（控制理论与控制工程专业论文）基于iec+611313的编程系统的研究.pdf

游江大学硕士学位论文 摘要 由于电子技术、信息技术、以及网络技术的发展，控制设备的性能谢了很大的提高，其 中可编程控制器的发展尤为迅速。同时，工业生产对自动化程度的瑟求又不断的提高，因此， 在工艘生产孛自动讫设备豹应用也交缛菲常的广泛。毽楚，传统瓣控髑系统缡程语言存在羞 许多难以竟服的缺陷，妨碍了进一步的发膜。因此，急切的需要一套统一的编程谱言翻开发 工具。 1 9 9 3 年酗际电工娄员念( i e c ) 正式颁布了可编稷控制器的国际标准i e c6 1 1 3 l 一3 ，这是 世界上第一套关于编程语言的标准，i e c6 1 1 3 l - 3 的颁布为工业翻动化控制系统的软锌设计 提供标准纯的编程概念和编程方法，减少不同厂商的产晶在软侔使用上的差异，遥泣了广大 麴工娥自动纯控翻系统厂蔫和用户黝要袋，减少了厂商的投姿风黢，也各用户带去更多的选 择。对可编程控制器软件技术的发展，乃歪整个工业控制软件技术的发展，起了举足轻重的 作用。 本文戳潴汪濒大中自控制股份有限公司的工业控制皮餍软件平台s u n 蜉e c h 每的控镬算 法组态部分s u n y i e c 为背景，对i e c6 1 1 3 1 3 的具体内容作了分析和研究，就工业控制编程系 统如何实现该标准俸了详缁的说臻和对在实现该标准过程中可能会遇到的问题捷供解决办 法。研究了一个新型的计算机控制编程系统所应该具有的特性和耍满足的条件。本文的主要 内容妇下所述。 、回顾了自动化控制设备编程语言的发展趋努，以及工业控铷编程语言的第一套标准 l e c6 11 3 1 3 的发展过程箍奔。 2 、详细分析i e c6 1 1 3 l ，3 标准的特点、优势和不足。并且就熟标准中的公共元素、软件 模型、以及暹讯模型作了详细的分考斤。还描述了软件模型与实际系统的映射关系。 3 、基于上面分新，给如一个 二娥控制编程系统蛞软件架构横型的设计方案。将编程系 统分成几个功能相对独立的软件模块。并分折每个模块的特点、功能以及实现方法。 4 、针对编程系统的软件架构模型，采用用例驱动的方法对工程管理器、算法编辑器 ( s u n y m c ) 、实时数据库编辑器( s u n y 砌) b ) 的功能实现进行描述和归纳，并应用实对面向对 象建横方法秽捌l 建模语言对s u n y l 聪和s y r i ) b 的静态结掏遘磐了建摸。还介缨了一个基 于该设计的编程系统的实例，分析其对聪c6 l1 3 1 3 标准豹遵从和突被。 5 、分梧i e c6 1 1 3 1 3 标准中的不筵，鼹望未来的发展趋势。 关键字：l e c6 1 1 3 1 - 3 ；工业控制；编程系统；功能块； 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fi n f 0 i - m a t i o nt e c h n o l o g y，e l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dc o 翻m u n i c a t i o nt e e h n o l o g y ， t h ep l a i s oh a v e b e e nu n p r e e e d e n t e d l y a p p l i e di n 打1 d u s t r yf i e l d b u t t h ec l a s s i c a lp r o g r a i n m i n gm e t h o d ss u c ha st h e i n s t r u c t i o nl i s t ，1 a d d e r1 0 9 i co rc o n t r o ls y s t e mf u n c t i o nc h a r t ，w 】1 i c hh a v eb e e n e 瑚p l o y e du n t i ln o wh a v er e a c h e dt h e i rl i m i t s 赫o r ea n dm o r ec u s t o m e r sw a n tt h e d i s p l a yu n i f o r m ， m a n u f a c t u r e r i n d e p e n d e n tc o n c e p t s ，h i g h l e v e lp r o g r a 哪i n g l a n g u a g ea n dd e v e l o p m e n tt 0 0 1 ss i m i l a rt ot h o s et h a th a v ea h e a d yb e e ni ne x i s t e n c e i nt h ep cw o r l df o rm a n yy e a r i e c6 1 1 3 l - 3i st b ef i r s ti n t e r n 8 t i o n 8 1s t a n d 8 r do fp r o g r 鲫1 8 n g u a g ep u b l i c i z e d b yi