勵磁調(diào)節(jié)器編程語言的發(fā)展方向

汪大衛(wèi)，周 平

（東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司，四川 德陽 618000）

前言

勵磁系統(tǒng)的核心是勵磁調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器由控制器和外圍部件組成。控制器一般采用IPC總線控制機(jī)或COMPACT PCI總線控制機(jī)，也有VME總線控制機(jī)。這類控制機(jī)的優(yōu)點是標(biāo)準(zhǔn)化和開放式的結(jié)構(gòu)。勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的功能趨向于復(fù)雜，要求適應(yīng)性強(qiáng)。過去的編程語言多數(shù)為 CC++語言，要求編程人員的能力很強(qiáng)，而語言能力的要求對應(yīng)用工程師的編程和調(diào)試造成障礙，因此，調(diào)節(jié)器的完善和提高，以及滿足用戶的非標(biāo)準(zhǔn)要求都存在相當(dāng)?shù)碾y度。

為什么在電力、冶金和化工等廣泛應(yīng)用的PLC在勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)器中沒有找到用武之地，究其原因是傳統(tǒng)的PLC其CPU速度和模擬量采樣速度不能滿足勵磁系統(tǒng)的要求，另外勵磁系統(tǒng)需要對大功率整流橋進(jìn)行精確控制，這也是PLC難于勝任的工作。還有一方面是PLC的不開放性，其總線為各個開發(fā)商所獨有，沒有公開。傳統(tǒng)的PLC在通訊上也有不足之處。但是，PLC的堅固性、可靠性、特別是編程的標(biāo)準(zhǔn)化，也是其它控制器的短處和軟肋。我公司在開發(fā)新型勵磁調(diào)節(jié)器時，認(rèn)真考慮采用何種編程語言，作為新一代的勵磁調(diào)節(jié)器，其發(fā)展趨勢，一方面是CPU速度越來越快，新器件的應(yīng)用，新工藝的開發(fā)，結(jié)構(gòu)的完善，使控制器為低功耗、無風(fēng)扇、高速、完備的通用可靠的通信網(wǎng)絡(luò)；另一方面，調(diào)節(jié)器開發(fā)團(tuán)隊對控制器的開發(fā)系統(tǒng)也相當(dāng)注意，投入大量的心血，因為，硬件一旦相對完善，軟件的開發(fā)和維護(hù)以及可靠性的提高都是相當(dāng)重要的。

針對上述問題，調(diào)節(jié)器開發(fā)團(tuán)隊把目光放到 PLC采用的符合國際IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程語言，實現(xiàn)此項目標(biāo)，具有相當(dāng)大的難度。于是開發(fā)團(tuán)隊想到軟邏輯。軟邏輯的產(chǎn)生是滿足那些要在 PC機(jī)上運行 PLC語言的用戶。是指在PC機(jī)上實現(xiàn)IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的編程語言。但是，在使用軟邏輯之前，首先要解決高速AD采樣和高速精確脈沖控制的功能。否則，軟邏輯可以滿足不同工控機(jī)的要求，但無法應(yīng)用于勵磁系統(tǒng)。另一個想法是將人機(jī)界面的編程和控制機(jī)的編程以及勵磁系統(tǒng)內(nèi)的其它控制器的編程放在一個平臺上，統(tǒng)一管理、維護(hù)和調(diào)試，這樣可以對各個部件有統(tǒng)一的接口和數(shù)據(jù)庫，這樣好比在一個網(wǎng)絡(luò)上統(tǒng)一成一個系統(tǒng)，為將來的智能電網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通訊打下基礎(chǔ)。這也將運動控制、遠(yuǎn)程配置、運程維護(hù)集成起來。

1 IEC 61131-3編程語言的優(yōu)越性

IEC61131-3是第一個為工業(yè)控制系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)針對工業(yè)控制系統(tǒng)所闡述的軟件設(shè)計的概念和軟件模型等進(jìn)行規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)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)計技術(shù)。符合IEC 61131－3的軟件系統(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)完美、可重復(fù)使用、可維護(hù)的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件，不但能應(yīng)用在 PLC，而且還能應(yīng)用在運動控制系統(tǒng)、分散型控制系統(tǒng)和軟邏輯/PC、SCADA等。

