（机械制造及其自动化专业论文）基于pc的软plc—上位机系统设计与实现.pdf

西华大学硕士学位论文基于p c 的软p l c 一上位机系统设计与实现机械制造及其自动化研究生许世法指导教师秦付军副教授软p l c 技术是一种基于p c 的新型控制技术，与传统硬p l c 相比，它具有开放的体系结构、强大的网络通讯能力和更强的数据处理能力，能较好地满足现代工业自动化的要求，是目前工业自动化领域研究的热点之一。本文通过对软p l c 的相关概念和技术的分析与研究，阐述了软p l c 的体系结构，提出了基于p c 的软p l c 控制器的设计与实现方法；通过对软p l c 系统的工作原理及其实现策略的分析和研究，论述了软p l c 上位机系统、下位机系统的体系结构及其工作原理，并提出了其具体实现的方案。本文的主要工作是结合i e c 6 1 1 3 1 3 标准，构建软p l c 系统的软件平台。软件平台在遵循i e c 6 1 1 3 1 - 3 的基础上，提供了离线仿真、在线下载等专有的组织方式和运行模式。本文主要进行以下工作：1 对软p l c 相关技术进行了研究，论述了软p l c 相对于传统p l c 的优势及开发基于p c 的软p l c 系统的必要性。2 在分析研究国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 的基础上，论述了开发软p l c 系统采用该标准的必要性；并对在开发软p l c 过程中应用i e c 6 1 1 3 1 - 3 满足软p l c 的通用性及方便的可移植性进行了具体的分析研究。3 基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准，在p c 平台上建立了软件化p l c 平台的总体架构，建了符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的软件模型。4 对软p l c 的体系结构、工作原理进行了深入研究。分析了软p l c 系统的各个组成部分及其实现原理，并深入研究了上位机系统、下位机系统的具体实现策略。西华大学硕士学位论文5 依据上位机系统的组成结构及其工作原理，结合i e c 6 1 1 3 1 3 标准，设计了工程管理模块，具体实现了上位机系统的梯形图编辑器、指令表编辑器、梯形图向语句表转换功能。初步设计了指令表编译器，规划了仿真模块。6 对下位机系统的组成结构及其工作原理进行了研究分析，分析下位机系统的硬件组成及其软件系统的实现方案。最后对开发过程中存在的关键技术问题进行了深入分析，提出了具体的解决方案。关键词：软p l c ，i e c 6 1 1 3 1 3 ，p c ，上位机l l西华大学硕士学位论文s o f l p l ct e c h n o l o g yb a s e do np c- - d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fe d i t o rs y s t e mm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o np o s t g r a d u a t e ：x us h i f as u p e r v i s o r ：q i nf u j u na tp r e s e n t , s o f u p l ct e c h n o l o g yb a s e do np ci san e wc o n t r o lt e c h n o l o g ya n do n eo fm a i nr e s e a r c hi n t e r e s t si ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n & c o n t r o lt e c h n o l o g y , w h i c hh a sag r e a tm a n ya d v a n t a g e so fo p e nc o n t r o ls y s t e m , s t r o n g e rd a t ap r o c e s s i n ga n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lp l c ，b u ta l s om e e t sn e e do f m o d e mi n d u s t r ya u t o m a t i o n 1 1 1 i sp a p e rp r e s e n t st h ea p p r o a c ht od e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h es o f l p l c b ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h er e l a t e dc o n c e p ta n dt e c h n o l o g yo f t h es o f l p l c ；a l s od i s s c u s s e se a c hc o m p o s i n gp a r to fr u n n i n gs y s t