n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o 舢i s s i o ni n1 9 9 3 t h ep u b l i s ho fi n t e r n a t i o n a l s t 8 n d a r di e c6 1 1 3 卜3l e a dt h ep r o g r 锄i n gl a n g u a g eo fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r sg o t ot h es 鲫e 雌yw h i c ba r ei n d e 聱e n d e n tb yi t s e l f t h ei n t e r n 8 t i o n a ls t a n d a r dl e c 6 1 1 3 1 - 3p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r et e c h n o l o g yf o rp l ca 1 1 dh a v eag r e a ta n d u n t o u c h a b l em e a n i n gf o r t h ea d v a n c e m e n to fc o n t r o lt e c h n o l o g y a st h ea i mo ft h isp 8 p e r ，f i r s ti si n t e n d e dt og i v et h er e a d e r 勰u n d e r s t 8 n d a b l e i n t r o d u c t i t ot h ec o n c e p t sa n dl a n “a g e so fs t a n d a r di e c 6 1 1 3 卜3 ，t h e nt oa n a l y s e a n dh a n d l et h ep r o b l e mw i l lb ea p p e a r e di nt h ep r o c o s s0 fd e s i g na n dr e a l i z a t i o n o fp r o g r a 衄i n gs y s t e m sb a s e d i e c6 1 1 3 卜3 a i lt h ew o r ki nt h i sp 印e re 8 nb e c l a 8 s i f i e da sf 0 1 l o w e s ： l 、 b r i r l gar e v i e wa 1 1 ds u m m a r yo ft h ed e v e l o p m e n to fp r o g r a m m i n g1 a n g u a g e s ，a n d g i v eab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ei n t e r n a t i o n 8 ls t 诣d a 旭i 乳6 l1 3 卜3 2 、a n a l y z ea n dd i s c u s st h e c o n t e n to fi e c6 1 1 3 卜3 ，i n c l u d et h es o f t w a r e m o d e l c o m m u n i c a t i o nm o d e la n dc o 衄o ne l e m e n t 3 、 g i v e nas o f t m o d e lo ft h ep r o g 勰m m i n gs y s t e m 。髓e nd e s e r 曲et h em a i 耗 p a r t i nt h em o d e l 4 、d e s c r i b ea n dc o n c l u d et h ef u n c t i o nr e a l i z a t i o no fs u n y i e cu s i n gu s e c a s e d r i v e n 瑚e t h o 哇， 瑚o d e lt h es t r u c t u r ea n dr u n n i n gb e h a v i o ro fs u n y i e c u s i n g l 。 5 、t h ei m p r o v e m e n to fp l cp r o g r a m m i n gs y s t e ma n di e c6 1 1 3 1 3 k e y w o r d s ：i e c6 1 1 3 1 3 ；i 皲如鞋f l a lc o n t r 。l ；p r o g r 锄m i n g i a n g u a g e ，f u n c t i o n b 】o c k ； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工业控制编程语言的发展过程 缒糍控锱系统绩褐不断向藤发展，控制编程语言和编程工其在不断更凝。 但是出于以6 口各个控制设备生产厂家的产品互相不开放，丽且各个厂家的硬件 各异，其编程方法也是各不相同，用户在使用新的产品的时候要重新了解其硬 件结构，同时必须黧新学习编程方法及其规定。