IEC61131-3是PLC編程語言標(biāo)準(zhǔn)，它詳細(xì)地說明了句法、語義和 5種編程語言：指令表（Instruction List），結(jié)構(gòu)化文本（Structured Text），順序功能圖（Sequential Function Diagram），梯形圖（Ladder Diagram），功能塊圖（Function Block Diagram）。在這五種編程語言中，指令表和結(jié)構(gòu)化文本是文本語言，易于實現(xiàn)一些復(fù)雜的算法；順序功能圖、梯形圖和功能塊圖是圖形語言，它們則擅長處理邏輯控制和模擬控制。這三種語言適合于工程師。工程師此時不再注意系統(tǒng)控制部件的驅(qū)動和結(jié)構(gòu)，而是專注于他那部分工作，就是滿足現(xiàn)場的應(yīng)用，編程效率明顯提高，也降低誤差率。同時該標(biāo)準(zhǔn)還允許在同一項目中，使用多種語言進(jìn)行混合編程，而且支持POU（程序組織單元）的重復(fù)使用，為不同知識背景的編程人員提供了方便。

為什么要有IEC61131，這是因為在眾多的PLC控制器中，由于語言、指令、定義的不同，造成許多PLC的控制平臺的不同，使PLC的硬件和軟件的開發(fā)、培訓(xùn)、維護(hù)造成大量的浪費。因此，IEC61131將各種語言和指令以及定義標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一管理，達(dá)到高效快速和節(jié)省成本的PLC。

IEC61131標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了程序的結(jié)構(gòu)為模塊化，一個程序由許多POU（程序組織單元）組成，每個程序單元分成代碼段和變量聲明部分，程序單元可以是功能、功能塊或典型程序。這個規(guī)定的目的是確保程序單元可以在同一個工程中反復(fù)使用，也可以通過程序庫，應(yīng)用于其它工程。輸入輸出的接口可以直接尋址或通過變量來尋址。IEC61131規(guī)定采用變量代替輸入輸出接口，如同高級語言一樣。變量可以賦初始值。變量也可以規(guī)定為保存變量，在控制器失電后，這些變量的數(shù)值仍然保留，變量可以是符號變量。

還可以規(guī)定數(shù)值類型，可以是布爾數(shù)、字節(jié)、字、雙字、實型數(shù)或結(jié)構(gòu)以及陣列。陣列對于一組數(shù)如AD采樣值或通訊數(shù)據(jù)等是必要的。下面簡要介紹5種編程語言。

（1）梯形圖（PLC）。梯形圖在PLC大量使用，適合于開發(fā)工程師和現(xiàn)場服務(wù)工程師，適用于順序邏輯控制，容易編程和調(diào)試，被廣泛接受。IEC61131規(guī)定了一整套 LD指令，包括所有的線圈和接點型式。觸點接通電源，線圈保存進(jìn)入的數(shù)值。觸點和線圈都是波爾數(shù)據(jù)。順序控制可以附加返回、跳轉(zhuǎn)、標(biāo)號和評論。在功能塊圖中，可以增加梯形圖，如圖1所示。

圖1 梯形圖

（2）功能塊圖。功能塊圖包含各種功能或功能塊，它們連接在一起，或連接到變量。在功能塊圖網(wǎng)絡(luò)中，可以使用返回、跳轉(zhuǎn)、標(biāo)號。除了單獨使用功能塊，梯形圖可以用于連接各個功能塊，如計數(shù)器、計時器、數(shù)值轉(zhuǎn)換等，使各個功能和邏輯聯(lián)系起來。功能塊圖適應(yīng)工業(yè)工程控制，也適應(yīng)勵磁系統(tǒng)的控制，完成功能塊的輸入數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)處理、為功能塊輸出數(shù)據(jù)等功能，功能塊圖如圖2所示。