e ma n de d i t o rs y s t e mo fs o t w l cs y s t e ms t r u c t u r ea n dw o r k i n gb ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gs o f l p l cc o n t r o ls y s t e mw o r kt h e o r ya n dr e a l i z y 吨s t r a t e g y , b u ta l s og i v e sd e t a i l e dr e a l i z i n gp l a n s m a i n l yw o r ko f t h er e s e a r c ht h a tt h i sp a p e rh a sd o n ea sf o l l o w s ：1 t h i sp a p e rr e s e a r c h e dc o r r e l a t i v et e c h n o l o g yo ft h es o f l p l c a n dd i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e so fs o f l p l ct h a nt h et r a d i t i o n a lp l c ，a n dt h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gs o f l p l cb a s e do nt h ep cs y s t e m 2 a f t e ra n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n ga b o u ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 6 1 1 3 1 3 ，d i s c u s s e dt h en e c e s s i t yo fu s i n gt h i ss t a n d a r d , a n da n a l y z e da n dr e s e a r c h e dm a k i n gu s eo f l e c 6 1 1 3 1 - 3t om e e tw i t ht h es o f f p l cc o m m o na n dt r a n s p l a n t a b l es p e c i a l t yi nd e v e l o p i n gt h es o f i p l c 3 t h ep a p e rh a se s t a b l i s h e daf l a m ef o rt h ep l a t f o r mo f t h i ss o f l p l c b a s e do nt h e1 e c 6 1 1 3 1 3s t a n d a r d t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e do v e r a l lc o n s t r u c t i o no ft h ei i i西华大学硕士学位论文s o , w a r ep l a t f o r mo nt h ep cp l a t f o r ma n ds o f t w a r em o d e lc o m p l y i n gw i t hi e c 6 11 3 1 - 3 4 t h i sp a p e rh a sc o n d u c t e dt h et h o r o u g hr e s e a r c ha b o u tt h es o f t p l cs y s t e m ss t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo f w o r k t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dc o n s t i t u e n ta n dp r i n c i p l eo ft h es o f tp l cs y s t e ma n dt h o r o u g h l yd i s c u s s e dt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o ns t r a t e g yo fe 逸i t o rs y s t e ma n dr u n n i n gs y s t e m 5 t h i sp a p e rh a ss t u d i e dc o m p o s i t i o ns t r u c t u r eo ft h ee d i t o rs y s t e ma n di t sp r i n c i p l eo fw o r k t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dt h ep r o j e c tm a n a g e m e n tm o d u l e ，s p e c i f i c a l l