这些编翟语言j 砖类繁多，程p l c 领域，主要有三种编程语言占主学地位：梯形图语言、顺序幼能图语言和模仿过 程流程的功能块语言。另外的编穆语言也不断出现，有部分p l c 采用高级语言如 b a s i c ，c 等。卣于以前的p l c 编穰语言没有一套统一的标准，各厂家之间也没有 通熏性可畜，绘藤户的馊用带来穰大的不便，限制了p l e 的发展。霾莼，1 9 粥年 国际电工委员会( i e c ) 正式颁布了可编程控制器的国际标准i e c6 1 1 3 卜3 ，这是 世界上第一套关于编程语言的标准，它的提出适应了广大的p l c 厂商和用户的要 求，减少了厂褒的投资风险，也备用户嫠去更多的选择，慰p k 的迅速发展起到 了巨大的推动作嚣。 下面主要以p l c 为例，分析传统的编程语言的不足，以及i e c6 1 1 3 卜3 标准 对编穰语苦的发展。 1 1 坼拿统的编程语言分析 梯形图是传统p l c 编程语言中蠼常用的一种。它虽然遵从了广大电气自动化 人员的专业习惯，易学易用，但是也存在许多难以克服的缺点，下面就以它为 例分瓠传统p l e 缡程落砉+ 中存在豹不是。 l 、不同厂商的p l c 产品其梯形图的符号和编程规则均不同，无法实现用户 编程习惯的延续。对不同p l c 产品必须重新学习他的编程规则。 2 、瑶复蠲性麓。现代软j 孛缡穗特别强调程序的可重笈使用，为了减少重 复劳动，可以通过予程序调用实现相同的控制逻辑和算法綮略的重复使用。丽 传统的梯形图编程根难实现这个要求。 3 、程序封装能力较弱。对于个较大的p l c 控制程序，如果在一个功能模 块中崴接编程会傻豹程彦圭| 亟可读性较差，菰且不易维护。耩以编程人员一般都 会要求将一个复杂的程序分解为若干个不同功能的程序块或者说在编程时希望 用不同的功能模块缎成一个复杂的程序。丽梯形图编程难以实现各功能之间具 有清袱接口的模块化也难以对外部隐藏功能模块的内都数据实现翻穗侉豹封 装。 4 、 不支持数据结构。梯形图编程不支持数据结构，无祛实现将数据组织 浙江大学硕士学位论文 成如p a s c a l 、c 语言等高级语言中的数据结构那样的数据类型，对于一些复杂应 用的编程，它几乎无能为力。 5 、 不支持触发事件的处理。由于传统p l c 按扫描方式组织程序的执行，因 此整个程序的指令代码完全按顺序逐条执行。这对于要求即时响应的程序应用 ( 事件触发的程序模块) ，具有很大的局限性。 6 、程序描述能力有限。对顺序控制功能的编程，只能为每一个顺控状态 定义一个状态位，因此难实现选择或并行运行等复杂顺控操作。而且传统的梯 形图编程在算术运算处理、字符串或文字处理等方面均不能提供强有力的支持。 1 1 2 新的编程标准i e c6 1 1 3 卜3 由于传统的p l c 编程语言存在着上述的不足，国际电工委员会( i e c ) 正式颁布 了可编程控制器的国际标准i e c6 1 1 3 卜3 ，用来规范了可编程控制器的编程语言及 其基奉元素。其中共规定了5 种编程语言，三种是图形化语言，两种是文本化语言。 图形化语言有梯形图( l a d d e rd i g r 锄一l d ) 、顺序功能图( s e q u e n t i a lc h a r s f c ) 、 功能块图( f u n c t i o nb l o c kd i a g r 锄一f b d ) ：文本化语言有指令表( i n s t r u c t i o n l i s t i l ) 和结构文s t r u c t u r e dt e x t s t ) 。虽然这些编程语言在该标准颁布出来之前就 已经被很多的厂家所使用，但是各厂商之间都没有一统一的规范。i e c6 1 1 3 卜3 标准的提出，在突破旧有的编程语言的不足的同时，又要继承其中合理和有效的 部分，大大地推动p i ，c 的开放性及编程工具的发展。 工业控制领域的的国际标准i e c6 1 1 3 卜3 的推出和实施，打破了以前的各个 p l c 生产厂商的产品相互不兼容的局限性，加速了p l c 的应用和发展。为可编程控 制器软件技术的发展，乃至整个工业控制软件技术的发展起着举足轻重的推动 作用。 1 2i e c6 1 1 3 1 3 简介 】9 9 3 年国际电工委员会( i e c ) 正式颁布了可编程控制器的国际标准 i e c l1 3 1 ( 以后改称i e c6 】1 3 1 ) 。主要包括下面几个部分：。 i h c6 3 卜l 通用信息( 1 9 9 2 ) 。 i e c6 1 1 3 卜2 装簧要求与测试( 1 9 9 2 ) 。 i e c6 1 1 3 卜3 编程语言( 1 9 9 3 ) 。 【b c6 1 1 3 卜4 用户导则( 1 9 9 5 ) 。 i e c6 】1 3 卜5 通信服务规范( 2 0 0 0 ) 。 i e c6 1 1 3 卜7 模糊控制编程软件工具实施( 2 0 0 0 ) 。 i e c6 11 3 卜8i e c6 1 1 3 卜3 语言实现导则( 2 0 0 1 ) 。 