（3）指令表（IL）。IL語言有點像匯編語言。包括一行行順序執(zhí)行的命令，每行包含命令和變量以及可選的附加值，可以帶跳轉(zhuǎn)和標(biāo)號，如圖3所示。程序特點是執(zhí)行速度快，適合傳統(tǒng)的PLC以及特殊需求。

（4）結(jié)構(gòu)化文本。ST語言與高級語言 PASCAL或BASIC相似，被程序員大量使用，如圖4所示。在程序中，大量使用IF…THEN；FOR…NEXT，適應(yīng)數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)操作。還支持矩陣和結(jié)構(gòu)，因此功能強(qiáng)大。

（5）順序功能圖（SFC）。SFC是面向狀態(tài)的語言。包含代碼段，步和轉(zhuǎn)換。代碼段由SFC編程，步包含機(jī)器狀態(tài)及其邏輯關(guān)系，如圖5所示。轉(zhuǎn)換指條件滿足時，下一步的代碼段將被執(zhí)行，SFC特別適應(yīng)于一些應(yīng)用可以分成若干步。

圖2 功能塊圖（FBD）

2 實現(xiàn)IEC61131-3編程語言的方法

友好的交互界面、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能、符合國際標(biāo)準(zhǔn)的編程軟件、實時數(shù)據(jù)處理已成為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的共同需求，因此，我公司開發(fā)基于 PC控制器和 IEC 6113l-3標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實時控制系統(tǒng)很有意義。

圖3 指令表（IL）

圖4 結(jié)構(gòu)化文本（ST）

圖5 順序功能圖（SFC）

目前，國外許多工業(yè)控制系統(tǒng)開發(fā)商正在發(fā)展基于PC的控制系統(tǒng)，推出了符合IEC 61131－3標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。在國內(nèi)市場上常見的控制產(chǎn)品有：法國CJ International公司的 ISaGRAF，德國 KW 公司的MULTIPROG，西門子公司的WinAC、BECKHOFF公司的TWinCAT以及SOFTPLC公司的SoftPLC等。我們采用德國KW公司的MULTIPROG作為典型的基于PC的控制系統(tǒng)應(yīng)用。

軟PLC基于PC機(jī)，建立在PC機(jī)的軟、硬件平臺之上，因此具有PC機(jī)的優(yōu)點和PLC的特性，具有良好的開放性。全面支持Windows、Linux等操作系統(tǒng)，通過OPC或DDE等通信方式易于第三方的產(chǎn)品集成運行。其硬件結(jié)構(gòu)不再封閉，用戶可以選擇不同的I/O模塊來滿足自己的要求。具有廣泛的兼容性。軟 PLC的技術(shù)是基于IEC 61131－3標(biāo)準(zhǔn)的，用戶在掌握了標(biāo)準(zhǔn)語言后，開發(fā)比較容易。由于該標(biāo)準(zhǔn)繼承了傳統(tǒng)PLC的編程方式，因此不同知識背景的工程人員容易接受和使用。如圖6所示，軟PLC一般由兩部分組成，開發(fā)平臺和運行環(huán)境。開發(fā)平臺采用MULTIPROG?，而運行環(huán)境采用ProConOS?操作系統(tǒng)。

圖6 軟PLC

3 ProConOS?的功能特點

ProConOS?是實時多任務(wù)，專門應(yīng)用于高速PLC實時內(nèi)核。完全符合IEC 61131－3標(biāo)準(zhǔn)的可編程控制功能。它是高可靠的和適應(yīng)性強(qiáng)的實時操作系統(tǒng)，完成裝載和運行程序，實現(xiàn)調(diào)試功能、通訊功能、遠(yuǎn)程編程和維護(hù)功能、以及多任務(wù)和多用戶操作系統(tǒng)功能。

3.1 ProConOS?的任務(wù)

圖7所示為ProConOS?實時系統(tǒng)，使硬件成為滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)的硬件。ProConOS?是多任務(wù)操作系統(tǒng)，可以監(jiān)視每個任務(wù)的執(zhí)行時間。ProConOS?與MULTIPROG?一起完成下列調(diào)試任務(wù)：（1）變量狀態(tài)；（2）地址狀態(tài)；（3）斷點；（4）單步；（5）跟蹤；（6）覆蓋；（7）強(qiáng)制；（8）在線修改；（9）觀察窗口；（10）修正；（11）實時邏輯分析。

