn)行編程，完成電梯及轎門的位置判斷及動作。Sequence程序編程窗口如圖3所示。

圖3 電梯控制程序

最后，利用視圖環(huán)境，繪制組態(tài)了電梯控制系統(tǒng)的仿真界面，程序名稱為Lift_simulation，仿真結(jié)果如圖4所示。按鈕黃色代表層呼叫按鈕按下，紅色代表沒有按下，左側(cè)的豎條代表電梯的當(dāng)前位置。當(dāng)電梯停層，轎廂會進(jìn)行模擬打開。

圖4 電梯控制仿真運(yùn)行

5 結(jié)論

IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)思想和技術(shù)先進(jìn)的編程系統(tǒng)，該標(biāo)準(zhǔn)并不局限于PLC市場，還適用于運(yùn)動控制、集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)等。本文在基于IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的PowerPro軟件平臺上模擬實(shí)現(xiàn)了四層電梯的控制系統(tǒng)，較好地仿真了電梯的實(shí)際運(yùn)行過程。通過實(shí)踐證明，選用IEC61131-3語言進(jìn)行控制系統(tǒng)編程，可以根據(jù)實(shí)際需要靈活地選擇相應(yīng)地編程語言，具有程序可靠性和移植性等特點(diǎn)，軟件開發(fā)效率都將得到大大的提高。

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