2 0 0 0 年8 月由p l c o p e n 组织向i e c 提出增加i e c6 1 1 3 卜x 功能安全性，目前尚处 浙江大学硕士学位论文 在草案阶段。 i e c6 】1 3 l 代表了不同标准的组合和延续，它参考了1 0 个其他的国际标准 ( i e c 5 0 ，i e c 5 5 9 ，i e c 6 1 7 一1 2 ，i e c 6 1 7 一1 3 ， i e c8 4 8 ， i s o i e c6 4 6 ， i s 07 1 8 5 ， i s 0 7 4 9 8 ) 。这些标准包括有关采用字符代码的规则，所用专门术语的定义或图形 表达的结果等。 如上列表所示，i e c 6 1 1 3 1 标准是一套具有完整的体系关于控制系统的标准规 范。其中1 e c6 1 1 3 1 3 是i e c6 1 1 3 1 标准中的第三部分，是关于i e c6 1 1 3 1 体系中编 程语言的标准。它规范了可编程控制器的编程语言及其基本元素，是第一个为工 业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准，对当代工业控制 器中科l 类繁多的概念及语言进行了标准化，并将现代软件的概念与传统的p l c 编程 语嘉成功地结合，在工业控制领域中产生了重要的影响，被全球越来越多制造商 和客户所接受，并且成为d c s 、p c 控制运动控制，以及s c a d a 的编程系统事实上的标 准。撼于i e c6 1 1 3 卜3 标准的编程系统也是本文要研究的重点。将在后面的章节 中洋细的分析该标准的特点、优势等。并就如何实现一个符合i e c6 1 1 3 卜3 标准的 编程系统作了详细的分析和给出设计模型。 1 2 1i e c6 1 1 3 l 一3 的特点 i e c6 1 1 3 卜3 是一个不断完善中的标准，而它的不足却是因为它在体系结构和 硬件上依赖于传统的p l c 的体系结掏所形成的“先天不足”。 瓶c6 】1 3 卜3 国际标准对程序的执行具有完全控制能力，支持复杂的顺序操作 功能处理，使得原来各专用系统之间的差异缩小，软件模块之间的共享得到加强。 并且提高了软件再使用性，降低编程中的误解和错误，减少开发风险。语言元素 和程序结构相似，便于程序的移植，适用于宽范围的编程技术：通用的工业控制。 下面就i j c6 l1 3 1 3 的优势分析如下。 1 + 程序具有完美的结构 基于e c 6 1 1 3 卜3 标准所开发的程序应该具有完美的结构。因为在标准所定义 的编程系统中融入了现代软件的概念和现代软件工程的机制。它采用现代软件摸 块化原则，要求编程语占能够支持的程序的模块化开发，将常用的程序功能分为 若干相对独立的单元，这些程序组织单元构成编程的基础。模块化程序设计时， 只需要为各个模块设置必要的尽可能少的输人和输出参数，减少个模块之间交互 作用和内部数据交换。而模块接口之间的数据交互采用显性定义机制。将信息隐 藏于模块内，对使用者来讲只需了解该模块的外部特性( 即功能、输人输出参数) ， 而无需了解模块内算法的具体实现。这种积木式的程序开发使得所得到的p l c 程序 具有完美的架构，有很强的可读性和可维护性。 2 支持多种程序丌发方式 i 盯6 1 1 3 卜3 支持自顶而下和自底向上的程序开发方式，为不同编程要求的用 浙江大学硕士学位论文 户提供逶台彦己豹玎发方式。所谓是联丙下即用户兜避行总体设计，将控制应用 划分为精干个部分、定义程穿变爨，然后编写各个部分程序的图形或文本指令。 丽自底丽上就是用户可以先从底部开始编程，例如先导出函数帮功能块，再按照 控制要求编制程序。无论选择何种开发方式，基于i e c6 1 1 3 卜3 标准所创建的糕序 开发环境均可以在整个编程过程中给予用户强有力豹支持。 3 错误类型数拯其有很鞭的硷测能力 影i ：多程序的错误都与数据类裂有关，不同类型的数据其表达和处理是不同的。 眵6 1 3 卜3 从源头上注意防止这类低级的错谡，可以对用户程序的输入进行严格 的数据类型检查。虽然采用严格数据类型的方法可能导致效率降低，但对程序的 可靠性、可读性和可维护性都是有很大的提高的。i e c6 1 1 3 l 一3 采用以下方法防止 这些错误：( a ) 只允许兼容的数据类型与功能块之间的互联，限制函数与功能块之 闰互联静范潮。( b ) 只可寝其数据类受已明确定义抟燮薰上进行，对没有率碉类型 的变量缀铷运算。( c ) 禁止隐含豹数据类型变换。比如、实垄数不可执纷按位运 算。若要运算编程嚣必须先通过显式变换函数r e a l t o w o r d 把实型数变换为w 0 r d 型位串变量。 4 编程系统独赢于任一嗣标系统 豫c6 i1 3 1 3 所规范的编程系统独立于任一个具体的目标系统。它可阻最大限 度地在不同的p l c 目标系统中运行程辟移植。这样就倒造了一种其有髓好开放住的 氛匿，奠定了p l c 缀程_ 歼放性豹基硇。 5 数据结构豹支持 在传统的p l c 编程语言中，包括的数摆类型如浮点表达式，b c d 码或定时器葶b 讨教器值等完全不激容的格式和编码，是稔序移植困艘。两在i e c6 i i 3 卜3 内则定 义了- 组标准化的数据类型，并且支持数组和结构体的使用，借助关键宇s t r u c t 和e m s r r u c t 可阻分层建立数据结掏豹定义。 