yh a sr e a l i z e dt r a p e z o i d a lc h a r te d i t o r , i n s t r u c t i o nl i s te d i t o ro ft h ee d i t o rs y s t e ma n df u n c t i o no ft r a n s l a t i n gt r a p e z o i d a lc h a r ti n t oi n s t r u c t i o nl i s t t h i sp a p e rh a sp l a n n e dt h es i m u l a t i o nm o d u l ea n dt h ep r e l i m i n a r yd e s i g na b o u ti n s t r u c t i o nl i s tc o m p i l e r 6 t h i sp a p e rh a sc a r r i e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i sa b o u tr u n n i n gs y s t e ma n dp r o p o s e dt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o np l a n f i n a l l y , t h i sp a p e rh a sc a r r i e do nt h et h o r o u g ha n a l y s i sa b o u te s s e n t i a lt e c h n i c a lq u e s t i o nd u r i n gr e s e a r c ha n dp r o p o s e dt h ec o n c r e t es o l u t i o n k e yw o r d s ：s o r p l c ，p c ，i e c 6 1 1 3 1 3 ，e d i t o rs y s t e m西华大学硕士学位论文申明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。作者签名辩世珐、噼幻 日导师签名：獬夕年月日1 0 0西华大学硕士学位论文l 绪论1 1 软p l c 技术介绍软p l c 是集计算机技术、自动控制技术、仪表技术和网络通讯技术为一体的新型控制技术。1 1 1 软p l c 技术简介近年来，随着计算机技术和通讯技术的发展，采用高性能微处理器作为其控制核心，基于p c 平台的p l c 得到迅速的发展和广泛的应用，基于p c 的p l c既具有传统p l c 在功能、可靠性、速度、故障查找方面的特点，又具有p c 高的运算速度、丰富的编程语言、方便的网络连接优势。基于p c 的p l c 是以p c 的硬件技术、网络通讯技术为基础，采用标准的p c 开发语言进行开发的控制器，同时通过其内置的驱动引擎提供标准的p l c软件接口。软p l c 使用符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的工业开发界面及逻辑块图等软逻辑开发技术进行开发。通过p c b a s e dp l c 的驱动引擎接口，一种p c b a s e dp l c 可以使用多种软件开发，一种开发软件也可用于多种p c b a s e dp l c 硬件。工程设计人员可以利用不同厂商的p c b a s e dp l c 组成功能强大的混合控制系统，然后统一使用一种标准的开发界面，用熟悉的编程语言编制程序，以充分享受标准平台带来的益处，实现不同硬件之间软件的无缝移植，与其它p l c 或计算机网络的通讯方式可以采用通用的通信协议和低成本的以太网接口。目前，利用p c - b a s e dp l c 设计的控制系统已成为最受欢迎的工业控制方案，p l c 与计算机已相互渗透和结合，不仅是p l c 与p l c 的兼容，而且是p l c与计算机的兼容使之可以充分利用p c 现有的软件资源。而且i e c 6 1 1 3 1 - 3 作为统一的工业控制编程标准已逐步网络化，不仅能与控制功能和信息管理功能融为一体，并能与工业控制计算机、集散控制系统等进一步的渗透和结合，实现大规模系统的综合性自动控制。1 1 2 软p l c 的产生背景长期以来，计算机控制和传统p l c 控制一直是工业控制领域的两种主要控制方法。p l c 自1 9 6 9 年问世以来，以其功能强、可靠性高、使用方便、体积小两华大学硕士学位论文等优点在工业自动化领域得到迅速推广，成为工业自动化领域中极具竞争力的控制工具。但传统p l c 的体系结构是封闭的，各个p l c 厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统各异，用户选择了一种p l c 产品，必须选择与其相应的控制课程，学习特定的编程语言，不利于终端用户的扩展功能。1 9 9 0 年美国国家制造科学中心( n c m c ) 提交了一份名为“n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i ne o n t r o l l er e q u i r e m e n td e f i n i t i o nd o c u m e n t ”的报告，提出1 7 5 条未来制造业对p l c 技术的要求。