圖7 ProConOS?系統(tǒng)

ProConOS?的輸入輸出特性：（1）與任務(wù)同步的輸入輸出印象處理；（2）開放式IO；（3）智能現(xiàn)場總線主機(jī)；（4）特殊啟動模式。

3.2 ProConOS?智能通訊

在通訊網(wǎng)絡(luò)的時代，集成了多種網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，高效和適應(yīng)性強(qiáng)的滿足各種高速通訊要求，實現(xiàn)變量數(shù)值的網(wǎng)絡(luò)實時傳遞。

3.3 MULTIPROG?的功能特點

MULTIPROG?是完全滿足 IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程平臺。工程管理清楚明晰，團(tuán)隊工作任務(wù)分工明確，編程調(diào)試簡單易學(xué)，容易掌握，各種提示信息較完備，使編程錯誤最小化，擁有完備的調(diào)試維護(hù)工具。

MULTIPROG是基于Windows的開發(fā)程序，一目了然的工程樹狀結(jié)構(gòu)，對于工程師的編程和調(diào)試非常有用。工程師可以理解整個工程的組成和資源，又可以對其關(guān)心的任務(wù)任意進(jìn)入，進(jìn)行編程，完成調(diào)試。

（1）強(qiáng)大的編輯功能：工程師可以采用圖形編輯器，任意拖放功能塊，很方便完成一個復(fù)雜的功能。在原有的工程里，方便加入新的元件。采用變量表編輯器，可以方便聲明變量，定義為全局變量或局部變量，確定變量型式，為變量賦值，還可以設(shè)置為保留變量，失電后，變量數(shù)值不丟失。可以自動完成變量與輸入輸出的連接。

（2）大量的元件庫：元件庫分為廠家?guī)旌陀脩魩臁Ｇ罢邽閺S家提供大量的應(yīng)用庫，如大部分的功能塊。如果用戶有特殊要求，可以準(zhǔn)備用其他語言編輯新的功能塊，放在用戶庫中。

（3）知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)：一些重要的和需要保密的程序只有密碼才可以進(jìn)入，保護(hù)開發(fā)團(tuán)隊的智慧成果。

對于多用戶的開發(fā)，即團(tuán)隊的開發(fā)，可以規(guī)定開發(fā)人員各自的開發(fā)任務(wù)，其它任務(wù)不得修改。

4 MULTIPROG?的編程

MULTIPROG?幫助工程師順利完成編程任務(wù)，有各種模板借用，編程步驟簡單明確。編程分為6個部分：（1）根據(jù)模板建立工程項目；（2）建立多個工程子任務(wù)，建立對應(yīng)任務(wù)或功能的程序，編輯修改程序；（3）編譯，修改錯誤；（4）下傳到目標(biāo)機(jī)；（5）調(diào)試和改錯；（6）形成工程文件。

5 MULTIPROG?的調(diào)試

調(diào)試非常方便，可以采用仿真，就算沒有硬件，也可以檢查程序的控制效果。還可以采用邏輯分析儀，實時分析控制變量的正確性。可以設(shè)置斷點，單步執(zhí)行。更為方便的是圖形化編程的變量可以在在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下觀察變量的數(shù)值。

6 結(jié)論

本文沒有完全說明采用新的編程環(huán)境的所有優(yōu)點，但已經(jīng)管中窺豹，略見一斑。另外需要說明 PAC與PLC的區(qū)別，他們有許多相似之處，遵行IEC61131-3的編程標(biāo)準(zhǔn)，但是，PAC的優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)通訊，面向整個系統(tǒng)，高速CPU和更優(yōu)越的模擬量控制。通過本文說明了勵磁調(diào)節(jié)器的開發(fā)平臺，證明采用IEC61131-3編程語言有許多優(yōu)勢，是目前勵磁調(diào)節(jié)器編程平臺的發(fā)展趨勢。