6 丽向对象的编程概念 瞄6 l l ：j l 3 标准黯现代软件橛念浓缩，荠加盼运露，铡鲡：数据使用 溯张一手y 惩懿明机制；聪数使塌f u n e t l 蜊说明辊髑；数据和函数豹鲤合使用 f u n c t 】o n b l o c k # 明机带8 。 在i 髓6 1 1 3 卜3 中功能块并不只是f b d 语言的编程机制、它还是隧向对象缀传 的结构撼础。一埴完成了某个功能块的编程，并通过调试和试用证明其能够难确 执行，那么，就可以将功能块周羽个独立得程序缀绞单元重复使用，不允诲餍 户再将它打了| ：，改变其算法。即使是个功能块因为箕执行效率有必要再提高， 或者是在定的条件下其功能执行的正确性存在嚼邀需要塞新编辑，但只要保持 该功能块躯外部接口定义不变，仍可在其住程序中照繁使用。不必一再地为固一 个目的丽编写和调试程序。 6 浙江大学硕士学位论文 7 程序执行具有完全的控制能力。 现实应用中对程序执行的多样型要求，如由事件驱动某一段程序的执行、穗 净翡并行处理等越来越嵩。丽传统的p l c 只熊按照扫摧方式顺序执行程侉，对上述 骤求基本上无能为力。i e c6 1 1 3 卜3 标准所定义的是一个多任务运行系统，可以跟 掘控制要球，允 4 二程序均不弱部分、在不同的条件下、班不月豹比率弗行执行。 并且允许为程序定义各种不同类型能够的运行期属性，包括周期执行和中断执行 两种类型，并且为没内阁任务分配优先等级，在同等条件下，优先级高的任务先 执行。 8 多样化的编程谬吉。 豫l 】3 l 一3 舰定了嚣大类缡穗谣言：文零化编程语言鄢图形纯编稷语言。文 本化编程语苦包括指令表和结构化文本语言，图形化编程语言包括梯形图语言和 功能块銎语言。西在i e c 6 h 3 l 一3 标准中并没菇把顺序功能图单独列为缡程语言的 一种，而是将它在公用元素中予以规范。这就是说，不论在文本化语胄，或者在 图形化语售，都可以运用s f c 的概念、结构和语法。但是，在宓际的编程系统中， 往往将顺序功能图程序的编辑环境鼠图形能的方式提供给用户编辑，这祥更有利 于顺序功能幽程序的应用。 i e c 6 l 】3 1 3 允许在同一令控懿系统中傻胡多种缡程语畜，允许程_ | 手开发人员 对每一个特定的任务选择最合适的编程语言，还允许在同一个控制程序中不同的 软俘模块蠲不嗣的编程语言编制。这一规定妥善继承了工业控制系统发展历史中 形成的编程语者多样化的现实，又为工业控制软件技术的迸一步发展提供了足够 的空问。 1 2 2i e c6 1 1 3 卜3 的推广及p l c o p e n 组织 岛地c6 u 3 卜3 正式公布后它获得了广泛的接受和支持。首先，凰骣上各大 p l c 厂商都宣布其产品符合该标准的规范( 尽管这些公司现有的编程软件工具距离 标准的儿c 6 1 1 3 卜3 语言尚有一定距离) ，在推出其编程软件新产品时，遵循该标准 f | 勺各种规定其次，稍晚推出的0 c s 产品，或者d e s 豹更新换代产菇，也遵照 i e c 6 l 】3 卜3 的规范，提供d c s 的编程语言，丽不像前每个d c s 厂商都搞自己的一套 编翟软爨：产品。再次，以p c 为基础的控制圣乍为一静薪兴控制技术正在迅速发展， 大多数盹控制的软件开发商都按照i e c6 1 1 3 卜3 的编程语言标准规范其软件产品 的特性。最后，正因为有了i e c6 1 1 3 卜3 ，才真正出现了一种开放式的可编程控制 器的编穰软件包，它不具体地依赖于特定的p l c 硬件产品，这就为p l c 的程序在不 问机型之间的移植提供了可能。 加速 ；= c ：l l1 3 卜3 的箍j “、离承平建实旅l e c6 1 1 3 l 一3 还蠢一个相警艰苦豹过 程。特别是它列控制领域的影响并不限于p l c 。它还适用于d c s 、p c 控制、运动控 甓钭，因此蒎广应髑i e c s l l 3 l 一3 裁必须有一个不以赢利为基的的国际组织进行全殛 浙江大学硕士学位论文 规划、积极推广。罐得庆章的是致力于工业控制编程标准化的匿辩缀织p 阮o p e n 戳蠢己的有效活动表翡它可以当此霪任。 总部设在荷兰的国际性组织p l c o p e n 在为推广该标准的疲用并开发相关的软 件产品，以及谋求该标准的进一步发展等方面进行了不懈的努力，并获得了广泛 的响应，敏褥了侥秀的成绩。p l c o p e n 目裁攘有分布予2 1 个黧家的l o o 多个单元会 员，下设5 个技术委员会：t g l 羹点在予与i 裟合诈莛同发腱、提高帮完善i e c 6 1 1 3 1 3 具体工作是发行第二版的修订文本：t c 2 主要定义动能块的糕序瘁，协 调功能块盼约定，它目静正在组织对运动控制的功能块送行定义，创立可重复使 鲻、独立于矮件的运动控铡 亍斌( 黠o f i l e ) ；髓3 耋囊蘧铡定编程谤富致性豹测 试标准，因为，i e c6 h 3 卜3 标准仅给出了一致经约基零凝则，并举提供实际编程 系统的导则，所关于编程系统的一致性测试实际土就是检验不同的编耩系统是 否真正具有开敞佼的淘趱：乍c 4 重点是通信，受赞翻订通偿接日及应羯交按格式等； t c 5 j l | j 稽燕予安全软件导剡重点在于如何运用i e c6 l5 0 8 ( 衣关系统安全的功能 安全) 支持安全编程技术。