随后，欧共体提出o s a c a ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划，对自动化生产领域的p l c 提出了系统开放、公共协议标准化等新要求。1 9 9 3 年，为规范p l c 编程语言。i e c ( 国际电工委员会) 发布了i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准。i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的推出和实施，有力地推动了各种p l c 间的兼容和统一，有力地推动了软p l c 技术的发展。近年来，工业自动化控制系统的规模不断扩大，控制结构更趋分散化和复杂化，需要更多的用户接口。同时，企业整合和开放式体系的发展要求自动控制系统应具有强大的网络通讯能力，使企业能及时地了解生产过程中的诸多信息，灵活选择解决方案，配置硬件和软件，并能根据市场行情，及时调整生产。此外，为了扩大控制系统的功能，许多新型传感器被加装到控制单元上，但这些传感器通常都很难与传统p l c 连接，并且传统p l c 价格较贵。因此，改革现有的p l c 控制技术，发展新型p l c 控制技术己成为当前工业自动化控制领域迫切需要解决的技术难题。虽然计算机控制技术能够提供标准的开发平台、高端应用软件、标准的高级编程语言及友好的图形界面，但其在恶劣控制环境下的可靠性和可扩展性受到限制。因此，人们在综合计算机和p l c 控制技术优点的基础上，逐步提出开发一种基于p c 的新型控制技术：软p l c 控制技术。1 1 3 软p l c 技术的优势与传统p l c 相比，s o r p l c 技术具有符合现代工业控制技术的许多优点。1 具有开放的体系结构s o f l l p l c 具有宽范围的i o 端口和多种现场总线的接口，支持多种硬件，2西华大学硕士学位论文能解决传统p l c 互不兼容的问题，并具有第三方软件接口，可支持多种语言编程( 包括高级语言) 。可允许用户根据需求，灵活扩展系统功能。2 遵循国际工业标准和事实上的工业标准，如i e c 6 1 1 3 1 3 、i e c 6 1 4 9 1 。3 能充分利用p c 机的资源，如大容量的内存、高速c p u 及其它硬件。4 具有更强的数据处理能力相对于传统p l c ，软p l c 的处理速度更快，能够在短时内处理大量数据，能够利用p c 机的软件平台处理一些比较复杂的数据及数据类型，如浮点数和字符串等。5 具有友好的人机界面，便于操作。6 具有强大的网络通讯功能软p l c 既可以与企业管理信息系统相连，便于企业的整合，也可以监控工厂的设备运行，实现数据传输以及在线监控、编辑、仿真、调试等功能。7 能够执行比较复杂的控制算法软p l c 除了能够完成传统p l c 的p i d 调节和离散i 0 控制外，还能完成过程控制和运动控制等功能。8 节约成本和培训费用由于软p l c 具有开放的体系结构，用户不必拘泥于厂家限制，可以根据需求，合理选择硬件和软件，以节约成本。1 2 软p l c 的发展现状软p l c 技术是目前国际工业自动化领域逐渐兴起的一项基于p c 的新型控制技术。目前，在欧美等西方国家都把软p l c 作为一个重点对象进行研究开发。国外已投入市场的软p l c 产品较多。据了解，在美国底特律汽车城，大多数汽车装配自动生产线、热处理工艺生产线等都已由传统p l c 控制改为软p l c 控制。国内能见到的软p l c 产品的演示版或正式发行版有德国k w - s o f a v a r e 公司的m u l t i p r o gw t 3 2 、法国c ji n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g r a f 、法国s c h n e i d e r a u t o m a t i o n 公司的c o n c e p tv 2 1 以及w o n d e r w a r e 公司的i n c o n t r o l 7 0等。目前国内在这方面也开展了部分基础技术研究工作，但起步较晚，至今尚西华大学硕十学位论文未有成熟的产品出现。东南大学开发的面向d c s 控制组态软件中包含一些软p l c 功能，它只是d c s 系统的一部分，不能独立运行。华中科大学对软p l c技术进行了大量的研究，取得了一定的成果。机械学院开发的数控内嵌式p l c具有软p l c 的特点，但功能单一，不能作为独立系统运行，且无联网通讯能力。国家数控系统工程与研究中心开展了开放式数控系统中的软p l c 技术研究，提出了一种基于开放式数控系统的嵌入式软件p l c 子系统的实现方法，给出了一个软p l c 的结构模型，并对p l c 梯形图程序编程环境、梯形图程序与语言程序的相互转换、p l c 程序执行等软件部件的设计和开发进行了研究。清华大学制造工程研究所研制了一种基于r tl i n u x 实时操作系统的软件p l c ，既可以作为一个独立模块和不同的c n c 系统协工作，也可以嵌入到t h h p - - i i 型数控系统内部运行在同一台算机上。此外，西安交通大学、西北工业大学、北京工业大学也在这方面作了一些基础研究工作。1 3 基于p c 控制系统分析1 3 1 基于p c 控制的发展状况近年来，个人计算机技术得到了迅猛发展，p c 的成本不断降低，它的速度、可靠性在不断增长，特别是p c 体系结构被越来越多的人所接受，应用的范围也越来越广。在这种情况下，各控制系统生产厂家纷纷推出以p c 机作为控制系统软、硬件平台的控制系统。基于p c 的控制系统是国际上继p l c 和d c s 之后推出的工业控制系统。目前在工业控制领域基于p c 的控制系统得到日益广泛的应用。同时由于计算机软件技术、硬件技术的迅速发展以及工控领域国际编程标准i e c 6 1 1 3 1 3 的制定和推广应用，在工业p c 上以软件技术实现硬p l c的功能，即软p l c 技术，成为一项新兴的技术。1 3 2 基于p c 控制的优越性基于p c 的控制将p l c 的功能、编程设备、h m i 、数据采集集成到一个统一的开放的系统平台。采用开放的p c 平台和硬件，开放的总线网络协议标准。用户不再限制于某一个硬件生产厂商的产品和服务。基于p c 的自动化系统的典型配置是在工业p c 中插入一个现场总线通信卡，通过现场总线与现场的各4西华大学硕士学位论文类i o 模块系列、控制模块系列相连就可存取现场的所有数据，或通过智能外围设备处理过程数据，以完成传统p l c 或d c s 装置所能完成的各种数据处理和控制任务。基于p c 的控制系统具有良好的开放性。全面支持p c ，通过o p c 能够方便地与第三方控制产品建立通信，便于与其它产品集成。基于p c 的控制系统简单易用。p c + 现场总线+ 分布式i o 与传统的p c + p l c的体系相比，其优点表现为简化了系统的网络结构和设备设计、简化了复杂的通信接口、提高了系统的通信效率、降低了硬件投资，易于调试和维护。熟悉的p c 操作系统，简单的系统和网络结构，方便的编程和组态软件使用户能在短时间内掌握技术要领。基于p c 的控制系统具有很强的兼容性。采用了与p l c兼容的编程工具，继承了工程师的编程经验，具有很强的兼容性。系统具有独立于制造商的标准，采用通用的标准。基于p c 的控制系统能大幅度节省投资。与传统的p l c 解决方案相比，基于p c 的自动化控制系统有明显的性能价格优势。基于p c 的自动化控制系统可以减少设备投资。系统集成简单、系统开放的特点使工程维护、培训的费用大大降低。p c 的处理能力日益增强，处理器的处理速度，每隔几个月就会翻一番。充分利用了p c 超强功能，使基于p c 的控制系统在有数据处理、用户算法和多回路调节的控制任务中能够满足用户的需求。基于p c 的一体化设计提高了控制器、人机界面和网络部件的数据交换速度。目前，国外许多工业控制系统开发商正在发展基于p c 的控制系统，推出了符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的产品。1 4 课题的来源和研究意义1 课题的来源四川省教育厅创新基金项目2 课题的研究意义传统p l c 的一大缺陷是，世界上各大p l c 厂家的产品的硬件、软件的体系结构都是封闭的而不是开放的，彼此互不兼容，有的差异还非常大，绝大多西华大学硕士学位论文数的p l c 都有自己的专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语法结构又不一致。这给用户带来了诸多不便，也不利于p l c 移植。p l c 编程语言的标准化己经是当今p l c 发展的一大趋势，遵循i e c 6 1 1 3 1 3显然是p l c 开发的的首要选择。i e c 6 1 1 3 1 - 3 对多种p l c 语言进行了支持，而多语言支持的新型p l c 能使广大的计算机工程人员、机械工程人员、电气工程人员能够较快地掌握p l c 的编程技术，这对推动p l c 在电气、机械工程中的应用，提高我国制造业的自动化水平有着重要意义。1 5 本文所进行的主要工作本文主要完成了以下研究工作：1 项目的需求分析和总体设计2 用户界面的设计与实现3 编辑器( 包括梯形图编辑器、i l 编辑器和s t 编辑器) 的设计与实现4 编译器( 包括i l 编译器和s t 编译器) 的设计与实现5 项目管理模块设计6 仿真模块的设计7 下位机系统的实现分析6西华大学硕士学位论文2i e c 6 11 3 1 - 3 标准分析研究2 1 i e c 6 11 3 1 3 标准简介i e c 6 1 1 3 1 - 3 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种类繁多的概念及语言进行了标准化，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 l c 、f c s 、i p c 、c n c 以及s c a d a 的编程系统事实上的标准。以往各个生产厂家的产品不仅硬件各异，其软件编程也是五花八门。用户每使用一种p l c 时，不仅要重新熟悉其硬件结构，也必须重新学习软件编程的方法和规定。因此，用户对软件编程标准化的呼声很高。为此，国际电工委员会( i e c )于1 9 9 3 年发公布了有关可编程序控制器标准化编程的i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准。