致德的实质在予建立一套铡试方法和程序，这样才能 推动标准的粪正赁彻。 乩e o p e n 季巴致性翊分为3 个等级基本级、可重复璇翔级以及全兼容级。符合 莲本缀可解决小系统的可移穗性：符合可蘩复使用缀和全兼容级可解决功能块程 序摩的可移植性。目前，指令表、结构化文本和顺序功能图的基本级定义邑完成， 有关翰测试软件已投入使用；鸯2 5 个编程软孛包邑逶过一致性认 歪。梯形强和功 能块阗的基本级一致性定义正在髑定中，稆瘦铡试软件芷在准备申。由予要求全 部满足i e c6 h 3 卜3 标准实属不荔所以标准中在许多方面允许都分实现标准，这就 给制造厂商相当大的自由皮。也正因为如此，如聚能在i l 、辨、s k 、乙d 嗣f b d5 个方面均达到可霆复使确缎，尉该编程系统即达到了全部兼容级。 1 2 。3 在我国的发展情况 我翻是世界i e c 组织豹成员因，针对于1 8 c6 1 1 3 1 的第一版国家标准，予1 9 9 5 零l l 周发柿实施。卣予我国p l c 厂商在应用和推广i e c6 1 1 3 l 一3 标准方霞还与世界 承平存在着很大差距。在当 | ；各p l c 厂囊越来越多的采翔或使用i e c6 1 1 3 l 一3 标准 | ：| 勺形势。f ，在我潮推广应罔该标豫的工作势在必露。1 9 9 9 年6 月，p l c o p e n 组织派 员参加了出中图帆电一体化技术应爝协会举办的f a p a 9 9 国际现代工厂过程自 动化技术与装器展，劳与协会讨论了在中国建立办事处的事寅。协会受责在国内 箍广i e c6 1 i 3 l 一3 撂准及p l c o p e n 缓织在中罄的工作。 1 3 项隧背景以及研究的主要肉容 本文以浙江浙大中自集成控翩股份有限公司的工业控制应用软件平台 浙江大学硕士学位论文 s u i y t e c h 为背景，主要研究其中的控制算法组态部分s u n y i e c 软件模块的设计和实 现。软件模块s u n y i e c 主要负责用户算法的编辑、编译、仿真、调试以及下装等功 能。并且在算法组态环境中集成了数据库编辑器，编译器，仿真程序等相关的模 块。给用户提供一个方便友好的开发平台。s u n y i e c 算法编辑器是一个符合i e c 6 1 1 3 】一3 的程序丌发平台，它所提供的编程概念和编程元素全部遵从i e c6 1 1 3 卜3 标准中的要求。并且结合实际的应用需求，对i e c6 1 1 3 卜3 标准中的的一些不足之 处作了相应的改进，使之更好的适用于p l c 算法程序的开发。并且以一个创新的p l c 编程系统为要求，对标准中没有规定的内容作了纪要的补充。 作者亲自参与了浙大中自公司的算法编辑器s u n y i e c 和数据库s u n y r d b 的开发 和没计，并且届期做了大量的维护和升级。因此，本文将结合s u n y i e c 的开发经验， 分析和研究个基于i e c6 1 1 3 卜3 标准的编程系统所应该具有的特性。对i e c 6 1 1 3 卜3 具的体内容包括其中的编程语言部分和公共元素部分作了详细分析，并就 工业控制编程系统如何实现该标准作了详细的说明和对在编程系统实现该标准过 程中可能会遇到的问题提供解决办法。对该标准尚存在的不足之处以及发展方向 提出意见，研究了一个新型的编程系统所应该具有的特性和要满足的条件。 这种基于i e c6 1 1 3 l 一3 标准的算法编辑器除了应用于p l c 的控制算法组态外。 还是浙大中自的d c s 控制系统实际上的编程工具。因此如上所述，i e c6 1 1 3 卜3 标 准不仅是对 ) l c 编程语言的规范，还是其他控制系统的编程语言的标准。 本文研究得主要内容包括i e c6 1 1 3 卜3 标准的分析、编程系统的软件架构设、 计、软件架构中各模块的设计和实现、数据库编辑器的设计与实现、算法编辑器 的没汁与实现、编译器的设计与实现和仿真调试软件的设计和实现。而在其中取 p l c 作为一个描述实例。 1 4 本孽小结 本章首先介绍了工业控制编程语言的发展历程。并且从i e c6 1 1 3 卜3 标准的 入手，讲述陔标准的发展历程，特点及推广过程。为在下面章节中具体的展开做 好铺整，晟后介绍了开发基于i e c6 1 1 3 卜3 的新型工业控制编程系统的意义及本课 题所完成的内容。 浙江大学硕士学位论文 第二章i e e 6 王1 3 卜3 的内容阐述 本文的主题是基于i e c6 l1 3 卜3 标准的编程系统的设计，那么在这一章中先就 i e c6 1 1 3 l 一3 括准所描述豹内容 乍一个详细的讨论。 l e c6 1 】3 卜3 包括两部分：编程和公共元素。编程部分描述了两个黧要模型： i b c 软件模型秆l 通讯模型。公拱元素定义了编程系统中需要的数据类烈。下面分 别讲述i e c6 1 i 3 l 一3 中的公共元素，软件模烈及通讯模型中的具体内容。 2 1 公共元素部分 2 1 1 数据类型定义 i e es 1 i3 卜3 标准中定义了套常用的数掰类型，用子描述所声名豹变量的存 储及运算格式。有布尔数、整型数、实型数、字节和字，以及日期、日历时和字 符串。在此基础匕还可以允许用户定义自己的所需求的数据类型，即导出数据类 型。如可爱此定义个壤毅遗道作炎一种数挺类型，以便于反复使用。数据类型 定义的是为避免一些不必要的低级错误，在编程系统中要求对数据类懋进行严格 的梭套，如| = = 1 期与整型数运算是不允许的。 2 1 2 变量 声明一个变爨用来表示在配髯、资源或程序中的显性硬件地址，在传统的p l c 编程中，所编骂的狂序是直接与物理硬件地址相关的，强编程之前先瑟对特定产 品的物理存储区静空间遗址分酝存一定掌攒，使得不同p l c 产品之间毒楣嗣控副要 求晌程序的移植变得困难。采用阻交量名这种符号化的方式来表示实际的物理的 地址，以此来建立高级的与硬件无关的特性，支持软件的蓬复使用。 每个定义的变量都是有其适用的域范圈限定的。局部变量的使用范围一般限 予在其q ! 加以声l 碉的程序缓绞攀元雨部，嚣在英德程窿中是不可见豹。这表饔这 些变量名可以在其他部分重复使用而不至于引起冲突，这就消除了由于变量名重 复雨引起的程序错误。如果变量必须在全局范围内使用，则必须用v a r g 1 0 b a l 说 明。变塞运行系绞启动过程中，奶始化以裙值，秘利予正确设定。另努，在i e c 6 1 1 3 卜3c p 还沿用了传统p l c 中的直接变量的袭示方法，即p l c 程序的内存区直接用 地址来表示。这也是该标准的一个不足之处，在实际编程系统的实现过程中发现 这种囊接表述物理地址的方法隰碍了程序的移植，所以弓l 入一个数据庠的概念来 滔狳皮予直接变遂雨引超的弊蛹。这将在后蘸数据库编辑器部分详细讲解。 浙江大学硕士举位论文 2 2i e c6 l 王3 l 。3 软件模型 i e e6 1 13 】一3 软 牛模型是i e c 标准中一个熏要的内容，它从理论上描述了如 霉 将一个复杂的程穿分解为若干个小的相对独立的可管理部分，并且猩各个被分解 部分之问有清晰和规范的接刚方法：描述了台可编程控制器如何实现多个程序 的同时装载、运行：搦述了运行系统如何蜜现对程序执行的完全控制等。软件模 型魁整个l ：) l c 程序开发艟理论基确，所有符念该标准豹编稷系统首先在编程壤念上 必须要和软件模型中所描述的程序概念保持一致。下面分析其中的主要内容。 为适应i e c6 1 13 卜3 软件模型的描述，首先假设来自传感器或变邀器所采集的 夕 都数值梭放在一段指定的存锗区中。同时，程序运行爝产生的运算结暴也被放 在另一段指定的存储区中，燹新这些内存区数值，即实现了对执行机构或外部控 制器的驱动。而从存储区到可编程控制器的i o 装置的映射关系并没有在标准中定 义，它随着p l c 厂商的不同有很大的差别。 i e c6 1 1 3 l 一3 软件模型 【e c6 1 13 1 3 软件模型如上图所示。将i e c6 1 1 3 卜3 给出的软件模型与传统的 包括个资源、运行一个任务、控制一个程序并且运行于一个封闭系统申p l c 比较。 发现i e c6 l 】3 卜3 软件模型在传统p l e 的软 毕模型的基础上堪加了诲多内客： j 、i 骶6 j1 3 卜3 的软件模型是一种分层结构，每一层均隐含了其下层翡许多特 浙江大学硕士学位论文 征。它为实现如何将个复杂的p l c 程序分解成若干个可进行管理和控制的相对独 立昀小单元奠定了理论鏊襁，两这些被分解的小单元之闯又存在有清l ； 砸规范豹 接口，这种积木式模块化的程序设计思想也矗三蹩i e c6 1 1 3 1 3 软件模型优越性的体 现。 2 、在i e e 8 11 3 卜3 软孚模型中所描述豹是一个面向未来的辨放系统。它不僵可 以实现传统盹c 的软件模型中所描述的是按时阔周期执行的程序结构，还可以方便 的处理由事件驱动的程序执行，支持多任务并行执行。并凰这种开放的系统还能 满足幽多个处理器构成的p l c 系统的软件设计要求。对于工业通信网络为基础的分 教控铡系统，铡- 如可潋由现场慧线将分布予不阉硬传内豹凌糍块秘残一令买体翡 控制任务。而且该软件模型还可覆盖和适用于如软逻辑p c 控制等一些正在发展中 的新兴控制技术。 下颡我们先讨论上图所示的软件模墼串的各令部分的内攀，同对分柝总结基 予浚软件模型的i e c6 1 1 3 卜3 编程系统的特点和优势。 一、配置 在软件模型的最上层是“配甏”( c o n f i g u r a t i o n ) ，它专指一种具体特定 类型豹控制系统，包括硬件装鬟、处理资源、i o 逶道豹存傣地垃帮系统麓力。在 一个由多台) l c 构成的控制系统中，每一台p l c 就是一个独立的配置。一个“配置” 可与其它的i e c “配鬻”通过定义的接口进行通讯。 二、资源 如上图所示，在每一个配鬻中可以有一个或多个“资源”( r e s o u r c e ) 。“资 源”不仅为运行程序提供了一个支持系统，可把资源看作能执行p l c 程序的处理手 段，它反映p l 叫0 物理结构，在稚序和p l c 的物理i o 通道之闼提供了一个接口。一 个用户程序只有在装入“资源”焉才蕤誊 l 行。般瑟言，如果是由多e 鞭构残的 p l c ，那么其中的没一个c p u 都可以影射到软件模型中的资源，资源是整个配置的 构成基础，是p l 。