i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准为研发基于p c 平台的软p l c 提供了规范的国际标准。i e c 6 11 3 标准是有关可编程序控制器的硬件、安装、试验、编程、通讯等方面的国际标准。其中i e c 6 1 1 3 1 3 是p l c 编程语言标准，它详细地说明了句法、语义以及五种编程语言。这五种编程语言，其中三种是图形化语言，另两种是文本化语言。图形化语言有梯形图l a d ( l a d d e rd i a g r a m ) ，顺序功能图s f c( s e q u e n t i a lf u n c t i o nc h a r t ) ，功能块图f b d ( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) 。文本化语言有指令表i l ( i n s t r u c t i o nl i s t ) 和结构文本s t ( s t r u c t u r e dt e x t ) 。在这五种编程语言中：指令表和结构化文本，易于实现一些复杂的算法。顺序功能图、梯形图和功能块图，则擅长处理逻辑控制。同时该标准还允许在同一项目中使用多种语言进行混合编程，而且支持p o u 程序组织单元的重复使用，为不同知识背景的编程人员提供了方便。i e c 6 1 1 3 1 3 不仅描述p l c 编程语言自身，还为建立p l c 项目提供综合的概念和导则。国际上各大p l c 厂商都在推出其编程软件新产品时，遵循该标准的各种规定。大多数p c 控制的软件开发商都按照i e c 6 1 1 3 1 3 编程语言标准规范其软件产品的特性。现阶段，出现了一种开放式的可编程控制器编程软件包，不具体地依赖于特定的p l c 硬件产品，为p l c 的程序在不同机型之间的移植提供了可能。西华大学硕士学位论文2 2 标准公共元素分析公共元素定义了i e c6 1 1 3 1 3 所有编程语言都用到的公共特征和元素，包括名词定义及基本语法和语义，具体有以下内容。1 字符的使用原则字符的使用原则包括如下内容：( 1 ) 字符集：所有文本语言和图形语言中的文本描述部分，其字符来自于变量、新数据类型、功能块及程序的命名，字符串允许下划线字符但必须带字符前缀，字符串中不允许有连续的两个下划线。( 2 ) 关键字：i e c6 1 1 3 1 3 为编程语言定义了一组关键字，关键字为程序语言所保留，不能当标示符使用。在编程过程中，关键字以加深黑体字表示。例如：以下都是标准保留的关键字v a r i n p u te n dv a r i n p u tf u n c t i o nr e t a i n( 3 ) 空格的使用：在编程中除了关键字、标示符、变量及组合分界符外，在其他地方可以插入任意空格。( 4 ) 注释：允许在程序任何地方插入用户的程序注释，注释必须由特殊的字符开始和结尾以区分程序其他部分。如：( + af r a m e dc o m m e n t * )( 5 ) 数据的表示方法：包括数字表示、字符串数值表示和时间数值表示方法。2 数据类型( d a t at y p e s )大多数传统的编程系统普遍使用b i t ，b y t e ，w o r d ，d w 0 r d 等数据类型，但是，即使是简单的整型数值，不同的厂商的系统之间仍会出现细微的区别( 如有符号无符号) 。因此，在大多数情况下，要想移植有不兼容的数据类型的程序，需要做大量的改动。因此，i e c6 1 1 3 1 - 3 定义了控制编程最常用的数据类型，将数据类型的含义和使用统一起来，为实现控制程序的可移植性打下基础。i e c 6 1 1 3 1 3 标准除了基本数据类型，还定义了利用基本数据类型实现用户自定义数据类型的方法。3 变量( v a r i a b l e s )8西华大学硕士学位论文变量定义将数据对象与特定的变量名对应起来，任何数据在计算机中都是保存在特定地址的内存中，故该变量名保存的即是指向该内存的地址指针( 可以是输入、输出地址或内存地址) “局部变量( l o c a lv a r i a b l e ) ：变量一般都被声明为局部变量，该变量只在声明该变量的程序组织单元( p o u ) 中有效，这些局部变量的变量名，就不会与别的p o u 中相同的变量名发生冲突。全局变量( g l o b a lv a r i a b l e ) ：当变量与实际物理点相连或者希望变量可以在多个p o u 中使用，则这些变量要声明为全局变量，例如：v a r _ g l o b a lf 1 0 1 一s e t p o i n t - o o hr e a l )f 1 0 1 一s e t p o i n t0 0 2 ：r e a l ；e n d v 久r外部变量( e x t e r n a lv a r i a b l e ) ：一旦变量被声明为全局变量，则它们在别的p o u 中使用时需要被声明为外部变量，例如：v a re x t e r n a lf 1 0 1 s e t p o i n t o o hr e a l ；f 1 0 1 一s e t p o i n t _ 0 0 2 ：l 也a l ；e n d v f r输入输出变量( i n p u t o u t p u t ) ：输入输出变量是一种特殊的局部变量。