c 程序的运行实体。 三、任务 个p l c 程序就蹙通过内部的各个“任务”的砉 | 行来实现对控制逻辑船满足。 在资源中可以同时| | ) 运行都各相赋独立的任务，这些“任务”被配置以后，可以 控制系列程序块和功能块，周期性地执行或者由一个特定的事件触发执行。i e c 软俘骥型中如礁序块或功缝块通常保持完全的持用状态，只旁当一个特定豹被配 置了运行属性的任务调用时它们时，这些i e c 程序块或功能块才会执行按照指定的 周期性或触发方式执行。 四、程序 如t 图所示，程序是任务的运行实体，程序的运行通常有两种方式，一是在 为程序分配运行属性后他就按照运行属性中的描述执行，另一种是作为个子程 浙江大学硕士学位论文 序受其他的程序调用执行。 典型的i e c 程序由许多互联的功能块和或函数组成，每个功能块之闻可相互 交接数据。而函数与功能块则是程序的基本组成单元，其内包括一个数据络构和 一种算法。个i e e 程序可以选用簿台i e c 6 1 1 3 l 一3 规定的五种编程语誊中的一种或 几种来编写。 五、程序组织犟元 在i e c 6 1 3 卜3 中，程序块、函数块和功能块部被称为程序组织单冗( p o u ) 。 函数 函数( f u n c t i o n ) 如是i e c6 1 1 3 卜3 标准中的一个重要概念，但在软件模型中 未表现出来，它常常使人们与功能块混淆。函数是一些在程序执行过程中的软件 元件，它列系列特定媳输入馕会产生相应的输如结果，如算术功能c o s ( ) ，s i n ( ) 等。这些黼数没有实际的运彳亍体，既没有黼数的实例化，这也是和功能块的主要 区别。 i e c6 1 13 卜3 标准中有大量的用于处理不同数据类型的函数块。包括标猴函数 和用户定义函数。标准函数有交量类型转换函数、数值运算函数、串函数、选择 和比较函数、字符串函数、时间类型函数等类型例如a d d ( ) 、q r t ( ) 、s i n ( ) 、c o s ( 余 弦) 、g r ( 获取) 、m i n ( 最小) 、撇x ( 最大) 、a n d ( 与) 、o r ( 或) 等。用户定义函数 是用户自己定义接口，并为之实现功能的一种算法模块，一旦作了定义，则该函 数就可存入用户自定义库中，可供反复使用。 功能块 功能块( f u n c t i o nb l o c k ) 是i e c6 1 1 3 卜3 标准编程系统的一个薰要的特征， 包括标准功能块、导岗功能蛟和用户定义功能块。任何功能头可以霜其它的更小 的更易管理的功能块柬编程，这样就可以出许多的功能块创建一个有层次的、结 构合理的程序。 e c6 l 】3 卜3 还允许程序设计人员利用现有的功能块和其它的编程 元素生成凝的功能块，即导出功能块。任意功能块均可采用功能更单绝的函数程 或功能块进行编襁。 每个功能块都具有囱己独立的存储空闺，翔采保存自身的状态信息，即每令 功能块均要有一个“实例”，相同的外部输入不能保证一定会有相同的输出。而 在蕊数中j 蕊夺其有自己的存储空间，因此楣嗣的输入就会产生相同翡输出。 功能块定义组输入输出参数用来与其他功能块或内部变攫交换数据。每一 个功能块均有其特定的算法，通过对输人参数值和内部变量值的处理生成相应的 输出。这就是战功能块具有定义完善的输人郓输出接口和隐含的内部结构。软馋 设计人员可阻定义、修改功能块，而软件维护人员只能使用功能块：功能块一旦 被定义、就可反复艘罔。功能块可以沼任意一转i e e6 1 1 3 卜3 的编裎语言来编写， 但在大多数情况下是用结构化文本语言编写。 浙江大学硕士学位论文 六、变量和存敬路径 褒酝零、系统资源、疆窿：动毙或功能块内，可以声明靼使用弱部变量、全 局变爨、直接变量。局部变量是仅仅能在配震、资源、程j 葶、功能或功能块内声 明和存取的变量，只在其所声明的领域内有效；全局变薰在一个程序内声明，它 能被配鬟内的所有软 孛元件存取，并且在整个，圭命期内都憋存在的；壹接变量是 可编稷撩制器程序的 篷存区直接阁地址来表示的变量，这是i e c6 1 1 3 l 一对传统p 乙e 的编糨系习惯的延续，但是这种直接表示地蚍的方法不易与程序的移植，所以较 少使用。 从上沤豁分橇可褥骞该软件横型与实际p k 系统之闻韵影射关系。对于哭有一 个处理器的小型系统，其模型就是一个配最、一个资源，这与大多数单c p u 的p l c 情况相符，当然在一个资源中是可以有多个任务按照不同的运行属性独立运行。 对于有多个处理嚣的中、大型系统整个p l c 被糖作一个配爨，丽每个处理器则用 一个资源来描述，而一个资源剐包括一个或多个任务。对予分布式控镱i 系统，包 含多个配置，而一个配置又包含多个处理器，每个处理器用个资源撒述即包含 有都备资源。而每个资源又包括个或多个任务。 2 3i e c6 1 1 3 1 3 通讯模型 撒据不同的通讯要求，e c6 1 1 3 1 标准规定了以下四种通讯模型； 蠹邦通讯：在程序、功麓块葶藿功能内部之阅可以互相连接以形成一个网络， 数据信息可以通过这个内部的网络进行通讯。 变燃通讯：全局变量可以被用来在功能块与其它的程序组织单元之间交换数 掘信息。 外部变量通讯： e c6 li 3 l 的第五部分定义