当函数或功能块被创立，必然有一些输入端和输出端，这些输入和输出端就属于输入输出变量，例如：v a r i n p u ti n p u t ：r e a l ：r e s t ：b o o l ：= f a l s e ；e n d v a rv a r o u t p u to u t p u tp r e v i o u s ：r e a l ：= 1 0 + 3 0 ：e n d 幔变量声明时可给该类型的变量定义属性，如r e t a i n ，p e r s i s t e n t 属性，9西华大学硕士学位论文而且还可定义变量的数据类型和初始值，变量的数据类型可以是基本数据类型，也可是自定义的数据类型。直接地址访问变量：除了上述通过变量定义访问数据的方法外，i e c 6 1 1 3 1 3还保留了传统p l c 的直接地址访问方式。它们以“”起始，后面紧跟字母“i ”( 代表输入) 、“q ”( 代表输出) 或“m ”( 代表标志内存变量) ，然后是另一个指示数据长度的字母，有的还有“x ”( 代表位地址) 。从以上这些公共元素的介绍可以看出，i e c6 1 1 3 1 3 对字符、注释、关键字、数据类型及变量等的定义，与普通的计算机编程语言如p a s c a l 、c 语言对上述元素的定义没有本质的区别，原理、方式和风格都很接近。从中也可以看出，i e c6 1 1 3 1 3 虽然是一种工业控制编程语言，但其技术来源还是计算机的编程技术。2 3 标准编程语言的组织结构p o u ( p r o g r a mo r g a n i s a t i o nu n i t 程序组织单元) 对应于传统编程系统中的块，p o u 彼此之间能够带有或不带有参数地相互调用，p o u 是用户程序中最小的、独立的软件单元。p o u 分为f u n c t i o n ( f u n 功能) 、f u n c t i o nb l o c k ( f b 功能块) 和p r o g r a m( p r o g 程序) 等三种类型。功能和功能块的主要区别在于，相同输入参数调用时，功能总是产生相同的结果( 功能值) ，功能没有“记忆”特性。程序代表p l c 用户的最高层，能存取p l c 的i o 口，并能使它们能为其它p o u 所存取。i e c 6 1 1 3 1 3 标准使用变量( v a r i a b l e ) 以存储信息。但是，它们的存储位置不再需要由用户自行定义，而是由编程系统自行进行管理，每个变量具有固定的数据类型。i e c 6 1 1 3 1 - 3 规定若干数据类型，这些数据类型在位( b i t s ) 数量和符号的使用方面有所不同。用户可以定义新的数据类型。2 3 1 程序组织单元( p o u )i e c 6 1 1 3 1 3 引入构成程序和项目的块，即程序组织单元( p o u ) 。程序组织单元p o u 对应于传统p l c 编程领域的程序块、组织块、顺序块和功能块。i e c 6 1 1 3 1 3 标准很重要的一个目的就是限制块的多样性，并同时隐含块类型的1 0西华大学硕士学位论文含义，统一并简化块的用法。i e c 6 1 1 3 1 3 将p l c 制造商的块类型的种类减少成为三种统一的基本类型。新标准定义了三种p o u 类型，如图2 - 1 所示，三种类型p o u 的功能如表2 - 1所示。f i g u r e2 - 1p o u图2 - 1 程序组织单元表2 - 1t y p e o f p o ut a b l e 2 1 程序组织单元类型p o u t y p ek e y w o r dm e a n i n gp r o g r a mp r c l ( 珏己a mm a i np r o g r a mi n c l u d i n ga s s i g n m e n tt oi o ，g l o b a lv a r i a b l e sa n da c c e s sp a t h sf u n c t i o nf u n c t i o nb l o c kw i t hi n p u ta n d _ o u t p u tv a r i a b l e s ；t h i si st h em o s tb l o c kb l o c kf r e a u e n t l vu s e dp o ut y p ef u n c t i o nf u n c t i o nb 1 0 c kw i t hf u n c t i o nv a l u ef o re x t e n s i o no ft h eb a s i cp l co p e r a t i o ns e t1 f u n c t i o n ( f u n )可以赋予参数但没有静态变量( 没有记忆特性) 的p o u ，当以相同输入参数调用时，它总是产生相同的结果作为其功能值( 输出) ，是没有内部状态( 没有运行时的内存分配) 的基本算法单元。只要给定相同的输入参数，调用函数西华大学硕士学位论文必定得到相同的运算结果，绝对没有二义性。各种数学运算函数，如s i n ( x ) 等，就是典型的函数类型。2 f u n c t i o nb l o c k ( f b )可以赋予参数并具有静态变量( 具有记忆) 的p o u ，当以相同参数调用时，f b 的输出值取决于其内部变量和外部变量的状态，这些变量在功能块执行到下一次的执行过程中保持不变，是面向对象特性的基本算法单元。功能块保留有自己特殊的内部变量，即私有数据，控制器目标执行系统必须给功能块的内部状态变量分配内存，这些内部变量构成自身的状态特征。功能块的执行逻辑构成了自身的对象行为特征。所以，对于相同参数的输入变量值，由于可能存在不同的内部状态变量，当然就可能得到不同的计算结果。这种面向对象的特性功能块是构成p l c 的主要积木式部件，它们由程序和功能块所调用，他们自身也能调用功能和其它功能块。功能块是独立的、封装的数据结构，具有工作于该数据的已定义的算法，算法由f b 代码部分表达。数据结构对应于f b 实例并可以被调用，这对于通常的数据接口是不可能的。从每一种f b 类型可以导出任意数量的实例，每个实例都相互独立。f b 工作于其自身的数据区、该数据区包括输入、输出和局部变量。在以前的p l c 中，f b 通常工作于全局数据区。程序员通过在说明部分指定变量名和数据类型来建立变量称为实例化，下面是一个实例化的例子。m o t e r l ：v a l v e ( 变量名) ；m o t o r t y p e ：b o o l ( 数据类型) ；f b 实例名，f b 类型由用户自己定义。利用i e c 6 1 1 3 1 - 3 实例化的方法，可以统一依赖于制造商的f b 和用户自己定义的f b 的使用。实例名对应于符号名或多数p l c 编程系统所使用的符号名，f b 类型对应于其接口类型。下面给出实例化在说明部分的具体应用：跚f i l l l e v e l：u n i t ；e m s t o p：b o o l ：t i m e 9：t o n it i m e 3：t o n ：西华大学硕士学位论文c o u n t d o w n：c i 。d ：g e n c o u n t e r：c t u d ：e n d v a r3 p r o g r a m ( p r o g )这种类型的p o u 代表主程序，整个程序中所有赋予物理地址( 例如p l c的输入和输出) 的变量必须在这个p o u 或其上层( 资源、配置) 中予以说明，在其它行为特性方面和f b 一致。p r o g 和f b 都具有输入和输出参数，但在另一方面，f u n 只具有输入参数和作为返回值的功能，以前这些特性只限在功能块内使用。p o u 是一个封装的单元，它可以独立地由其它程序部件进行编译，但是编译器需要其它p o u 的调用接口的有关信息，被编译的p o u 能相互链接以建立一个完整的程序。在i e c 6 1 1 3 1 3 中，不允许其它高级语言中应用的局部子程序。这样在对一个p o u 编程后，其名称及其调用接口将为此项目中所有的其它p o u 所认知，也就是说p o u 名称总是全局的。p o u 的独立性有利于自动化任务的模块化扩展，以及已实现和已测试的软件单元的重复使用。2 3 2p o u 的元素构成p o u 由三部分组成，即p o u 类型和名称、带有变量说明的说明部分、带有p o u 指令的主体，其元素构成如图2 2 所示。明部分码部分主程序功能块函数f i g u r e2 - 2e l e m e n tc o n s t i t u t i o n o f p o u图2 - 2p o u 元素构成西华大学硕士学位论文说明部分和代码部分具体应用的详细介绍如下。1 说明部分定义p o u 内所使用的变量，应注意区别p 0 u 外部可视变量和p o u 局部变量。在p o u 的代码部分，使用编程语言对逻辑电路或算法进行编程。在i e c 6 1 1 3 1中，变量用于初始化、处理和存储用户数据。在每个p o u 的开始部分必须说明变量，变量赋予的数据类型必须是已知的。对不同的数据类型，p o u 变量的说明部分分为不同的段，每个说明部分( 浓e n d v a r ) 对应于一种变量类型，并可以包括一种或多种变量。程序组织单元变量类型如表2 - 2 所示。表2 - 2 程序组织单元变量t a b l e 2 2v a r i a b l et y p eo f p o uv a r i a b l et y p ea p p l i e st op r o g r a mf u b c t i o nb l o c kf u n c t i o nv 九ry e sy e sy e sv a r o u t p u ty e sy e sn ov 气ri no u ty e sy e sn ov a r e x t e r n a ly e sy e sn 0v a r g o b a ly e sn 0n ov a ra c c s sy e sn 0n ov a ri n p u ty e sy e sy e sp o u 接口以及在p o u 中使用的局部数据区是借助于在说明块中将p o u 变量赋予变量类型进行定义的。p o u 接口分为以下几个部分：调用接口：形式参数( 输入和输入偷出参数)返回值：输出参数或功能返回值全局接口：带有全局外部变量和存取路径调用接口的变量也成为形式参数。调用一个p 0 u 时，形式参数为实际参数代替，形式参数被赋予实际值或常数。2 代码部分1 4西华大学硕士学位论文p o u 的指令或代码部分紧接说明部分